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1、第2 8 卷第1 期 2 0 0 7 年1 月 纺织学报 J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 8N o 1 J a n 2 0 0 7 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 7 ) 0 1 0 0 2 2 0 4 小样纺纱C A D C A M 系统开发 马崇启，潘庆云 ( 天津工业大学纺织学院，天津3 0 0 1 6 0 ) 摘要鉴于传统小样纺纱设备中存在的一些问题，结合信息管理、自动控制、伺服驱动和变频调速等技术，开发 了小样纺纱C A D C A M 系统。C A D 系统包括纱线设计模块、纺纱工艺
2、设计模块和报表打印模块，可对常规纱线和 竹节纱进行纱线结构参数设计、纺纱工艺流程设计及各道工序的上机工艺参数设计。C A M 系统包括小样梳棉机、 并条机和细纱机，采用了基于可编程控制器的数字化控制方案和多电机独立传动的控制技术，R S 4 8 5 通讯总线连接 着上位机与小样梳棉机、并条机和细纱机，各机器可以在上位机监控状态下运行，也可以在脱机状态下独立运行。 关键词小样纺纱；数字化；C A D ；C A M 中图分类号：T S l 0 3 2 3 ；T P 3 9 1 7 2文献标识码：A D e v e l o p m e n to fs a m p l es p i n n i n g
3、C A D C A Ms y s t e m M AC h o n g q i ，P A NQ i n g y u n ( S c h o o lo fT e x t i l e s ，T i a n j i nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y ，T i a n j i n3 0 0 1 6 0 ，C h i n a ) A b s t r a c t C o n s i d e r i n gt h ep r o b l e m sa s s o c i a t e d 访t It h et r a d i t i o n a ls a m p
4、 l es p i n n i n gf r a m e aC A D C A M s y s t e mf o rt h es a m p l es p i n n i n gi sd e v e l o p e dt h r o u g hi n t e g r a t i n gt e c h n o l o g i e so fi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ， a u t o c o n t r o l ，s e r v od r i v i n ga n dv a r i a b l es p e e dc o n t r o lw
5、 i t hf r e q u e n c yc o n v e r s i o n T h eC A Ds y s t e m ，i n c l u d i n g d e s i g nm o d u l eo fy a ms t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ，s p i n n i n gt e c h n i q u ed e s i g nm o d u l e a n dr e p o r tf o r m sp r i n t i n g m o d u l e ，c a nd e s i g ny a r ns t r u c t u
6、r a lp a r a m e t e r sf o rb o t hn o r m a ly a ma n ds l u b b yy a r n ，s p i n n i n gp r o c e s sa n d v a r i o u sp a r a m e t e r si ne v e r yp r o c e s s T h eC A Ms y s t e m ，i n c l u d i n gc a r d i n gf r a m e ，d r a w i n gf r a m ea n ds p i n n i n g f r a m e a d o p t sd i
7、 g i t a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do nP L Ca n dm u h i p l em o t o r sw i t hi n d i v i d u a ld r i v i n gt e c h n o l o g y A 1 l t h et h r e em a c h i n e sa r ec o n n e c t e dw i t hh o s tc o m p u t e rb yR S 4 8 5c o m m u n i c a t i o nb u s ，a n de a c hm a c h i n ec a nr
