在棉纺工程中，粗纱机的主要任务是把并条后的熟条加工成符合一定工艺要求的粗纱，供细纱机纺制细纱。要完成这一任务，必须具备喂入、牵伸、加捻、卷绕成型等机构，如何对这些机构的执行零件进行优化设计是决定粗纱机整体质量和纺纱质量的关键所在。

    一般机械设计都存在着许多种设计方案。传统的优化设计如下图：

    设计（综合） ←

    ↓ ∣

    评价（分析）

    ↓ ∣

    选用（决策）－否

    ↓ 是

    理想的设计方案

    这个理想的设计方案就是“传统的优化”方案，由于设计方法的局限性这种优化设计的质量和效率都较差；随着计算机技术的不断发展，可利用计算机辅助设计高速度、高质量地去完成上述的“评价——再设计”过程。悬锭粗纱机的优化设计实质上就是把纺纱工艺对机械的要求问题模型化，即抽象为优化设计的数学模型，然后应用优化计算方法的程序在计算机上求解这个数学模型。

    一、 喂入机构

    悬锭粗纱机因机架较高而普遍采用四列（400条筒）或五列（500条筒）高架导条辊积极喂入，工艺要求棉条在输送过程中应保持一定的张力不致松垂，又要尽量避免意外牵伸，以保证粗纱质量。因此，合理确定后罗拉与各导条辊之间的距离及速比是设计过程中的重要一环。导条辊的截面设计有圆环形和中空六边形，一般采用圆环形截面设计。随着电脑形高速粗纱机的开发应用，棉条的输送速度在不断提高，导条辊的优化设计成为一个不可忽略的问题，否则，容易造成意外牵伸或机械震动；设计时的目标函数是导条辊重量为最轻即：

    min W=(D2-d2)/4.ρ.L ，其约束条件是D和挠度Y=5qL4/384EI

    目前一般采用复合不锈钢管制造，成本低，质量好。

    二、 牵伸机构

    牵伸机构是悬锭粗纱机的重要组成部分，它直接决定纺纱质量的好坏。该机构主要包括：清洁装置、罗拉、加压摇架、握持及集束元件、传动装置。

    1、牵伸形式：根据所纺纤维的长度不同，悬锭粗纱机一般采用三罗拉或四罗拉双皮圈牵伸；四罗拉双皮圈牵伸是在三罗拉双皮圈牵伸的基础上增加一个整理区（1.05倍左右的牵伸倍数），纱条输出时的集束器放置在整理区内，使牵伸与集束分开，实现牵伸区不集束、集束区不牵伸；由于集束器前置，钳口对纤维的控制作用增强，浮游区长度缩小，牵伸变速点前移，为提高粗纱条干质量创造了必要的条件。四罗拉双皮圈牵伸在纺制重定量、小捻度以及化纤产品时优于三罗拉双皮圈牵伸，并且粗纱光洁度好，毛羽少，因而被广泛应用在悬锭粗纱机上。

    2、罗拉：罗拉是牵伸机构的主要元件之一。一般采用45号钢或合金结构钢制造，工作面为人字形斜齿沟槽和菱形网纹滚花结构，工作部分经过高频热处理和镀硬铬处理；悬锭粗纱机的罗拉已成为纺织专件，直径多为25～32mm，各厂家的设计思路不同其罗拉规格、结构也多种多样。目前，通过优化设计生产的一种超高精度罗拉正在投放市场，罗拉自由对接精度好，抗弯、抗扭强度高，不需机下校正，无牵伸机械波。

    3、加压摇架： 悬锭粗纱机的牵伸加压通常采用弹簧摇架加压或板簧、气动摇架加压；加压量与压力的合理分布与纺纱质量的关系极为密切。气动、板簧加压压力恒定，成本较高，推广范围小。弹簧摇架加压、释压方便，但存在抗疲劳性较差，锭差压力较大等缺点。牵伸加压质量取决于弹簧的设计质量，保持加压稳定，必须注重弹簧的设计。弹簧的优化设计建模时要综合考虑，常取恒力下的变形量为优化目标函数，承受交变载荷次数为其主要约束条件。

