干纺细纱机的传动系统数学模型及同步联动控制系统的制作方法
【专利摘要】干纺细纱机的传动系统数学模型及同步联动控制系统，属于干纺细纱机升级改造及软件开发技术领域。本发明针对现有的干纺细纱机，采用自动化控制技术及软件开发技术进行改造和更新，再次实现其使用价值并提高生产效率。本发明是把干纺细纱机的四组轴变换成自主转动，根据纺纱的工艺原理，抽象出四轴之间转动的函数关系，建立一个细纱机运转的数学模型，运用计算机的高速运算和巡检技术，把整机的控制过程和数学模型，形成统一精准的编程系统，实现计算机在数学模型完全主导下，通过减速变频电机、减速伺服电机等，对四组轴按数学模型建立的函数关系进行连续的控制运动。大幅度减少维修配件和人工费用，消除油垢污染，降低噪声10?15分贝，工人操作简单。
【专利说明】
干纺细纱机的传动系统数学模型及同步联动控制系统
技术领域
[0001] 本发明设及用于干纺细纱机的传动系统数学模型及同步联动控制系统，属于干纺 细纱机升级改造及软件开发技术领域。
【背景技术】
[0002] 现有棉（毛、丝、化纤等)干纺细纱机的传动系统是由四组轴（每组由两侧轴组成） 组成:①主轴：带动纺纱锭子旋转，使细纱达到要求的抢度;②喂入轴：将粗纱喂入给牵伸 轴;③牵伸轴:将喂入的粗纱，按要求牵伸成细纱;④升降轴:将达到抢度的细纱，有规律卷 绕在纱管上。
[0003] 现有的运些老式的细纱机，四组轴通过齿轮之间的不同数比，组合成机械自动化 传动系统，在一台电机的驱动下，完成纺纱功能。近些年，随着数字技术的应用，把机械的组 合系统变化成计算机、变频电机、伺服电机等技术的联合应用，按照纺纱工艺对四个轴转数 组合，进行定点的设定和预置数据的选择，将实现计算机对选取对应点位的间断式自动控 制。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种干纺细纱机的传动系统数学模型及同步联动控制系统， W针对现有的干纺细纱机，采用自动化控制技术及软件开发技术进行改造和更新，再次实 现其使用价值并提高生产效率。
[0005] 本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
[0006] -种干纺细纱机的传动系统数学模型，所述传动系统数学模型的构建过程为：
[0007] -、确定干纺细纱机传动系统工艺参数：
[000引1、设定四组轴转数如下：
[0009] 主轴转数(锭子转速)、喂入轴转数、牵伸轴转数、升降轴转数；
[0010] 2、设定如下纺纱工艺参数：
[0011] 粗纱支数C、细纱支数N、抢度Μ和牵伸倍数Q;
[0012] 二、根据上述参数构建传动系统数学模型：
[0013] (1 )、牵伸倍数邮=(细纱支数X/粗纱支数C)*煮漂损失率*滑移系数，
[0014] 其中：煮漂损失率取值为8-10%，滑移系数取值为1.05;
[001引 (2)、抢度%= ^/细纱支数父*如.瞧-1. 0)味Μ0:，
[0016] (3)、牵伸轴线速度臘二锭子转速DZ/抢度Μ，
[0017] (4)牵伸轴转速胞=牵伸轴线速度臘/牵伸轴直径QJ，
[0018] (5)喂入轴线速度WX =牵伸轴线速度臘/牵伸倍数地，
[0019 ] (6)喂入轴转速WZ =喂入轴线速度WX/喂入轴直径WJ，
[0020] (7)纱克重KZ =纱支数*0.1M，式中的Μ表示单位米，
[0021 ] (8)络纱时间LS =管纱长度GC/牵伸轴线速度臘，
[0022] (9)级升次数JC =有效行程ΥΧ/级升高度JG，
[0023] (10)动程周期DZ =络纱时间/级升次数JC，
[0024] (11)动程圈长DQ =动程DC/升降轴周长SC，
[0025] (12)升降轴速度SS =动程圈长DQ/动程周期DZ/2，
[00%] (13)升降轴伺服减速电机速度CS =升降轴速度SS*传动比CB，
[0027] (14)动程伺服电机圈数SQ =伺服电机速度CS*动程周期DZ/2，
[0028] (15)级升圈数JQ =动程伺服电机圈数SC/级升高度JG/动程D。
