纱线张力自动控制与检测试验平台

邱 海 飞

(西京学院 机械工程学院,西安 710123)

摘要:针对实际纱线张力测试过程的难度及复杂性,以织机系统纱线张力成因为导引,分析了送经-卷取机构的组成和运动机理。借助数字化样机和3D打印技术,设计了一种送经-开口-卷取机构简化模型。通过压力传感器、单片机及C语言编程设计开发了纱线张力闭环反馈控制模块,利用PWM波脉宽调制方式对送经-卷取电机进行驱动和调速,使纱线张力在允许范围内保持动态稳定。搭建形成了一套可实现动态纱线张力模拟、检测与控制的试验平台,通过纱线张力数据采集与实时调节,验证了传动机构和控制系统的可行性。为纱线张力测试技术的改进与创新提供了支持。

关键词:织机;纱线张力;PWM波;3D打印;检测;调速;控制

纱线张力是影响织造效率和织物质量的重要因素。织机运行时,随着开口机构的往复运动,纱线张力也随之发生周期性变化[1]。为了保持织机系统的稳定运行,需要对纱线张力进行测试,并根据测试结果对其进行实时控制与调节。传统的纱线张力测试须以实际织机为平台,测试过程复杂、难度大且成本高[2],不利于张力数据的提取与分析。

实际织造过程中,影响纱线张力的因素复杂多样,准确检测和控制纱线张力是保证织造系统稳定运行的重要基础。本文开发建立了一种针对动态纱线张力模拟、控制与检测的试验平台,为纱线张力测试技术的改进与实际应用提供了新的思路。

1 动态纱线张力

织机运行过程中,由于打纬、开口运动及其他因素的影响,纱线张力处于不停的波动状态,这种具有周期性变化规律的纱线张力即为动态张力。相对于上机张力(静态张力),动态纱线张力更为复杂。如图1所示,当综框以速度v1v2上下运动时,由于受到打纬﹑开口﹑送经﹑卷取及后梁摆动等过程的综合作用,使得织轴上引出点到织口的纱线长度发生改变[3],并使纱线产生一定的形变和张力(F1F2F3F4),再加之机件变形、摩擦阻力及各运动机构的动力影响[4],使得实际当中动态纱线张力的变化相当复杂。

图1 纱线张力分解
Fig.1 Decomposition of yarn tension

梭口形成过程中,如果纱线张力过大,会导致纱线疲劳断头,影响织造效率[5];而张力不足又会造成梭口不清,易使布面形成疵点,影响织物质量。因此,为了保证织造效率,提高织物质量和织机系统稳定性,实际工况下,需要对不断变化的动态纱线张力进行实时检测与精确控制。

2 送经-卷取机构

2.1 传动系统组成

电子式送经-卷取机构是实际当中常见的一类纱线输送系统。图2所示为某型喷气织机送经-卷取机构传动系统,主要由织轴、卷布辊、驱动电机、减速齿轮、蜗轮蜗杆等构成[2]。织机启动运行时,送经电机和卷取电机在控制系统作用下同步运行,并通过一系列减速环节将动力传递至织轴与卷布辊。

1-送经电机;2、3、4、5-送经减速齿轮;6、7-送经蜗杆、蜗轮;8、9-边盘传动齿轮;10-织轴;11-边盘;12-活动后梁;13、14-综框;15-纱线;16-胸梁;17-摩擦辊;18、19-导布辊;20-卷布辊;21、22、23、24-卷取传动齿轮;25、26-卷取蜗轮、蜗杆;27、28-卷取减速齿轮;29-卷取电机
图2 电子式送经-卷取机构
Fig.2 Electronic mechanism of let-off and take-up

织机运行过程中,纱线张力大小与织轴和卷布辊的运动密切相关[6]。为了避免纱线张力波动过大,需要对送经电机和卷取电机进行实时调速,将纱线张力变化控制在恒定范围内,以使织造生产正常运行。

