第三章 倍捻机

3 倍捻机控制系统方案设计

在第二章我们对倍捻机的各个运动进行了详细分析，并了解到倍捻机的运行是由这三个运动组成，这三个运动分别为主加捻运动、卷取运动、导纱运动。也推道得出了倍捻机各个运动对整个加捻过程的作用，以及对纱线工艺参数、物理的机械性能和纱线品质指标的影响。下面我们将针对这三个运动的具体传动形式和控制方式进行设计。

3.1 主加捻运动的方案设计

加捻运动是整个倍捻机三大运动之一，它的运动不仅决定纱线的捻向，而且还可以决定纱线捻度和纱线的产量。为此必须对加捻运动传动和控制有非常合理的设计。从而来保证倍捻机的工艺要求，和对纱线加捻的品质保障。

为了让倍捻机生产柔性更大，根据倍捻机结构和机构设计组的设计表明，本次设计的倍捻机柔和分散控制，集中管理的思想即采用多电机驱动。这种设计使得倍捻机的自由度加大，柔性增强。其中在加捻部分，设计组提出的是采用7.5KW的异步电机作为动力源。为了提高倍捻机生产量，我们采用的是一个电机拖动一组加捻盘同时同速同向的转动。这个过程中的传动采用的是带传动，具体形式，如下图3—1所示

图3-1 主加捻运动原理

对于加捻运动的运动控制而言，由于在结构与机构部分已经把原动力部分确定，在此根据确定了的原动力来确定控制形式。对于三相异步电机的控制，当前最主流的控制方式是变频器驱动控制。这种控制方式

不仅可以对异步电机实行有级调速控制，而且还可以无级调速控制。不仅有较大的调速范围，而且还有强的在线检测和保护能力。最主要的变频驱动可以很方便的对电机进行启动、调速和制动，还有节能、延长电机寿命和接受上位控制器控制信号的能力。综合上面的诸多变频调速的优点。我们选择对加捻运动用变频器驱动控制。

3.2 纱线卷取运动的方案设计

纱线的的卷取从工艺上讲，是为了把以加捻好了的纱线段收缠起来，同时把未加捻的纱线带入到加捻区进行加捻。这种运动维持了倍捻机持续对纱线加捻的过程。如果没有这个运动过程的存在，那么这种倍捻方式下的加捻将不会持续。当然如果倍捻盘的转速一定的条件下，卷取运动速度大小将会直接影响纱线捻度。当卷取运动速度增加时，纱线的捻度会下降；当卷取运动速度减小时，纱线的捻度会增加。如此看来纱线的卷取运动的控制也是非常重要的。

对于卷取运动的传动的选择，首先要把握的一点的是要保证纱线卷绕速度的恒定，只有这样纱线才会保证捻度的稳定。同时也可以保证纱线张力的稳定。由于纱线缠绕在纱管上时纱管的直径会变大。在同样的纱管转速下，纱线的卷绕速度会随着纱线缠绕到纱管的增加而变大，故不能直接采用动力驱动纱管。对此根据机械设计相关原理可以采用摩擦传动如图3—2所示。用一个摩擦滚筒以恒定的转速来驱动纱筒，这个驱动力是通过滚筒和纱筒之间的摩擦力来来动的。如果不考虑中间的打滑，那么纱筒的线速度跟滚筒外表的线速度是相等的，由于滚筒的转速是恒定的，不难推出纱筒的卷绕速度是恒定的。所以这种传动方式满足传动要求。

3-3摩擦卷绕原理图

对于卷取运动的控制，根据在前面的分析可知，它的速度不但会影响纱线的捻度，而且还会影响卷绕在纱筒上的卷绕角、纱线的张力、纱线的重叠、以及纱筒的坚固和稳定。所以对纱线的速度控制要比较准确。前面我们谈到了变频驱动的特点，在此不难发现对于卷取运动我们也可以用变频器来驱动三相异步电机，从而对电机进行调速。根据倍捻机设计要求和结构与机构部分提高的技术参数，我们将卷取运动电机选定为2.2KW。

