一种环锭纺细纱近原位自动接头方法及装置

1.本发明涉及一种用于环锭纺细纱的断纱近原位自动接头方法以及采用该方法的装置，属于环锭纺细纱自动接头技术领域。


背景技术：

2.细纱作为纺纱工艺中的关键工序，在纺织生产中起到重要作用，其断纱(从前罗拉输出至筒管之间连续的细纱条发生断裂的现象)将直接影响纺纱的生产效率。针对断纱问题，当前主要依靠工人手动完成接头，劳动强度高且生产效率低，无法适应现代化生产，因此实现环锭纺细纱自动接头具有重要的现实需求及意义。
3.目前，环锭纺细纱自动接头分为找纱接头和引纱接头，由于找纱接头在原断纱纱管上找断头困难且成功率低，而引纱接头通过引辅助纱卷绕断纱纱管表面替代纱管表面找断头完成接头动作，接头成功率普遍高于直接找断纱接头，是当下主要使用的自动接头方法.例如中国专利cn105019076a中提供的“带引纱的环锭细纱断头自动智能接头方法与装置”、中国专利cn102560770a中提供的“一种细纱自动检测断头、自动接头方法及装置”、中国专利cn113174668a中提供的“一种环锭细纱机自动接头装置及方法”等。然而引纱接头技术仍存在不少缺陷，无法完全替代人工接头应用于实际生产，现有环锭纺引纱自动接头技术主要存在问题有：
4.(1)现有引纱接头装置结构复杂，难以在断纱锭位狭小空间内完成整个接头动作；
5.(2)现有引纱接头方法步骤繁琐，引辅助纱动作耗时久，造成整个接头过程效率低；
6.(3)现有引纱接头方法与装置进行辅助纱绕纱操作不稳定，没有考虑对纱线力控制问题，在实际接头过程中容易出现纱线飘动、粘结、断裂等问题，造成辅助纱绕纱成功率低，直接影响接头成功率。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题是：现有引纱接头方法步骤繁琐，难以实现近原锭位稳定引纱接头。
8.为了解决上述技术问题，本发明的一个技术方案是提供了一种环锭纺细纱近原位自动接头方法，将纱管的高度方向定义为上下方向，其特征在于，包括以下步骤：
9.步骤1、纱管夹取装置伸入断纱锭位，将断纱纱管移动至原断纱锭位正上方；
10.步骤2、环形气流绕纱定位装置伸入断纱锭位，并使其环形气流产生装置在纲领正上方包裹断纱纱管；
11.步骤3、工业机器人驱动纱线输送与牵引装置移动至环形气流产生装置位置处，并使得纱线输送与牵引装置的正向喷嘴经由环形气流产生装置上的缺口伸入其内；
12.步骤4、辅助纱退绕装置退绕辅助纱管上的纱线，从而为纱线输送与牵引装置提供辅助纱；
13.气源为纱线输送与牵引装置以及环形气流产生装置供气，其中：
14.气源为纱线输送与牵引装置供气后，辅助纱退绕装置提供的辅助纱经由纱线输送与牵引装置的反向喷嘴进入纱线输送与牵引装置内后，再经过张力传感器进入正向喷嘴，并自正向喷嘴向环形气流产生装置内的断纱纱管输送辅助纱；
15.步骤5、气源为环形气流产生装置供气后，在断纱纱管与纲领表面形成逆时针环形气流场，所送入辅助纱在逆时针环形气流场作用下绕断纱纱管旋转并绕至断纱纱管表面，同时，由纱管夹取装置带动断纱纱管同步逆时针旋转，从而配合逆时针环形气流场实现辅助纱在断纱纱管上的绕纱；
16.辅助纱在逆时针环形气流场作用下持续、稳定地卷绕在断纱纱管的表面，同时，环形气流产生装置利用所产生的逆时针环形气流场使得钢丝圈绕纲领旋转，并利用电磁铁将钢丝圈定位于纲领正前方；
17.步骤6、辅助纱在断纱纱管上的绕纱以及钢丝圈的定位完成后，停止气源向纱线输送与牵引装置以及环形气流产生装置供气，纱线输送与牵引装置的正向喷嘴退出气流产生装置，纱管夹取装置将绕有辅助纱的断纱纱管放回原断纱锭位后，与环形气流绕纱定位装置退回原位；