2.2 运动原理分析

为了减小纱线张力波动,要求送经运动与卷取运动保持高度协调配合。织造进行时,织轴与卷布辊运动缓慢,驱动电机通过减速装置将动力传递至织轴和卷布辊,控制系统根据纬密、织造工艺及外部干扰等因素实时调节电机转速[7],并使每一纬的送经量和卷取量保持协调,以此来实现纱线张力的调节。

随着织造过程的进行,织轴直径将逐渐缩小,送经机构电机以一定转速驱动织轴运动,使经纱以一定线速度从织轴上退绕而下[2]。根据织造产品工艺要求,织轴送经量与织物纬密及成布率存在一定关系,且经纱每纬送出长度L的计算方法如下式所示。

(1)

式中:K为综框运动引起的经纱收缩率,%;Sw为织物纬密度,根/10cm;Rs为织轴半径,mm;θs为送经电机每一纬转动弧度,rad

随着织轴直径的减小,其运动转速会逐渐增大。假设送经电机与织轴减速比为is,织机主轴转速为nz,则送经电机转速ns可按下式进行计算。

(2)

分析式(2)可知,送经电机转速ns与织物纬密Sw和织轴半径Rs的乘积成反比,而与织机主轴转速nz成正比。

按照不同布料织造工艺要求,卷取机构要以稳定速度将织好的织物牵引离开织口,且牵引过程中应保证纬密不变[7-8]。为使经纱张力波动范围小,可认为纱线在每纬的送出量与卷入量近似相等,即Rsθs=Rjθj,其中Rj为卷布辊半径,θj为卷取电机每一纬转动弧度。假设卷取电机与卷布辊的减速比为ij,则有如下式所示的卷取电机转速nj

(3)

同样可知,卷取电机转速nj与织物纬密Sw和卷布辊半径Rj的乘积成反比,而与织机主轴转速nz成正比。

为了避免织造过程中纱线张力波动较大,可由式(1)(2)(3)计算相关参数,并根据织造工艺和纬密要求对纱线张力进行实时控制,使送经运动与卷取运动的电机转速保持高度协调配合,从而有效减少纱线断头和布面疵点等不利影响。

3 软硬件设计开发

3.1 数字样机

为了便于纱线张力模拟与检测,对图2所示电子式送经-卷取机构进行简化。图3所示为试验用纱线张力控制与检测装置结构图,利用12 V直流电机直接驱动曲轴、卷布辊和织轴,并通过压力传感器采集动态纱线张力数据。整个装置共包括50多个零部件,其中轴承、轴承支座、联轴器及紧固件等均采用标准件,其余零部件根据装置结构及功能要求进行设计。

1-综框;2-胸梁;3-导布辊;4-卷布辊;5-轴承座;7、8、17-电机支架;6、9、12、14-支架;10-辊子支架;11-曲轴;13-调平座;15-传感器支座;16-压力传感器;18-直流电机;19-压纱架;20-织轴
图3 样机结构组成
Fig.3 Composition of prototype structure

在CREO 3.0平台上设计图3所示结构的数字样机模型。根据结构尺寸建立各零部件三维模型,并对所有零部件进行虚拟装配设计,最终建立如图4所示的数字样机总装模型。在三维数字样机设计过程中,需要进行大量模型分析与验证工作,如相位设定、材料加载、约束定义、自由度分析及运动仿真等[9],同时还要综合考虑各零部件之间的装配尺寸和运动配合关系,避免出现干涉、碰撞等问题。

图4 数字样机总装模型
Fig.4 Assembly model of digital prototype

3.2 模型3D打印

采用工业级3D打印机(Dimension Elite)制作关键零部件及非标件,如曲轴、综框、支架等。Dimension Elite 3D打印机采用FDM熔融堆积成型工艺,打印过程由模型材料与支撑材料交叠铺层,其中模型材料为ABS工程塑料,支撑材料为水溶性塑料(可通过NaOH溶液溶解)。该机器成型精度:80 μm;切片厚度:0.178/0.254 mm;最大成型尺寸:203 mm×203 mm×305 mm。

