特細(xì)金屬絲整經(jīng)筒子架及單絲張力控制的研究

鄧先明，王凌鵬，楊 濤，杜 宇

(1．天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,天津 300387；2．杭州匡時科技有限公司,杭州 311217)

特細(xì)金屬絲整經(jīng)筒子架及單絲張力控制的研究

鄧先明1，王凌鵬2，楊 濤1，杜 宇1

(1．天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,天津 300387；2．杭州匡時科技有限公司,杭州 311217)

為解決特細(xì)金屬絲整經(jīng)過程中易斷絲，張力控制難度大等問題，介紹特細(xì)金屬絲整經(jīng)難點，對比矩形筒子架和V型筒子架的優(yōu)缺點，設(shè)計V型對稱錯位結(jié)構(gòu)筒子架；闡明單絲張力控制的意義，并從單絲張力控制方法及閉環(huán)控制等方面進(jìn)行分析，設(shè)計一種重錘摩擦盤式單絲張力控制機(jī)構(gòu)，并對無單絲張力控制、重錘張力桿式調(diào)節(jié)和重錘摩擦盤式調(diào)節(jié)三種控制方式進(jìn)行對比試驗。指出：V型對稱錯位結(jié)構(gòu)筒子架，能有效減小金屬絲在筒子架上的摩擦力及金屬絲交叉問題；重錘摩擦盤式控制方式較無單絲張力控制和重錘張力桿式，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間快，單絲張力穩(wěn)定性好，可將單絲張力誤差控制為±3 cN，適用于直徑為0.012 mm～0.050 mm的金屬絲整經(jīng)。

特細(xì)金屬絲；整經(jīng)；筒子架；V型錯位；單絲張力；重錘摩擦盤；張力控制

0 引言

隨著科技的發(fā)展，高精細(xì)金屬絲網(wǎng)使用范圍越來越廣，尤其在航空航天、高精細(xì)電路印刷及智能應(yīng)用方面[1]。特細(xì)金屬絲整經(jīng)機(jī)應(yīng)用于高精細(xì)金屬絲網(wǎng)織造的整經(jīng)過程中，整經(jīng)所用的金屬絲直徑較小(一般不大于0.025 mm)，導(dǎo)致整經(jīng)過程易斷絲，張力控制難度大。為解決此問題，下文將進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 特細(xì)金屬絲整經(jīng)難點

整經(jīng)是將一定根數(shù)的經(jīng)紗按規(guī)定的長度和寬度平行卷繞在經(jīng)軸上，且保持一定張力的工藝過程[2]。

應(yīng)用于高精度過濾和絲網(wǎng)印刷中的金屬絲網(wǎng)，對網(wǎng)格空隙率及表面質(zhì)量要求較高，一般孔徑可達(dá)0.05 μm～1.00 μm[3]。根據(jù)HB 5177—1996《金屬絲材拉伸試驗方法》[4]，對直徑為0.05 mm的不銹鋼絲進(jìn)行拉伸試驗，結(jié)果見圖1，其極限應(yīng)力σ為1.5 N。

圖1 拉伸試驗結(jié)果

金屬絲整經(jīng)難點在于以下幾個方面：

a) 金屬絲整經(jīng)對其表面質(zhì)量要求很高，在整經(jīng)過程中要求表面無損傷，與金屬絲直接滑動摩擦接觸的整經(jīng)機(jī)構(gòu)件硬度應(yīng)與金屬絲硬度相當(dāng)；

b) 特細(xì)金屬絲的極限應(yīng)力σ一般較小，其整經(jīng)張力控制值不能超過0.07σ～0.20σ，否則整經(jīng)過程中易斷線[5]；

c) 高精度特細(xì)金屬絲網(wǎng)一般都超過400目，甚至達(dá)1200目，一個整經(jīng)軸上的金屬絲通常超過2 萬根，且要求單絲張力均勻、恒定[6]。

2 筒子架

筒子架是金屬絲整經(jīng)機(jī)的重要組成部分之一，其作用是便于按一定規(guī)律放置筒子，實現(xiàn)對金屬絲單絲張力的均勻調(diào)節(jié)，并實現(xiàn)斷線檢測和剎車功能，主要分為矩形筒子架和V型筒子架，如圖2所示。

a) 矩形 b) V型1—紗管；2—紗架；3—導(dǎo)輥；4—紗束。圖2 筒子架結(jié)構(gòu)