18.步骤7、工业机器人驱动纱线输送与牵引装置至指定位置，牵引完成绕纱的辅助纱依次完成穿钢丝圈、穿导纱勾与喂罗拉动作，结束整个接头流程，其中，在整个接头过程中，通过张力传感器实时检测辅助纱的张力值，基于所反馈的辅助纱实时张力值，通过气电协同控制，使任意时刻辅助纱上的张力保持在期望张力值附近。
19.优选地，步骤4中，辅助纱退绕装置通过驱动步进电机四退绕辅助纱管上纱线从而为纱线输送与牵引装置提供辅助纱，整个接头过程中的所述气电协同控制包括以下步骤：
20.建立辅助纱上的张力f
张
与步进电机四的转速n之间的关系，如下式所示：
[0021][0022]
式中，jm与j
t
为步进电机四自身惯量与负载惯量，t为步进电机四的升速时间，k为预先确定的步进电机四附加作用于辅助纱的关系式；
[0023]
基于上式建立气电协同控制模型，采用气电协同控制模型建立引纱接头过程中辅助纱上的张力与步进电机四的转速n之间的动态关系；同时，加入pid控制器，以张力传感器反馈的实时张力值与期望张力值作为pid控制器的输入，将pid控制器输出的偏差值输入气电协同控制模型，由气电协同控制模型输出对应的步进电机四的转速调整值，调整步进电机四的转速n，使得辅助纱上的张力时刻保持在期望张力值附近。
[0024]
本发明的另一个技术方案是提供了一种环锭纺细纱近原位自动接头装置，其特征在于，包括：
[0025]
纱管夹取装置：用于伸入断纱锭位，将断纱纱管从原断纱锭位移至其正上方；还用于使断纱纱管逆时针旋转；还用于在完成辅助纱在断纱纱管的绕纱和钢丝圈的定位流程后，将绕有辅助纱的断纱纱管放回原锭位；
[0026]
环形气流绕纱定位装置，进一步包括环形气流产生装置；当断纱纱管从原断纱锭位被移至其正上方后，由气源为环形气流产生装置供气，从而在断纱纱管与纲领表面形成逆时针环形气流场，配合逆时针旋转的断纱纱管使得辅助纱绕在断纱纱管上；同时，环形气
流绕纱定位装置利用底部的电磁铁产生磁力，以定位钢丝圈；
[0027]
辅助纱退绕装置，用于向纱线输送与牵引装置提供辅助纱；
[0028]
纱线输送与牵引装置：工业机器人驱动纱线输送与牵引装置移动至环形气流产生装置位置处，并使得纱线输送与牵引装置的正向喷嘴经由环形气流产生装置上的缺口伸入其内，从而为环形气流绕纱定位装置提供辅助纱；辅助纱在断纱纱管上的绕纱以及钢丝圈的定位完成后，工业机器人驱动纱线输送与牵引装置至指定位置，牵引纱线依次完成穿钢丝圈、穿导纱勾与喂罗拉动作，结束整个接头流程；
[0029]
张力传感器固连在纱线输送与牵引装置中间，用于检测辅助纱的实时张力值，基于反馈的辅助纱的实时张力值，通过气电协同控制，使任意时刻辅助纱上的张力保持在期望张力值附近。
[0030]
优选地，所述纱管夹取装置包括步进电机一、滚珠丝杆一、双轴气缸、步进电机二和气动夹爪，其中：
[0031]
步进电机一经由滚珠丝杆一驱动双轴气缸13上下移至指定位置；双轴气缸和气动夹爪分别连接电磁阀，气动夹爪与步进电机二相联结，步进电机二与双轴气缸相联结；通过与双轴气缸相连的电磁阀切换状态，由双轴气缸驱动气动夹爪以及步进电机二伸入、退出断纱锭位；通过与气动夹爪相连的电磁阀切换状态，由气动夹爪夹紧或放松断纱纱管，从而完成断纱纱管的取放,步进电机二经由气动夹爪带动断纱纱管逆时针旋转，从而配合环形气流绕纱定位装置完成辅助纱7在断纱纱管上的绕纱。
[0032]
优选地，所述环形气流绕纱定位装置包括环形气流产生装置、电磁铁、滚珠丝杆二、步进电机三和位移传感器，其中：
