全数字式系列智能竹节纱生产装置

全数字式系列智能竹节纱生产装置江南大学谢春萍徐伯俊摘要：简述了自主开发的智能系列竹节纱生产装置，介绍了其用在环锭纺纱机和转杯纺纱机上改造方案，分析了单片机控制系统的硬件设计与软件，并对使用本系统的竹节纱生产工艺进行了分析。关键词：竹节纱，环锭纺，转杯纺，数字式中图分类号：TS104.71．概述我国已正式加入WTO，纺织工业将迎来新的机遇与挑战，高新技术的应用将是纺织业能否走在世界前列的关键，利用高新技术改造传统产业，特别是采用智能技术与机电一体化结合的自控系统应用于新产品开发是提升纺织传统产业技术升级的关键。花式纱线产品从二十世纪七十年代发展起来的，一直是纺织品市场的重要分支。国外为了突出服装的穿着个性，采用花式纱线的服装比较流行；国内花式纱线生产技术及其质量尚停留在低档技术改造上，花式纱线产品受到限制。竹节纱是花式纱线的重要分支，就是在普通单纱的长度方向上，纺制出有一定规律的粗节，这种粗节根据不同面料设计要求和标准范围，是纺纱工艺不可缺少的参数。竹节纱可使织物具有独持的立体花式效应．广泛适用于色织、毛织的服装面科、衬衫以及装饰织物如窗帘、沙发罩、床罩、汽车内装饰织物等，竹节纱产品在穿着时又可减少贴肤面积，因此常用以生产夏季面料。2．国内外研究现状及趋势在环锭细纱机和转杯纺纱机上开发的纺制竹节纱的控制装置普遍使用的方法大体上可分为三种形式：机械式：费用低，但噪音大、变换工艺（竹节长度、节距、线密度及任意的循环等）不便，且寿命短，维护费用大；PLC与机械结合式：大多采用PLC控制电磁离合器吸合，费用较低，但噪音大、寿命短，维护费用大，竹节纱参数控制差、精度差、花式变化少，很难满足高质量的用户需求。全数字式：它们可完完全全地按样品或客户的任何要求生产，达到至善至美的程度，而且参数调整十分简单、方便、快捷，只需在控制面板上键入设计工艺即可，是今后的发展趋势。3．总体设计3．1环锭细纱机牵伸系统改造改造后可实现静态、动态实时任意调节牵伸倍数，从而实现各种新型花式纱线的开发与纺制；其中方案一适纺4cm以下短竹节长度的竹节纱，同时也适纺4cm以上较长竹节长度的竹节纱；方案二适纺4cm以上竹节长度长的竹节纱，方案三是一个完善系统，可任意设定动静态下的前罗拉与中后罗拉的速度，纺制各种类型的竹节纱。3．2转杯纺纱机的喂入系统机电一体化改造改造后可实现静态、动态实时任意调节，从而实现竹节长度大于纺纱杯周长、竹节线密度存在渐变效应、具有仿麻效果的各种新型花式竹节纱的开发与纺制。3．3伺服电机和步进电机系统加减速优化及与主机的同步本系统用于环锭细纱机中，开关车存在与主机的同步问题，有三个解决途径：一是选用开发的测速反馈系统，在要求高精度的场合，必须采用此附件；二是采用本系统软件中根据各类机型配置的经验同步跟踪系统，本系统采用人工神经网络理论，具有自学习与自适应功能，能够满足常规生产要求；三是选用加装超越离合器，实现开关车时由超越离合器传动。而转杯纺纱机由于其加工特点与环锭细纱机不同，因而不需设计同步系统，只是在开车时需避免所有电机同时启动电流过大，设计了延时驱动喂给罗拉。伺服电机和步进电机系统加减速优化是本系统的关键，根据转杯纺纱机与环锭细纱机的特点，本系统采用人工神经网络理论，对加减速系统进行了优化，能够达到最优最快的加减速特性，以满足生产中的各类需求。3．4单片机系统的硬件设计与软件3.4.1硬件设计本装置的核心元件为近年研制的内含快闪存储器的高档单片微控制器89C52，其片内快闪存储器的编程和擦除完全用电实现，数据不易丢失，可保存10年。程序存储于微控制器内部，不需外部扩展程序存储器，且有强大的加密功能，使大量的数据不在CPU和外部扩展程序存储器之间来回交换，大大提高了控制装置的抗干扰能力，这一优点对纺纱机纺竹节纱装置来说是至关重要且最为宝贵的。数据存储器采用美国近年制造的X25045P，它将看门狗定时器、集成电路监控和电子编程可擦除存储器三种功能容为一体，降低了成本，完成了断电数据保护，提高了软件系统的可靠性和控制装置的抗干扰能力。控制装置安装的细纱机上有可能会因附近大电机（空调风机、细纱机主电机等）启动而引起供电电压的大幅波动，这将对控制装置产生极大的干扰，使纺出的竹节纱达不到工艺要求甚至引起故障。本控制装置选择了PS0500AC5CR-IBP新型开关电源模块，具有输出短路和过热保护。当输入交流电压在90V~264V之间波动变化时，其输出电压可始终保持在5V±0.03V的水平，可确保在此大范围的电压波动下，控制装置稳定可靠的工作。以单片机为核心的控制装置输出编程确定的开关脉冲信号，经一专用脉冲信号发生器经光电耦合器输出，它使控制装置的输入和输出在电气上完全隔离，大大提高了系统可靠性和抗干扰能力。