3.3 纱线导纱运动的方案设计

导纱运动在旧式的捻线机上通常用的是带有曲线槽的滚筒来代替的。从机构学的角度上讲，这个曲线滚筒实际上是一个圆柱形凸轮机构。它将滚筒的旋转运动转化成纱线的轴向往复运动。通过改变卷取的位置，使得纱线可以均匀的卷绕在纱筒上。它的主要作用使纱线打散分开卷绕在纱筒上，有利于包装、运输和后续处理。

这个运动与前面两个运动相比似乎从工艺的角度上讲控制的重要弱些。但是它的控制精度却远比前面连个运动要高。主要是以前我们采用的曲线滚筒来控制运动。但是它的可变性几乎为零，所以会出现纱线重叠的现象。现在要改变这种不良现象，必须从传动原理上着手。根据这种运动特点可知，主要是将旋转运动变化成速度可调的轴向往复运动。从机械原理出发，初步可以选择机构有曲柄滑块机构、曲柄摆杆机构、

盘形凸轮机构、齿轮齿条机构、滚珠丝杆机构。考虑到这些机构功能特性，滚珠丝杆机构是我们的首选机构。因为它控制精度高，惯性小，摩擦阻力小，效率高，而且还是标准件，便于购买和更换。这种机构大多用在伺服传动系统里面，特别是数控机床上。现在我们也把这种机构用于倍捻机的导纱运动上，如下图3—3所示简图。

3-3 滚珠丝杆导纱运动原理简图

根据对导纱运动运动分析和传动部分的设计，以及导纱运动对纱线的卷绕影响。我们可以初步的认识到对导纱运动要有准确的位置控制，原因是要保证纱线在纱筒上稳定卷绕。同时还要有允许速度的波动，来降低纱线卷绕的重叠现象。由于我们将传动形式定为滚珠丝杠传动，那么我们就可以去选择伺服系统来对其驱动，由于伺服系统一般是闭环控制系统，具有很强的位置反馈能力。这种能力也正符合我们控制的工艺需求。所以在此我们选择伺服控制系统。

对于伺服闭环驱动系统，一般有三相异步电机伺服系统，和步进电机伺服系统。由于步进电机的实际输出力矩比较小，即使是大力矩输出，但其造价与伺服电机相比还是要贵些。所以为满足倍捻机的工艺需要，我们对导纱运动采用的是伺服电机驱动控制。

以上三个主运动的分析和传动与控制系统设计，基本上将原来的倍捻机单一驱动力的形式改变。现在这种动力源上的改进是完全去掉了原来复杂的传动系统，同时也大大的增加了倍捻机的柔性。可以对不同的工艺要求的纱线在同一台倍捻机上加工。很好的满足了现在的多品种、小批量的生产需求。但是它却带来了大量的控制要求。从某种程度上

讲，这种控制要求采用人的身体技能已经是无法满足了。我们必须借助电子处理器和相应的程序来加以对倍捻机的控制。

3.4 倍捻机控制系统工作原理设计

图3-4 倍捻机控制系统原理图

图3-4所示，整个控制系统以PLC作为控制核心，来对倍捻机的三个主运动进行控制。通过PLC程序对三个主运动的速度进行设定，来修改倍捻机的工艺参数。锭子的高速回转通过异步电动机的变频器调速实现，卷筒的高速回转也是通过异步电动机的变频器调速实现。锭子与卷筒的速度可以由变频器外部显示窗口看到。导纱杆的往复导纱运动由伺服电动机单独驱动为了防止导纱杆的运动超过其极限位置，由位置传感器对其运动极限位置进行约束，当导纱杆运动到其极限位置时电机反转，导纱杆反向运动。

3.5 本章内容小结

本章主要是在上一章的运动与工艺分析基础上，对倍捻机的三个主运动的传动形式和控制方式加以设计；同时在设计的过程中将分散控制，集中管理的充分融合与设计之中。当然也为控制下面几章的控制系统的搭建打下基础。