数码卷绕的概念和技术

朱晓琳 范红勇

摘 要：数码卷绕是在精密卷绕的基础上，引入导丝机构的数字控制方式，得到张力更稳定、纱管成形更完善的最新卷绕技术。文章介绍了高速精密数码卷绕技术的概念、实现原理和应用现状。

关键词：数码卷绕，纱线，卷绕比，导丝机构

中图分类号：N04；J5231；TS1037 文献标识码：A 文章编号：1673-8578（2014）S1-0090-03

The Conception and Technology of Digital Winding

ZHU Xiaolin FAN Hongyong

Abstract： Digital winding is the newest winding technology based on the precise winding and traverses digital control， which will contribute to more stable tension and better shape package. This paper will introduce the concept， principle and application status of high speed digital winding technology.

Keywords： digital winding， yarn， winding ratio， traverse

收稿日期：2014-07-01

作者简介：朱晓琳（1980—），女，国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心光电部审查员。通信方式：zhuxiaolin_1@sipo.gov.cn。

一 数码卷绕的概念

卷绕，顾名思义，就是利用转动的装置卷取缠绕物体，该物体可以是“线”，也可以是“面”。实际上卷绕是无处不在、给我们带来深刻影响的一种技术，现代工业中，几乎各行各业都离不开卷绕。比如，纺织行业中，我们身上的衣服由棉花到布；造纸行业中，由纸浆到纸张再到印刷出版；电子行业中，由硅矿石熔炉拉丝到制成芯片材料再到PCB板；军工特殊材料碳纤维由复合原料反应后制成合金。卷绕技术作为一种通用技术，成为各行业在材料处理方面不可缺少的重要环节。

另一方面，卷绕也是影响材料品质的重要技术。各行业在卷绕工艺中，一直都在研究卷绕装置的高速、高稳定性途径。高速，可以提高产量增加效益，而高稳定性，则是产品质量尤其是最后成品性能的重要保证。稳定性差的卷绕装置，生产出来的产品档次明显偏低，比如地毯不够柔软，合金强度较差，衣服上色后颜色不均匀，电缆因为发热造成负载能力偏低。对于不同形状的材料，“线”型材料卷绕更加困难。

数码卷绕是近几年纺织行业提出来并逐渐推向市场的特殊卷绕技术，应用在线状高端卷绕设备中，通过检测卷绕形成卷装的直径，按精密卷绕比例计算导丝机构往返运动的速度，在此基础上变化动程，同时匹配恒定压纱力使得卷绕装置稳定，最终得到理想的卷装。

二 数码卷绕的原理

纱线卷绕过程可以视为两个运动的合成：纱线沿纱筒的切向运动及轴向运动[1]。纱筒每回转一转，绕上一个螺旋形纱线圈。当纱线运动到纱筒端部时，向相反的轴向按另一个螺旋方向卷绕，同时产生一个折回点。如此循环往复，周期运转，实现纱线连续卷绕[2-3]。

纱线从纱筒的一个端面卷绕到另一个端面后再回到该端面为一个卷绕周期。一个卷绕周期形成一层纱线面（含不同旋向的两个单面）。根据纱线在每层纱线面上的缠绕密度的区别，可分为等交叉角卷绕和等螺距卷绕。等交叉角卷绕是指纱线在不同层面上往返时形成的角度是相等的，即使直径越来越大，交叉角也基本保持不变；等螺距卷绕是指纱线在不同层面上，相邻螺旋线圈之间的距离基本不变。等交叉角和等螺距是根据不同卷绕技术形成的两种成形方式，随着直径越来越大，会发现等交叉角卷绕时，螺距越来越大，而等螺距卷绕时，交叉角越来越小。研究卷绕方式，对卷绕技术有深远意义，不同的卷绕方式，卷绕、横动的控制算法差别巨大，形成的产品形状及质量也大有不同。一般来说，在被动摩擦卷取时，控制标准辊的转动，切线速度容易控制，通常会选择等交叉角卷绕；而主动卷取形成纱筒时，纱筒转速容易检测及控制，通常会选择等螺距卷绕。