8、 u n i ne i t h e ro n l i n eo ro f f l i n es t a t e s K e yw o r d ss a m p l es p i n n i n g ；d i g i t i z a t i o n ；C A D ；C A M 传统的小样纺纱设备机械结构复杂，精度低，稳 定性差，自动化程度低，可适纺的纱线范围窄，给教 学和科研工作带来了极大的不便。本文吸收了国内 外试样纺纱系统和大生产纺纱系统的先进技术和经 验，结合机电一体化技术、伺服驱动和变频调速技 术、计算机控制技术，开发了数字化小样试纺C A D & C A M 集成制造系统q 1 ，实现
9、了试纺过程各种工艺 参数的在线检测、显示、自动控制和自动调节等o 。 小样设备可纺最低量为2 0 5 0g 的棉或中长化纤原 料，可纺制出7 3 5 8 3t e x 的普通纱线或竹节纱。 1系统集成 小样纺纱C A D & C A M 系统包括纺纱C A D 系统 和数字化控制的纺纱C A M 系统，系统结构如图1 所 示。纺纱C A D 系统由多个工作站组成，各工作站都 可实现计算机辅助纱线设计和纺纱工艺设计，且通 过I n t e m e t ，可根据各工作站用户的需要实行相应的 数据共享。C A M 系统包括上位机、小样梳理机、小 样并条机和小样细纱机，上位机接收C A D 系统传递
10、的参数，通过R S 4 8 5 方式分别与下位机通信，并监控 收稿日期：2 0 0 6 0 4 2 7修回日期：2 0 0 6 0 7 2 4 作者简介：马崇启( 1 9 6 4 一) ，男，副教授。主要研究领域包括纺织工艺理论、纺织机电一体化技术、数字化纺织技术、纺织复合 材料。E - m a i l ：t j m c q t j p u e d u c n 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第1 期马崇启等：小样纺纱C A D & C A M
11、 系统开发 2 3 运行过程中各设备的工作状态，实现数字化控制的 梳理、并条和纺纱过程。 图1 小样纺纱系统结构图 F i g 1 S t r u c t u r a ld i a g r a mo fs a m p l es p i n n i n gs y s t e m 2系统方案 2 1 纺纱C A D 系统 纺纱C A D 系统包括纱线设计和纺纱工艺设 计，其系统模块结构如图2 所示。 图2C A D 系统主要功能模块结构图 F i g 2 C A Ds y s t e md i a g r a mo fp r i m a r yf u n c t i o nm o d u l e
12、纱线设计模块包括常规纱线设计和竹节纱设 计。纱线设计主要依据纤维的种类、长度、细度、原 料状态确定纱线线密度、捻度、捻向等项目b3 ；竹节 纱产品设计中，在保持平均纱线线密度或基条纺纱 线密度不变的情况下，节粗、节长、节距三要素可同 时任意变化，设计出任意有规律或无规律的竹 节纱6 | 。 纺纱工艺设计包括工艺流程设计和各工序上机 工艺参数设计。工艺流程设计主要是根据纺纱原料 的状况和纺纱号数的要求确定并条的次数。系统根 据用户输入的原料种类、状态( 纤维长度、开松状态) 和纱线线密度，给出建议的纺纱工艺流程，经用户修 改确认后转入各工序上机工艺参数设计。 各工序上机工艺参数设计模块包括梳棉机
13、、并 条机和细纱机的参数设计。1 ) 梳棉工艺参数。根据 用户输入的原料种类、状态和试样质量、回朝率、制 成率，系统给出建议的锡林转速、喂棉层铺层长度、 刺辊与喂棉罗拉速比、锡林与刺辊速比、道夫与锡林 速比，计算出道夫上的棉网质量、卷筒上棉网并合圈 数和棉网质量，由于对梳棉制成率的估计不可能十 分准确，所以卷筒上的棉网质量存在一定的偏差，系 统允许梳棉结束后，根据实测的卷筒棉网质量，对后 道工序的工艺参数进行修正，修正后的工艺参数传 递到并条机和细纱机执行，以确保纱线线密度准确。 2 ) 并条工艺。根据并条次数分别计算各次并条的喂 入质量、出条质量、各牵伸区的牵伸倍数、总牵伸倍 数，确定各次并
14、条的出条速度。3 ) 细纱工艺设计。 根据末道并条的出条质量和纱线线密度的要求，计 算细纱牵伸倍数和各牵伸区的牵伸倍数，确定锭子 转速、前罗拉出条速度、钢领板升降速度等工艺参 数。竹节纱的纺纱工艺是根据竹节纱的节距不同， 确定采用前罗拉变速或中后罗拉变速，再由竹节参 数计算变速时间和各罗拉速度。 2 2 纺纱C A M 系统 纺纱C A M 系统中小样梳棉机、小样并条机和小 样细纱机均以P L C 作为主控制器，各回转单元采用 独立电机传动，其组成与控制原理参见图3 。连接 到I n t e r n e t 的上位机控制整个系统的运行，上位机接 收由C A D 系统传输至C A M 系统的纺纱
