小型紡織繞線恒張力控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)非恒張力繞線將導(dǎo)致紗錠后續(xù)染色不均的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種小型簡(jiǎn)便的紗線傳送和控制機(jī)構(gòu)，利用霍爾效應(yīng)制作的非接觸式張力傳感器獲取紗線張力信息，經(jīng)控制器采用模糊PID算法對(duì)張力輪電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制來(lái)完成閉環(huán)的恒張力控制，并用Matlab仿真比較模糊PID算法和常規(guī)PID算法的優(yōu)劣，為PID算法評(píng)估提供了很好的思路。
關(guān)鍵詞：恒張力；霍爾元件；模糊PID；Mattab仿真

0 引言
目前紗錠二次繞線普遍在織布廠小批量染線過(guò)程中使用。二次繞線使用的恒轉(zhuǎn)速傳動(dòng)是非常經(jīng)典的控制環(huán)節(jié)。使用這種簡(jiǎn)單的控制方法，隨著繞線圈數(shù)的增加，被紗線纏繞的塑料套筒張力發(fā)生變化，導(dǎo)致纏繞后的紗錠內(nèi)緊外松，不利于后續(xù)浸染工序中染料均勻滲透塑料套筒外纏繞的紗線，降低了紗線染色的質(zhì)量。此外，在染色后的紡織過(guò)程中，用松緊程度不一致的紗錠紡出來(lái)的布將出現(xiàn)表面凹凸不平整的現(xiàn)象，降低了布匹的質(zhì)量。
因此，解決紗錠二次繞線恒張力問(wèn)題是提高紗線染色均勻一致性和布匹平整度的關(guān)鍵。一般的恒張力控制機(jī)構(gòu)比較笨重、復(fù)雜，考慮到工廠小批量染線的需求，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能小巧、簡(jiǎn)便。張力傳感器還要適用工業(yè)電磁干擾、油劑污染等惡劣環(huán)境。

1 恒張力繞線機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)
張力控制系統(tǒng)采用張力傳感器測(cè)出紗線張力，并作為張力反饋元件，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。一次繞線機(jī)繞成的放紗筒豎立放在二次繞線機(jī)底部平臺(tái)上。紗線通過(guò)彈簧夾持的摩擦片在電機(jī)M2控制的張力輪繞2圈，向上通過(guò)張力傳感器檢測(cè)紗線二次繞線的張力值，這個(gè)張力值作為反饋信號(hào)對(duì)張力輪進(jìn)行速度控制。如果張力值有變化，將被傳感器檢測(cè)到，并將變化值送給單片機(jī)數(shù)據(jù)處理，單片機(jī)對(duì)采集的反饋信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換和PID處理，對(duì)執(zhí)行部件M2電機(jī)控制輸出的轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖儚埩Α?br /> 如M2M1，二次繞線卷筒和M2電機(jī)之間的紗線就會(huì)繃緊，纏繞二次繞線卷紗筒的紗線張力增大；如M2>M1，二次繞線卷筒和M2電機(jī)之間的紗線就會(huì)松弛，纏繞二次繞線卷紗筒的紗線張力減小。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的張力值，進(jìn)行PID控制，使恒張力傳感器測(cè)得張力值在一定誤差內(nèi)保持和預(yù)設(shè)值盡可能接近。

2 張力傳感器原理
為了繞線器達(dá)到恒張力控制的目的，首先張力傳感器要能敏銳感知張力變化，為PID控制采集足夠精確的張力變化數(shù)據(jù)。張力傳感器的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)精確控制的第一步，利用了霍爾效應(yīng)，與一般張力傳感器不同的是，霍爾元件與紗線無(wú)直接接觸，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期可靠工作。傳感器用鋼外殼封裝，可防紡絲油劑污染。

圖1所示為張力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。紗線壓在彈片傾斜向上被拉向卷紗筒，受到沿紗線方向的張力，將張力沿垂直方向分解，紗線對(duì)彈片有向右的壓力，彈片末端裝有磁鐵，右側(cè)裝有霍爾元件，當(dāng)磁鐵在壓力下發(fā)生形變彎曲，向右靠近霍爾元件，霍爾元件感應(yīng)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度將發(fā)生變化，即張力的變化值等效為磁場(chǎng)強(qiáng)度變化量，從霍爾元件輸出的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化量為模擬量，傳給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
由于紡紗環(huán)境屬?gòu)?qiáng)磁工作環(huán)境，霍爾元件采集數(shù)據(jù)也和磁場(chǎng)特性直接相關(guān)，因此要盡量避免電機(jī)磁場(chǎng)對(duì)傳感器的干擾，因此將電機(jī)封裝在閉合金屬空間內(nèi)，防止電磁場(chǎng)泄露對(duì)傳感器的影響。