将CREO环境下的零部件三维模型转化为.STL格式,并通过数据接口程序导入Catalyst EX控制软件进行工艺处理。对于强度和刚度性能要求较高的轴类零件,采用实心打印,切片厚度设置为0.178 mm;其余零部件视具体结构选用疏松-低密度、疏松-高密度或实心打印,切片厚度选用0.254 mm或0.178 mm。对于装配件,打印时要求预留0.5~0.7 mm的装配间隙[10],以保证各运动零部件可以相对运动。

综框支撑材料计算和切片处理如图5所示,其中红色区域为实际打印模型,灰色区域为支撑材料。切片处理及相关参数设置完成后,将打印工艺数据添加至模型包中,并放置在可打印范围内等待打印。图6为四个零部件的模型包批量打印,总共使用38.74 cm3的模型材料和22.62 cm3的支撑材料,预计打印时间6 h 1 min。

图5 支撑计算与切片处理
Fig.5 Support calculating and slice process

图6 模型包设置
Fig.6 Setup of model package

3D打印结束后,需要对打印件进行一系列后处理。如图7所示,首先从密封腔室取出3D打印件,然后将其浸泡在装有NaOH溶液的超声波加热设备中溶解支撑材料,待支撑材料完全溶解后,取出3D打印模型晾干并进行打磨、喷漆及再加工等处理,最后根据数字样机结构对各零部件进行组装。

图7 3D打印与工艺后处理
Fig.7 3D printing and post-processing technology

3.3 控制模块开发

以纱线张力为控制对象、电机转速为控制量,通过脉宽调制的方式分别对送经、卷取电机进行压比调速。其基本原理是利用压力传感器将纱线张力转化为0~4.3 V电压信号并反馈到单片机,再由CPU实时判断处理所采集的纱线张力数据,然后输出适量PWM(Pulse Width Modulation)波驱动送经与卷取直流电动机进行转速调节,以此来实现纱线张力的动态控制与稳定。

为了保证纱线张力恒定和纬密均匀,采用闭环控制系统对纱线张力进行实时定量补偿[11]。如图8所示,首先给定一个纱线张力输入初值Y(t0),同时在控制器中预定义允许的张力波动范围,当系统检测到输入张力值超出波动范围上、下限时,控制器通过D/A模块将数字量转化为对应模拟量,执行机构根据模拟量大小对被控对象(纱线张力)进行调节,然后由传感器实时采集纱线张力输出值Y(t1),并将Y(t1)转化为电压量,再由A/D模块将电压量转化为数字量Yn并与Y(t0)进行比较,最后将张力差值ey实时反馈给控制器继续进行张力调节。

图8 控制原理示意
Fig.8 Control schematic diagram

纱线张力闭环控制系统硬件电路结构由六部分组成,主要包括主控单片机STC12C5A60S2、DC-DC直流降压电路、LCD12864显示屏、桥式压力传感器HX711、L298n两路直流电机驱动模块,如图9所示。其中,核心硬件HX711模块是24位A/D转换芯片,主要用于纱线张力采集和A/D转化,该芯片与STC12C5A60S2(MCU)主控单元相连,数据传递和控制信号由管脚驱动,具有集成度高、响应快、抗干扰性强等优点。

图9 控制原理示意
Fig.9 Structure composition of hardware circuit

图10 控制程序流程
Fig.10 Flow chart of control program

纱线张力数据采集与控制流程如图10所示,单片机通电后,所有指示灯亮起表示系统正常供电,数据采集系统开始工作,同时液晶屏显示基本信息;当蜂鸣器响起时,表示控制程序已经进入主函数,开始采集纱线张力初值,然后按键(K1、K2、K3)选择相关功能,接着控制处理器输出适量PWM波信号驱动送经-卷取电机开始转动。与此同时,张力检测装置将采集到的张力值实时反馈给处理器,处理器根据反馈数据再次输出PWM波信号,以此来继续调节电机转速,使纱线张力变化恒定在动态范围内。

在Keil uVision4软件环境中编写C语言控制程序,如图11所示。根据纱线张力控制与检测要求,设计编写相关逻辑、时序及功能指令代码,并在编译和调试成功后将程序上传至硬件开发电路板。

