张 毅1 薛 元2 常永和2 韩晨晨2 姚超然1
(1.浙江省常山纺织有限责任公司，浙江衢州,324200;2.江南大学，江苏无锡,214122)
摘要: 为了降低环锭细纱机断头率，提高生产效率，研发了一种环锭细纱机纺纱张力在线检测和控制装置㊂通过对测试中纺纱张力影响因素的分析，提出了有效控制纺纱张力的方法，将检测的纺纱张力变化信号经计算机信号数据采集处理，用于调节锭子转速，达到了控制纺纱张力的效果㊂研究表明：构建的纺纱张力系统能够达到均匀纺纱张力的目的，可明显降低细纱千锭时断头数，有效提高生产效率㊂ 关键词: 细纱机；纺纱张力；在线检测；智能控制；锭子转速；断头率；生产效率
中图分类号:T S103.7+4 文献标志码:B 文章编号:1000-7415(2018)09-0021-07
O n l i n e I n t e l l i g e n tC o n t r o l o f
t h e S p i n n i n g T e n s i o no nR i n g S p i n n i n g F r a m e
Z H A N GY i1 X U EY u a n2 C H A N GY o n g h e2 H A NC h e n c h e n2 Y A OC h a o r a n1
(1.Z h e j i a n g C h a n g s h a nT e x t i l eC o.,L t d.,Z h e j i a n g Q u z h o u,324200;
2.J i a n g n a nU n i v e r s i t y,J i a n g s u W u x i,214122)
A b s t r a c t I no r d e r t od e c r e a s e t h eb r e a k a g e r a t e o f r i n g s p i n n i n g f r a m e a n d i m p r o v e t h e p r o d u c t i o n e f f i c i e n-c y,a n o n l i n e d e t e c t i o n a n d c o n t r o l d e v i c e f o r s p i n n i n g t e n s i o n o n r i n g s p i n n i n g f r a m ew e r e d e v e l o p e d.
B y a n a l y z i n g t h e e f f e c t f a c t o r s o f s p i n n i n g t e n s i o nt e s t,e f f i c i e n tm e t h o dt oc o n t r o l y a r nt e n s i o n w a s p u t f o r w a r d.T h e t e s t e d c h a n g e a b l e y a r n t e n s i o n s i g n a l sw e r e c o l l e c t e db y c o m p u t e r a n dd a t aw e r e p r o c e s s e d t oa d j u s t t h e s p i n d l e s p e e d. T h e n,t h e p u r p o s e o f c o n t r o l l i n g s p i n n i n g t e n s i o n c h a n g e c o u l db e o b t a i n e d.T h e s t u d y s h o w s t h a t t h e g o a l o f c o n-s i s t s p i n n i n g t e n s i o n c a nb e a c h i e v e db y t h e s p i n n i n g t e n s i o n s y s t e me s t a b l i s h e d.T h eb r e a k a g e r a t e p e r t h o u s a n d s p i n d l e s i n s p i n n i n g c a nb e o b v i o u s l y d e c r e a s e d.T h e p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y c a nb e e f f i c i e n t l y i m p r o v e d.