矩形筒子架可將每列金屬絲紗線由導(dǎo)輥聚攏成片紗并與其他列錯開，缺點是單列片紗之間易交叉[7]，且有90°轉(zhuǎn)角，對金屬絲損傷較大。

V型筒子架結(jié)構(gòu)優(yōu)點在于不同區(qū)域引出紗線對導(dǎo)紗通道的摩擦包角差異很小，對紗線磨損較小，且單絲間張力差異小，利于片紗張力均勻；缺點是占地面積大[8]。

結(jié)合金屬絲整經(jīng)難點，可以看出V型筒子架結(jié)構(gòu)對金屬絲的摩擦更小，彎度更小，更適合于金屬絲整經(jīng)。筆者在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計了一種V型對稱錯位筒子架，每行筒子軸在垂直方向高度等差，可避免在退繞過程中，同一行的金屬絲發(fā)生相互交叉問題，并減小金屬絲在筒子架上所受的摩擦力。V型對稱錯位筒子架總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示，筒子架整體采用左右對稱結(jié)構(gòu)。

圖3 V型錯位筒子架總體結(jié)構(gòu)

3 單絲張力控制

3.1 單絲張力控制的意義

整經(jīng)張力控制分為單絲張力控制和片紗張力控制。片紗張力控制是對收卷前的片紗進(jìn)行張力控制，使得片紗張力維持恒定，不隨卷徑變化而變化；如果只維持片紗張力恒定而不進(jìn)行單絲張力控制，單絲間會出現(xiàn)張力差。若張力差較大時，會使金屬絲網(wǎng)的網(wǎng)格不均勻，且有較大內(nèi)應(yīng)力，從而產(chǎn)生次品。因此，在金屬絲整經(jīng)過程中，必須進(jìn)行單絲張力控制，使單絲之間張力差維持在允許范圍內(nèi)[9]。

3.2 單絲張力控制方法研究

控制一般分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制，區(qū)別在于閉環(huán)控制有反饋環(huán)節(jié)[10]，精度更高。整經(jīng)機(jī)單絲張力控制對象為500個紗管軸，若采用閉環(huán)控制，可使用磁滯制動器等元件控制紗管退繞阻力矩，同時進(jìn)行單絲張力檢測，通過動態(tài)調(diào)整磁滯制動器輸出值達(dá)到精確控制的目的。但由于紗管數(shù)目多，使用500個閉環(huán)控制難度大；若采用群控，雖可減少閉環(huán)控制數(shù)目，但由于每個紗管外徑不同，退繞狀態(tài)不同，仍無法達(dá)到單絲張力精確控制的要求。因此，單絲張力控制應(yīng)采用開環(huán)控制。

如圖4所示，筆者設(shè)計了一種重錘摩擦盤式單絲張力控制機(jī)構(gòu)，中間零部件均采用輕質(zhì)材料制成，通過調(diào)整重錘在導(dǎo)桿上的位置，可以調(diào)整摩擦盤輸出阻力矩。金屬絲在筒子軸上的退繞張力為Ti，退繞主動力矩與摩擦力矩和軸承阻力矩形成力矩平衡。對于不同直徑的金屬絲，可以調(diào)整重錘位置和質(zhì)量，使得Ti在所需單絲張力值范圍內(nèi)，以適應(yīng)不同直徑金屬絲整經(jīng)的要求。

圖4 重錘摩擦盤張力控制原理

根據(jù)圖4所示結(jié)構(gòu)建模，分析在穩(wěn)定運行階段，整個紗管退繞達(dá)到平衡后的張力摩擦桿力矩平衡計算公式為：

m0gl+FNfs-FNl0=0

(1)

式(1)中：

m0——配重質(zhì)量；

g——重力加速度；

l——配重力臂；

FN——正壓力；

f——摩擦因數(shù)；

s——長度；

l0——位偏矩。

紗管軸平衡計算公式為：

(2)

式(2)中：

Ti——單絲張力；

r1——紗線線軸外徑；

r2——摩擦盤半徑；

Mf——軸承摩擦阻力矩；

J——紗管軸轉(zhuǎn)動慣量；

(3)

