李新龍，馬崇啟，2，周寶明

(1.天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387;2.天津工業(yè)大學(xué)先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

梳棉機(jī)自調(diào)勻整裝置是一種用來控制梳理機(jī)輸出生條粗細(xì)不勻的自動調(diào)節(jié)裝置，根據(jù)喂入纖維層不同時刻的厚度差異自動調(diào)節(jié)牽伸倍數(shù)，使生條單位長度粗細(xì)穩(wěn)定在一定的水平，從而達(dá)到人們預(yù)期的要求［1］。早期的純機(jī)械式自調(diào)勻整裝置早已被淘汰，近年來的電子式自調(diào)勻整裝置得到了較好的發(fā)展，國內(nèi)外主要機(jī)型有法國SACM型、美國ST型以及無錫YZ-1型和青島FT021型自調(diào)勻整裝置等［2］，但是國外先進(jìn)機(jī)型技術(shù)由于保密等原因難以復(fù)制，國內(nèi)短開環(huán)式自調(diào)勻整裝置通常由于延遲時間、測量不準(zhǔn)確以及采用定時法延遲控制算法等原因，難以實(shí)現(xiàn)針對性勻整。

本文研究開發(fā)了一種DSCa-11數(shù)字式梳棉機(jī)機(jī)后短開環(huán)式自調(diào)勻整控制系統(tǒng)，通過準(zhǔn)確測量設(shè)備延遲距離并以定位移法設(shè)計(jì)延遲控制算法，從而實(shí)現(xiàn)針對性勻整，為紡制高質(zhì)量生條奠定了良好基礎(chǔ)。

1 自調(diào)勻整控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

通常情況下，自調(diào)勻整裝置主要由檢測機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分組成［3］。DSCa-11數(shù)字式梳棉機(jī)自調(diào)勻整控制系統(tǒng)采用位移傳感器作為檢測機(jī)構(gòu)，檢測當(dāng)纖維層通過握持鉗口時給棉板位移的變化量，以給棉板位移的變化量反映喂入纖維厚度，如圖1所示。

圖1 給棉檢測機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of feeding testing system

用歐姆龍CP1H-XA40DT-D型PLC作為控制機(jī)構(gòu)，根據(jù)設(shè)定的理論厚度和檢測到的實(shí)時厚度計(jì)算給棉羅拉電動機(jī)頻率的調(diào)節(jié)方向和調(diào)節(jié)量。用SV-iG5 LS變頻器和三相異步交流電動機(jī)組成執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)PLC輸出的頻率調(diào)節(jié)方向和調(diào)節(jié)量控制給棉羅拉的轉(zhuǎn)速。給棉羅拉的轉(zhuǎn)速經(jīng)編碼器反饋到PLC，具體構(gòu)成如圖2所示。

2 自調(diào)勻整作用的實(shí)現(xiàn)過程

圖2 自調(diào)勻整控制系統(tǒng)硬件組成圖Fig.2 Diagram of hardware component of autoleveller system

當(dāng)纖維層未進(jìn)入握持鉗口時提取位移傳感器初始數(shù)據(jù)，5個值取平均(采用5塊分段式給棉板)，即得到初始位置值。當(dāng)纖維層喂入鉗口時，由于棉層厚度的存在，使給棉板偏離原來的位置，進(jìn)而帶動位移傳感器運(yùn)動到新的位置，此時提取理論位置數(shù)據(jù)，5個值取平均即為理論位置值。理論位置與初始位置的差值就是棉層的理論厚度。此后，每次采樣即得到棉層的實(shí)時厚度，與理論厚度相比較，求出偏差，經(jīng)過延時，根據(jù)偏差求出給棉羅拉電動機(jī)頻率的調(diào)節(jié)量，進(jìn)而調(diào)節(jié)給棉速度，達(dá)到勻整的效果。

3 系統(tǒng)延遲時間的確定

首先測試勻整機(jī)構(gòu)的延遲距離［4］。DSCa-11數(shù)字式梳棉機(jī)采用的機(jī)后開環(huán)式自調(diào)勻整裝置檢測點(diǎn)在給棉羅拉、給棉板處，變速點(diǎn)為給棉羅拉，但刺輥?zhàn)ト±w維在刺輥給棉板分梳點(diǎn)，改變喂入量的目的是使刺輥在單位時間內(nèi)抓取到的纖維量保持均勻不變［5］，因此勻整點(diǎn)應(yīng)為分梳抓取點(diǎn)。機(jī)后開環(huán)總滯后τ0可表示為

式中:τ1為機(jī)后檢測點(diǎn)到分梳點(diǎn)的時間;τ2為檢測點(diǎn)信號通過開環(huán)各系統(tǒng)到給棉羅拉變速的時間。

開環(huán)式系統(tǒng)中一個關(guān)鍵是求出這個延遲時間τ0，但是由于 τ2通常比較?。?］，本文忽略不計(jì)，因此重點(diǎn)是精確求出τ1。

