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【技术】浅析整经机恒张力控制技术

2016-10-04 09:04阅读:
整经是织造前的一道重要工序,它是将一定数量的经纱按照工艺规定的长度和幅宽,以均匀、适宜的张力平行卷绕到经轴上的过程口。当今整经技术发展迅速,将机、电、气及计算机技术一体化,具有设备智能化、整经速度高速化、整经质量高质化、控制技术自动化等特点。整经机分为分批整经和分条整经,张力过大或者过小都会影响整经质量,进而影响下一道工序的顺利进行口。因此,在整经过程中,保持张力恒定是控制的关键。张力控制是整经设备控制系统中很重要的一个环节,主要是运用电子齿轮对经纱卷绕过程中的张力进行控制,保持整经张力的恒定。无论在生产效率方面还是在自动化操作方面,都在不断地改进和提高。恒张力控制技术主要包括磁粉恒张力控制、变频调速恒张力控制和伺服闭环恒张力控制。恒张力控制系统主要是以PLC或者单片机为控制核心,将速度和张力传感器采集来的信号进行处理,通过与最初设定的纱线张力值进行对比,按照PID控制策略对数据进行处理与计算,实时地调整反馈控制信号,通过调整交流伺服电机或者变频电机的转速保持整经张力的恒定控制。本文对比分析了上述三种恒张力控制技术特点,并对应用较为广泛、控制精度较高的伺服闭环张力控制系统进行介绍,探讨整经机恒张力控制技术的发展趋势。
1 整经机张力模型分析
张力控制系统是一种输入量按照某种特定并可实时调节的规律而发生变化的特殊随动系统。张力的控制实质上是整个卷绕系统的核心,要实现较好的恒张力控制,建立一个张力数学模型是十分有必要的。通常,假设纱线在传动辊上传动时不发生滑动摩擦,只有黏滞摩擦,纱线的线速度与传动辊的线速度相等。考虑到两个连续的传动辊,从前一个传动辊的第一接触点到后一个传动辊的第一接触点的张力模型如图1所示。
【技术】浅析整经机恒张力控制技术