[0033]
步进电机三经由滚珠丝杆二驱动环形气流产生装置前后移动，从而使得环形气流产生装置能够伸入断纱锭位；环形气流产生装置伸入断纱锭位后，在纲领正上方形成对所述断纱纱管的包裹；滚珠丝杠二根据位移传感器获取的纲领板高度数据上下移动，以时刻和钢领板保持在同一高度；气源为环形气流产生装置供气后，通过环形气流产生装置在断纱纱管与纲领表面形成逆时针环形气流场，在该逆时针环形气流场的作用下：钢丝圈绕纲领旋转；与此同时，纱线输送与牵引装置所提供的辅助纱经由环形气流产生装置上的缺口被引入至环形气流产生装置内，将引入环形气流产生装置内的辅助纱绕至断纱纱管表面；钢丝圈绕纲领旋转的同时，固连在环形气流产生装置下方的电磁铁通电产生磁力，将绕纲领旋转的钢丝圈定位于纲领正前方。
[0034]
优选地，所述环形气流产生装置具有n层环形气流口，n≥3，n层环形气流口由上至下分别定义为第1层环形气流口至第n层环形气流口，每层环形气流口包括至少三个沿周向均布的环形气流产生口和一个与当前一层环形气流口的所有环形气流产生口均相通的气源进气口，气源输出的气体经由气源进气口输入环形气流产生装置后，自同一层的环形气流产生口喷出，从而形成所述逆时针环形气流场；由第n层环形气流口的所有环形气流产生口斜向下对准纲领表面喷出气流，所产生的气流均与纲领相切，从而在位于环形气流产生装置正下方纲领的周围形成逆时针环形气流场，纲领上任意位置处的钢丝圈在逆时针环形气流场的作用下绕钢领旋转；与此同时，第1层至第n-1层环形气流口的所有环形气流产生口均斜向对准断纱纱管外圈喷出气流，所产生的气流均与断纱纱管外圈相切，从而在断纱纱管表面也形成逆时针环形气流场；
[0035]
环形气流产生装置为侧面具有缺口的非封闭环形，工业机器人5控制纱线输送牵引装置通过该缺口将辅助纱送入，且工业机器人根据位移传感器获取的纲领板高度数据上下移动，以时刻和钢领板保持在同一高度。
[0036]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0037]
1.所提供的引纱接头装置结构简单，可在断纱纱管近原锭位狭小空间内完成整个接头动作。
[0038]
2.所提供的环形气流绕纱定位装置在断纱纱管与纲领表面形成环形气流场，将辅助纱卷绕断纱纱管的同时完成钢丝圈定位动作，简化接头流程，提高接头效率。
[0039]
3.所提供的基于纱线张力反馈的气电协同控制，使纱线上张力时刻保持在期望张力值附近，避免绕纱过程中纱线飘动、粘结、断裂等现象，增加接头过程稳定性，提高接头成功率。
附图说明
[0040]
图1是本发明实施例中近原位引纱接头装置的结构示意图；
[0041]
图2是本发明实施例中纱管夹取装置的结构示意图；
[0042]
图3是本发明实施例中环形气流绕纱定位装置的结构示意图；
[0043]
图4是本发明实施例中环形气流产生装置的结构示意图；
[0044]
图5是本发明实施例中纱线输送与牵引装置的结构示意图；
[0045]
图6是本发明实施例中纱线气电协调控制的算法框图。
具体实施方式
[0046]
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
[0047]
如图1所示，本发明提供的一种环锭纺细纱近原位自动引纱接头装置，包括：纱管夹取装置1、环形气流绕纱定位装置2、纱线输送与牵引装置3、辅助纱退绕装置4、工业机器人5及张力传感器6。
[0048]