[0029] 参数选定如下：
[0030] (1)主轴参数：
[0031] ①变频电机额定频率50赫兹，②、主轴电机额定转数1460转/分，③、锭子传动比 5.368;
[0032] (2)牵伸轴参数：
[0033] ①变频电机额定频率50赫兹，②、牵伸电机额定转数1440转/分，③、牵伸齿轮箱传 动比13;
[0034] (3)喂入轴参数：
[0035] ①变频电机额定频率为50赫兹，②、喂入电机额定转数为1390转/分，③、喂入齿轮 箱传动比为100;
[0036] (4)升降轴参数：
[0037] ①交流伺服电机额定频率是50赫兹，②、减速齿轮箱传动比3000。
[0038] 本发明还提供一种干纺细纱机的同步联动控制系统，所述干纺细纱机包括主轴 (A)、牵伸轴(B)、喂入轴(C)W及升降轴(D)，
[0039] 所述控制系统使干纺细纱机的主轴(A)、牵伸轴(B)、喂入轴(C)W及升降轴(D)即 能分别自主传动又能同步联动运转；
[0040] 所述控制系统包括主轴变频减速电机（1 )、牵伸轴变频减速电机(2 )、喂入轴变频 减速电机(3)、升降轴伺服减速电机(4)和控制器(5);
[0041] 控制器(5)的主轴电机变频控制信号输出端连接主轴变频减速电机（1)，主轴变频 减速电机(1)用于驱动干纺细纱机的主轴(A)动作；
[0042] 控制器(5)的牵伸轴电机变频控制信号输出端连接牵伸轴变频减速电机(2)，牵伸 轴变频减速电机(2)用于驱动干纺细纱机的牵伸轴(B)动作；
[0043] 控制器(5)的喂入轴电机变频控制信号输出端连接喂入轴变频减速电机(3)，喂入 轴变频减速电机(3)用于驱动干纺细纱机的喂入轴(C)动作；
[0044] 控制器(5)的升降轴驱动控制信号输出端连接升降轴伺服减速电机(4)，升降轴伺 服减速电机(4)用于驱动干纺细纱机的升降轴(D)动作；
[0045] 所述控制器(5)的功能是基于上述的干纺细纱机的传动系统数学模型来实现的。
[0046] 所述控制器(5)采用化C可编程控制器或可编程逻辑器件CPLD来实现。
[0047] 所述主轴变频减速电机（1 )、牵伸轴变频减速电机(2)和喂入轴变频减速电机(3) 均为四极电机。
[004引本发明的有益效果是：
[0049]本发明是把棉(毛、丝、化纤等)干纺细纱机的四组轴变换成自主转动，根据纺纱的 工艺原理，抽象出四轴之间转动的函数关系，建立一个细纱机运转的数学模型，运用计算机 的高速运算和巡检技术，把整机的控制过程和数学模型，形成统一精准的编程系统，实现计 算机在数学模型完全主导下，通过减速变频电机、减速伺服电机等，对四组轴按数学模型建 立的函数关系进行连续的控制运动。对于任何工艺参数的选择和调整，在机器静态和动态 下，都可W进行。细纱机四组轴的每一个转动瞬间，都是按数学模型的变动曲线在运转。对 所有工艺参数，只要一个参数的选择变化，所有的其他参数都会随其，按数学模型曲线同步 联动。
[0050] 本发明使干纺细纱机从机械和计算机定点设定参数，实现自动化控制，提升到按 照纺纱的基本原理，对四轴按照函数关系的数学模型，进行动态的连续控制，智能化纺出各 种不同工艺参数的纱线，使棉(毛、丝、化纤等)干纺细纱机进入世界最先进的智能化设备行 列。
[0051] 本发明把机械和计算机对细纱机选择点位的自动控制方式，上升到按照纺纱的基 本原理，找到四轴所有的工艺参数，统一联接在一起的函数关系式，提炼出准确的数学模 型。采用计算机编程系统，在数学模型的统一主导下，使驱动减速电机控制四轴，产生各种 工艺参数的组合，纺出各种符合标准的纱线。
[0052] 因此，本发明首要解决的是，提炼出把所有工艺参数联系在一起转动的数学模型。 其次是利用计算机技术、编程技术、伺服和变频减速电机技术，共同结合在一起，从细纱机 的启动，停止、运行、改变参数等，所有状态下，都是在数学模型的计算中，同步联动连续控 制四轴运转，实现棉(毛、丝、化纤等)干纺细纱机传动系统智能化。再其次是特别值得称道 有两点，一是高度发挥化C计算机的快速巡检功能，使大功率的主轴、牵伸轴和喂入轴，采用 廉价的变频减速电机，巧妙实现接近闭环的实时控制，解决了使用大功率同步电机或伺服 电机技术难度和成本负担。二是发挥仅0.4KW伺服减速电机的作用，整机没有任何传感器， 就可W定位、定速、计长度、计产量等，通过触摸屏的互动，调整和显示细纱机所有的工艺参 数。