以单片机为核心的控制装置应用于工业控制系统，如细纱机和转杯纺纱机纺制竹节纱控制，从功能、精度、易操作性等方面完全胜任而有余，而最重要的问题是提高系统的工作可靠性，即抵御外来干扰的能力。细纱机和转杯纺纱机一般是昼夜连续不断的运行，不允许出现故障，否则影响产量和质量，特别是中夜班一般无专业人员值班更会对产量带来严重的损失。因此本系统除了在硬件方面作了精心的设计外，还在软件的设计上对抗干扰问题做了特别处理。3.4.2软件设计采用了指令冗余技术：在一些对流程起决定作用的指令间插入2~3条空操作指令NOP，以保证被干扰启动而弹飞的程序迅速纳入正常的控制轨道。采用软件陷阱技术：对未使用的中断向量区，未使用的大片ROM空间、表格的最后以及程序区内的正常断裂点处都安排了软件陷阱。采用了程序运行监视（看门狗）技术：利用X25045P软件编程选取200ms的超时复位周期，实践证明效果显著。采用出错处理子程序技术：在适当的地址中设置标志，当检测到标志单元内容已改变说明程序因干扰等原因脱离正常轨道，这时立即转入出错处理子程序，使程序迅速恢复正常。3．5配套新产品的工艺与检测手段研究我们研究的纺竹节纱过程中的工艺技术关键有以下几个方面：3.5.1竹节纱主要参数与布面风格的关系竹节纱参数包括基纱线密度、竹节粗度、竹节长度及竹节间距，由于竹节纱的特殊结构，布面风格与上述四参数密切相关，其各种各样的组合决定了它在布面上特殊的风格，其方法主要有：原料不同形成的风格有异：如用普通棉、涤纶原料纺制的单纱织制的竹节纱织物竹节较明显；而采用异形纤维如阳离子涤纶、强光涤纶、粘胶等形成较细竹节，然后与普通纱加捻成线，可制成高档面料。由于竹节纱竹节部分较粗，纺纱时加在竹节部分的捻度也较少，竹节段纤维较松散，使竹节纱染色时粗段与细段对染料的吸收不一致，再根据竹节长短不同会形成雨点或雨丝的风格。在转杯纺纱机上纺制10~12英支1.3~1.8倍于正常纱的细长竹节的竹节纱，配合竹节间距与长度的变化，可织制出具有麻的风格的高档面料。利用竹节纱竹节部分的长短不同、粗细不同、节距不同、原料不同，可开发出丰富多彩风格各异的品种，以满足各类不同消费者的需要。3.5.2工艺设计纱号设计：在确定竹节纱的百米定量时，应根据竹节长度、节距的大小和竹节段粗细，换算成百米定量。但由于竹节部分和节距部分有一粗细过度态，特别是转杯纺竹节纱，过度态较长，因此计算重量和实际重量间会有一定的差异，实际生产中应根据大面积定量进行微调。竹节粗度：在竹节纱纺纱过程中，粗度是较难掌握的参数。我们用切断称重法来检定竹节的粗度：即取相同长度的竹节部分和节距部分，分别称重，竹节重量与节距重量之比即为粗度。粗度一般由试纺确定，经用户认可后投入批量生产。环锭竹节纱的竹节长度：在前罗拉变速情况下，取决于前罗拉的速度V1（mm/s）和瞬时降速的时间t1（s）的乘积，在后罗拉变速情况下，取决于前罗拉的速度V1（mm/s）和后罗拉升速的时间t2（s）的乘积，一般误差较小。转杯竹节纱的竹节长度：在改变喂给罗拉速度的情况下分为两种情况：设L--喂给罗拉高速情况下引纱罗拉输出的纱线长度D--转杯的直径S--竹节长度当L＞πD即在喂给罗拉升速的时间内引纱罗拉输出的纱线长度大于纺杯的周长时：竹节的长度S=2πD+a（a=L-2πD），为纺杯周长的二倍以上。当L＜πD即在喂给罗拉升速的时间内引纱罗拉输出的纱线长度小于纺杯的周长时：竹节的长度S=πD+b（b=L），介于纺杯的周长与两倍的纺杯周长之间。4．结束语利用高新技术改造传统产业，特别是采用智能技术与机电一体化结合的自控系统应用于新产品开发是提升纺织传统产业技术升级的关键。本项目研制的全数字式系列智能花式纱线生产装置，可作为传统环锭细纱机、转杯纺纱机制造厂的选配件，但主要是作为纺纱工厂的设备技术改造后生产竹节纱等新产品，能够满足生产实际需求的竹节长度、竹节粗度、竹节间隔任意调节，实际误差5%，优于目前使用的各类生产装置，并可生产特殊的具有平面投影拟合的特色竹节纱，是目前各类生产装置不能生产的。使用本装置技术改造后，每吨纱新增利润5000元甚至更高，而生产成本并不增加，环锭细纱机产量有所降低，而转杯纺纱机产量并不受影响，因而社会效益巨大，直接经济效益明显，具有很大的推广应用价值。参考文献汪军等，转杯竹节纱参数的理论与实践[J]，中国纺织大学学报，2000;26(10):35~38刘启中，细纱机纺竹节纱的单片机控制[J]，上海工程技术大学学报，1991;5(2):28~32曾宪柱，用机电一体化技术纺制竹节纱的实践[J]，广西纺织科技，2001;30(2):16~17刘常威等，转杯纺纺制竹节纱初探[J]，广西纺织科技，2001;30(3):14~15谢春萍等，带有反馈控制的竹节纱生产装置[J]，北京纺织，2002.3樊孝辉，一种纺制竹节纱的电脑控制装置[J]，棉纺织技术，2000.27(3)