15、工艺文件， 通过R S 4 8 5 通讯将其传输给梳棉机、并条机和细纱 机，并实时监控其运行状态O 各机还以触摸屏为人 机界面，通过人机界面输入或修改纺纱工艺参数并 监控本机运行状态。整个控制系统主要由P L C 、人 机界面、伺服控制和变频控制组成，其中需要解决的 主要技术问题包括牵伸问题、细纱卷绕成形问题和 细纱机锭子转速与纺纱张力问题。 2 2 1 牵伸 控制系统中全部选用伺服电机独立传动各牵伸 罗拉，因此多电机的同步调速将是影响牵伸的主要 因素。由于伺服电机自带的旋转编码器与相应的伺 服控制器成闭环系统，而且响应时间很短，对牵伸倍 数不会造成影响，但在开车和停车时，由于系统惯性 使罗拉
16、加速或减速时间较长，要保证系统在加速或 减速阶段的瞬时牵伸倍数不变才能保证纱线的条干 均匀。以开车时的加速阶段为例( 停车时的减速阶 段同理) ，在任意t 。时刻前后罗拉的线速度比都要 等于达到正常车速时前后罗拉的设定线速度比，所 以选用伺服电机直线加减速模式并设置相同的加速 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 2 4 纺织学报第2 8 卷 上 位 机 梳理机l 并条机 悯F 硼 到掣掣曰倒型倒圈唰圜圜匿 耋富晕雷离露雷亭亭亭亭峰 自豳审囱国国因甲甲甲
17、甲彳 因戚囱囱圜囱囱囟瞳 时间即可满足上述要求，参见图4 。 ， l 母 县 奎 蝼 煳 缀 图4 加速肘前后罗拉的线速度 F i g 4S p e e do ff r o n ta n db a c kr o l l e r s d u r i n ga c c e l e r a t i o np e r i o d 因为V l 。= 口1t o ，V 2 。= 0 2t o ，所以y 1 。= n 1 。l ；又因为y l K = 0 1 l ，所以y l 。V 2 。 = V 。V 2 。式中：为前罗拉设定线速度；为后罗拉 设定线速度；V ，。为加速阶段时任意t 。时刻前罗拉线 速度；
18、V 2 ，为加速阶段时任意t 。时刻后罗拉线速度； o 。为前罗拉的加速度；o ：为中后罗拉的加速度。 由图4 知，选用伺服电机的直线加减速模式可 以很好地控制牵伸倍数，但在实际运行过程中伺服 电机是通过反馈机制不断调整速度以满足直线加速 规律的要求。因为不同的机械系统其惯性差异很 大，因此需要对电机加减速时间和伺服控制器的 P I D 参数进行优化，以保证达到较高的控制精度要 求，从而不会在开车或停车时造成瞬时牵伸倍数 波动。 2 2 2 细纱卷绕成形 细纱机钢领板的升降由单独的伺服电机传动， 细纱的成形参数可在C A D 中进行设计或通过人机 界面输入。钢领板的定位精度很高，但由于钢领板
19、的传动链存在间歇，在升降过程中，钢领板换向时有 停顿现象，会造成纱线重叠卷绕，尤其纱管底部，退 绕时会造成严重的脱圈，影响成纱质量，因此在伺服 电机换向后给一个很短时间的加速补偿，再按原定 曲线进行控制，可保证良好的卷绕成形o “。 2 2 3 细纱机锭子转速与纺纱张力 锭子转速是影响纺纱张力的主要因素之一。纺 纱过程中，小纱阶段断头最多，大纱阶段次之，中纱 阶段最少，因此在不同的纺纱阶段应具有不同的锭 速r 。系统利用变频技术控制主电机在小纱、中 纱和大纱阶段的转速，使锭子的转速按既定曲线变 化，锭速采用如图5 所示的变速曲线，其中h 表示 钢领板距管底的距离，根据用户纺纱需求设定钢领 板在
20、h 。、h ：、h ，和h 。时的锭速，当钢领板到达相应位 置时，将以曲线加减速模式变速使锭子达到预设转 速，通过平滑调节锭子转速变化，防止了锭速突变而 引起小纱区和大纱区断头的增加，减少了张力突变的 概率。程序设计时为了更好地稳定纺纱张力，可由用 户确定在小纱和大纱段取多少个控制点，分别设 ， 鸟 目 S 蝴 赵 h Ih 2h 3h 4 钢领板距管底距离h r a m 图5 锭子变速曲线 F i g 5S p e e dC U l eo ft h es p i n d l e ( 下转第3 6 页) 一H l儿 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purch
21、ase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 3 6 纺织学报第2 8 卷 在不影响手感的前提下尽量改善织物的抗起毛起球 性。实验发现处理后织物的手感没有太大的变化。 从图3 可以看出1 1 2 下处理5m i n 的抗起毛起球效 果比较好，这可能是因为时间对抗起毛起球效果的 影响要比温度的影响更显著，因为随着时间的延长 熔融部分流动的也更好，这样粘结点就更多，所以抗 起毛起球效果较好。热处理温度不能太高，时间也 不能太长，如果温度太高会使低熔点纤维的皮芯分 离，皮层集块，大豆蛋白复合纤维会受损，从而影响 织物的风格。 礴 盎 箭 i !