[0053] 干纺细纱机传动系统数学模型和同步联动控制方法的应用，使棉(毛、丝、化纤等） 干纺细纱机具有了动态随机的四变功能：
[0054] -是动态随机改变纺纱支数;二是动态随机改变纺纱抢度;Ξ是动态随机改变管 纱的重和卷绕方式;Ξ是动态随机改变纺纱主轴转数。
[0055] 由于动态随机四变功能的增加，使干纺细纱机提升出四项智能化技术手段：
[0056] 1、提高原料利用率有了手段
[0057] 对于每一锅纱，上机后在可纺支数范围内，动态随机可W寻找到，最佳的可纺支 数，可精准到小数位，最大幅度提高原料利用率，提高经济效益。
[005引2、提高生产率有了随机选择的手段
[0059] 由于细纱机实现四轴自主转动，根据每排纱的强度，动态随机选择出最佳的主轴 转数，可W精确到每一转，大幅度提高纺纱效率。
[0060] 3、质量控制，有了随机选择工艺参数手段
[0061] 由于四轴的运转工艺参数随机选取设定，直接可W观察到出纱的质量状况，按着 纺纱质量要求，动态随机控制改变工艺参数，优化产品质量。
[0062] 4、开发新产品有了手段
[0063] 四轴工艺参数的自由选择，在一定范围内，会产生四轴参数的多种组合，纺出传统 方式无法生产的新品种。如:各种等距、不等距、随机变距的变支纱(竹节纱）；高抢纱，各种 等距、不等距、随机变距的变抢纱；各种等距、不等距、随机变距的支数和抢度相互交变 纱......
[0064] 干纺细纱机传动系统数学模型和同步联动控制方法的应用，实现了智能化的升级 换代，使机头传动系统结构简单，免维修，降低制造降成本，大幅度减少维修配件和人工费 用，消除油垢污染，降低噪声10-15分贝，工人操作简单，工艺人员智能化设定工艺参数。
[0065] 综上，使棉（（毛、丝、化纤等)干纺细纱机的传动系统达到世界最先进水平。
[0066] 经实践验证，本发明所设及的升级改造技术完全适用于棉干纺细纱机、毛干纺细 纱机、丝干纺细纱机、化纤干纺细纱机等纺纱设备的传动系统数模智能化升级改造。本发明 的应用将进一步挖掘原料潜能、提高纺纱效率、保证纺纱质量和不断开发新产品。
【附图说明】
[0067] 图1是本发明的棉（毛、丝、化纤等)干纺细纱机四轴控制原理框图（图中的控制器 是基于四轴转动纺纱工艺数学模型而开发的软件编程实再同步联动控制的），图2是基于本 发明的传动系统数学模型开发的同步联动控制系统软件编程框图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0068] 一：如图1和2所示，本实施方式所述的一种干纺细纱机的传动系统 数学模型，其表达形式为：
[0069] ( - )提炼棉(毛、丝、化纤等)干纺细纱机传动系统工艺参数的数学模型
[0070] 1、设四组轴转数
[0071] (1)主轴转数化（2)喂入轴转数Wn (3)牵伸轴转数化（4)升降轴转数Sn
[0072] 2、设纺纱工艺参数
[0073] (1)粗纱支数〇 (2)细纱支数N (3)抢度Μ (4)牵伸倍数Q (5)级升高度JG(6) 升降轴周长SC (7)总行程Z (8)有效行程YX (9)动程DC (10)管纱重量G (11)络纱时 间T (12)伺服电机动程圈数K (13)级升圈数F (14)牵伸倍数卵（15)牵伸轴线速度QX (16)锭子转速DZ (17)牵伸轴转速QZ (18)牵伸轴直径QJ (19)喂入轴线速度WX (20) 喂入轴转速WZ (21)喂入轴直径WJ (22)纱克重KZ (23)络纱时间LS (24)管纱长度GC (25)级升次数JC (26)动程周期DZ(27)动程圈长DQ (28)升降轴速度SS (29)动程周期DZ (30)伺服电机速度CS (31)升降轴速度SS (32)升降轴传动比CB (33)动程伺服电机圈 数SQ (34)级升圈数JQ(35)动程伺服电机圈数SC