纱管夹取装置1伸入断纱锭位，将断纱纱管16从原锭位移至其正上方并使得断纱纱管16旋转，并且在完成辅助纱7在断纱纱管16的绕纱和钢丝圈26定位流程后，将绕有辅助纱7的断纱纱管16放回原锭位，从而实现在原锭位取放以及旋转断纱纱管16。当断纱纱管16从原锭位被移至其正上方后，环形气流绕纱定位装置2移动至指定位置后，由气源为环形气流绕纱定位装置2供气，从而在断纱纱管16与纲领25表面形成环形气流场，同时，环形气流绕纱定位装置2底部的电磁铁产生磁力，以定位钢丝圈26。环形气流绕纱定位装置2利用环形气流场将辅助纱7绕至断纱纱管21表面，同时完成钢丝圈26定位操作。辅助纱退绕装置4退绕辅助纱管41上的纱线，从而提供引纱接头所需的辅助纱7。工业机器人5驱动纱线输送与牵引装置3至指定位置，牵引断纱纱管16上的辅助纱7依次完成纱线穿钢丝圈、穿导纱勾与喂罗拉动作，结束接头流程。张力传感器6固连在纱线输送与牵引装置3中间，在整个接头过程中，用于检测辅助纱7的实时张力值，基于反馈的辅助纱7的实时张力值，通过气电协同
控制，使任意时刻辅助纱7上的张力保持在期望张力值附近。
[0049]
如图2所示，纱管夹取装置1包括步进电机一11、滚珠丝杆一12、双轴气缸13、步进电机二14和气动夹爪15。步进电机一11经由滚珠丝杆一12驱动双轴气缸13上下移至指定位置(将断纱纱管16的高度方向定义为上下方向)。双轴气缸13和气动夹爪15分别连接电磁阀，气动夹爪15与步进电机二14相联结，步进电机二14与双轴气缸13相联结。通过与双轴气缸13相连的电磁阀切换状态，由双轴气缸13驱动气动夹爪15以及步进电机二14伸入、退出断纱锭位。通过与气动夹爪15相连的电磁阀切换状态，由气动夹爪15夹紧或放松断纱纱管16，从而完成断纱纱管16的取放。步进电机二14转动驱动气动夹爪15逆时针旋转断纱纱管16，从而配合环形气流绕纱定位装置2完成辅助纱7在断纱纱管16上的绕纱。
[0050]
如图3所示，环形气流绕纱定位装置2包括环形气流产生装置21、电磁铁22、滚珠丝杆二23、步进电机三24和位移传感器。步进电机三24经由滚珠丝杆二23驱动环形气流产生装置21前后移动，从而使得环形气流产生装置21伸入断纱锭位(将断纱纱管16的径向定义为前后方向)。环形气流产生装置21伸入断纱锭位后，在纲领25正上方形成对断纱纱管16的包裹。滚珠丝杠二23需要根据位移传感器获取的纲领板高度数据上下移动，以时刻和钢领板保持在同一高度。气源为环形气流产生装置21供气后，通过环形气流产生装置21在断纱纱管16与纲领25表面形成逆时针环形气流场。在该逆时针环形气流场的作用下：钢丝圈26绕纲领25旋转；与此同时，纱线输送与牵引装置3所提供的辅助纱7经由环形气流产生装置21上的缺口被引入至环形气流产生装置21内，被气动夹爪15带动逆时针旋转的断纱纱管16与逆时针环形气流场相配合，将引入环形气流产生装置21内的辅助纱7绕在断纱纱管16上。钢丝圈26绕纲领25旋转的同时，固连在环形气流产生装置21下方的电磁铁22通电产生磁力，将绕纲领25旋转的钢丝圈26定位于纲领25正前方。
[0051]
如图4所示，本实例中，环形气流产生装置21为三层结构，每层具有五个朝向断纱纱管16的环形气流产生口211和一个气源进气口222，气源输出的气体经由气源进气口222输入环形气流产生装置21后，自同一层的环形气流产生口211喷出，从而形成逆时针环形气流场。环形气流产生装置21为侧面具有缺口的环形，工业机器人5控制纱线输送牵引装置3通过该缺口将辅助纱7送入。且工业机器人5根据位移传感器获取的纲领板高度数据上下移动，以时刻和钢领板保持在同一高度。工作时，环形气流产生装置21伸入断纱锭位，且位于纲领25正上方，由环形气流产生装置21将断纱纱管16包裹住。