K e y W o r d s S p i n n i n g F r a m e,S p i n n i n g T e n s i o n,O n l i n eT e s t,I n t e l l i g e n tC o n t r o l,S p i n d l eS p e e d,B r e a k a g e R a t e,P r o d u c t i o nE f f i c i e n c y
环锭细纱机纺纱张力是保证纱线加捻卷绕所必需的㊂纺纱张力应与纱线的线密度㊁强力相适应，达到既提高卷绕质量又能降低断头率的效果㊂张力过大，会增加每锭功率消耗，增加纺纱时的断头数量；而张力过小，则会降低卷绕密度，从而影响成纱强力，还会因气圈膨大碰隔纱板，使成纱毛羽增多㊁钢丝圈运行不稳定而增加断头[1]㊂因此，纺纱张力检测对控制纺纱张力变化至关重要㊂ 基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金项目(J U S R P5163A)；江苏高校品牌专业建设工程资助项目(P P Z Y2015B147)；江苏省高校优势学科建设工程资助项目(苏政办发〔2014〕37号)
作者简介：张毅(1964 )，男，高级工程师；薛元，通信作者，教授, f z x u e y u a n@q q.c o m
收稿日期:2018-03-251 问题的提出
1.1 纺纱张力测试方法
20世纪80年代，原华东纺织工学院机械系陈人哲教授创立了纱线力学理论，以纺纱加捻卷绕过程中形成的气圈为研究对象，建立模型和数学解析方法，对气圈张力㊁气圈形态的形成及其控制进行了详尽的解析，能对气圈张力及其影响因素进行定量分析，对气圈形态变化等进行准确预测㊂但上述理论是建立在理论模型的基础上，需要试验手段进行验证㊂
国内外研究者对于纺纱张力的研究主要集中在三点：一是建立力学模型，结合微分几何对纺纱张力及
其变化规律进行数学解析且预测；二是结
=================================================
合数字化测量技术对纺纱张力进行在线即时测量，以验证理论模型；三是进一步通过调控纺纱速度达成匀张力纺纱，实现高效㊁高速㊁高品质纺纱㊂
现阶段，国内外测量纺纱张力最常见的两种方式是直接式和非接触式㊂直接式是在纺纱张力作用下，张力传感器检测到张力变化产生电信号，对此电信号进行初步放大，通过A /D 转换器将信号输入计算机处理，最后通过打印机打印出检测结果；非接触式是通过C C D 图像传感器，在平行光源照射下，通过光学系统将纱线的阴影反映在光电阵上，从而使C C D 图像传感输出与纱线阴影相对应的电信号，经过放大处理后输入计算机，记
录或显示纺纱张力的大小[
2-5]
㊂这两种纺纱测试装置存在的缺陷是：检测装置难固定，生产中员工操作不便；不能实现生产过程中纺纱张力在线检测和控制㊂这些技术缺陷至今为止尚未解决㊂1.2 纺纱张力的控制
由于现有理论和测试手段难以动态检测纺纱过程某个瞬间加捻段㊁气圈段和卷绕段的纺纱张力大小及其变化，为了减少细纱机纺纱过程中的断头，目前常用两种方法进行纺纱张力调控：一是采用4/6极双速电机，由于纺纱开始阶段气圈高度高，采用6极低速运行，到中纱㊁大纱阶段采用
4极高速运行；二是采用变频器控制电机的运行速度，根据细纱纺纱过程中断头分布规律，分段设定车速㊂上述两种调速方法只是考虑了将纺一落纱中气圈高度分为几个阶段进行简单调速，而没有考虑钢领板升降短动程中卷绕半径和气圈高度的变化，没有解决钢领板一个短动程升降气圈张力的变化，并未实现严格意义上的恒张力纺纱㊂2 纺纱张力测试系统和控制系统设计
实现环锭细纱机纺纱张力在线检测和控制系统，主要功能要求：一是装置稳定，不影响值车工和落纱工的接头㊁落纱及清洁工作；二是具备自动采集纺纱张力变化信号的纺纱器材；三是具有将采集信号进行处理转换数据的输出功能；四是可实现测试结果在屏幕上显示㊁数据储存以及整机纺纱张力控制㊂根据所述4个功能制定出总体方案流程：张
