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，在染色后的紡織過程中，用松緊程度不一致的紗錠紡出來的布將出現(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)速從而改變張力。
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，霍爾元件與紗線無直接接觸，可實(shí)現(xiàn)長期可靠工作。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)境屬強(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。