    4、握持及集束元件：四罗拉双短皮圈牵伸弹性握持钳口的设计是整个牵伸机构的关键；皮辊、上皮圈、上销组成握持钳口的弹性部分,皮辊一般采用铝衬套结构；上销通常选用金属材料或碳纤维材料制造，碳纤维上销不变形、抗静电，是设计发展的方向。罗拉、下皮圈及下销组成弹性钳口的固定部分；下销有弧面直线形和阶梯曲面开槽形，后者工作面能使上下皮圈工作面形成缓和的曲线牵伸通道，防止皮圈回转出现中凹现象，使皮圈中部的摩擦力界因增强而稳定，有利于纤维变速的稳定性和伸直平行；开槽后对皮圈运动的控制能力增强；应用广泛。

    5、清洁装置： 悬锭粗纱机普遍采用积极回转式上下清洁器，清洁器的设计较以前有所进步，但还需要进一步优化改进。设计的重点应放在减轻重量，降低摩擦力，利于清洁绒带平稳回转。 <BR>6、牵伸传动装置：牵伸传动是产生粗纱条干机械波的主要根源。设计过程中除保证各支架的几何精度外，应重点对牵伸传动齿轮进行优化设计，编程设计时取齿轮一转为周期的误差最小为目标函数；重量和抗胶合强度为其主要约束条件之一。

    三、 加捻机构

    1、锭翼：锭翼是加捻机构的主要元件，它的数量和重量在单台粗纱机中占有很大的比重，是粗纱机设计的重点之一。锭翼有开式和闭式之分，闭式锭翼因具有通道光滑、断头率低、对温湿度敏感性小等特点在粗纱机设计中占主导地位。经不断地设计改进锭翼最高速度目前已达到1800r/min，主要技术指标是末端开张量和剩余不平衡力矩；锭翼的优化设计应以重量最小为目标函数，标准中的技术参数为其约束条件。

    2、假捻器：锭翼顶端至前罗拉之间存在捻陷现象，其间的粗纱捻度比设计捻度低20%～40%，并且前后排锭翼导纱角不等易造成粗纱意外伸长，导致细纱重量不匀率提高。为减少伸长差异，在设计上采用等导纱角锭翼和假捻器进行补偿。假捻器的优化设计非常重要，前、后排纱段的长度不同、导纱角不等对应的假捻器应该是入纱角不等、刻槽数量不等。

    四、 卷绕成型机构

    传统粗纱机的卷绕和成型机构是一个复杂的机械混合机构，通常由主电机提供锭翼旋转的恒速，同时带动主轴上的差动装置，把筒管所需的恒速与下锥轮提供的变速合成后形成卷绕速度。其数学表达式为：

    N合成速度=i(输入至输出传动比)× N(输入转速)+（1-i）×N转臂转速。

    电脑型粗纱机该机构演化为以纺纱数学模型为基础的程序软件。

    1、多电机传动的电脑型粗纱机取消了锥轮变速机构和机械成型机构。根据传动电机的多少，卷绕形式分为独立电机驱动（变频或伺服）或合成转速驱动。为实现恒张力纺纱，一般按数学式： <BR>NT=ND+L/π(d0+2tn) 建立数学模型。【NT筒管转速 ND锭翼转速 d0纱管直径 n卷绕层数 t粗纱厚度 L前罗拉输出长度】纺纱数学模型的设计与实际纺纱状况存在许多不确定的因素，真正做到智能型恒张力纺纱还要不断地对数学模型进行优化设计。

    2、传统粗纱机卷绕成型机构的设计重点是差速机构和变速机构，差速机构的优化设计除了要保证卷绕恒速与锭翼恒速的不一致系数为零外，差速传动齿轮要按重量最轻为设计目标。变速机构中的锥轮变速比PIV变速具有许多优点，因而被广泛采用，目前对变速曲线的设计及加工还存在误差，有待进一步优化设计。

    悬锭粗纱机在设计方面还存在许多系统的、随机的影响纺纱质量的弊病，与国际先进技术水平相比有一定的差距，只有经过不断地设计改进提高其可靠性，才能显示出产品的优势和先进性。