图11 程序调试与编译
Fig.11 Program debugging and compilation

4 试验平台

将试验用单根纱线穿过综框缠绕在织轴和卷布辊之上,如图12所示。根据实际织造工艺,要求缠绕的纱线具有一定上机张力(静态张力)[12]。将3D打印组装模型与程序开发板及相关电子元器件进行连接,最终搭建纱线张力控制与检测试验平台(图13)。在此平台上,实现了纱线张力的模拟与检测,同时可通过控制送经和卷取机构电机转速,对动态纱线张力进行数据采集和实时调节。

图12 单根上机纱线
Fig.12 Single yarn on the model

图13 试验平台总装模型
Fig.13 Assembly model of testing platform

该试验平台不仅能够实时监测系统工作状态,而且可以方便、直观地获得纱线张力测试结果。系统通电开机后,LCD液晶屏首先显示基本信息界面,按下电动机控制开关按钮,开口、送经和卷取机构启动运行,纱线开始逐渐从织轴退绕而下,并经过运动状态下的综框缠绕在卷布辊之上。与此同时,控制系统进入主程序,LCD屏显示各控制量和实时数据,如图14所示。当纱线张力出现波动时,屏幕上的电机转速也随之发生变化,以此来对纱线张力进行控制,使其稳定在动态可控范围内。

图14 控制及显示模块
Fig.14 Control and display module

5 结 语

现代测试技术的发展日新月异,纱线张力检测手段也在不断改进与创新。通过数字样机、3D打印、单片机和C语言编程开发建立的这种纱线张力控制与检测试验平台,不仅操作简单、成本低廉,而且反应灵敏、性能稳定,可以方便、快捷地实现纱线张力的实时控制与检测,摆脱了以往测试过程对于织机物理样机的依赖,有效降低了纱线张力的检测成本和技术难度,为实际工况下的纱线张力测试、调节提供了新的技术思路。

另一方面,该试验平台主要是通过送经和卷取系统的电机调速来实现纱线张力检测,在此基础上验证传动机构、控制程序、张力数据采集等环节的可行性及有效性。考虑到与实际织机系统的结构差异,该平台上的纱线张力检测尚不能完全等效于实际工况,特别是复杂织造工艺下的纱线张力检测与调节,因此,该平台在结构与功能方面还存在很大改进空间,后续研究有必要对其进行进一步完善和深度开发,从而更加精确地逼近实际纱线张力检测过程。

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A testing platform of auto-control and detection for yarn tension

QIU Haifei

(College of Mechanical Engineering, Xijing University, Xi’an 710123, China)

Abstract:In view of the difficulty and complexity in actual process of yarn tension testing, the composition and movement principle of let-off and take-up mechanism were analyzed, which was based on the origin of yarn tension. With the aid of digital prototype and 3D printing technology, a simplified model of the mechanism composited by let-off, shedding and take-up was designed. A closed-loop feedback control module of yarn tension was designed and developed with pressure sensor, single chip microcomputer and C language programming, and the PWM wave was used to drive and regulate the speed of let-off and take-up motor, to keep the yarn tension dynamically stable within the allowed scope. A testing platform for simulation, detection and control of yarn tension was established, and the feasibility of the transmission mechanism and control system was verified through data acquisition and real-time adjustment of yarn tension. This provides a support for technique improvement and innovation of yarn tension testing.

Key words:loom; yarn tension; PWM wave; 3D printing; detection; speed regulation; control

DOI:10.3969/j.issn.1001-7003.2017.06.006

收稿日期:2016-10-05;

修回日期:2017-05-04

基金项目:陕西省教育厅科研计划项目(15JK2177);西京学院科研基金项目(XJ150216)

作者简介:邱海飞(1983—),男,讲师,主要从事机电产品数字化设计与开发、机械系统动态设计。

中图分类号:TS103.3;TH128

文献标志码:A

文章编号:1001-7003(2017)06-0027-06 引用页码: 061106