由胡克定律可知,纱线上的张力T:
【技术】浅析整经机恒张力控制技术
式中:L为传动两点之间的距离,V1为放卷轮一的线速度,V2为放卷轮二的线速度,t为纱线的传送时间,t=L/V1,由此可见,纱线作为张力调节对象时是一个积分环节。在整经开启过程中,我们应控制V1>V2,以便使纱线产生一定的张力,当纱线达到所要求的适当张力后,应该及时调整动力执行机构使V2达到稳定,这样纱线就会在此张力下稳定运行。
2 整经机的恒张力控制技术
整经机的恒张力控制技术主要有以下几种。一是以磁粉制动器为执行部件的磁粉张力控制系统;二是以变频电机为执行部件的变频调速张力控制系统;三是以伺服电机为执行部件的伺服闭环张力控制系统。
2.1 磁粉张力控制
以磁粉制动器为执行部件的张力控制系统为磁粉张力控制系统。磁粉制动器的输出转矩与通过其内部电感线圈的电流之间具有较好的线性对应关系,因而只需要通过张力检测元件检测出纱线现场的张力值,并对应此输出相应的通过磁粉制动器的激励电流,就能够实现纱线张力的动态控制,保持纱线张力的恒定。磁粉张力控制系统框图如图2所示。
【技术】浅析整经机恒张力控制技术
通过张力检测装置,将纱线之间的张力转化为与之相对应的电压信号,并将其作为反馈信号输入到张力控制器中经过放大、采集再传送到微处理器中进行处理,与最初设定的张力值信号比较,进行PID运算,输出控制信号,从而控制磁粉制动器,自动调整制动器的激励电流,从而控制与制动器连接的辊轴,实现纱线张力的恒定值控制。磁粉制动器是被动的,不能控制其运动方向。磁粉制动器用于抱紧放卷辊,输入力矩由收卷电机提供,通过调节线圈电流改变输出力矩,从而调整出牵引辊的转速。主电机与收卷辊电机的部分输出被磁粉制动器白白浪费,并且精度差,线性不好,控制的卷径变化范围较小。
2.2 变频调速张力控制
以变频电机为执行部件的张力控制系统为变频调速张力控制系统。主要通过控制变频器的激励电流或者电压来实现变频电机转速的控制,采用变频电机将动力通过减速齿轮机构传送到整经轴,利用可编程控制器(以下简称PLC)或者单片机控制变频器的输出电压,进行频率调节,在整经过程中保持纱线的线速度恒定,从而实现张力的恒定。变频调速张力控制系统主要包括PLC或者单片机、变频器、触摸屏、编码器、张力传感器等,其控制系统框图如图3所示。
【技术】浅析整经机恒张力控制技术
在变频调速控制系统中,电机主要采用的是力矩控制模式,我们可以在触摸屏上设定纱线的张力和电机的速度限定频率,两个数字量输入到PLC中,通过计算力矩,将张力值转化成模拟电压信号输入到变频器中。变频器在执行这一指令时,变频电机就会在力矩恒定的状态下进行工作。当收卷辊的卷径逐渐增大时,PLC通过卷径和力矩计算,将计算后的模拟电压信号重新输送到变频器中,变频器将再次执行这个新接收的指令,这样通过不问断的力矩计算,收卷辊电机的转矩会随卷径的增大而变大,从而保证了纱线张力的恒定。该控制方式通过变频器调节电动机的供电频率,进而改变电动机的转速,甚至可以达到无级调速。虽然调速范围宽,效率高,但是变频系统较为复杂,成本较高。
2.3 伺服闭环张力控制
伺服闭环张力控制系统主要包括PLC、张力传感器、伺服驱动器、伺服电机触摸屏等。PLC为张力控制系统的核心元件,张力传感器将检测到的张力信号输送到PLC的A/D转换模块,模拟量转化成数字量后输送到PLC的缓存区,与最初设定的张力值进行PID运算,运算后转化成伺服电机将要进行控制的速度值,再经过PLC的D/A转换模块送到伺服驱动器的速度模拟量输人口,伺服驱动器根据提供的模拟量信号控制伺服电机的转速,进而对纱线张力进行恒值控制。在整经过程中,用户可以通过触摸屏输入张力值。PLC实时进行目标张力与实际反馈张力的比较,通过调节目标张力和实际反馈张力的差值,控制伺服电机的速度,从而使设备能够稳定运行。双伺服闭环控制系统结构图如图4所示。
【技术】浅析整经机恒张力控制技术
对于放卷电机采用直接的开环控制方式,通过触摸屏得到电机的速度设定值,传输到PLC后经过换算,转化成电机的脉冲频率,然后把频率值输入到伺服驱动器1,让放卷电机在固定的频率下转动。在开机阶段要实现同步启动,即放卷轮和收卷轮同时转动,才能不损坏卷绕的材料。所以,要求在开机阶段,收卷电机和放卷电机以相同的转速旋转几秒钟。这个环节可在程序里加入计时器来实现,同时把转换来的频率传输到伺服驱动器2,让收卷电机以相同的转速旋转,装在张力感应辊两端的张力传感器把感应到的压力转换为电压信号,经过信号放大器,变成0V~10V标准电压信号,输入到PLC模拟量输人口。PLC得到信号后进行转换和PID运算,再把结果输送到伺服驱动器2,从而对收卷电机2进行反馈控制,收卷电机在恒定转速的基础上开始自动调节,使张力控制在设定的范围内,达到设备的控制要求,从而实现纱线张力的恒定控制。伺服闭环控制系统控制功率较小,过载能力强,可靠性好,控制精度高,使速度调节更加精确。
3 结语
随着当今整经技术的迅速发展,对整经产品质量要求不断提高,保持纱线在整经过程中的张力恒定非常有必要。整经机的恒张力控制技术主要有以磁粉制动器为执行部件的磁粉张力控制系统、以变频电机为执行部件的变频调速张力控制系统、以伺服电机为执行部件的伺服闭环张力控制系统。每一种恒张力控制系统都有其各自的技术特点,在磁粉张力控制系统中,输出力矩被磁粉制动器消耗较多,精度较差,线性不够好,控制的卷径变化范围小;在变频调速张力控制系统中,虽然调速范围宽,可以达到无级调速,但变频系统较为复杂,成本较高;在伺服闭环控制系统中,伺服控制器的内部转矩检测功能可以精确地检测输出的电流,实现输出转矩的高精度控制,从而使速度调节更加精确,也因此得到了最为广泛的应用。
(作者:杜宇 王琛 杨涛 赵利川)

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