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數字伺服和運動(dòng)控制技術(shù)在紡織機械的應用
時(shí)間:2016-04-12
本文介紹了高速精密數碼卷繞方案的市場(chǎng)前景、實(shí)現原理、技術(shù)手段和主要性能指標,并對各功能部件進(jìn)行了描述。 關(guān)鍵詞:絡(luò )筒機、卷繞、橫動(dòng)、超喂、電子導紗器、卷繞比、導紗動(dòng)程、精密交叉卷繞

     近些年,隨著(zhù)人們審美意識增強和生活水平的提高,高檔色織產(chǎn)品愈加受到人們喜愛(ài)。不僅僅真絲綢,化纖絲、人造絲、混紡紗和棉紗等也可采用色絲織造,這就促 使紗筒染色工藝在色織行業(yè)獲得廣泛應用。一般紗筒染色前需要將外購的坯紗絡(luò )成適合于筒子染色用的“松式筒子”供下道工序用,因此松式精密絡(luò )筒機的需求日益 增加。

  國內現有的松式絡(luò )筒機整機結構一般采用單錠集中傳動(dòng)方式,通常包括卷繞、導紗、超喂等幾種運動(dòng),采用機械齒輪和凸輪機構完成,針對各種紗線(xiàn)不同的絡(luò )筒工 藝,設備調整比較困難;導紗機構采用的是槽筒和旋轉翼片,對一些高檔紗線(xiàn)易產(chǎn)生損傷;同時(shí)由于采用的是機械傳動(dòng)結構,卷繞速度不高。目前國外這種松式絡(luò )筒 機已經(jīng)完全采用基于電子齒輪和電子凸輪的全數碼卷繞結構,即單錠獨立傳動(dòng);卷繞、橫動(dòng)導紗、紗線(xiàn)超喂、張力補償均采用單獨電機控制,各電機之間的運動(dòng)關(guān)系 可通過(guò)參數設置進(jìn)行描述,靈活應對各種特性的紗線(xiàn)卷繞工藝的需要;橫動(dòng)導紗采用的是“導紗器”,即俗稱(chēng)的“兔子頭”,對紗線(xiàn)的損傷很小,特別適用于高檔色 織紗線(xiàn)的卷繞;另外由于各電機在機械上沒(méi)有直接的傳動(dòng)連接,輔以高速精密運動(dòng)控制軟件算法,可以很方便地實(shí)現高速精密交叉卷繞,絡(luò )紗速度遠大于機械式松式 絡(luò )筒機,大大提高了絡(luò )紗效率。

    北京和利時(shí)電機技術(shù)有限公司通過(guò)和國內著(zhù)名紡機集團合作,針對精密松式絡(luò )筒機的工藝特點(diǎn),在自身多年伺服和運動(dòng)控制技術(shù)積累的基礎上,在國內首次開(kāi)發(fā)成功 全面擁有自主知識產(chǎn)權的高速精密松式絡(luò )筒機電氣控制方案。整個(gè)方案具有良好的性能價(jià)格比,大大提升了國產(chǎn)松式絡(luò )筒機的自動(dòng)化水平,主要技術(shù)指標達到了國外 同類(lèi)設備的水平。

· 系統控制方案簡(jiǎn)介

  以單錠控制為例,系統控制方案原理如圖一所示,橫動(dòng)電機軸連接一個(gè)鋼絲輪,通過(guò)鋼絲輪的正反旋轉驅動(dòng)緊固在鋼絲上導紗器左右移動(dòng),實(shí)現紗線(xiàn)的橫動(dòng)排線(xiàn)運 動(dòng);卷繞電機直接驅動(dòng)紗筒旋轉,實(shí)現紗線(xiàn)的卷繞運動(dòng),上述橫動(dòng)和卷繞兩個(gè)運動(dòng)合成后即表現為紗線(xiàn)以螺旋線(xiàn)的形狀來(lái)回卷繞在紗筒表面。張力補償電機和超喂電 機則主要用于控制紗線(xiàn)卷繞過(guò)程中的張力。

