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傳統粗紗機，多采用錐輪（俗稱鐵炮）和差速箱裝置，機械結構上較復雜，依賴于更換齒輪等方式的調整紡紗參數方式，已不適應客戶對高速、高質、大卷裝、人機友好型粗紗機需求；同時現代紡織技術及工藝的差異化發展，要求紡紗過程中能快速有效的調整控制諸元．目前我公司開發的獨立四軸懸錠粗紗機，很好的適應這一要求。
關鍵詞：粗紗機；PLC；伺服；變頻器；HMI
一． 引言
粗紗機是將并條后的熟條加工成不同號數和捻度的粗紗，供細紗機紡制細紗的設備，適用普梳和精梳棉型纖維、60mm以下的化學纖維及其它混紡纖維。
我國粗紗機的技術進步，在過去幾十年中相對于傳統紡紗的其他設備發展較為滯后．這其中有多道粗紗機改單程粗紗機，并受細紗技術進步的影響和超大牽伸細紗機研制開發爭論的干擾。20世紀90年以來，隨著先進的粗紗機機械結構和控制理論的成熟，適應客戶要求的高速、高質、大卷裝、人機友好型粗紗機得到快速發展。
粗紗機就落紗過程的不同，分托錠式和懸錠式；其中懸錠式粗紗機依據電機軸數量又分： 兩軸式、三軸式、四軸式和七軸式粗紗機；四軸懸錠式粗紗機為本輪技術發展的重點．四軸懸錠式粗紗機又分帶差速箱式和四軸獨立式；本文基于臺達機電產品，就變頻和伺服構成的四軸獨立式懸錠粗紗機闡述其技術要點．
二．機械結構及相關工藝
1.四軸獨立懸錠式粗紗機整體結構如圖1：
傳動結構 如圖2：
事實上，完整的懸錠粗紗機還應包含清潔裝置：懸錠粗紗機普遍采用積極回轉式上下清潔器．由于其結構獨立，工作方式較為簡單，本文不再贅述。
三．基于臺達機電產品的電氣系統構架
1. 電氣系統的構架考量
四軸獨立懸錠式粗紗機，控制系統的關鍵在于四軸的同步比例聯動，來模擬兩軸粗紗機差速箱合成各軸速度的過程；四軸獨立懸錠式粗紗機系統動作過程中，各軸速度要求有高的響應性和穩定性。同時，電機對外部負載的合理變化要求有快速而有效的應變能力。
基于設備的以上技術特征和客戶高品質要求，結合臺達完整、全面的產品線，我們選用臺達EH2系列PLC作為主控，選用臺達VE系列高性能矢量變頻器控制錠翼軸；臺達A+系列大功率伺服系統控制卷繞軸；羅拉軸和龍筋軸分別選用臺達AB系列伺服系統控制；觸摸屏為臺達A系列真彩界面。
2. 電氣系統的整體構架
構建的電氣系統 如圖4：
A．觸摸屏： 四軸懸錠式粗紗機參數設定量大，本屏可直觀、便捷的設定和監控各種參數；
B．PLC： EH2系列型，運算速度快，支持4路高速脈沖輸出，穩定可靠，可依據控制工藝擴展I/O點數；
C．羅拉伺服：提供羅拉軸動力，速度恒定，大小決定于錠翼轉速和捻度；
D．卷繞伺服：提供紗管卷繞動力，速度隨紗的卷繞直徑增大而降低；
E．龍筋伺服：提供龍筋升降動力，升降速度越小，紗線纏繞越密；
F．錠翼變頻：提供錠翼旋轉動力，速度恒定，由觸摸屏設定；變頻系統加裝速度回授PG卡，電機加裝臺達編碼器，實現閉環控制．考慮到粗紗機電控箱的配置離機頭較遠，應用現場電磁環境復雜，建議選用差動型編碼器。
4. 周邊控制線路