22、 郴 | i ! 蝠 B 1 C 1D IB 2C 2D 2 实验方案 图3 不同处理方式下织物抗起毛起球情况 F i g 3 E f f e c to ft r e a t m e n tm e t h o do np i l l i n gp r o p e r t y 2 2 3 热处理方式的影响 用烘箱热处理的效果没有压板热处理好，主要 是因为压板式热处理时织物是在一定的压力下受热 的，织物表面比较平整，这样有利于熔融纤维与大豆 蛋白复合纤维的接触，有利于熔融高聚物的流动和 扩散，故抗起毛起球效果较好。对于烘箱式加热来 说，加热时纱线结构蓬松不利于大豆蛋白复合纤维 与低熔点纤维熔融部分
23、的粘合。 3结论 1 ) 用大豆蛋白复合纤维与低熔点纤维混纺制成 的织物经热处理之后，其抗起毛起球效果显著改善。 2 ) 用压板式热处理方式改善织物抗起毛起球的 效果要好于烘箱热处理方式。 3 ) 随着低熔点纤维含量的增多，大豆蛋白复合 纤维低熔点纤维混纺织物抗起毛起球效果越好。 4 ) 1 1 2 下处理5m i n 的方案较好，既基本保持 织物原有风格又提高了混纺织物抗起毛起球性能。 濑 参考文献： 1 赵伟玲，郝凤鸣，郭晓玲大豆蛋白纤维性能测试分 析 J 棉纺织技术，2 0 0 2 ，3 0 ( 8 ) ：3 3 3 7 2 王其，冯勋伟大豆纤维性能研究( 下) J 北京纺织， 2 0
24、0 2 ，2 3 ( 2 ) ：4 8 5 0 3 刘刚涵织物起毛起球的影响因素与测定 J 中国纤 检，1 9 9 9 ( 5 ) ：2 0 2 1 4 刘世春，姚穆兔毛织物防掉毛的研究 J 西北纺织 工学院学报，1 9 9 9 ( 6 ) ：1 5 0 1 5 4 ( 上接第2 4 页) 置相应的锭速，这样做虽然会增加工艺设计与上机 操作的复杂性，但能有效地减少纺纱过程中的断头。 3结论 1 ) 实现了小样纺纱纱线设计与纺纱过程的数字 化、信息化。 2 ) 变频调速的使用使整个系统的传动机构十分 紧凑，实现了系统的无级变速和动态调速，锭子转速 调节范围更广，翻改品种快捷方便。 3 ) 采用多
25、伺服电机独立传动各机构，牵伸倍数 可调范围广，简化了机械结构，提高了系统的精度。 4 ) 通过人机界面和上位机都可修改工作参数并 可在线显示，也可监控设备的运行状态，并具有超限 报警和自动停车功能。 5 ) 通过修改工艺参数就可纺竹节纱，机械部分 无须变动，同时多电机独立传动机构避免了使用变 速齿轮，减少了纱线出现机械不匀的概率，减小了加 减速时产生的冲击。黼 参考文献： 1 吴迪，夏雪纺织行业现代集成制造系统的发展战略 研究 J 纺织学报，2 0 0 4 ，2 5 ( 1 ) ：1 1 8 1 2 0 2 张峰，张瑞云，李汝勤计算机新技术在纺织品设计与 制造中的应用 J 纺织学报，2 0 0
26、 1 ，2 2 ( 5 ) ：6 6 6 8 3 梅自强大力推进我国纺织现代化技术 J 上海纺织 科技，2 0 0 4 ，3 2 ( 4 ) ：1 3 4 张瑞云，任莺，李汝勤纱线与机织物计算机辅助设计 系统的研制 J 纺织学报，2 0 0 1 ，2 2 ( 1 ) ：4 4 4 5 5 丁志荣纺纱工艺设计与管理系统开发原理与应 用 J 上海纺织科技，2 0 0 4 ，3 2 ( 6 ) ：5 6 5 7 6 谢春萍，周哗瑁，徐伯俊，等数字式竹节纱生产装置 的设计 J 棉纺织技术，2 0 0 3 ，3 1 ( 5 ) ：9 1 2 7 宋立平，冀森彪细纱机多电机传动系统设计探 析 J 棉纺织技术，2 0 0 3 ，3 1 ( 1 ) ：2 7 3 1 8 缪定蜀变频调速技术在细纱机上的应用 J 棉纺织 技术，2 0 0 3 ，3 1 ( 5 ) ：5 7 6 4 2 O 8 6 4 4 4 4 4 3 3 3 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark