CN116692596A - 一种基于卷装直径预测的筒纱卷绕闭环控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于卷装直径预测的筒纱卷绕闭环控制方法，其涉及纱线绕卷生产技术领域。本发明的方法包括：建立筒纱模型，预测筒纱直径，筒纱的预测直径大小取决于纱线总长与纱线实时长度；通过对筒纱直径的预测会实时对纱线的收卷速度产生影响；纱线的收卷速度会影响纱线的张力，进而改变超喂电机的转速；根据超喂电机的转速变化适当调节纱线总长，从而改变络筒的进度，实现筒纱无传感预测直径的闭环控制。本发明将络丝机筒纱直径检测方案进行优化，有效减少络丝机使用前的调参时间，提高筒纱直径的检测精度，提高了生产效率，降低了生产成本。

Description

一种基于卷装直径预测的筒纱卷绕闭环控制方法
技术领域
本发明涉及纱线绕卷生产技术领域，具体涉及一种基于卷装直径预测的筒纱卷绕闭环控制方法。
背景技术
在对此方法的研究和实践过程中，本发明的发明人发现在纺织行业中，纱线的性能极大程度上决定了织物的外观质量，为改善纱线上的薄弱环节提高其平均强度，络筒机将原纱络成具有较大容积和适当卷装样式的有边或无边筒子，以满足整经机高速生产的需要。而且纱线络筒工序可以有效增强纱线性能，是纺织流程中纺部与织部工序结合的关键工序，经此工序产出的优秀筒纱具有卷绕密度均匀、无结头、纱疵少、毛羽少等特点，在实际生产中能够提高生产效率及成品质量。
在络丝过程中，筒纱直径在卷绕过程中由于纱线的叠加而逐渐增大，假定当张力与收卷电机角速度恒定不变的情况下，随着运行时间增加收卷线速度也会逐渐增大，则外圈的纱线比内圈的纱线缠绕更为紧密，导致菊花芯或凸边筒子的形成。为此传统纺织纱线卷绕系统中采用的控制方式一般采用对筒纱直径直接进行测量的方法从而计算收卷线速度。
该类方法在检测过程中由于硬件上的限制，测量过程中检测装置通过直接接触纱线的方式对筒纱直径进行测量，接触点产生的摩擦力容易对纱线质量产生一定影响并且在接触的过程中也可能会对筒纱的运行状态产生影响，影响生产质量和效率等。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明目的在于提供一种基于卷装直径预测的筒纱卷绕闭环控制方法，其能够对络丝机筒纱直径检测方案进行优化，在无传感器情况下有效提高筒纱直径的检测精度，提高了生产效率，降低了生产成本。
第一方面，本发明提供一种基于卷装直径预测的筒纱卷绕闭环控制方法，其包括以下步骤：
步骤一、绕卷前准备阶段。
设定空筒直径De，满筒直径Df、纱线总长Lf的初始值、纱线张力设定区间和收卷线速度的设定值v；将纱线依次穿过超喂机构、张力传感器、第一导纱环、动态导纱机构，卷绕在卷绕机构的纱芯上。
步骤二、绕卷起始阶段。
超喂机构通过超喂轮的旋转对纱线提供张紧力；卷绕机构带动纱芯旋转，动态导纱机构带动纱线沿着纱芯的轴线方向往复移动，使得纱线绕卷在纱芯上。纱芯的转动角速度其中，D为筒纱预测直径。筒纱预测直径D的初始值为锭子空筒直径，并在绕卷稳定阶段中动态更新。
超喂轮开始转动后，张力传感器对纱线的张紧力进行持续检测；取纱线张力稳定在纱线张力设定区间后的预设时长T0内的超喂轮角速度平均值作为超喂轮的目标角速度ω0。
步骤三、绕卷稳定阶段。
超喂轮的角速度根据纱线的张紧力变化动态调节，使得纱线张力稳定在纱线张力设定区间内。每隔一个更新周期，更新调节纱芯的转动角速度ω，直到绕卷进度P达到100％时，绕卷完成。
更新调节纱芯的转动角速度ω的具体过程如下：
3-1.计算超喂轮在上一个更新周期的角速度均值ωs；若ωs>ω0，则增大纱线总长Lf；若ωs<ω0，则减小纱线总长Lf。
3-2.对收卷线速度进行时间的积分计算，得到纱线实时长度L；计算绕卷进度P如下：
3-3.根据被绕卷的筒纱类型，按照以下两种方法中的一种更新筒纱预测直径D：
方法一、被绕卷的筒纱类型为无收边筒纱；筒纱预测直径D的表达式如下：
其中，Df为满筒直径；De为空筒直径。
方法二、被绕卷的筒纱类型为收边筒纱；筒纱预测直径D的表达式如下：
其中，Df为满筒直径，De为空筒直径，H为筒纱长度，Lu、Ld分别为绕卷完成的筒纱两端的收边长度；Du、Dd分别为绕卷完成的筒纱两端的收边区域最小直径。
3-4.更新纱芯的转动角速度
作为优选，步骤二中，超喂轮开始转动时，进行匀加速转动；超喂轮开始转动0.1～0.5s后，卷绕机构开始带动纱芯转动；
作为优选，步骤二中所述的预设时长T0的取值为30s。
作为优选，步骤三中所述的更新周期T的时长为10s。
第二方面，本发明提供一种筒纱绕卷装置，其用于执行前述的筒纱绕卷闭环控制方法；
该筒纱绕卷装置包括超喂机构、第一导纱环、张力传感器和动态导纱机构。所述的卷绕机构安装在机架的顶部，包括卷绕电机和绕卷轴。卷绕电机固定在机架内。卷绕电机的输出轴朝上设置，并与竖直的绕卷轴同轴固定。绕卷轴用于安装纱芯。所述的动态导纱机构包括第二导纱环和升降驱动组件。第二导纱环由升降驱动组件驱动进行升降运动。
所述的超喂机构及张力传感器均安装在机架的侧面。超喂机构包括超喂轮、绕线杆和超喂电机。轴线水平且并排设置的超喂轮和绕线杆均支承在机架的外侧。超喂轮由安装在机架内的超喂电机驱动旋转。
绕卷过程中，纱线缠绕在超喂轮和绕线杆上。从超喂轮和绕线杆上绕出的纱线经由第一导纱环的引导之后，再穿过张力传感器，从张力传感器穿出的纱线穿过第二导纱环后绕置到卷绕机构上的纱芯上。
作为优选，所述的升降驱动组件包括同步轮、同步带和导纱电机。上下排布的两个同步轮均支承在机架上，通过同步带连接。导纱电机固定在机架上，输出轴与其中一个同步轮固定。第二导纱环与同步带固定。
作为优选，所述的第二导纱环通过滑块与固定在机架上的竖直导轨构成滑动副。
作为优选，该筒纱绕卷装置还包括固定导纱机构。所述的固定导纱机构安装在机架的侧面。固定导纱机构上设置有导纱槽。绕卷过程中，纱线先穿过固定导纱机构上的导纱槽，再缠绕在超喂轮和绕线杆上。
从上述技术方案可以看出，本发明的有益效果在于：
1、本发明通过对筒纱模型绕卷进度预测确定筒纱直径并且实时自学习计算控制收卷线速度趋于较恒定范围区间，在高速精密卷绕过程中具有较高对张力控制的精度，使筒纱卷绕密度均匀、无纱线断头、无结头、纱疵少、毛羽少。
2、本发明采用的检测方法相较于传统的检测方法对络丝机筒纱直径检测方案进行优化，通过去除接触式测径装置以消除了摩擦对纱线的损伤，降低了测径传感器对筒纱成型的影响，实现筒纱高质量卷绕的目的。
3、本发明在不使用传感器的情况下，实现了对筒纱实时直径的动态预测更新，并不断更新纱线总长，使得最终得到的筒纱形状具有极高的一致性。
附图说明
图1为本发明采用的筒纱绕卷装置的结构示意图；
图2为本发明提供的筒纱绕卷闭环控制方法的流程图；
图3为本发明采用的筒纱绕卷装置的控制信号流图；
图4为本发明中无收边筒纱模型的示意图；
图5为本发明中收边筒纱模型的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种基于卷装直径预测的筒纱卷绕闭环控制方法，采用的一种筒纱绕卷装置，包括电路控制板(图中未示出)、固定导纱机构1、超喂机构2、第一导纱环4、张力传感器5、动态导纱机构8、机架11、卷绕机构12和纱芯13。
机架11采用箱体结构，其侧面与顶部设置有通孔和螺纹孔，用于安装其他机构。卷绕机构12安装在机架11的顶部，包括卷绕电机10和绕卷轴14。卷绕电机10固定在机架13内。卷绕电机10的输出轴朝上设置，并与竖直的绕卷轴14同轴固定。绕卷轴14用于套置和固定纱芯13。
动态导纱机构8包括第二导纱环7和升降驱动组件。在升降驱动组件的驱动下第二导纱环7进行升降运动；在纱线卷绕的过程中，第二导纱环7在竖直方向上做往复运动，从而引导纱线均匀地卷绕在纱芯13上。升降驱动组件包括同步轮、同步带和导纱电机6。上下排布的两个同步轮均支承在机架11上，通过同步带连接。导纱电机6固定在机架11上，输出轴与其中一个同步轮固定。
固定导纱机构1、超喂机构2及张力传感器5安装在机架11的侧面。超喂机构2包括超喂轮、绕线杆3和超喂电机9。轴线水平且并排设置的超喂轮和绕线杆3均支承在机架11的外侧。超喂轮由安装在机架11内的超喂电机9驱动旋转。
工作过程中，纱线穿过固定导纱机构1后进入超喂机构2，缠绕在超喂轮和绕线杆4上。从超喂轮和绕线杆4上绕出的纱线经由第一导纱环4的引导之后，再穿过张力传感器5，从张力传感器5穿出的纱线经过动态导纱机构8绕置到卷绕机构12上的纱芯13上。固定导纱机构1用于稳定纱线，降低纱线的晃动幅度。超喂机构2用于输送纱线以及调节纱线张力。张力传感器5用于实时检测纱线张力，并将所读取的张力信号传送给MCU控制器。
如图2和3所示，该基于超喂速度闭环控制的筒纱绕卷直径预测方法，包括以下步骤：
步骤一、绕卷启动阶段。
1-1.启动前已测得空筒直径De(即纱芯的直径)，并且根据不同纱线型号设定所需锭子满筒直径Df、纱线总长Lf、纱线张力设定值和收卷线速度v的数值。
1-2.MCU控制器接收启动信号后，输出相应指令至驱动电路板，驱动电路板依次启动导纱电机6、超喂电机9和卷绕电机10。
1-3.导纱电机6启动后正反交替转动，带动第二导纱环7在竖直方向上进行匀速往复运动。
1-4.超喂电机9带动超喂轮进行匀加速转动，延迟0.1～0.5s后卷绕电机10开始转动直至其角速度到达预先设定的工作角速度，为防止纱线的张力波动过大，超喂轮边缘处的加速度的取值范围为2～8m/s2；超喂电机加速时长取10～15s。
1-5.卷绕电机10稍延后于超喂电机9启动，本实施例中，延后的时间取0.1～0.5s。在超喂轮加速的过程中，收卷线速度v保持动态追逐超喂轮线速度的状态，以保持纱线的张力稳定在设定值为中心的预设范围内。收卷线速度v为在绕卷电机的驱动下绕置在纱芯13上的纱线的线速度。
卷绕电机10和超喂电机9转动的过程中，根据收卷线速度计算卷绕电机10的目标角速度ω，其表达式为：其中，v为收卷线速度，D为当前的筒纱预测直径。筒纱预测直径D根据被缠绕的筒纱类型不同，依据不收边筒纱模型或收边筒纱模型进行计算。
根据目标角速度角速度ω和卷绕电机10当前的实际角速度ω1，动态调节卷绕电机10的输入信号。
1-6.张力传感器5检测纱线张力，将纱线张力趋于稳定后的30秒内的超喂轮角速度均值作为超喂轮的目标角速度ω0。在这个过程中，因为锭子空筒直径已知，在启动初始阶段当前进度下的筒纱预测直径D与空筒直径几乎相等，这段时间里的超喂轮角速度均值是在期望的收卷线速度下为保证收卷张力大小趋于恒定最为精确的角速度大小，故将此阶段的超喂轮角速度均值设定为目标角速度ω0以在后续过程中对绕卷进度进行自学习计算分析调节。
步骤二、稳定运行阶段。
2-1.在纱筒的线速度基本恒定保持在可接受范围内波动的状态下，根据纱线张力的变化动态计算调整超喂轮的角速度，使得纱线张力恒定在纱线张力设定值附近；具体的，当纱线张力大于预设的纱线张力设定值时，目标角速度ω0增大；当纱线张力小于纱线张力设定值时，目标角速度ω0减小。
2-2.将超喂轮每10秒的角速度ωs均值与目标角速度ω0进行比较；若超喂轮角速度ωs>目标角速度ω0，则增大纱线总长Lf；若超喂轮角速度ωs<目标角速度ω0，则减小纱线总长Lf。纱线总长Lf每次增大和减小的幅度均为预设长度值ΔL；预设长度值ΔL根据控制的需要提前人为设定或实验得出。
2-3.实时对收卷线速度进行时间的积分计算，得到纱线实时长度L，并根据纱线实时长度L计算绕卷进度P；绕卷进度P的表达式为其中，L和Lf分别为纱线的实时长度和纱线总长。根据所建立的模型由绕卷进度P计算该进度下的筒纱直径即筒纱预测直径形成闭环。
2-4.以绕卷进度P是否达到100％作为绕卷完成的判断依据；若绕卷完成，则结束绕卷；若绕卷尚未完成，则重复步骤2-1至2-3直至绕卷进度P达到100％。
结合图2对设计策略进行阐述。
设置目标张力与纱线总长设定值，设置超喂轮直径和调偏系数，将其输入预测模型，根据需求选择不同的预测模型。
高速络丝机以初始设定值运行一段时间，由张力传感器5检测出张力的实时数值信息会由于筒纱直径的增大而发生变化，实时张力数值会影响超喂电机9的角速度，超喂电机9角速度以及纱线总长设定值的变化决定了纱线总长。
实时长度与纱线总长的比值为络筒的进度。根据所建立的筒纱模型可以预测该进度下的筒纱直径。筒纱的筒纱预测直径以及卷绕电机12的实时角速度决定纱线的实时长度(即由筒纱预测直径以及实时角速度求得纱线收卷的实时线速度，再将实时线速度对时间积分获得实时的纱线长度)。筒纱的筒纱预测直径会对纱线的收卷速度产生影响，而纱线的收卷速度会影响纱线的张力，进而改变超喂电机9的角速度。这里再根据超喂电机9的角速度变化适当调节纱线总长，从而改变络筒的进度，实现筒纱筒纱预测直径的闭环控制。
接下来结合图3对络丝机平台进行阐述。
纱线经过第一导纱环4、超喂轮、张力传感器5、动态导纱机构8从原纱到收卷辊。在调节部分，纱线缠绕在超喂轮上，以采用控制超喂电机9的方式改变超喂轮与锭子之间的线速度差值调节纱线张力，锭子的角速度由设定的参数决定，且为了保证纱线能够均匀地缠绕在锭子上，需要保持纱线收卷线速度的恒定。超喂轮的角速度由张力传感器5的反馈值决定，张力传感器5安装在超喂轮和动态导纱机构8之间，用于实时检测纱线张力，其根据反馈值与设定目标张力之间的差值来改变超喂轮的角速度。由于锭子收卷纱线的线速度恒定，改变超喂轮的角速度就能改变纱线张力，形成纱线张力控制闭环。
以下结合图4对预测筒纱预测直径D的无收边筒纱模型进行说明：
图4中，De为空筒直径，D为筒纱预测直径，Df为满筒直径，H为筒纱长度。
绕卷进度P由纱线的实时长度L和设定的纱线总长Lf决定，表达式如下：
无收边筒纱模型中的筒纱形状是一个空心圆柱，其满筒时的纱线体积Vf的表达式如下：
本实施例中，默认筒纱的密度均匀，即当前所收卷纱线的体积V与满筒纱线的体积Vf之比，当前所收卷纱线的质量M与满筒纱线的质量Mf之比，均等于绕卷进度P(即纱线实时长度与纱线总长)，参见关系式(3)
无收边筒纱在收卷过程中的形状始终是空心圆柱，当前收卷纱线体积为：
由上述式(1)、式(2)、式(3)、式(4)可得筒纱的筒纱预测直径D为：
以下结合图5对预测筒纱预测直径D的收边筒纱模型进行阐述。
如图5所示，收边筒纱的形状是一个不规则的回转体，其中，Df为满筒直径，De为空筒直径，H为筒纱长度，Lu为筒纱上部收边长度，Ld为筒纱下部收边长度，Du为筒纱上部收边区域最小直径，Dd为筒纱下部收边区域最小直径，P为绕卷进度，Vu和Vd分别是将筒纱视为圆柱形后上下收边位置所空缺的体积。满筒时的体积Vf如下：
对Vu和Vd分别建立坐标系，其中Vu为：
根据两点式：
由式(7)、(8)可得：
对x进行积分可得：
化简可得：
同理Vd为：
与式(3)同理可得：
V＝PVf (13)
收边模型采用等体积的空心圆柱，其直径为D，结合式(4)、(6)、(10)、(11)、(12)可得：
化简可得：
需要说明的是，上述装置和系统内的各单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
以上对本发明实施例所提供的一种基于超喂速度闭环控制的筒纱绕卷直径预测方法进行了详细介绍，本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于卷装直径预测的筒纱卷绕闭环控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、绕卷前准备阶段；
设定空筒直径De，满筒直径Df、纱线总长Lf的初始值、纱线张力设定区间和收卷线速度的设定值v；将纱线依次穿过超喂机构(2)、张力传感器(5)、第一导纱环(4)、动态导纱机构(8)，卷绕在卷绕机构(12)的纱芯(13)上；
步骤二、绕卷起始阶段；
超喂机构(2)通过超喂轮的旋转对纱线提供张紧力；卷绕机构(12)带动纱芯(13)旋转，动态导纱机构(8)带动纱线沿着纱芯(13)的轴线方向往复移动，使得纱线绕卷在纱芯(13)上；纱芯(13)的转动角速度其中，D为筒纱预测直径；筒纱预测直径D的初始值为锭子空筒直径，并在绕卷稳定阶段中动态更新；
超喂轮开始转动后，张力传感器(5)对纱线的张紧力进行持续检测；取纱线张力稳定在纱线张力设定区间后的预设时长T0内的超喂轮角速度平均值作为超喂轮的目标角速度ω0；
步骤三、绕卷稳定阶段；
超喂轮的角速度根据纱线的张紧力变化动态调节，使得纱线张力稳定在纱线张力设定区间内；每隔一个更新周期，更新调节纱芯(13)的转动角速度ω，直到绕卷进度P达到100％时，绕卷完成；
更新调节纱芯(13)的转动角速度ω的具体过程如下：
3-1.计算超喂轮在上一个更新周期的角速度均值ωs；若ωs>ω0，则增大纱线总长Lf；若ωs<ω0，则减小纱线总长Lf；
3-2.对收卷线速度进行时间的积分计算，得到纱线实时长度L；计算绕卷进度P如下：
3-3.根据被绕卷的筒纱类型，按照以下两种方法中的一种更新筒纱预测直径D：
方法一、被绕卷的筒纱类型为无收边筒纱；筒纱预测直径D的表达式如下：
其中，Df为满筒直径；De为空筒直径；
方法二、被绕卷的筒纱类型为收边筒纱；筒纱预测直径D的表达式如下：
其中，Df为满筒直径，De为空筒直径，H为筒纱长度，Lu、Ld分别为绕卷完成的筒纱两端的收边长度；Du、Dd分别为绕卷完成的筒纱两端的收边区域最小直径；
3-4.更新纱芯(13)的转动角速度
2.根据权利要求1所述的一种基于卷装直径预测的筒纱卷绕闭环控制方法，其特征在于：步骤二中，超喂轮开始转动时，进行匀加速转动；超喂轮开始转动0.1～0.5s后，卷绕机构(12)开始带动纱芯(13)转动。
3.根据权利要求1所述的一种基于卷装直径预测的筒纱卷绕闭环控制方法，其特征在于：步骤二中所述的预设时长T0的取值为30s。
4.根据权利要求1所述的一种基于卷装直径预测的筒纱卷绕闭环控制方法，其特征在于：步骤三中所述的更新周期T的时长为10s。
5.一种筒纱绕卷装置，其特征在于：用于执行如权利要求1-4中任意一项所述的筒纱绕卷闭环控制方法；
该纱线卷绕成型装置包括超喂机构(2)、第一导纱环(4)、张力传感器(5)和动态导纱机构(8)；所述的卷绕机构(12)安装在机架(11)的顶部，包括卷绕电机(10)和绕卷轴(14)；卷绕电机(10)固定在机架(13)内；卷绕电机(10)的输出轴朝上设置，并与竖直的绕卷轴(14)同轴固定；绕卷轴(14)用于安装纱芯(13)；所述的动态导纱机构(8)包括第二导纱环(7)和升降驱动组件；第二导纱环(7)由升降驱动组件驱动进行升降运动；
所述的超喂机构(2)及张力传感器(5)均安装在机架(11)的侧面；超喂机构(2)包括超喂轮、绕线杆(3)和超喂电机(9)；轴线水平且并排设置的超喂轮和绕线杆(3)均支承在机架(11)的外侧；超喂轮由安装在机架(11)内的超喂电机(9)驱动旋转；
绕卷过程中，纱线缠绕在超喂轮和绕线杆(4)上；从超喂轮和绕线杆(4)上绕出的纱线经由第一导纱环(4)的引导之后，再穿过张力传感器(5)，从张力传感器(5)穿出的纱线穿过第二导纱环(7)后绕置到卷绕机构(12)上的纱芯(13)上。
6.根据权利要求5所述的一种筒纱绕卷装置，其特征在于：所述的升降驱动组件包括同步轮、同步带和导纱电机(6)；上下排布的两个同步轮均支承在机架(11)上，通过同步带连接；导纱电机(6)固定在机架(11)上，输出轴与其中一个同步轮固定；第二导纱环(7)与同步带固定。
7.根据权利要求5所述的一种筒纱绕卷装置，其特征在于：所述的第二导纱环(7)通过滑块与固定在机架上的竖直导轨构成滑动副。
8.根据权利要求5所述的一种筒纱绕卷装置，其特征在于：该纱线卷绕成型装置还包括固定导纱机构(1)；所述的固定导纱机构(1)安装在机架(11)的侧面；固定导纱机构(1)上设置有导纱槽；绕卷过程中，纱线先穿过固定导纱机构(1)上的导纱槽，再缠绕在超喂轮和绕线杆(4)上。
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