→力检测
→信号采集→信号转换→计算转换
→显示结果控制系统㊂总体设计思路：以导纱叶子板为关键点进行受力分析并构建力学模 型，通过理论计算和实际检测研究分析导纱板垂直㊁水平压力，分析纺纱张力的相关性，构建均匀纺纱张力控制体系㊂确定出系统结构：安装张力检测装置输出电压信号；电压信号经模拟/数据
(A /D )
转换器芯片调理转换，单片机读取测试数据，计算转换后在液晶屏上显示数据，实现纺纱张力在线控制㊂
2.1 在线检测单元设计
该系统采用专制带传感器的导纱板来实现张力变化信号自动采集㊂其主要由基座㊁传感器㊁导纱板㊁导纱钩四部分组成[6]
，带传感器导纱板如图
1所示,
多媒体教学讲台
安装在细纱机导纱板升降横杆上，工作性能与同台其他导纱板一样
㊂
图1 检测机构图
1-导纱钩;2-导纱板;3-托脚;4-
传感器座2.2 显示单元设计
当纱线经导纱钩时，张力对导纱钩施加作用力，传感器将发生形变，产生随力的变化的模拟电压或电流信号；模拟电压或电流信号经过过滤放大后，再经A /D 模数转换电路，将其模拟量信号转换成便于单片机处理的数字量信号，数字信号输出到C P U 运算控制;C P U 根据键盘命令以及程序将这种结果输出到显示器㊂显示屏幕安装在细纱机机尾，屏幕显示如图2所示
㊂
图2 屏幕显示机构
2.3 匀张力纺纱调速系统的设计
纺纱张力T 与锭子速度n 呈抛物线关系,T 1
=T 2(n 1/n 2)2
,
即当锭速增大时，纺纱张力随之增大，且锭子速度愈高，纺纱张力增加幅度更大㊂由
验货平台=================================================
于细纱机利用变频技术调节锭子速度是一项很成熟的技术，因此采用变频技术控制纺纱张力简单可行㊂
在纺纱过程中，将应力传感器的动态信号经过整形放大,A /D 转换后输入中央处理器㊂另一路将导纱板上下位移量经过位移传感器给出模拟量，经计算处理后输入中央处理器作为导纱板升降对张力影响的补偿㊂两个信号经过处理后送到运算放大器与张力给定值进行比较，所取得的偏差σ和偏差变化率δ通过控制器计算所需的控制
量υ，再经D /A 转换，控制变频器的输出电频，以调节细纱机主电机的转速，最终达到控制纺纱张
力的目的[7
]㊂图3为匀张力系统框图，由图3可
以看出，这是一个闭环控制系统，具有动态信号跟踪迅速㊁运行稳定的特点
㊂
图3 匀张力控制系统框图
3 纺纱张力的测试
细纱的张力可分为三段：前罗拉至导纱钩之间的纱线张力称为纺纱张力T f ；导纱钩至钢丝圈之间的纱线张力称为气圈张力T q ；钢丝圈到管纱之间的纱线张力称为卷绕张力T w ㊂
3.1 加捻段纺纱张力的检测
纺纱张力分解图如图4所示㊂设导纱钩中心为O 点，取Z 轴为过O 点且平行于导纱钩安装面
的水平直线；取X 轴为过O 点且垂直于导纱钩安装面的水平直线；取Y 轴为过O 点且垂直于X -O -Z 平面的铅垂线;
由此构建以导纱钩中心为原点的X -Y -Z 三维空间坐标系㊂设钢领中心为O '，取过钢领中心且与X 轴平行的直线为X '轴，由此构建X '-Y -Z '三维空间坐标系㊂设纺纱段纱线与X 轴的夹角为β，顶部气圈切线与Y 轴的夹角为γ，气圈底部与钢领钢丝圈的交叉点为P ，则
O 'P 与Z '轴的夹角为α㊂图4 纺纱张力分解图
咖啡机使用流程设T f 为纺纱张力,T q 为气圈顶部张力,F 为
导纱钩的支撑力，其在X ㊁Y ㊁Z 轴上的投影分别为F x ㊁F y ㊁F z ,μ为纱线与导纱钩的动摩擦因数,
σ为纱线与导纱钩的包围角㊂由欧拉公式T q =
T f e
μσ则有如下公式㊂F x =T q s i n γs i n α+T f c o s β(1)F y =T q c o s γ-T f s i n β(2)T f =F y
