引言

　　高速卷繞機(jī)是化纖長(zhǎng)絲高速紡絲生產(chǎn)裝備的重要組成部分，卷繞機(jī)采用等角卷繞的方法，以很高的速度將化纖長(zhǎng)絲卷繞成大容量的圓柱形卷裝[1]。隨著卷繞直徑的增加，卷裝上的絲層不可避免地會(huì)發(fā)生重疊，引起機(jī)器的振動(dòng)。有多種控制系統(tǒng)可以避免重疊的發(fā)生[2~6] ，但都存在一定的不足和缺陷，最突出的間題是忽略了卷裝上絲層之間絲圈分布的位置穩(wěn)定性，而這正是在高速下卷繞大容量的卷裝和高速下從卷裝上順利退繞的重要間題。因?yàn)榻z層之間絲圈位置走動(dòng)的隨機(jī)性將達(dá)不到預(yù)期的防疊效果，難于獲得成形良好的大卷裝，而在高速退繞時(shí)絲圈容易相互糾纏，造成脫圈和斷頭。
   
　　為了克服上述不足和缺陷，筆者提出了一種自主創(chuàng)新的優(yōu)化變位卷繞方法及其相應(yīng)的測(cè)控系統(tǒng)。
 
1優(yōu)化變位卷繞原理

　　卷繞時(shí)，卷繞參數(shù)之間關(guān)系如下式[1,7]

　　其中： 為卷繞角；H 為往復(fù)導(dǎo)絲動(dòng)程；m 為每分鐘往復(fù)導(dǎo)絲的次數(shù)；dK為卷繞直徑；nK為卷裝轉(zhuǎn)速;i ＝nK/m，為卷繞比（即每往復(fù)導(dǎo)絲一次時(shí)的卷繞圈數(shù)）。等角卷繞時(shí)， 為常數(shù)，i 與dK之間成等軸雙曲線關(guān)系，如圖1 中的實(shí)線所示。當(dāng)i 值變化到含有最簡(jiǎn)分?jǐn)?shù)部分為X/l , X/2，X/3，… ，X/MR，… ，等一系列數(shù)值時(shí)（如圖1 中的R 點(diǎn)，其中：卷繞周期MR表示每個(gè)可能發(fā)生一次重疊時(shí)間內(nèi)往復(fù)導(dǎo)絲次數(shù)，X為與MR互質(zhì)的任意整數(shù)），卷裝上前后卷繞周期的絲層的絲圈將繞在同一位置上，在卷裝上形成螺旋形的凸出的密集絲帶，即所謂重疊。等比卷繞時(shí)i 為定值，如圖l 中的點(diǎn)劃線，只要精心選取i 就不會(huì)有重疊發(fā)生，所以又稱其為精密卷繞，但因它自身固有的不足，不宜用在有高速、大卷裝要求的化纖紡絲卷繞機(jī)上。

圖i 一dK關(guān)系曲線圖

　　優(yōu)化變位卷繞方法把變卷繞比的等角卷繞轉(zhuǎn)換成若干級(jí)等卷繞比的精密卷繞，每一級(jí)的卷繞比都經(jīng)過優(yōu)化選擇。優(yōu)化變位卷繞法將本來連續(xù)變化的卷繞比曲線變?yōu)橛梢幌盗袃?yōu)化選擇的恒定卷繞比組成的折線，具有沒有重疊、布絲均勻、絲圈穩(wěn)定、排列緊密和速度波動(dòng)小等特點(diǎn)。卷裝的成形質(zhì)量好、表觀密度高，有利于大卷裝的高速卷繞和高速退繞。圖2 有是優(yōu)化變位卷繞的i 一dK關(guān)系圖。

圖2 優(yōu)化變位卷繞的i 一dK關(guān)系圖

2優(yōu)化變位卷繞的數(shù)學(xué)模型

　　在卷繞比中，最簡(jiǎn)分?jǐn)?shù)部分X/MR，的分母MR表示一個(gè)卷繞周期中的絲層數(shù)量。MR愈大，可能出現(xiàn)重疊的時(shí)間間隔愈長(zhǎng)，重疊的機(jī)會(huì)愈少。如MR = 5 ，則往復(fù)導(dǎo)絲5 次（形成5 個(gè)絲層），為一個(gè)卷繞周期。在圓柱形卷裝端面上，MR值是一個(gè)卷繞周期內(nèi)的折返點(diǎn)數(shù)。X表示同一個(gè)卷繞周期中相鄰絲層的離散狀況。
   
　　圖3 為兩種優(yōu)化選擇的絲圈折返點(diǎn)分布圖例，它們的絲圈分布具有良好的離散性。為了提高卷裝表觀密度而又不出現(xiàn)重疊，繞絲間距需略大于繞在卷裝上的長(zhǎng)絲最大極限寬度，取繞間距S=k1W（其中：k1為表觀密度影響系數(shù)；W為卷裝上的長(zhǎng)絲的最大極限寬度）。

圖3 優(yōu)化選用的絲圈折返點(diǎn)分布圖

　　為了減少卷繞速度的波動(dòng)量，因每分鐘往復(fù)導(dǎo)絲次數(shù)變化引起的卷繞角 的變化應(yīng)限制在微小的范圍內(nèi)。根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，在每一個(gè)卷繞周期內(nèi)，每分鐘往復(fù)導(dǎo)絲次數(shù)變化而導(dǎo)絲器多移或少移過一段距離，可以看作卷裝多轉(zhuǎn)或少轉(zhuǎn)過的一段弧長(zhǎng)，即有

