張慧芳

(上海一紡機(jī)械有限公司,上海200050)

目前國(guó)內(nèi)外棉精梳機(jī)分離運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)方式基本有3大類：第1類是以瑞士某公司為代表的四連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式,其不僅歷史悠久且至今使用最廣泛；第2類是20世紀(jì)80年代誕生的以意大利某公司為代表的機(jī)械凸輪加行星輪系合成的傳動(dòng)方式；第3類是2005年中國(guó)上海一紡機(jī)械有限公司披露并成功應(yīng)用的以具有電子凸輪功能的伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)方式[1-2]。由于近年電氣自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展迅猛,第3類傳動(dòng)方式給傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)方式帶來(lái)了一場(chǎng)變革,最近又衍生了其他幾種相關(guān)傳動(dòng)。

本文介紹并探討了第3類分離運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)方式。

1 精梳機(jī)分離傳動(dòng)的特點(diǎn)、基本構(gòu)成形式及比較

1.1 棉精梳機(jī)分離傳動(dòng)的特點(diǎn)

棉精梳機(jī)在棉紡廠前紡工序中的重要任務(wù)就是去除棉纖維中的雜質(zhì)、短絨,提高棉纖維的伸直度等。精梳機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)鉗板(負(fù)責(zé)握持棉網(wǎng))、錫林(負(fù)責(zé)下層梳理任務(wù))、頂梳(負(fù)責(zé)上層梳理任務(wù))、分離羅拉(負(fù)責(zé)拉伸和退回再搭接棉層任務(wù),因此是往復(fù)運(yùn)動(dòng))、吸風(fēng)系統(tǒng)(負(fù)責(zé)吸走短纖維和梳理落下的雜質(zhì)等)的配合(如圖1所示)來(lái)完成整個(gè)梳理工序,其中最關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)就是分離羅拉高變速正反向切換的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。隨著近幾年棉精梳機(jī)車速的逐漸提高,已經(jīng)有了500鉗次/分鐘(nips/min)的高速精梳機(jī),即分離羅拉以500周期/分完成正反轉(zhuǎn)、且加速度最大達(dá)到20 000rad/s2以上,否則就不能理想、快速、精確地完成梳理。

圖1 梳理運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)

1.2 第1類傳動(dòng)方式——四連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)分離羅拉

該傳動(dòng)方式是以瑞士某知名紡機(jī)制造商為代表的延續(xù)了大半世紀(jì)的傳統(tǒng)型傳動(dòng)方式。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、制造方便,故仿制相對(duì)容易。因此國(guó)內(nèi)許多棉精梳機(jī)制造商都學(xué)習(xí)應(yīng)用了這樣的傳動(dòng)方式。經(jīng)實(shí)踐證明,此方式在精梳機(jī)車速處于300 nips/min以下時(shí),一般的機(jī)械制造水平都能取得比較好的效果,同時(shí)這些制造商也確實(shí)分享到了棉精梳機(jī)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的一定份額。隨著棉精梳機(jī)車速的不斷提高,制造、安裝精度高的國(guó)外企業(yè),仍然還可沿用四連桿機(jī)構(gòu)的傳統(tǒng)方式,使精梳機(jī)的車速達(dá)到500 nips/min。然而這樣的傳動(dòng)方式能夠如此高速是相當(dāng)不易的。相比之下,不少同樣是仿制四連桿機(jī)構(gòu)的精梳機(jī)設(shè)備,在車速達(dá)到350 nips/min時(shí),車頭的噪聲、振動(dòng)都比較大。

1.3 第2類傳動(dòng)方式——機(jī)械凸輪加行星輪合成驅(qū)動(dòng)分離羅拉

該方式是以機(jī)械凸輪來(lái)達(dá)到分離羅拉所需要的加速度,并由共軛凸輪和行星輪系的合成來(lái)達(dá)到分離羅拉所需要的往復(fù)運(yùn)動(dòng)(如圖2所示)。從機(jī)械運(yùn)動(dòng)的精確性來(lái)講,機(jī)械凸輪與四連桿機(jī)構(gòu)相比,制造與安裝精度更容易保證,精梳機(jī)在開車運(yùn)行中的車頭噪聲和振動(dòng)前者較小,即使車速達(dá)到400 nips/min,其噪聲和振動(dòng)也增加不多。

