基于台达机电技术的倍捻机自动化方案设计

摘 要：在简要介绍倍捻机工作原理的基础上重点研讨机电一体化倍捻机自动化系统设计术。系统基于PLC控制平台与变频器驱动的集成结构。
1 引言
在纺织工程领域，纺纱与织布是两个完全不同的工艺过程。纺纱是织布的前期工艺。加捻属于纺纱的后期工艺。对于短纤纱，加捻使纤维之间抱合得更加紧密，使纱具有一定物理机械性质；对于长丝，加捻的工艺目的是改善织布工艺的加工性，提高纺织品抗起毛起球、抗勾丝性，强捻使织物风格独特。加捻是使纱条的两个截面产生相对回转，这时纱条中原来平行于纱轴的纤维倾斜成螺旋线。纱线加捻的多少以及纱线在织物中的捻向与捻度的配合，对产品的外观和性能都有较大的影响。加捻性质的指标有：表示加捻程度的捻度、捻系数及表示加捻方向的捻向。纱线的捻向对织物的外观和手感影响很大，利用经纬纱的捻向与织物组织相配合，可织出外观、手感等风格各异的织物。
顾名思义，倍捻机作为一种加捻设备，实现一转两捻，效率比传统捻线机成倍提高，卷装容量增大，加捻质量大幅度提高。倍捻机主要具有以下特点：高品质锭子在高速运转下的持久稳定性；二级传动机构，使受力更合理，加捻范围更广；油浴式齿轮箱，特殊的导纱曲线，使卷绕成形良好；卷绕张力可以在超喂罗拉上任意调节，因此也适用于染色用松驰柔软的卷绕，倍捻机结构如图1所示。
2 机电一体化倍捻原理设计
自动化倍捻机是高性能的机电一体化设备，适用于棉、毛、涤等纤维的纯纺、混纺纱线的加捻。与传统环锭捻线机相比，自动化倍捻机可直接做成标准筒子（锥形或圆柱形）或松边筒子用于染色，其纱线质量优于传统捻线机，有利于剑杆织机和针织机性能的完全发挥。
在国内设计出以台达EH系列可编过程控制器为主控制单元，控制全机锭子速度（台达变频器控制），卷绕电机速度（台达变频器控制），横动移纱电机速度（台达B系列伺服驱动器），用台达人机界面设置和显示工艺参数的控制方案。取消移纱成形凸轮机构。对主轴转速信号采用高速计速，对卷绕辊进行测速；通过在人机界面上设置工艺参数如：锭子速度、捻度、交叉角α等，对运转过程中出现的故障信息均在人面界面上用显示出来，为排除故障提供方便。基于台达机电技术的倍捻机自动化系统体系结构参见图2。
倍捻机倍捻部分的组成由滚筒、超喂罗拉、锭子、龙带、及刹车踏板等组成，倍捻锭子加捻原理，从喂入筒子上退绕的纱，经过张力器，锭子内孔和加捻盘的外表面到达导纱杆。纱在张力夹与锭子出纱口之间得到第一个捻回，在导纱杆之间又得到第二个捻回；从而，锭子一转得到了二个捻回。纱丝加捻角扭转一圈为一个捻回。纱线单位长度内的捻回数称捻度。我国棉型纱线采用特数制捻度，即用10 cm纱线长度内的捻回数表示；精梳毛纱和化纤长丝则采用公制支数制捻度，即以每米内的捻回数表示：
捻度计算公式为：捻度=


图1 倍捻机结构
2.1 倍捻机工艺计算及电控部分运转分析
（1）转速及捻度的设定。转速及捻度是根据生产工艺而预先确定的。
（2）设定捻度。电气窗口显示为设定捻度（即计算捻度）其计算为：
设定捻度（计算捻度）=2*锭速（转/分）/出纱纱速（米/分）=(捻/米)
设定捻度数是按平行卷绕计算的，在进行交叉卷绕时，纱线所获得的捻度须时行修正。
设捻度=工艺要求捻度+工艺要求捻度

其中：

为交叉角修正系数；1/2为经验修正系数。
通过公式可以知道纱速和转子转速的跟踪关系，即转子的转速/2即为纱速，通过齿轮的比数和变速箱的系数计算出出纱电机的所需转数，经过PLC的计算后，将出纱的速度所需的要变频器的频率值用通讯的方式传给电机的拖动变频器。

图2 倍捻机自动化系统体系结构
（3）交叉角的选择。本机可供选择的交叉解范围 ,具体参数一般可根据实际应用工艺而确定。交叉角的大小一经选定了往复次数多少，对于普通纺织用纱选择交叉角不成问题，但低捻纱需高速卷取时就要合理的选择交叉角和锭速，以使在往复次数在机器许可范围之内。交叉角控制原理结构参见图3。交叉角与往复次数的计算机关系：

其中：θ为交叉角； L为往复动程；V为卷绕速度。
在选择交叉角时，一事实上要进行往复次数的验证控制往复次数<60次/分，参见图3。

图3交叉角控制原理结构
筒子的成形及防硬边,倍捻机成纱的筒子形式有三种：平行筒、锥形筒及染色筒。平行筒，导纱动程不变，没有防硬边，不能直接染色。锥形筒，导纱动程不变，没有防硬边，不能直接染色。染色筒，导纱动程周期性变化，防止筒子出现硬边，可直接染色。平行筒子锥形筒转换需要更换筒子架的筒盘并相应调整筒子架的倾斜角。直边筒与染色筒可在电气面板的功能按钮进行转换。
由PLC控制横动伺服电机来控制纱筒的成形，伺服电机的速度是纱速和导纱角共同控制的，由导纱角公式可以计算出伺服的横动的频率。
（4）超喂率计算。超喂罗拉的表面出纱速度比磨擦滚面线速度高，使倍捻机获得可供直接染色的松软筒子。超喂率=超喂罗拉表面出纱速度/磨擦滚筒表面线速度（卷绕速度）×

。其中：G为超喂量变换轮。
（5）产量计算。产量=

㎏/台
其中：V-卷绕速度（米/分）；t-工作时间（小时）；Nm-股线支数（Nm=1.715Ne,Ne:英制支数）；N-每台锭数；η-效率。
2.2 回馈及计算

图4倍捻机的回馈控制原理
倍捻机的回馈控制，为了确保捻度的均匀高质，所以用闭环控制倍捻机各种电机拖动的转速。一是通过转子处的转速脉冲数，二是检测纱速的脉冲数回馈给PLC，PLC对检测到的高速脉冲进行计数采集，在PLC中采用浮点计算的方式，对转子转速和纱速进行实时的监控，再对将监控的数值进行计算用通讯的方式传给下位机变频器，通过监控值和实际转速修正变频器的频率来调整转速，纱速的控制也是通过闭回路的控制达到：捻度=

，使捻度达到均匀高质的目的，参见图4。
3 结束语
随着电控系统的高效、成熟、性价比的提高，应用电控系统的自动化倍捻机逐渐成为纺织行业的需要，效率比传统捻线机成倍提高，卷装容量增大，加捻质量大幅度提高，主要具有以下特点：高品质锭子在高速运转下的持久稳定性；二级传动机构，使受力更合理，加捻范围更广；油浴式齿轮箱，特殊的导纱曲线，使卷绕成形良好；卷绕张力可以在超喂罗拉上任意调节，因此也适用于染色用松驰柔软的卷绕。