　　其中：nR為一個(gè)卷繞周期的卷裝整轉(zhuǎn)數(shù)；nR/MR＝iR為發(fā)生重疊時(shí)的卷繞比。
　　由此可求得各個(gè)優(yōu)化的卷繞比iN( N＝0 , 1 , 2 , … ，n）為

　　其中：SiR／( 2HM  S ) ＝△iR，即為避免重疊而保持一個(gè)繞絲間距S時(shí)，卷繞比中相對(duì)重疊卷繞比iR應(yīng)增減的偏離值。由圖2 可見，△iR隨iR值的大小而有所不同。

　　往復(fù)導(dǎo)絲機(jī)構(gòu)的導(dǎo)絲電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值nmG＝k2m （其中：k2為傳動(dòng)比，取決于往復(fù)導(dǎo)絲機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)），于是

　　式（4 ）即為實(shí)現(xiàn)優(yōu)化變位卷繞的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合圖2 ，可作出如圖4 所示的導(dǎo)絲電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值nmG隨卷繞直徑dK變化的關(guān)系曲線圖。

圖4 優(yōu)化變位卷繞的nmG一dK關(guān)系曲線圖

3  優(yōu)化變位卷繞的PCC測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
 
3 . 1 優(yōu)化變位卷繞的實(shí)現(xiàn)方法

　　圖5 為實(shí)現(xiàn)優(yōu)化變位卷繞的機(jī)電一體化測(cè)控方案。其中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)所接受的指令為導(dǎo)絲電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)際給出值nms，它以式（4 ）確定的nms 為主要依據(jù)，同時(shí)利用轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)出導(dǎo)絲電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速nm，并與nms進(jìn)行比較，將兩者之間的本次偏差ei、上一次偏差ei-1、再上一次偏差ei-2通過比例積分微分（PD ）算法，對(duì)式（4 ）的nms進(jìn)行輔助的調(diào)整和補(bǔ)充，使整個(gè)系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)特性都有所改善。因此，導(dǎo)絲電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)拄制時(shí)的實(shí)際給出值應(yīng)為

　　其中：P為比例系數(shù)；I 為積分系數(shù)；D 為微分系數(shù)。

圖5 優(yōu)化變位卷繞系統(tǒng)的機(jī)電一體化測(cè)控方案

3 . 2 測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　在實(shí)施式（5 ）所要求的檢測(cè)計(jì)算和控制任務(wù)時(shí)，可應(yīng)用可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC ）和變頻調(diào)速等測(cè)控技術(shù)進(jìn)行如圖6 所示的優(yōu)化變位卷繞系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。其中，PCC是整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的核心部分，它選用的是奧地利貝加萊工業(yè)自動(dòng)化公司B&R 2000PCC系列中的B&R 2003PCC及其模塊化擴(kuò)展手段，主要由B&R2003PCC子系列中的CP474CPU主模塊DI135 高速數(shù)字量輸入模塊、IF321 RS485 接口模塊和IF311 RS232 接口模塊等組成。

　　CP474CPU 主模塊內(nèi)含2003 的處理器、100kB 的SRAM 、512kB的Flash PROM 、用于CPU編程和下載程序的RS232 接口、用于聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的CAN 接口和4 個(gè)CP 插槽。它可固化系統(tǒng)程序，存儲(chǔ)設(shè)定的卷繞速度為v，最小卷繞角分別為 ，W，k1 , k2 ，空管直徑為d0，滿筒直徑dH和H 等生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)和機(jī)械參數(shù)，PD 調(diào)節(jié)的系數(shù)，中間變量等，完成有關(guān)計(jì)算等任務(wù)。插入CP474CPU主模塊CP 插槽的DI135 模塊，具有高速數(shù)字量輸入的功能，可充分利用其內(nèi)部4MHZ 高頻脈沖信號(hào)高速計(jì)數(shù)器以及CP474 所特有的獨(dú)立時(shí)間處理器單元（TPU）功能，通過數(shù)字濾波法實(shí)時(shí)檢測(cè)nm，nK、和傳動(dòng)輥轉(zhuǎn)速nT，從而有效地提高測(cè)速的精度。插入CP474CPU 主模塊CP 插槽的IF321 模塊，具有RS485 接口的功能，完成將實(shí)際應(yīng)有的輸出信號(hào)nmS送至導(dǎo)絲電機(jī)變頻器FRENIC5000Gll 的RS485 接口，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化變位卷繞的過程控制，使導(dǎo)絲電機(jī)轉(zhuǎn)速符合圖4 所示的非線性目標(biāo)函數(shù)。插入CP474CPU主模塊CP 插槽的IF311 模塊，具有RS232 接口的功能，用于連接HITECH PWS - 700TSTN 型觸摸屏，以進(jìn)行功能選擇、參數(shù)設(shè)定和狀態(tài)指示等有關(guān)鍵盤操作和信息顯示。一旦完成設(shè)置任務(wù)，觸摸屏亦可處于脫機(jī)狀態(tài)。

3 . 3 測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

圖6 優(yōu)化變位卷繞的PCC 測(cè)控系統(tǒng)硬件原理框圖

　　圖6 所示PCC 測(cè)控系統(tǒng)的軟件部分可分為若干個(gè)模塊，主要采用PCC編程軟件包PG2000 所提供的PL2000 高級(jí)語言和HITECHPWS編程軟件包ADP3 進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。其中的特色模塊部分包括系統(tǒng)運(yùn)行前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備處理程序和系統(tǒng)運(yùn)行后的過程控制處理程序。
   
　　圖7 為準(zhǔn)備命令處理程序流程圖。它