  本方案中橫動(dòng)導紗電機采用了一臺經(jīng)過(guò)獨特設計的超小慣量伺服電機,卷繞和超喂電機采用的也是專(zhuān)門(mén)設計定制的高速無(wú)刷直流電機,張力電機采用了一臺普通步進(jìn) 電機。圖中的“單錠控制驅動(dòng)器”是和利時(shí)電機公司在自有開(kāi)發(fā)的全數字永磁交流伺服驅動(dòng)器的基礎上,嵌入了精密絡(luò )筒機高速電子導紗運動(dòng)控制算法、卷繞無(wú)刷電 機速度控制和紗線(xiàn)張力控制策略的專(zhuān)用型電機驅動(dòng)控制系統。整個(gè)系統結構簡(jiǎn)單,功能齊全,通過(guò)鍵盤(pán)或通信方式調整“單錠控制驅動(dòng)器”內部存儲器參數可以方便 設置紗線(xiàn)卷繞成形的幾何參數(滿(mǎn)筒直徑,收邊幅度等),卷繞的線(xiàn)速度,卷繞比,往復動(dòng)程長(cháng)度,紗筒硬邊修整的差動(dòng)幅度、差動(dòng)周期、差動(dòng)凸輪曲線(xiàn)等各項工藝 參數,同時(shí)具備RS232、RS485、CAN總線(xiàn)三種通信接口,可以很方便完成多錠聯(lián)網(wǎng)控制,完全實(shí)現柔性化數碼卷繞。主要技術(shù)參數列舉如下:

· 可實(shí)現精密卷繞和數控分層卷繞兩種功能;

· 卷繞比控制范圍2.000~12.000;

· 橫動(dòng)伺服電機換向加速度高達8000r/s2,往復頻率最大為800次/分鐘,即每分鐘1600次換向;

· 橫動(dòng)伺服電機具備動(dòng)程自動(dòng)找零功能,無(wú)需外接零位傳感器;

· 內嵌有卷繞、超喂和張力補償三個(gè)電機的控制功能,可與變頻器、直流無(wú)刷電機驅動(dòng)器、步進(jìn)電機驅動(dòng)器方便接口,實(shí)現卷繞電機、超喂電機和張力補償電機的控制;

· 具備空筒直徑校準功能;

· 多種實(shí)時(shí)參數顯示,如實(shí)際線(xiàn)速度、紗筒直徑、往復頻率等;

· 多種故障保護措施,如參數異常、電機超速、動(dòng)程超差、硬件故障等;

· 實(shí)時(shí)工作參數具備掉電保護功能,如卷繞長(cháng)度、卷繞直徑等;

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橫動(dòng)伺服電機控制簡(jiǎn)介

    為了保證紗筒具備良好的染色性能,需要從開(kāi)始卷繞到滿(mǎn)筒之間任何直徑點(diǎn)上,筒子上的紗線(xiàn)在空間上成立體交叉,彼此都不平行,保證每層紗線(xiàn)沒(méi)有重疊,就是說(shuō) 需要對紗筒的卷繞比進(jìn)行精密控制。所謂卷繞比,就是橫動(dòng)導紗鉤每往復一次,紗筒卷繞的圈數。交叉卷繞有傳統的槽筒卷繞(任意卷繞)、恒定卷繞比精密卷繞、 數控分層卷繞三種形式,本方案主要實(shí)現了恒定卷繞比精密交叉卷繞和數控分層卷繞兩種功能。

    為了實(shí)現精密交叉卷繞,“單錠控制驅動(dòng)器”通過(guò)實(shí)時(shí)采集卷繞電機反饋編碼器脈沖信號計算其實(shí)時(shí)速度,根據精密卷繞工藝要求,用獨特數控算法得出橫動(dòng)伺服電 機的速度給定指令,以保證橫動(dòng)伺服電機轉速與卷繞電機轉速按照卷繞比的定義保持一定關(guān)系,讓紗線(xiàn)以空間螺旋線(xiàn)的形狀往復繞在紗筒上。通過(guò)精密控制卷繞比, 往復卷繞的紗線(xiàn)彼此交叉,不重疊,也就是說(shuō)巧妙采用電子齒輪和電子凸輪取代機械齒輪和凸輪傳動(dòng)實(shí)現紗筒的精密卷繞。

    為了實(shí)現精密卷繞的高速性能,需要橫動(dòng)伺服電機在做往復運動(dòng)時(shí),能夠快速換向,這就要求伺服電機具備較高的轉矩慣量比,為此對橫動(dòng)伺服電機進(jìn)行了獨特優(yōu)化 設計,以保證電機轉子慣量盡可能小。同時(shí)伺服驅動(dòng)器的電機控制算法在高動(dòng)態(tài)響應性方面也做了針對性的設計,采用PID控制結合模糊控制算法,保證伺服電機 速度在不產(chǎn)生超調的情況下,盡可能短時(shí)間內完成換向。

    由于橫動(dòng)電機換向時(shí),不論多快,都會(huì )因為換向加減速造成有硬邊現象出現,按照機械式絡(luò )筒機硬邊消除原理,在“單錠控制驅動(dòng)器”中嵌入了差動(dòng)凸輪運動(dòng)規律算 法,周期性地實(shí)時(shí)變換橫動(dòng)導紗器的換向點(diǎn),完成硬邊消除功能。同時(shí)可以根據不同紗線(xiàn)特性,選擇不同的差動(dòng)凸輪曲線(xiàn),設置差動(dòng)周期和幅度。