根據工藝要求，粗紗機身上并聯安裝多組操作盒，每組操作盒上設啟動、停止、點動按鈕，均能啟停點動整臺機器，以方便檔車工操作；紡紗過程中，斷紗斷條均要求自動停車，故加裝光電傳感器，已檢測紗條是否工作正常；紡紗成型完成，龍筋自動下降到落紗位置，方便擋車工快速取下紗錠；同時，紗錠取下完成一次紡粗紗后，再次安裝新的紗管，操作觸摸屏相關按鈕，要求龍筋自動上升到初繞位置停止，將新穿過錠翼的紗線手工纏繞在紗管初繞位置，操作啟動按鈕，新的紡紗過程開始．這就要求，在龍筋上下升降的行程中，加裝落紗位置檢測開關、初繞位置檢測開關．考慮到龍筋上下升降行程不能超過極限值，必須加裝龍筋上下極限檢測開關。
以上控制點，直接接入PLC輸入點，控制邏輯由PLC運算處理。
1. 紗線張力控制
四軸懸錠式粗紗機，從羅拉牽伸出的紗線，需穿過錠翼形成捻度再纏繞在筒管上，整個過程是一個動態過程；由于捻度有限，紗線的極限張力較小，在整個紡紗過程，受傳動機械比例聯動同步性的波動、紗管時時直徑理論值和實際值的誤差，造成紗線出紗位置的上下波動（如圖3箭頭處所示），大的波動不僅影響紗錠成型質量，甚至超成斷頭，使整機停機，影響紡紗效率。
目前行業內主要分兩種途徑解決上述問題：
第一種： 由張力CCD傳感器在線檢測粗紗張力，反饋到PLC運算。
這種方式，減低了核心運算難度，簡化了纏繞和龍筋軸的控制計算量．但由于CCD檢測在實際使用過程中，對環境要求較高，必須保持鏡面清潔，且面對市場成本壓力，此種解決方式普及度并不高，但值得關注。
第二種： 在標準理論計算公式下，增加張力補償程序，進而微調紗管旋轉速度和龍筋升降速度，達到調整粗紗張力的目的．同時針對不同的紗線要求自動調用不同的補償系數．其普遍采用的是補償微調卷繞軸速度。
此種方式，成本小，效果明顯，不依賴于檢測外部器件，柔性好．但調試時要反復測試，不斷積累不同紗線在不同層數的修正系數值．本案采用此方式。
2．龍筋位置的斷電記憶
在紡紗時，紗錠纏繞未完成時系統外部斷電是經常存在的，重新上電后，要求粗紗機能繼續斷電前位置和參數繼續紡紗。
由于市場大多伺服系統驅動器為增量式編碼器，斷電不能記憶軸當前位置；本案通過4N25光偶連接PLC與伺服驅動器編碼器輸出口，通過PLC斷電記憶區來記憶斷電前位置值。其連接方式 如圖6。
在粗紗機紡紗處于初始階段和將要完成時，紗錠半徑對應較小或較大，此時若以屏設最高速度運轉，紗線在纏繞邊緣的離心力與紡紗中段差別較大，不利于形成高質量紗錠．這就要求紡紗初始階段和將要完成時整機速度降低運行，減少斷頭率，提高成紗質量．程序中必須設計各個紡紗階段的自動速度轉換程序。
以上述方案為依托研發的四軸獨立懸錠式粗紗機已在山東某紡織機械廠研發成功，錠翼速度最高可達1350r/min,紗錠成型勻稱，紗線排布一致性好，一次成型紗線長度可達3200m；捻度、紗錠成型角度、成型長度、紡紗長度等均可柔性設定。紡紗張力更為穩定，在錠速1100r／min條件下斷頭在0.5根／臺·小時以內。具備自動落紗和自動找初繞位置功能，有效降低擋車工勞動強度，提高了勞動效率，市場前景廣闊。
臺達擁有變頻器、PLC、伺服系統、人機界面、編碼器等完整工業控制器件產品線，為客戶提供先進全面的解決方案．針對粗紗機行業，臺達可提供兩軸式、三軸式、四軸式變頻或伺服系統整體解決方案，同時可滿足客戶個性化要求．基于紡織行業技術的不斷進步，公司專門成立的紡織行業應用處，服務紡織行業。
參考文獻
1 周琪. 紡織機械基礎概論.北京：中國紡織出版社.2006.
2 周炳榮.紡紗機械 .北京：中國紡織出版社.1999.
3 臺達VFD-VE變頻器使用手冊 .中達電通股份有限公司.2007.