為使機(jī)械凸輪在長(zhǎng)期運(yùn)行中耐于磨損,故對(duì)其材料要求較高,以確保分離運(yùn)動(dòng)的加速度不會(huì)隨著機(jī)械凸輪的磨損而惡化。因此,該結(jié)構(gòu)的制造成本也高于四連桿機(jī)構(gòu)。

從圖2可見,第2類傳動(dòng)方式的機(jī)械結(jié)構(gòu)還是相當(dāng)復(fù)雜的,從源傳動(dòng)軸到分離羅拉的傳動(dòng)齒輪必須經(jīng)過(guò)共軛凸輪組、擺桿、行星輪系等,其中由于分離運(yùn)動(dòng)的加速度軌跡主要依靠共軛凸輪的特性來(lái)完成,所以加速度曲線的極值取決于凸輪的設(shè)計(jì)和制作精度。

圖2 第2類傳動(dòng)方式

1.4 第3類傳動(dòng)方式——以伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)分離羅拉

2003年起,上海一紡機(jī)械有限公司打破了棉精梳機(jī)僅有以上2類傳動(dòng)方式的傳統(tǒng),通過(guò)與高速發(fā)展的電氣自動(dòng)化的結(jié)合,發(fā)明了第3類分離羅拉的傳動(dòng)方式,即采用具有電子凸輪功能的伺服控制器及伺服電機(jī)取代了傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu),由伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)分離羅拉(如圖3所示)。其工作原理是用軟件編程的方法控制伺服電機(jī)對(duì)其傳動(dòng)的元件進(jìn)行類似于機(jī)械組件軌跡的運(yùn)動(dòng),并且同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)主傳動(dòng)的準(zhǔn)確跟蹤。

工作時(shí),伺服電機(jī)在幾十毫秒的時(shí)間周期里,既要準(zhǔn)確地跟蹤主軸,又要根據(jù)事先設(shè)定好的軌跡,作正反向的快速切換。由于應(yīng)用了電子凸輪,并通過(guò)大量的數(shù)字化軟件編程的方法將分離羅拉的多根運(yùn)行軌跡儲(chǔ)存在控制器里,在工藝需要時(shí),可以通過(guò)人機(jī)界面隨時(shí)實(shí)現(xiàn)輕松切換。由于電子凸輪是虛擬的,無(wú)磨損,且電子凸輪的精度高,每個(gè)周期可以描繪幾千個(gè)點(diǎn)位,曲線切換亦方便。而傳統(tǒng)方式更換一個(gè)機(jī)械凸輪及相關(guān)零件要花半天以上時(shí)間才能完成。

圖3 第3類傳動(dòng)方式

理論上,傳動(dòng)方式只要電機(jī)的負(fù)載能力可行,車速高并不會(huì)由于分離運(yùn)動(dòng)加速度增大而產(chǎn)生更大的噪聲和振動(dòng)。

這種新穎的傳動(dòng)方式的特點(diǎn)是其分離運(yùn)動(dòng)軌跡可以根據(jù)工藝需要來(lái)調(diào)節(jié)和選用,只要機(jī)械制造商在開發(fā)過(guò)程和工藝完善中,將適應(yīng)不同棉花品種、各種工藝要求的分離運(yùn)動(dòng)軌跡事先設(shè)計(jì)好并編排在一個(gè)“專家導(dǎo)航系統(tǒng)”之內(nèi),在使用設(shè)備的過(guò)程中,用戶只要根據(jù)菜單選擇需要的分離運(yùn)動(dòng)曲線參數(shù)、機(jī)械參數(shù)即可[3]。

其優(yōu)點(diǎn)是減少了中間環(huán)節(jié),圖3的結(jié)構(gòu)與圖2相比就顯得相當(dāng)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是對(duì)伺服電機(jī)的負(fù)載能力要求較高,目前該類伺服電機(jī)還依賴于進(jìn)口,成本有所增加。

1.5 第3類傳動(dòng)方式的優(yōu)勢(shì)

精梳機(jī)分離羅拉運(yùn)動(dòng)的速度特征就是高速的正反向運(yùn)動(dòng),隨著車速的提高,其加速度亦增大。由于電子凸輪的精度相當(dāng)高,其運(yùn)行軌跡幾乎等于理想值,所以分離運(yùn)動(dòng)的加速度曲線是光滑和連續(xù)的,如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)的分離羅拉加速度