由以上敘述可知，可通過計(jì)時先求出纖維從檢測點(diǎn)到輸出點(diǎn)所需的時間，然后再求出纖維從分梳點(diǎn)到輸出點(diǎn)所需的時間，二者的差值即為所求τ1。具體試驗(yàn)步驟如下。

1)測試?yán)w維從檢測點(diǎn)到輸出點(diǎn)所需的時間。在正常開車情況下，突然沿纖維層橫截面方向鋪入一層異色纖維帶，然后觀察顯示屏，待傳感器位置讀數(shù)值變化時用一個紅色纖維團(tuán)在出條處做標(biāo)記。之后開始觀察出條，待條子表面出現(xiàn)異色纖維時開始計(jì)時并再持續(xù)紡制5 min，方可停車，然后測量條子上從紅色纖維團(tuán)到開始出現(xiàn)異色纖維之間的長度，重復(fù)操作10次，求出平均值L1(mm)。

2)測試?yán)w維從分梳點(diǎn)到輸出點(diǎn)所需的時間。在正常開車情況下，突然減小觸摸屏牽伸倍數(shù)設(shè)定值，同時用異色纖維團(tuán)在生條上做出標(biāo)記。之后開始觀察出條，待條子變粗時開始計(jì)時并再持續(xù)紡制5 min，方可停車，然后測量條子上從紅色纖維團(tuán)到開始變粗處之間的長度，重復(fù)操作10次，求出平均值L2(mm)。

再由式(2)即可求出延遲距離L。

式中:i為給棉電動機(jī)與給棉羅拉之間的傳動比;E1為1)步驟中設(shè)定的牽伸倍數(shù);E2為2)步驟中設(shè)定的牽伸倍數(shù)。

4 自調(diào)勻整控制算法的設(shè)計(jì)

開環(huán)式自調(diào)勻整控制算法的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)針對性勻整，即當(dāng)棉層的采樣點(diǎn)從檢測點(diǎn)到達(dá)勻整點(diǎn)時憑借該檢測厚度調(diào)節(jié)給棉羅拉轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)勻整效果，因此問題的關(guān)鍵是如何確定采樣點(diǎn)是否到達(dá)勻整點(diǎn)［7］。

傳統(tǒng)設(shè)備普遍采用延時控制算法［8］，即預(yù)先計(jì)算棉層從檢測點(diǎn)到勻整點(diǎn)所需要的時間，然后對采樣點(diǎn)采樣，經(jīng)預(yù)先計(jì)算時間后再調(diào)節(jié)給棉羅拉轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)勻整效果，但是在自調(diào)勻整裝置運(yùn)行條件下給棉羅拉速度頻繁變化導(dǎo)致該延時不恒定，會導(dǎo)致累計(jì)誤差，無法滿足開環(huán)式自調(diào)勻整裝置針對性勻整的要求。為此，本系統(tǒng)采用定位移延遲控制算法［9］，即預(yù)先測量棉層從檢測點(diǎn)到勻整點(diǎn)的距離，然后對采樣點(diǎn)采樣，經(jīng)預(yù)先測量的距離后再調(diào)節(jié)給棉羅拉轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)勻整效果。

4.1 定長檢測與勻整脈沖數(shù)計(jì)算

對同樣性質(zhì)的棉層，檢測點(diǎn)到變速點(diǎn)的距離基本都相等，即延遲距離L是常數(shù)。與給棉羅拉同軸的編碼器采用脈沖給定位置控制的方式，當(dāng)電動機(jī)帶動給棉羅拉上的棉層位移L一定時，編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)就恒定，用P表示，對采樣點(diǎn)采樣之后，只需控制發(fā)給PLC的脈沖數(shù)恒為P就可確保檢測點(diǎn)準(zhǔn)確到達(dá)勻整點(diǎn)，即實(shí)現(xiàn)了針對性勻整的目標(biāo)。棉層從檢測點(diǎn)到勻整點(diǎn)所需的脈沖數(shù)P的計(jì)算公式為

式中:P為從檢測點(diǎn)到變速點(diǎn)所需的脈沖數(shù);Ss為編碼器每轉(zhuǎn)所發(fā)出的脈沖數(shù);D為給棉羅拉的直徑，mm;L為延遲距離，mm。

4.2 對列表的算法設(shè)計(jì)

定位移控制算法需要把棉層的采樣數(shù)據(jù)以字的形式存儲到定義好的隊(duì)列表中，并且還要保證表的容量不能小于棉層從檢測點(diǎn)到勻整點(diǎn)所采樣的棉層厚度數(shù)據(jù)量，否則會丟失棉層厚度信息［10］。