[0074] 3、参数选定 [007引 （1)主轴：
[0076] ①变频电机额定频率50赫兹，②、主轴电机额定转数1460转/分，③、锭子传动比 10。
[0077] (2)牵伸轴：
[0078] ①变频电机额定频率50赫兹，②、牵伸电机额定转数1440转/分，③、牵伸齿轮箱传 动比13。
[0079] (3)喂入轴：
[0080] ①变频电机额定频率50赫兹，②、喂入电机额定转数1390转/分，③、喂入齿轮箱传 100(4)升降轴：
[0081] ①交流伺服电机，②、减速齿轮箱传动比3000。
[0082] 4、纺纱工艺公式，每个公式之间有相互链接的因子，构成纺纱工艺数学模型公式 (此数学模型在WS表格中完成了模拟实验）
[0083] (1)牵伸倍数卵=细纱支数X/粗纱支数0(8-10%)(煮漂损失率)*1.05(滑移系 数）
[0084] (2)抢度 M =纱支数 N(开平方)*(0.95-1.0)*100
[0085] (3)牵伸轴线速度臘二锭子转速DZ/抢度Μ
[0086] (4)牵伸轴转速胞=牵伸轴线速度臘/牵伸轴直径QJ
[0087] (5)喂入轴线速度WX =牵伸轴线速度臘/牵伸倍数地
[008引 （6)喂入轴转速WZ =喂入轴线速度WX/喂入轴直径WJ
[0089] (7)纱克重ΚΖ =纱支数N*0.1M
[0090] (8)络纱时间LS =管纱长度GC/牵伸轴线速度臘
[0091] (9)级升次数JC =有效行程YX/级升高度JG
[0092] (10)动程周期DZ =络纱时间/级升次数JC
[0093] (11)动程圈长DQ =动程DC/升降轴周长SC
[0094] (12)升降轴速度SS =动程圈长DQ/动程周期DZ/2
[00M] (13)伺服电机速度CS =升降轴速度SS*传动比CB
[0096] (14)动程伺服电机圈数SQ =伺服电机速度CS*动程周期DZ/2
[0097] (15)级升圈数JQ =动程伺服电机圈数SC/级升高度JG/动程D。
[0098] W上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明掲露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其 发明构思加 W等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0099] 本发明的实施情况
[0100] 本发明在亚麻湿纺细纱机已经得到了成功的应用，在哈尔滨亚麻纺织有限公司做 过Ξ年的旧机的改造样机实验，得到了充分的实验数据。2016年在兰西天纤坊亚麻有限公 司、青岗普洛普纺织有限公司，山东同大机械有限公司，安装Ξ台3.0-1版亚麻湿纺细纱机， 实验取得了成功。
[0101] 棉(毛、丝、化纤等)干纺细纱机传动系统数学模型和同步联动控制方法的应用，一 是干纺细纱机数学模型已经完成，二是对于伺服和变频电机的参数的设计、计算机编程系 统设计、整机的安装改造在筹划中，Ξ是对于新型智能化干纺细纱机的整体应用设计和制 造，正在寻找合作单位和向国家有关行业管理部口申报中。
[0102] 本发明产生的有益效果表现为几个方面：
[0103] ( -）棉(毛、丝、化纤等)干纺细纱机传动系统数学模型和同步联动控制方法的应 用，使细纱机从机械和计算机点式的自动化控制水平设备，跃升到连续智能化控制水平设 备，成为世界最先进的智能化干纺设备。
[0104] (二)干纺细纱机使细纱机整体结构和设计简单，制造成本降低，使用成本降低，效 率提高。
[0105] (Ξ)使干纺细纱机在挖掘原料潜能，提高纺纱效率，保证纺纱质量、开发新产品， 提高纺纱的经济效益，有了升级换代的智能化手段。
[0106] (四）对世界成千上万台运转的干纺细纱机进行改造，有可观经济效益。旧机具有 更换传动系统的客观条件，改造简单，费用低廉，旧机传动系统大平车和改造新的传动系 统，两者费用接近，设备则发生了质的变化。