e μσ
c o s γ-s i n β
(3)T f =F x
e μσ
s i n γs i n α+c o s β
(4
)3.2 力传感器的标定
导纱板上装有水平和垂直方向的力传感器㊂在细纱机静止的状态下，标定水平方向时，首先将导纱板置于垂直状态，空载时将水平方向传感器
的变送器输出电流调整到5m A ，再加载150g 砝码，把变送器输出电流调整到20m A ；标定垂直方向时，将导纱板置于水平状态，空载和负载标定与水平方向的标定方法相同㊂所有传感器以上述方法标定完毕后，导纱板置水平状态，在触摸屏上点击 力清零”按钮，显示屏上每个水平方向和垂直方向力均显示为零，标定结束㊂
为了分析测试张力准确性，在静止状态下，将纱线的一端固定在前罗拉钳口，另一端悬挂50g 砝码，然后过装水平方向和垂直方向力传感器的导纱板，可以测试F x ㊁F y 以及计算所用的参
数[
8]
㊂静态张力测试图如图5所示
㊂图5 静态张力测试图
=================================================
图5中,a 为导纱钩到车内墙板距离(88.8mm );b 为前罗拉中心到车内墙板距离(15mm );h 为前罗拉中心到车墙板上部距离(95mm );R 前为前罗拉半径(12.5mm ),R 导为导纱钩半径(1.3mm );Y a 为导纱板起始位置到
车面距离(48.4mm );Y b 为屏幕显示高度
(mm )㊂则导纱角β=t a n -1
h +Y a +R 导-Y b a -b -R 导
+
s i n
-
1R 前-R 导
(a -b -R 导)2+(h +Y a +R 导-Y b )2
=65.052(°
)㊂如图5所示，用50g 砝码挂在导纱钩上(
压力以50c N 计算)，屏幕显示F y 为4.72c N ,F x
为20.86c N ,Y b 为15.40mm ㊂由于在静态张力状态下，所以γ=0°,α=0°
,T f =T q =50c N ，带入公式(1)㊁(2)可得:F x =21.09c N ;F y =4.67c N ㊂以上结果作为调节用参数标定屏幕显示测试值㊂
3.3 静态纺纱张力的测试
纺纱张力测试模拟图如图6所示㊂在静态张力测试模式下，钢领直径42mm ，顶角8.5488°，砝码50g ，分别在图6中指定位置测试静态纺纱张力㊂根据公式(
1)㊁(2)
，用测试的纺纱张力F x 和F y 计算纺纱张力T f ，结果如表1所示㊂
图6 纺纱张力测试模拟图
龙芯3b表1 静态纺纱位置测试数据(0°~360°)
由于纱线是静
态的,
所以式中T f =T q ，所以纺纱张力:
T f =
F y c o s γ-s i n β或T f =F x
s i n γs i n α+c o s β
(5
)3.4 静态纺纱张力测试数据验证
利用E x c e l 表格中C O R R E L (a r r a y 1,a r r a y
2)返回两组数值的相关系数，单元格区域a r r a y 1和a r r a y 2之间的相关系数，相关系数可以确定两种属性之间的关系，并利用t -t e s t 对两组数据作成对显著性检验㊂
具体验证过程在此不作详述㊂从验证结果来看，在导纱钩上测得F x 和F y 都可以用来计算出纺纱张力，但考虑到在纺纱过程中，纱线作高速回转,F y 方向力较小，用于调节范围小，波动较大，因此，在设计纺纱张力控制系统时采用F x 方向力㊂
4 纺纱系统气圈顶角的测算无线环境监测
通过导纱钩处受力分析，推导出公式(1)
㊁(2)，公式中导纱角可计算,F x 和F y 可以测量,α
在0°~360°变化，但是气圈顶角γ不确定，方程仍然难以求解㊂气圈顶角与导纱钩包围角的关系如图7所示㊂
图7 气圈顶角分解图