設(shè)備延遲距離為L，于是將采樣與勻整周期設(shè)定為L/10，每次檢測的新厚度值由隊(duì)列頭端進(jìn)入，尾端輸出，如圖3所示。每次由頭端存入數(shù)據(jù)之前，先將原有數(shù)值依次后移1位，最后1位溢出，保證當(dāng)頭端數(shù)據(jù)到達(dá)尾端時進(jìn)行勻整，便實(shí)現(xiàn)了定長檢測，定長延遲，定長勻整的目標(biāo)。

圖3 對列表數(shù)據(jù)存儲示意圖Fig.3 Schematic diagram of column data storage

4.3 給棉速度控制

自調(diào)勻整控制系統(tǒng)要求恰當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)給棉羅拉轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)勻整目的，定位移控制算法要求系統(tǒng)采用位置控制模式實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的速度控制［9］;因此，如何準(zhǔn)確控制給棉羅拉轉(zhuǎn)速就顯得十分重要。

本系統(tǒng)通過控制給棉電動機(jī)變頻器的輸出頻率來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，輸出頻率越高，電動機(jī)速度就越高，反之越低。給棉實(shí)時頻率f計(jì)算公式為

式中:f1為給棉電動機(jī)初始頻率;i1為給棉電動機(jī)傳動比;h0為初始棉層厚度;h1為棉層實(shí)時檢測厚度。

4.4 自調(diào)勻整控制流程

首先上電完成系統(tǒng)的初始化，然后讀取觸摸屏輸入的工藝參數(shù)，再根據(jù)纖維層初始厚度計(jì)算出理論的給棉頻率。之后，通過編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)來對棉層進(jìn)行定長檢測。每個檢測值放入對列表的頭端，同時使原有數(shù)據(jù)依次后移，經(jīng)過延遲，待其到達(dá)對列表尾端即檢測點(diǎn)纖維到達(dá)勻整點(diǎn)時按照此厚度值調(diào)節(jié)給棉羅拉轉(zhuǎn)速即進(jìn)行定長勻整，以此來保證單位時間內(nèi)喂入纖維量恒定不變，實(shí)現(xiàn)自調(diào)勻整的目的。其具體流程如圖4所示。

圖4 自調(diào)勻整延遲控制流程圖Fig.4 Flowchart of autoleveller delay control system

4.5 試驗(yàn)結(jié)果

分別使用棉纖維與棉型腈綸纖維驗(yàn)證自調(diào)勻整控制系統(tǒng)的使用效果，其物理指標(biāo)如表1所示。

表1 棉纖維和棉型腈綸纖維的物理性質(zhì)Tab.1 Index of cotton and acrylic fiber

首先利用式(2)計(jì)算得到延遲距離為18 mm，然后設(shè)定此延遲距離并開啟自調(diào)勻整紡制生條，測試條子每1 m與每5 m的質(zhì)量不勻率，并將測試結(jié)果與關(guān)閉自調(diào)勻整裝置條件下條子不勻率作對比，以測試自調(diào)勻整裝置的勻整效果，設(shè)備工藝參數(shù)設(shè)置如表2所示。

試驗(yàn)中，由于梳棉機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，各個機(jī)件由啟動到慢速運(yùn)行再到正常運(yùn)行需要較長的過渡期，因此規(guī)定每次在開車1 h之后開始連續(xù)取樣，分別測試開啟和關(guān)閉自調(diào)勻整裝置條件下生條50 m長度范圍內(nèi)1 m與5 m的質(zhì)量不勻率，連續(xù)做5 d，對比生條的質(zhì)量不勻率，結(jié)果表3所示。

表2 工藝參數(shù)設(shè)置Tab.2 Process parameter setting

表3 試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experiment results

5 結(jié)語

1)對于梳棉機(jī)開環(huán)式自調(diào)勻整系統(tǒng)延遲時間不宜測量的問題，本文研究采用測長標(biāo)記法能夠比較準(zhǔn)確地測量其延遲時間，為準(zhǔn)確設(shè)定延遲距離提供了有力保障。

2)采用定位移法設(shè)計(jì)延遲控制程序較好地實(shí)現(xiàn)了開環(huán)式自調(diào)勻整裝置的針對性勻整要求。

3)在DSCa-11數(shù)字式梳棉機(jī)上加裝本自調(diào)勻整裝置，可有效改善生條質(zhì)量，相比于無自調(diào)勻整裝置時，棉纖維生條1 m和5 m質(zhì)量不勻率分別可改善15.36%和6.42%，腈綸纖維生條1 m和5 m質(zhì)量不勻率分別可改善14.85%和6.82%，為后續(xù)紡紗工序打下良好基礎(chǔ)，應(yīng)用前景較好。

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