随后，气源供气。由位于环形气流产生装置21最下层的五个环形气流产生口211斜向下对准纲领25表面喷出气流，五个环形气流产生口211所产生的气流均与纲领25相切，从而在位于环形气流产生装置21正下方纲领25的周围形成逆时针环形气流场。纲领25上任意位置处的钢丝圈26在逆时针环形气流场的作用下绕钢领25旋转。与此同时，环形气流产生装置21上剩余两层的环形气流产生口211均斜向对准断纱纱管16外圈喷出气流，这些环形气流产生口211所产生的气流均与断纱纱管16外圈相切，从而在断纱纱管16表面也形成逆时针环形气流场。
[0052]
如图5所示，纱线输送与牵引装置3包括正向喷嘴31、正向进气口32、反向进气口33和反向喷嘴34。辅助纱退绕装置4则包括步进电机四43、旋转锭子42和辅助纱管41。步进电机四43经由旋转锭子42驱动辅助纱管41顺时针转动，实现辅助纱管41上纱线的退绕，向纱线输送与牵引装置3提供辅助纱7。气源向纱线输送与牵引装置3的正向进气口32供气，反向喷嘴34吸入退绕装置4所提供的辅助纱7后，经由张力传感器6进入正向喷嘴31。正向喷嘴31
伸入环形气流产生装置21的缺口，对准断纱纱管16输出辅助纱7。
[0053]
完成辅助纱7在断纱纱管16上的绕纱以及钢丝圈26的定位后，步进电机二14控制气动夹爪15停止转动。工业机器人5控制纱线输送与牵引装置3退出环形气流产生装置21。步进电机三24控制环形气流产生装置21退回原位后停止转动。步进电机一11经由滚珠丝杆一12控制气动夹爪15将已完成绕纱的断纱纱管15放回原锭位，切换电磁阀状态后，气动夹爪15将断纱纱管15松开并退回原位。
[0054]
在后续接头过程中，工业机器人5驱动纱线输送与牵引装置3至指定位置，牵引绕在断纱纱管16上的辅助纱7依次完成纱线穿钢丝圈、穿导纱勾与喂罗拉动作，结束接头流程。
[0055]
在整个接头过程中，通过张力传感器6实时检测辅助纱7的张力值，基于反馈的实时张力值，通过气电协同控制，使任意时刻辅助纱7上的张力保持在期望张力值附近。其中，基于纱线张力反馈的气电协同控制通过纱管夹取装置1、纱线输送牵引装置3、张力传感器6、辅助纱退绕装置4配合完成，包括以下内容：
[0056]
初始时，辅助纱7上的张力主要由通入纱线输送与牵引装置3的气体施加，建立力矩平衡方程，如下式(1)所示：
[0057]f气
r＝ma+mf+m
t
+m
锭
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0058]
式(1)中，f
气
为气体施加在辅助纱7上的张力，r为辅助纱管41半径，ma为步进电机四43启动加速力矩，mf为摩擦力矩，m
t
为切削力矩，m
锭
为断纱锭子16周围高速转动的锭子带来的气圈力矩。
[0059]
根据建立力矩平衡方程，得到理想状态下气体施加在辅助纱7上的张力f
气
与送入纱线输送与牵引装置3内的气体体积v之间的关系，如下式(2)所示：
[0060][0061]
式(2)中，s为正向喷嘴31和反向喷嘴34的横截面积，m为理想气体质量，r为气体常数，to为环境温度，m为理想气体摩尔质量。
[0062]
将式(2)代入式(1)得到步进电机四43的转速n与送入纱线输送与牵引装置3内的气体体积v之间的关系，如下式(4)所示：
[0063][0064]
式(4)中，jm与j
t
为步进电机四43自身惯量与负载惯量，t为步进电机四43的升速时间。
[0065]
整个接头过程中，辅助纱7上的张力f
张