图7中，设δ为纱线对导纱钩的包围角，则δ=
∠2+∠3;∠1=∠3=90°-β;∠2=γ;δ=90°-β+
γ㊂当包围角朝向细纱机外时,δ=90°-β-γ㊂ 气圈顶端受力分析图如图8所示㊂
图8 气圈顶端受力分析图
=================================================
由图8可知,γ=90°-(θ+∠Φ),t a n θ=F y
F x
,
测出F x 和F y 变化，计算出θ，通过视频截图，量出气圈顶角，然后出θ与γ变化规律㊂
事实上气圈顶角和纺纱张力一样，都是瞬间变化，但气圈顶角的测量难度更大㊂从上述测试数据来看，气圈顶角γ与θ关系呈负相关关系，而且没有显著性差异，如果能推导出它们之间的关系，那么就能测出气圈顶角㊂
从图8中，可以推导出以下关系式:
e μπγ180c o s (θ+γ)=s i n (β+θ)e μπ(90-β)
1
一次性台布
80(6)在生产中，气圈顶角通过调节钢丝圈质量人
为控制㊂气圈要有弹性，并要求小时不能接触到纱管顶端，大时不能碰到隔纱板㊂根据推导得出的公式(6),β㊁θ已知，可求得γ，同时计算出纱线在导纱钩的包围角㊂
5 纺纱张力测试结果分析
通过静态张力测试模型，论证了测试F x 和F y 数据用于计算纺纱张力的可行性,
在实际纺纱过程中，锭子速度一般在15000r /m i n ，即钢丝圈回转速度在250r /s ，每秒变化250个信号，受测试装置的限制，很难捕捉到瞬间变化的数据，只能反映每秒张力的变化数据，而用于控制或调节纺纱张力，已能满足实际需要㊂
5.1 纺纱过程中张力变化情况
纺制C18.5t e x 纱，以导纱板由最低位置运动到最高位置，然后下降至最低位置为一个循环周期，测试张力变化值，锭子速度11917r /m i n
，每秒测试一个数值㊂图9是一个循环周期的张力变化值
㊂
图9 钢领板上下一个周期张力变化
从图9可以看出,
钢领板上升下降过程中纺纱张力不断变化，从最低位置向上运动时，纺纱张力逐渐增大，下降时逐渐减小，接近最低位置时纺
纱张力最小，接近于最高位置时纺纱张力最大㊂
C18.5t e x 一落纱张力变化测试用时
204m i n ，测试数据12241个㊂为直观反映张力
变化规律便于分析，钢领板上下运动一次计取平均张力㊁最大张力和最小张力，一落纱张力变化如图10所示㊂纺纱过程中张力分布及全过程张力变化情况如表2所示
㊂
图10 一落纱张力变化
表2 纺纱过程中张力分布及全过程张力变化情况
从图10和表2可以看出,
开始纺纱时平均张力大于9c N ，称之为小纱阶段,48m i n 后，张力开始减小，当小于9c N 时，进入中纱阶段,122m i n
后张力又开始大于9c N ,
进入大纱阶段用时34m i n
㊂5.2 锭子速度对纺纱张力的影响
试验锭速分别为7412r /m i n ㊁8154r /m i n ㊁8922r /m i n ㊁9664r /m i n ㊁11
407r /m i n
㊁11149r /m i n ㊁11917r /m i n ㊁12647r /m i n ㊁13389r /m i n ㊁14132r /m i n ㊁14772r /m i n 时,
钢领板从最高位置下降至最低位置，然后从最低上升到最高位置的张力测试情况如图11所示㊂从图11中可以看出，锭子速度变化对纺纱张力的影响呈二次函数关系㊂随着锭速的增大，纺纱张力增加，但不同纺纱阶段增加幅度不同㊂小纱㊁中纱和大纱二次项系数分别为0.1244㊁0.0365和
0.0606,
二次项系数决定抛物线的开口方向和大小，系数的绝对值越大，则抛物线的开口越小㊂因此小纱时抛物线开口最小，锭子速度变化对纺纱张力影响最大，中纱时最小㊂
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