對(duì)于采用機(jī)械凸輪與行星輪組合的第2類傳動(dòng)方式,機(jī)械加工和安裝存在一定的累積誤差,使得實(shí)際形成的分離羅拉加速度曲線不可能是光滑而連續(xù)的。而采用四連桿機(jī)構(gòu)的第1類傳動(dòng)方式得到的分離運(yùn)動(dòng)曲線會(huì)比第2類傳動(dòng)方式產(chǎn)生更大的累積誤差。通過(guò)理論分析,假定累積誤差達(dá)到0.02 mm,會(huì)給分離運(yùn)動(dòng)的加速度帶來(lái)非常厲害的負(fù)面效應(yīng),使得該加速度曲線產(chǎn)生明顯的跳變。如果整個(gè)周期中有幾個(gè)這樣的跳變,那么加速度軌跡就完全發(fā)生畸變,最大的加速度值將成倍放大。假定以上的加速度曲線等效于應(yīng)用機(jī)械凸輪的分離運(yùn)動(dòng)加速度軌跡,又假定在機(jī)械凸輪的277°和 303°兩處的位移量都增加0.02mm,得到的加速度曲線將如圖5所示。此時(shí)的分離運(yùn)動(dòng)加速度峰值已經(jīng)上升到93 000 rad/s2。反向達(dá)到了-130 000 rad/s2。

圖5 兩處誤差0.02mm的分離運(yùn)動(dòng)加速度

如果以上兩處的誤差分別是+0.05 mm,則得到的加速度曲線還會(huì)發(fā)生很大變化,注意它的極值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了原來(lái)的20 000 rad/s2,而達(dá)到了200 000 rad/s2,反向竟達(dá)-300 000 rad/s2,已經(jīng)擴(kuò)大了15倍!如圖6所示。

圖6 兩處誤差0.05mm的分離運(yùn)動(dòng)加速度

由于分離運(yùn)動(dòng)本身的速度高、加速度大,所以它的加速度會(huì)隨位移量的變化而顯得非常敏感。可見,對(duì)于傳動(dòng)分離羅拉的驅(qū)動(dòng)元件的精度要求很高。因此,高速精梳機(jī)在運(yùn)用四連桿機(jī)構(gòu)時(shí),機(jī)械加工、安裝精度不夠高的許多設(shè)備在車速開到350 nips/min以上時(shí)其噪聲和振動(dòng)就很大。只有機(jī)械加工水平相當(dāng)高的國(guó)外同行才有可能運(yùn)用第1類傳動(dòng)方式,使精梳機(jī)車速達(dá)到500 nips/min,但是這種高水平的制造并非國(guó)內(nèi)企業(yè)能夠輕易模仿。

即使采用了第2類傳動(dòng)方式,如果其加工精度不能保證,只要在整個(gè)凸輪中出現(xiàn)幾處0.02mm左右的誤差也將很大程度上影響到主傳動(dòng)的沖擊以及引起車頭箱猛烈的噪聲。

顯然,運(yùn)用第3類傳動(dòng)方式可以較好地規(guī)避由于機(jī)械加工、安裝不夠精準(zhǔn)而令分離運(yùn)動(dòng)加速度惡化的不利因素。

2 第3類傳動(dòng)方式的衍生方案分析

自從上海一紡機(jī)械有限公司推出首臺(tái)可實(shí)物運(yùn)行的第3類分離傳動(dòng)方式的新穎設(shè)備——運(yùn)用伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)分離羅拉的棉精梳機(jī)以來(lái),這種傳動(dòng)方式受到了不少同行的關(guān)注。同時(shí),也掀起了各家制造商、研究單位、有關(guān)高等院校對(duì)于應(yīng)用第3類傳動(dòng)方式的研制熱情。現(xiàn)今,至少已有3～5家制造商也作了這方面的嘗試(暫時(shí)還都未達(dá)到可用于棉紡廠實(shí)物運(yùn)轉(zhuǎn)的程度),現(xiàn)正在努力開發(fā)之中,相信一定會(huì)有越來(lái)越多的企業(yè)重視和明白這一傳動(dòng)方式將是棉精梳機(jī)分離羅拉提升速度的有效途徑。國(guó)內(nèi)精梳機(jī)分離運(yùn)動(dòng)方式的進(jìn)步也得到了國(guó)家科技部的肯定,現(xiàn)在國(guó)家科技部已與上海一紡機(jī)械有限公司簽下了“數(shù)字化多軸伺服驅(qū)動(dòng)精梳機(jī)”的科技項(xiàng)目,并撥專款給予支持。立項(xiàng)至今,在第3類分離傳動(dòng)方式的基礎(chǔ)上,已先后研制了借助于伺服電機(jī)與機(jī)械結(jié)構(gòu)相結(jié)合的其他幾種分離傳動(dòng)方式,現(xiàn)分別介紹如下。