由气体施加在辅助纱7上的张力f
气
与步进电机协同作用，得到辅助纱7上的张力f
张
与步进电机四43的转速n之间的关系，如下式(4)所示：
[0066][0067]
式(4)中，k为预先确定的步进电机四43附加作用于辅助纱7的关系式。
[0068]
基于式(4)建立气电协同控制模型，采用气电协同控制模型建立引纱接头过程中辅助纱7上的张力与步进电机四43的转速n之间的动态关系。同时，加入pid控制器，以张力传感器6反馈的实时张力值fd(t)与期望张力值fe(t)作为pid控制器的输入，将pid控制器输
出的偏差值u(t)输入气电协同控制模型，由气电协同控制模型输出对应的步进电机四的转速调整值，调整步进电机四43的转速n使得整个接头过程中，辅助纱7上的张力时刻保持在期望张力值附近，如图6所示。
[0069]
上述原锭位引纱接头装置的工作过程如下：
[0070]
步骤1、气动夹爪15伸入断纱锭位，抓取断纱纱管16后，将其移动至原断纱锭位正上方；
[0071]
步骤2、步进电机三24经由滚珠丝杆二23控制环形气流产生装置21伸入断纱锭位，并使其环形气流产生装置21在纲领25正上方包裹断纱纱管；
[0072]
步骤3、工业机器人5驱动纱线输送与牵引装置3移动至环形气流产生装置位置处，并使得纱线输送与牵引装置3的正向喷嘴31经由环形气流产生装置21上的缺口伸入其内，正向喷嘴31伸入缺口距离断纱纱管16外圈1-2cm；
[0073]
工业机器人5驱动纱线输送与牵引装置3移动至环形气流产生装置21缺口处，，步进电机四43经由旋转锭子42驱动辅助纱管41顺时针旋转，实现辅助纱管41上纱线的退绕，为纱线输送与牵引装置3提供辅助纱7
[0074]
步骤4、辅助纱退绕装置4退绕辅助纱管41上的纱线，从而为纱线输送与牵引装置3提供辅助纱7；
[0075]
气源向环形气流产生装置21以及纱线输送与牵引装置3的正向进气口32供气，其中：
[0076]
气源为纱线输送与牵引装置3供气后，辅助纱退绕装置4提供的辅助纱7经由纱线输送与牵引装置3的反向喷嘴34进入纱线输送与牵引装置3内后，再经过张力传感器6进入正向喷嘴31，并自正向喷嘴31向环形气流产生装置21内的断纱纱管16输送辅助纱7；
[0077]
步骤5、气源为环形气流产生装置21供气后，在断纱纱管16与纲领25表面形成逆时针环形气流场，所送入辅助纱7在逆时针环形气流场作用下绕断纱纱管16旋转并绕至断纱纱管16表面，同时，步进电机二14经由气动夹爪15驱动断纱纱管16逆时针旋转，从而配合逆时针环形气流场实现辅助纱7在断纱纱管16上的绕纱；
[0078]
辅助纱7在逆时针环形气流场作用下持续、稳定地卷绕在断纱纱管16的表面，同时，环形气流产生装置21利用所产生的逆时针环形气流场使得钢丝圈26绕纲领25旋转，并利用电磁铁22将钢丝圈26定位于纲领25正前方；
[0079]
步骤6、辅助纱7在断纱纱管16上的绕纱以及钢丝圈26的定位完成后，停止气源向纱线输送与牵引装置3以及环形气流产生装置21供气，纱线输送与牵引装置3的正向喷嘴31退出环形气流产生装置21，纱管夹取装置1将绕有辅助纱7的断纱纱管16放回原断纱锭位后，与环形气流绕纱定位装置21退回原位；
[0080]
步骤7、工业机器人5驱动纱线输送与牵引装置3至指定位置，牵引完成绕纱的辅助纱依次完成穿钢丝圈、穿导纱勾与喂罗拉动作，结束整个接头流程，其中，在整个接头过程中，通过张力传感器6实时检测辅助纱7的张力值，基于所反馈的实时辅助纱7的实时张力值，通过气电协同控制，使任意时刻辅助纱7上的张力保持在期望张力值附近。