由式(3)可知，重錘摩擦盤式單絲張力調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)可滿足整經(jīng)要求；金屬絲紗管單絲退繞張力Ti與配重力臂l成正比。紗管軸結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1—電磁制動器；2—安裝板；3—軸承座；4—摩擦盤；5—紗管；6—心軸；7—錐形螺母。圖5 紗管軸結(jié)構(gòu)示意

為了進(jìn)一步驗證重錘摩擦盤式單絲張力調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的控制能力，設(shè)計出無單絲張力調(diào)整紗管軸、重錘張力桿式紗管軸和摩擦盤式紗管軸，見圖6，對直徑為0.05 mm的不銹鋼金屬絲進(jìn)行退繞試驗。單絲退繞張力對比結(jié)果如圖7所示。

a) 無單絲張力控制式

b) 重錘張力桿式

c) 重錘摩擦盤式

a) 無單絲張力控制

b) 重錘張力桿式

c) 重錘摩擦盤式

經(jīng)試驗對比可知：① 有單絲張力控制的紗管比直接退繞式紗管的單絲退繞張力更穩(wěn)定，達(dá)到穩(wěn)態(tài)更快；② 重錘摩擦盤式比重錘張力桿式單絲張力控制的穩(wěn)定性和快速性更好。

3.3 對比試驗

由于筒子架上紗管數(shù)量多，筒子架整體尺寸較大，位于筒子架上不同位置的紗管單絲張力有差異，通過調(diào)整重錘的位置可以補(bǔ)償靜差。對筒子架上同列最上、最下位置，同行最前、最后位置檢測單絲張力的結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 筒子架同列上、下位置單絲張力對比

由圖8和圖9可知，當(dāng)配重設(shè)置相同時，位于筒子架最上位置的紗管比最下位置的紗管單絲張力略大，最后位置的紗管比最前位置的紗管單絲張力略大，但都處于允許范圍；可通過調(diào)整配重位置，消除單絲之間的張力偏差，且使之穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)，從而使筒子架上各位置的紗管單絲張力無差異。

圖9 筒子架同行前、后單絲張力對比

4 結(jié)語

特細(xì)金屬絲整經(jīng)機(jī)采用V型對稱錯位結(jié)構(gòu)的筒子架，有效地減少了金屬絲在筒子架上的摩擦力，解決了金屬絲之間相互交錯的問題；采用重錘摩擦盤式機(jī)構(gòu)開環(huán)控制單絲張力，較無單絲張力控制和重錘張力桿式控制方式，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間更快，單絲張力值更準(zhǔn)確，且波動更小。因此，筆者設(shè)計的特細(xì)金屬絲整經(jīng)筒子架及紗管軸適用于金屬絲直徑為0.012 mm～0.050 mm的整經(jīng)；在提高容量的同時，有效均勻地控制了單絲張力，將其單絲張力波動控制為±3 cN。

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AStudyontheCreelandtheTensionControlofMonofilamentofSuperFineWire

DENG Xianming1,WANG Lingpeng2,YANG Tao1,DU Yu1(1.School of Mechanical Engineering Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China;2.Hangzhou Kunst Filter Co.,Ltd.,Hangzhou 311217,China)

To solve the problems with super fine wire breakage and difficulty in tension control in the process of warping,introduction is made to the warping bottleneck,comparison is done to the rectangular creel and V-type creel on their advantages and disadvantages,and a symmetric V-type dislocation structured creel is introduced.Significance is highlighted on monofilament tension control.A hammer disc friction monofilament tension control mechanism is introduced from the aspects of wire tension control and closed loop control.The three control modes were compared including free filament tension control,tension rod weight regulation and weight adjusting friction disc.It is pointed out that the creel of the V-type symmetric dislocation structure can effectively reduce friction of the metal wire on the cylinder frame and wire lapping;weight adjusting friction disc can access to steady state in short time as compared with the other two structures and gain good stability of monofilament tension,consequenly making the tension control error within ±3 cN,applicable to wire warping of diameter between 0.012 mm～0.050 mm.

super fine wire;warping;creel;V-type dislocation;monofilament tension;weight adjusting friction disc;tension control

TS103.3

B

1001-9634(2017)06-0011-04

2017-03-11

鄧先明(1992—)，男，湖北十堰人，碩士研究生，主要從事金屬絲整經(jīng)工藝及裝備方面的研究。