    除了采取差動(dòng)電子凸輪算法消除硬邊技術(shù)外,本方案還富有獨創(chuàng )性地實(shí)現了導紗器最小換向弧長(cháng)的控制算法,充分利用了DSP數字信號處理器高速運算能力,實(shí)時(shí) 計算和修正橫動(dòng)導紗伺服電機與紗筒卷繞電機傳動(dòng)的凸輪曲線(xiàn)規律,保證在任何卷繞轉速和卷繞直徑狀態(tài)下,導紗器換向的弧長(cháng)最小,最大限度地消除卷繞紗筒的硬 邊現象。

· 卷繞線(xiàn)速度控制簡(jiǎn)介

    理論上分析,紗筒卷繞的線(xiàn)速度隨紗筒的卷繞半徑變化而變化,而線(xiàn)速度的變化直接引起卷繞張力的波動(dòng),從而會(huì )影響紗筒的成形質(zhì)量和紗線(xiàn)的機械物理性能。如果 外層紗的張力大于內層紗的張力,就容易產(chǎn)生筒子外層紗擠壓內層紗的脹邊現象;如果絡(luò )紗過(guò)程中張力變化過(guò)大,也會(huì )容易造成紗線(xiàn)因絡(luò )紗張力不同出現紗線(xiàn)拉伸率 不同,這就要求在絡(luò )筒過(guò)程中盡量減小張力及壓力的波動(dòng)。所以除保證恒定紗筒壓力外,保證卷繞速度相對穩定是控制張力波動(dòng)的一項重要措施。

· 張力控制簡(jiǎn)介

    精密卷繞加工時(shí)紗線(xiàn)張力的大小直接影響筒子卷繞的松緊度,從而影響筒子繞紗的容量和染色的難易,并影響紗線(xiàn)加工的斷頭率,因而各種精密卷繞絡(luò )筒機都有紗線(xiàn) 的張力控制環(huán)節,特別是供筒子染色用的紗線(xiàn)的加工張力,不宜過(guò)大,以獲得松式卷筒,有利于染色。本方案除了采取措施保證相對恒定的紗線(xiàn)卷繞線(xiàn)速度外,還另 外設計有一個(gè)張力遞減調節裝置,采用一個(gè)步進(jìn)電機控制的張力調節桿。在線(xiàn)速度升速過(guò)程中,通過(guò)調節步進(jìn)電機的轉角狀態(tài),控制張力調節桿的角度,改變紗線(xiàn)通 過(guò)的門(mén)柵夾持力度,以保證卷繞張力恒定;另外按照特殊紗筒“里緊外松”的工藝要求,可以根據紗筒卷繞半徑調節張力桿的角度,保證卷繞紗筒小直徑時(shí)卷繞張力 大,大直徑時(shí)卷繞張力小。

· 超喂電機控制簡(jiǎn)介

    精密卷繞過(guò)程中紗線(xiàn)線(xiàn)速度肯定大于紗筒退繞線(xiàn)速度,張力值也因此增大,而過(guò)大的張力不但得不到優(yōu)質(zhì)紗筒,而且會(huì )增加紗線(xiàn)的斷頭,降低生產(chǎn)效率。因此,本方 案采用了所謂“超喂”的辦法,即送出紗線(xiàn)的速度大于卷取紗線(xiàn)的速度,將紗線(xiàn)卷繞時(shí)筒子“硬拖”紗線(xiàn)的狀況改變成緩和地卷取紗線(xiàn)的狀況,從而減少斷頭,獲得 滿(mǎn)意的松式卷繞筒子。紗線(xiàn)在超喂滾筒上環(huán)繞的圈數取決于超喂量的大小,一般的超喂量控制值在1.02~1.06(一圈情況下)之間。

· 結論

    精密絡(luò )筒、絡(luò )絲機器是紡織工藝中提高紡織品質(zhì)量的關(guān)鍵設備,高速精密數碼卷繞方案成功掌握了紗線(xiàn)高速精密卷繞工藝中的“KNOW HOW”,全部采用永磁電機驅動(dòng)技術(shù),機器能耗遠遠低于傳統的變頻電機傳動(dòng)設備。同時(shí)由于采用了柔性化數碼控制技術(shù),非常適合于高檔織物的多品種、小批量 紗筒生產(chǎn),具有良好的社會(huì )經(jīng)濟效益。和利時(shí)電機技術(shù)公司開(kāi)發(fā)的該創(chuàng )新解決方案涉及了電子控制,數字伺服電機和驅動(dòng)、精密運動(dòng)控制、和計算機網(wǎng)絡(luò )通信等技 術(shù),是典型的高技術(shù)機電一體化控制方案,也是采用數字控制技術(shù)改造傳統產(chǎn)業(yè)的典型案例。

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