纱线卷绕最大的难点是在防叠处理。不管是等交叉角卷绕还是等螺距卷绕，纱线往返周期运动时必须在接近的层面上相互错开，这样密度才能均匀，纱筒也不会因为纱线在小范围内堆积形成叠纱。等交叉角卷绕目前没有更好的防叠方法，只能通过微小改变角度，使得卷绕纱线交叉排列，通常应用在速度不高且对纱线捻度有要求的场合。而高速无捻度要求的场合通常采用等螺距卷绕。

在数码卷绕技术出现以前，卷绕设备通常采用机械拨擦式精密卷绕。比如传统的络丝机，仅有一个电机驱动纱筒卷绕，同时设计了一个与纱筒直径成固定比例的机械拨擦片，拨擦片带动纱线往返运动。随着纱筒直径的增大，拨擦片带动纱线往返运动的速度越来越慢，最终形成固定螺距的纱筒。拨擦片与纱筒直径的固定比例，在纺织学上称之为“卷绕比”，实际上就是纱线一个往复动程纱筒所转过的圈数。这个比例不能是整数，否则每层换向就会出现在同一个换向点，造成叠纱。现代卷绕设备上，卷绕比是一个精确到4位小数的系数，所以称之为精密卷绕。

数码卷绕就是在精密卷绕的基础上，将拨擦片改为电机驱动控制，并且卷绕比可调的一种最新卷绕技术。数码卷绕设备主要包含纱筒、导丝机构、卷绕电机及驱动器、横动电机及驱动器。卷绕电机控制纱线沿纱筒的切向运动，横动电机控制纱线沿纱筒的轴向运动。通过检测纱筒直径的变化，可根据卷绕比计算卷绕电机、横动电机的速度。

数码卷绕设备电机驱动的重点在于保持高速、高稳定性，消除硬边。保持高速，需要控制横动电机实现快速换向，可在硬件结构和控制算法两方面对横动电机做优化设计。保持高稳定性，需要保持合适的卷绕比。保持合适的卷绕比，可以避免纱线直接重叠，可保证纱筒具备良好的染色性能。保持合适的卷绕比，可在控制算法方面对卷绕电机和横动电机做优化设计，实现二者的协调运转。消除硬边可通过调整横动动程来实现。

三 数码卷绕的应用现状

瑞士SSM公司在2014年推出最新款的工业丝数码卷绕络丝机，最高线速度高达1500m/min，是目前国际上类似设备的最高水平。SSM络丝机在全世界享有极高声誉，无论从速度上，还是防叠、去硬边、纱筒密度、张力控制上，都是首屈一指的品牌。

国内传统的拨擦式卷绕设备仍在很多对速度要求不高的场合应用，尤其是棉线络丝机，但是机械式拨擦片磨损大，且固定卷绕比不可调节，应用时极为不便。最近几年，电子式精密卷绕慢慢被用户接受，也有驱动器成套配套商（比如和利时[4]）正在研究高速数码卷绕技术，通过与机械的配套，也能满足国内大部分客户的需求。

四 结 语

数码卷绕技术的应用，保证了纺织行业所生产的成品质量，同时为纺织行业提高了产量、增加了效益。虽然，目前国外对于这一技术的研究水平领先于国内，但是，差距只是暂时的，在国内纺织行业专家的努力下，国内的数码卷绕技术必然会取得长足的进步。

参考文献

[1] 陈元甫.机织工艺与设备（上册）[M].北京：纺织工业出版社，1982：66-89.

[2] 谢卫东，王春光，彭晓东，等.防止纱线重叠的卷绕比确定方法[J]. 重庆大学学报，2010（7）：58-62.

[3] ZHANG Z M， MEI S Q， XU Q， et al. Research on the math model of multi parameter of new twisting machine[C]//ISECS International Colloquium on Computing ，Communication， Control， and Management （CCCM2009）. Sanya：IEEE， 2009： 95-98.

[4] 何震球.高速精密数码卷绕解决方案[J].自动化博览，2008（S1）：105-107.