4 臺達ASDA AB系列伺服驅動器應用技術手冊. 中達電通股份有限公司.2007
5 臺達DVP-PLC應用技術手冊(程序篇). 中達電通股份有限公司.2006
關鍵詞：粗紗機；PLC；伺服；變頻器；HMI
一． 引言
粗紗機是將并條后的熟條加工成不同號數和捻度的粗紗，供細紗機紡制細紗的設備，適用普梳和精梳棉型纖維、60mm以下的化學纖維及其它混紡纖維。
我國粗紗機的技術進步，在過去幾十年中相對于傳統紡紗的其他設備發展較為滯后．這其中有多道粗紗機改單程粗紗機，并受細紗技術進步的影響和超大牽伸細紗機研制開發爭論的干擾。20世紀90年以來，隨著先進的粗紗機機械結構和控制理論的成熟，適應客戶要求的高速、高質、大卷裝、人機友好型粗紗機得到快速發展。
粗紗機就落紗過程的不同，分托錠式和懸錠式；其中懸錠式粗紗機依據電機軸數量又分： 兩軸式、三軸式、四軸式和七軸式粗紗機；四軸懸錠式粗紗機為本輪技術發展的重點．四軸懸錠式粗紗機又分帶差速箱式和四軸獨立式；本文基于臺達機電產品，就變頻和伺服構成的四軸獨立式懸錠粗紗機闡述其技術要點．
二．機械結構及相關工藝
1.四軸獨立懸錠式粗紗機整體結構如圖1：
圖1 整機圖
傳動結構 如圖2：
圖2 傳動結構
圖中 1.卷繞伺服電機 2 .羅拉伺服電機 3. 錠翼變頻電機 4 .龍筋升降電機
5 .羅拉裝置（其牽伸原理如圖3） 6 .錠翼裝 7 .卷繞裝置
8 .龍筋9 .萬向節
圖3 羅拉牽伸原理
事實上，完整的懸錠粗紗機還應包含清潔裝置：懸錠粗紗機普遍采用積極回轉式上下清潔器．由于其結構獨立，工作方式較為簡單，本文不再贅述。
三．基于臺達機電產品的電氣系統構架
1. 電氣系統的構架考量
四軸獨立懸錠式粗紗機，控制系統的關鍵在于四軸的同步比例聯動，來模擬兩軸粗紗機差速箱合成各軸速度的過程；四軸獨立懸錠式粗紗機系統動作過程中，各軸速度要求有高的響應性和穩定性。同時，電機對外部負載的合理變化要求有快速而有效的應變能力。
基于設備的以上技術特征和客戶高品質要求，結合臺達完整、全面的產品線，我們選用臺達EH2系列PLC作為主控，選用臺達VE系列高性能矢量變頻器控制錠翼軸；臺達A+系列大功率伺服系統控制卷繞軸；羅拉軸和龍筋軸分別選用臺達AB系列伺服系統控制；觸摸屏為臺達A系列真彩界面。
2. 電氣系統的整體構架
構建的電氣系統 如圖4：
圖4 電氣系統構架
A．觸摸屏： 四軸懸錠式粗紗機參數設定量大，本屏可直觀、便捷的設定和監控各種參數；
B．PLC： EH2系列型，運算速度快，支持4路高速脈沖輸出，穩定可靠，可依據控制工藝擴展I/O點數；
C．羅拉伺服：提供羅拉軸動力，速度恒定，大小決定于錠翼轉速和捻度；
D．卷繞伺服：提供紗管卷繞動力，速度隨紗的卷繞直徑增大而降低；
E．龍筋伺服：提供龍筋升降動力，升降速度越小，紗線纏繞越密；
F．錠翼變頻：提供錠翼旋轉動力，速度恒定，由觸摸屏設定；變頻系統加裝速度回授PG卡，電機加裝臺達編碼器，實現閉環控制．考慮到粗紗機電控箱的配置離機頭較遠，應用現場電磁環境復雜，建議選用差動型編碼器。
4. 周邊控制線路
根據工藝要求，粗紗機身上并聯安裝多組操作盒，每組操作盒上設啟動、停止、點動按鈕，均能啟停點動整臺機器，以方便檔車工操作；紡紗過程中，斷紗斷條均要求自動停車，故加裝光電傳感器，已檢測紗條是否工作正常；紡紗成型完成，龍筋自動下降到落紗位置，方便擋車工快速取下紗錠；同時，紗錠取下完成一次紡粗紗后，再次安裝新的紗管，操作觸摸屏相關按鈕，要求龍筋自動上升到初繞位置停止，將新穿過錠翼的紗線手工纏繞在紗管初繞位置，操作啟動按鈕，新的紡紗過程開始．這就要求，在龍筋上下升降的行程中，加裝落紗位置檢測開關、初繞位置檢測開關．考慮到龍筋上下升降行程不能超過極限值，必須加裝龍筋上下極限檢測開關。