【主权项】
1. 一种干纺细纱机的传动系统数学模型，其特征在于:所述传动系统数学模型的构建 过程为： 一） 、确定干纺细纱机传动系统工艺参数： 1) 、设定四组轴转数如下： 主轴转数(锭子转速)、喂入轴转数、牵伸轴转数、升降轴转数； 2) 、设定如下纺纱工艺参数： 粗纱支数C、细纱支数N、抢度Μ和牵伸倍数Q; 二） 、根据上述参数构建传动系统数学模型： (1 )、牵伸倍数卵=(细纱支数X/粗纱支数C)*煮漂损失率*滑移系数， 其中：煮漂损失率取值为8-10 %，滑移系数取值为1.05; (2) 、抢度Μ= * (0.95-1.0) *100， (3) 、牵伸轴线速度QX=锭子转速DZ/抢度Μ， (4) 牵伸轴转速胞=牵伸轴线速度QX/牵伸轴直径QJ， (5) 喂入轴线速度WX =牵伸轴线速度QX/牵伸倍数QB， (6) 喂入轴转速WZ =喂入轴线速度WX/喂入轴直径WJ， (7) 纱克重KZ =纱支数*0.1M，式中的Μ表示单位米， (8) 络纱时间LS =管纱长度GC/牵伸轴线速度QX， (9) 级升次数JC =有效行程YX/级升高度JG， (10) 动程周期DZ =络纱时间/级升次数JC， (11) 动程圈长DQ =动程DC/升降轴周长SC， (12) 升降轴速度SS =动程圈长DQ/动程周期DZ/2， (13) 升降轴伺服减速电机速度CS =升降轴速度SS*传动比CB， (14) 动程伺服电机圈数SQ =伺服电机速度CS*动程周期DZ/2， (15) 级升圈数JQ =动程伺服电机圈数SC/级升高度JG/动程D。2. 根据权利要求1所述的一种干纺细纱机的传动系统数学模型，其特征在于，参数选定 如下： (1) 主轴参数： ①变频电机额定频率50赫兹，②、主轴电机额定转数1460转/分，③、锭子传动比5.368; (2) 牵伸轴参数： ①变频电机额定频率50赫兹，②、牵伸电机额定转数1440转/分，③、牵伸齿轮箱传动 比13; (3) 喂入轴参数： ①变频电机额定频率为50赫兹，②、喂入电机额定转数为1390转/分，③、喂入齿轮箱传 动比为100; (4) 升降轴参数： ①交流伺服电机额定频率是50赫兹，②、减速齿轮箱传动比3000。3. -种干纺细纱机的同步联动控制系统，所述干纺细纱机包括主轴(A)、牵伸轴(B)、喂 入轴(C)W及升降轴(D)， 其特征在于:所述控制系统使干纺细纱机的主轴(A)、牵伸轴(B)、喂入轴(C)W及升降 轴(D)即能分别自主传动又能同步联动运转； 所述控制系统包括主轴变频减速电机（1 )、牵伸轴变频减速电机(2)、喂入轴变频减速 电机(3)、升降轴伺服减速电机(4)和控制器(5); 控制器(5)的主轴电机变频控制信号输出端连接主轴变频减速电机（1)，主轴变频减速 电机(1)用于驱动干纺细纱机的主轴(A)动作； 控制器(5)的牵伸轴电机变频控制信号输出端连接牵伸轴变频减速电机(2)，牵伸轴变 频减速电机(2)用于驱动干纺细纱机的牵伸轴(B)动作； 控制器(5)的喂入轴电机变频控制信号输出端连接喂入轴变频减速电机(3)，喂入轴变 频减速电机(3)用于驱动干纺细纱机的喂入轴(C)动作； 控制器(5)的升降轴驱动控制信号输出端连接升降轴伺服减速电机(4)，升降轴伺服减 速电机(4)用于驱动干纺细纱机的升降轴(D)动作； 所述控制器(5)的功能是基于权利要求1或2所述的干纺细纱机的传动系统数学模型来 实现的。4. 根据权利要求3所述的一种干纺细纱机的同步联动控制系统，其特征在于，所述控制 器(5)采用化C可编程控制器或可编程逻辑器件CPLD来实现。5. 根据权利要求3或4所述的一种干纺细纱机的同步联动控制系统，其特征在于，所述 主轴变频减速电机(1)、牵伸轴变频减速电机(2)和喂入轴变频减速电机(3)均为四极电机。
【文档编号】D01H1/14GK105970369SQ201610403208
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】王玉铁, 王舜泽, 孙宇飞, 施瑞明
【申请人】哈尔滨麻袋袜业有限公司