2.1 勻速電機(jī)加伺服電機(jī)通過(guò)行星輪系合成傳動(dòng)分離羅拉

該傳動(dòng)方式的特點(diǎn)是將原來(lái)正反轉(zhuǎn)的分離羅拉變速運(yùn)動(dòng)改成了單方向的變速運(yùn)動(dòng),采取的方式是將原有分離羅拉的速度曲線完全上移到橫坐標(biāo)上方(見圖7中紅色曲線),這樣執(zhí)行變速運(yùn)動(dòng)的伺服電機(jī)就只需進(jìn)行單方向的轉(zhuǎn)動(dòng)了。然而該方式只是平移了速度曲線,所以將該速度曲線微分后得到的加速度曲線將不會(huì)發(fā)生改變,而伺服電機(jī)的平均速度要大大增加,電機(jī)做的功也隨之增大。另外還需要增加一個(gè)反向運(yùn)動(dòng)的勻速電機(jī)(見圖7中粉紅色直線),兩者通過(guò)行星輪系合成后得到分離羅拉所需要的變速運(yùn)動(dòng)軌跡(見圖7中綠色曲線)。

優(yōu)點(diǎn)：伺服電機(jī)只作單方向運(yùn)動(dòng)。

缺點(diǎn)：功耗大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本高,需要行星輪機(jī)構(gòu)將2個(gè)傳動(dòng)曲線合成。

圖7 分離羅拉線速度合成示意圖

經(jīng)伺服電機(jī)的實(shí)際空載試驗(yàn),以提高平均速度為代價(jià)的單方向運(yùn)行效果并不理想,在同樣時(shí)間內(nèi),做以上單方向運(yùn)動(dòng)的電機(jī)溫升要略高于做以上正反向運(yùn)動(dòng)的電機(jī)。

2.2 2個(gè)伺服電機(jī)通過(guò)行星輪系合成來(lái)傳動(dòng)分離羅拉

由于在開發(fā)第3類分離傳動(dòng)方式后,已經(jīng)明白制約類似機(jī)器車速的難點(diǎn)在于該機(jī)種分離羅拉的瞬時(shí)加速度非常大,而伺服電機(jī)的負(fù)載能力完全取決于所驅(qū)動(dòng)對(duì)象的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、運(yùn)行速度和加速度。因而除了減輕負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量外,降低負(fù)載的加速度成了項(xiàng)目的關(guān)鍵任務(wù)之一。于是設(shè)想通過(guò)2個(gè)伺服電機(jī)的合成來(lái)分擔(dān)加速度,最終達(dá)到降低加速度極值的目的。

優(yōu)點(diǎn)：分離運(yùn)動(dòng)軌跡拆開后,可降低原有分離運(yùn)動(dòng)的加速度達(dá)50%。

缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)略顯復(fù)雜,成本高。

方法：可按需要將圖4中的分離運(yùn)動(dòng)加速度曲線分解成2根,使每根加速度的極大值相對(duì)降低,這樣可以有效提高伺服電機(jī)的負(fù)載能力。

2.3 2個(gè)伺服電機(jī)通過(guò)機(jī)械齒輪硬連接合成傳動(dòng)分離羅拉

優(yōu)點(diǎn)：分離運(yùn)動(dòng)軌跡拆開后,可大為降低原有分離運(yùn)動(dòng)的加速度,結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn)：對(duì)2個(gè)伺服電機(jī)的同步要求相當(dāng)高,否則就容易損壞機(jī)械零件。

軟件分拆曲線方式同2.2節(jié),此方法也能提高伺服電機(jī)的綜合負(fù)載能力。

2.4 機(jī)械凸輪加伺服電機(jī)合成傳動(dòng)分離羅拉

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)合機(jī)械與電子技術(shù)的各自優(yōu)點(diǎn),發(fā)揮了機(jī)械結(jié)構(gòu)承載慣量大、電子凸輪曲線可調(diào)的長(zhǎng)處,兩者結(jié)合后,可望突破高速精梳機(jī)現(xiàn)有的技術(shù)瓶頸。在實(shí)現(xiàn)精梳機(jī)高速運(yùn)行的同時(shí),還能使合成后的運(yùn)動(dòng)軌跡隨意可調(diào),從而滿足不同的紡紗工藝要求[4],發(fā)明專利正處于公示階段。

缺點(diǎn)：機(jī)械結(jié)構(gòu)略顯復(fù)雜。

3 分離運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)方式的進(jìn)一步探索

理想的精梳機(jī)分離傳動(dòng)方式應(yīng)該是,既要適應(yīng)更高的車速,又要靈活多變地適應(yīng)各類棉紡纖維的品種以及不同需求的工藝配置等。因此,最大限度地發(fā)揮伺服電機(jī)的作用將是今后一段時(shí)間內(nèi)引起各精梳機(jī)制造商重視的關(guān)鍵技術(shù)。隨著精梳機(jī)車速的不斷提高,分離羅拉的加速度也必須相應(yīng)提高,才能在更短的時(shí)間周期里完成分離、搭接等梳理運(yùn)動(dòng)。如果只注重追求控制方式的性價(jià)比就會(huì)進(jìn)入研發(fā)的死胡同。根據(jù)目前的研究,除了可以在上述方法中尋找出一種最適合自己設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制的合成方式,還可探究出通過(guò)改變分離羅拉的運(yùn)動(dòng)規(guī)律直接降低分離運(yùn)動(dòng)的加速度,即在同樣車速下,降低圖8中黃色扭矩的峰值,只有降低了分離運(yùn)動(dòng)的加速度才是推廣應(yīng)用伺服電機(jī)組合控制分離羅拉運(yùn)動(dòng)的較好途徑,這樣就可克服伺服電機(jī)由于加速度大而受到的制約。因而要悉心研究原有的分離運(yùn)動(dòng)軌跡,在不違反工藝需要的前提下設(shè)計(jì)一種新穎的分離運(yùn)動(dòng)曲線,使分離羅拉的加速度比傳統(tǒng)的同類機(jī)器大為降低。如果該技術(shù)的研制和試驗(yàn)?zāi)苁狗蛛x羅拉順利完成梳理工作,那么運(yùn)用伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)分離羅拉的運(yùn)動(dòng)將是本文所有方案中最為經(jīng)濟(jì)而有效的,會(huì)有較大的發(fā)展空間。

圖8 伺服電機(jī)負(fù)載曲線圖

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著生活水平的不斷提高,人們對(duì)高支(精梳)紗的需求將日益增多。而伴隨著世界經(jīng)濟(jì)中心逐漸進(jìn)入亞洲、進(jìn)入中國(guó),未來(lái)市場(chǎng)對(duì)國(guó)內(nèi)高速精梳機(jī)的需求也將隨之增多。因此,加快開發(fā)適紡纖維廣、適應(yīng)市場(chǎng)、高性價(jià)比的高速精梳機(jī)是所有從事研發(fā)、制造棉精梳機(jī)人的應(yīng)有責(zé)任。我們相信,國(guó)內(nèi)不斷會(huì)有好的新產(chǎn)品推出,從而能與一流的國(guó)外設(shè)備相抗衡。

[1] 上海一紡機(jī)械有限公司.一種具有工業(yè)總線的精梳機(jī)控制系統(tǒng)：中國(guó),200510027373.9[P].2008-08-06.

[2] 劉恒琦,鄭秀實(shí),陳光強(qiáng),等.第十一屆上海國(guó)際紡織工業(yè)展覽會(huì)分析報(bào)告[R].上海：上海市紡織工程學(xué)會(huì),2005：1-6,53-58,329-332.

[3] 上海一紡機(jī)械有限公司.一種棉精梳機(jī)分離羅拉的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)：中國(guó),03230334.3[P].2004-05-19.

[4] 上海一紡機(jī)械有限公司.一種精梳機(jī)動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)：中國(guó),200920071059.4[P].2010-01-27.