小型紡織繞線恒張力控制系統的研究和設計

摘要：針對非恒張力繞線將導致紗錠后續染色不均的問題，設計了一種小型簡便的紗線傳送和控制機構，利用霍爾效應制作的非接觸式張力傳感器獲取紗線張力信息，經控制器采用模糊PID算法對張力輪電機進行轉速控制來完成閉環的恒張力控制，并用Matlab仿真比較模糊PID算法和常規PID算法的優劣，為PID算法評估提供了很好的思路。
關鍵詞：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速傳動是非常經典的控制環節。使用這種簡單的控制方法，隨著繞線圈數的增加，被紗線纏繞的塑料套筒張力發生變化，導致纏繞后的紗錠內緊外松，不利于后續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表面凹凸不平整的現象，降低了布匹的質量。
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鍵。一般的恒張力控制機構比較笨重、復雜，考慮到工廠小批量染線的需求，機構設計應盡可能小巧、簡便。張力傳感器還要適用工業電磁干擾、油劑污染等惡劣環境。

1 恒張力繞線機機械結構
張力控制系統采用張力傳感器測出紗線張力，并作為張力反饋元件，構成閉環控制系統。一次繞線機繞成的放紗筒豎立放在二次繞線機底部平臺上。紗線通過彈簧夾持的摩擦片在電機M2控制的張力輪繞2圈，向上通過張力傳感器檢測紗線二次繞線的張力值，這個張力值作為反饋信號對張力輪進行速度控制。如果張力值有變化，將被傳感器檢測到，并將變化值送給單片機數據處理，單片機對采集的反饋信號進行A／D轉換和PID處理，對執行部件M2電機控制輸出的轉速從而改變張力。
如M2M1，二次繞線卷筒和M2電機之間的紗線就會繃緊，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電機之間的紗線就會松弛，纏繞二次繞線卷紗筒的紗線張力減小。根據預先設定的張力值，進行PID控制，使恒張力傳感器測得張力值在一定誤差內保持和預設值盡可能接近。

2 張力傳感器原理
為了繞線器達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據。張力傳感器的設計是實現精確控制的第一步，利用了霍爾效應，與一般張力傳感器不同的是，霍爾元件與紗線無直接接觸，可實現長期可靠工作。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構示意圖。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，紗線對彈片有向右的壓力，彈片末端裝有磁鐵，右側裝有霍爾元件，當磁鐵在壓力下發生形變彎曲，向右靠近霍爾元件，霍爾元件感應到的磁場強度將發生變化，即張力的變化值等效為磁場強度變化量，從霍爾元件輸出的磁場強度變化量為模擬量，傳給單片機進行數據處理。
由于紡紗環境屬強磁工作環境，霍爾元件采集數據也和磁場特性直接相關，因此要盡量避免電機磁場對傳感器的干擾，因此將電機封裝在閉合金屬空間內，防止電磁場泄露對傳感器的影響。