以上控制點，直接接入PLC輸入點，控制邏輯由PLC運算處理。
圖5 觸摸屏程序之參數設定界面
1. 紗線張力控制
四軸懸錠式粗紗機，從羅拉牽伸出的紗線，需穿過錠翼形成捻度再纏繞在筒管上，整個過程是一個動態過程；由于捻度有限，紗線的極限張力較小，在整個紡紗過程，受傳動機械比例聯動同步性的波動、紗管時時直徑理論值和實際值的誤差，造成紗線出紗位置的上下波動（如圖3箭頭處所示），大的波動不僅影響紗錠成型質量，甚至超成斷頭，使整機停機，影響紡紗效率。
目前行業內主要分兩種途徑解決上述問題：
第一種： 由張力CCD傳感器在線檢測粗紗張力，反饋到PLC運算。
這種方式，減低了核心運算難度，簡化了纏繞和龍筋軸的控制計算量．但由于CCD檢測在實際使用過程中，對環境要求較高，必須保持鏡面清潔，且面對市場成本壓力，此種解決方式普及度并不高，但值得關注。
第二種： 在標準理論計算公式下，增加張力補償程序，進而微調紗管旋轉速度和龍筋升降速度，達到調整粗紗張力的目的．同時針對不同的紗線要求自動調用不同的補償系數．其普遍采用的是補償微調卷繞軸速度。
此種方式，成本小，效果明顯，不依賴于檢測外部器件，柔性好．但調試時要反復測試，不斷積累不同紗線在不同層數的修正系數值．本案采用此方式。
2．龍筋位置的斷電記憶
在紡紗時，紗錠纏繞未完成時系統外部斷電是經常存在的，重新上電后，要求粗紗機能繼續斷電前位置和參數繼續紡紗。
由于市場大多伺服系統驅動器為增量式編碼器，斷電不能記憶軸當前位置；本案通過4N25光偶連接PLC與伺服驅動器編碼器輸出口，通過PLC斷電記憶區來記憶斷電前位置值。其連接方式 如圖6。
圖６ 龍筋伺服編碼器通過4N25轉換后接入PLC
在粗紗機紡紗處于初始階段和將要完成時，紗錠半徑對應較小或較大，此時若以屏設最高速度運轉，紗線在纏繞邊緣的離心力與紡紗中段差別較大，不利于形成高質量紗錠．這就要求紡紗初始階段和將要完成時整機速度降低運行，減少斷頭率，提高成紗質量．程序中必須設計各個紡紗階段的自動速度轉換程序。
圖7 紡紗成型中段
以上述方案為依托研發的四軸獨立懸錠式粗紗機已在山東某紡織機械廠研發成功，錠翼速度最高可達1350r/min,紗錠成型勻稱，紗線排布一致性好，一次成型紗線長度可達3200m；捻度、紗錠成型角度、成型長度、紡紗長度等均可柔性設定。紡紗張力更為穩定，在錠速1100r／min條件下斷頭在0.5根／臺·小時以內。具備自動落紗和自動找初繞位置功能，有效降低擋車工勞動強度，提高了勞動效率，市場前景廣闊。
臺達擁有變頻器、PLC、伺服系統、人機界面、編碼器等完整工業控制器件產品線，為客戶提供先進全面的解決方案．針對粗紗機行業，臺達可提供兩軸式、三軸式、四軸式變頻或伺服系統整體解決方案，同時可滿足客戶個性化要求．基于紡織行業技術的不斷進步，公司專門成立的紡織行業應用處，服務紡織行業。
參考文獻
1 周琪. 紡織機械基礎概論.北京：中國紡織出版社.2006.
2 周炳榮.紡紗機械 .北京：中國紡織出版社.1999.
3 臺達VFD-VE變頻器使用手冊 .中達電通股份有限公司.2007.
4 臺達ASDA AB系列伺服驅動器應用技術手冊. 中達電通股份有限公司.2007
5 臺達DVP-PLC應用技術手冊(程序篇). 中達電通股份有限公司.2006
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