基于多軸伺服系統(tǒng)的細紗機控制系統(tǒng)設(shè)計

袁善旭，汪 軍，b，陳 霞，b

(東華大學 a.紡織學院；b.紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室：上海 201620)

0 引言

細紗工序是紡紗階段的關(guān)鍵工序，細紗的質(zhì)量直接影響后道工序的加工及成品質(zhì)量。傳統(tǒng)細紗機多由一根主軸通過帶輪、凸輪、傳動齒輪等進行傳動控制，以實現(xiàn)牽伸、加捻、卷繞成形等任務，其機械結(jié)構(gòu)復雜，生產(chǎn)效率低，品種適應性差[1]。近幾年，細紗機不斷迭代更新，通過簡化機械結(jié)構(gòu)，結(jié)合計算機、自動控制、伺服驅(qū)動等技術(shù)的發(fā)展，自動化、數(shù)字化、信息化水平不斷提高。目前多采用可編程邏輯控制器(PLC)結(jié)合變頻控制、伺服控制系統(tǒng)改造細紗機，實現(xiàn)電子牽伸等功能[2]。

運動控制器作為運動控制技術(shù)的關(guān)鍵部件，能精確控制運動對象的位置和速度等運動參數(shù)，因此其廣泛應用在各行各業(yè)的自動控制設(shè)備中[3]。筆者利用運動控制器開發(fā)基于多電機驅(qū)動的能夠?qū)崿F(xiàn)羅拉、鋼領(lǐng)板和錠子等運動部件獨立驅(qū)動的細紗機控制系統(tǒng)，以提高細紗機的控制精度和自動化程度。

1 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

細紗機控制系統(tǒng)以路斯特公司的運動控制器MotionOneCM為控制單元，配備伺服驅(qū)動器、人機交互界面(HMI)、伺服電機及其他元件。取消凸輪、棘輪等復雜的機械成型機構(gòu)以及部分齒輪傳動裝置，前、中、后羅拉，鋼領(lǐng)板以及錠子均通過電機進行獨立驅(qū)動，為實現(xiàn)電子牽伸、電子凸輪提供基本條件[4]。細紗機的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

運動控制器MotionOneCM作為一種控制電機運動方式的專用控制器，其具備單軸運動、組合運動、電子凸輪等基本的或特殊的運動控制功能。相比可編程邏輯控制器(PLC)，其性能更強大，能夠完成要求精度高，運動過程復雜，反應更靈敏的任務；此外，該控制器還具備強大的通信能力。配備的電源模塊能夠直接通過直流母線排為運動控制器和伺服驅(qū)動器提供電源。伺服驅(qū)動器通過EtherCat現(xiàn)場總線與控制器進行數(shù)據(jù)通信傳輸，接收控制器發(fā)送的指令，精確控制伺服電機輸出，完成羅拉、錠子的轉(zhuǎn)動以及鋼領(lǐng)板的升降運動。HMI通過以太網(wǎng)與控制器進行通信，能夠完成細紗機紡紗工藝參數(shù)和機器參數(shù)的輸入和調(diào)整，在線監(jiān)控機器的運行狀態(tài)以及紡紗進度。

2 控制模型的建立

細紗機的運行參數(shù)需要由紡紗工藝參數(shù)和部分機械參數(shù)計算得出，其主要涉及牽伸和卷繞成形兩部分。為了保證機器運行平穩(wěn)，各機構(gòu)能夠達到任務要求，以及保持紗線張力穩(wěn)定，以提高紗線和管紗成形的質(zhì)量，建立合理的數(shù)學模型尤為重要[5]。

2.1 牽伸數(shù)學模型

由數(shù)學模型得到前、中、后羅拉轉(zhuǎn)速，根據(jù)減速比，最后計算出各伺服電機的轉(zhuǎn)速。前羅拉輸出紗條的線速度要與筒管卷繞紗線的線速度保持一致，卷繞速度為錠子轉(zhuǎn)速與鋼絲圈轉(zhuǎn)速之差，前羅拉的轉(zhuǎn)速nf計算公式為：

(1)

式中：

ns——錠子轉(zhuǎn)速/(r·min-1)；

B——細紗捻縮率；

Df——前羅拉直徑/mm；

Tt——細紗捻度/(捻·m-1)。

根據(jù)總牽伸倍數(shù)算出后羅拉轉(zhuǎn)速nb，由后區(qū)牽伸倍數(shù)得到中羅拉轉(zhuǎn)速nm，見式(2)和式(3)。

(2)

(3)

式中：

nf——前羅拉轉(zhuǎn)速/(r·min-1)；

Db——后羅拉直徑/mm；

EZ——總牽伸倍數(shù)；

Eb——后區(qū)牽伸倍數(shù)；

Dm——中羅拉直徑/mm。

在實際的紡紗過程中，會存在飛花、滑溜、捻縮等問題，需要考慮牽伸效率。粗紗定量與細紗定量的比值為實際牽伸，而牽伸效率的選擇對紡紗的質(zhì)量偏差有較大的影響，總牽伸倍數(shù)(理論牽伸)EZ的計算見式(4)。

(4)

式中：

Ntc——粗紗號數(shù)/tex；

Ntx——細紗號數(shù)/tex；

C——牽伸效率。

2.2 卷繞成形數(shù)學模型

管紗卷繞成形由錠子的旋轉(zhuǎn)運動和鋼領(lǐng)板的上下往復運動相互配合完成，涉及到鋼領(lǐng)板的升降運動和級升變化兩個模型。細紗管紗一般采用圓錐形交叉卷繞形式，鋼領(lǐng)板向上運動卷繞時為卷繞層，紗圈緊密，速度快；鋼領(lǐng)板向下卷繞時為束縛層，紗圈稀疏，速度慢。鋼領(lǐng)板上升、下降為一個卷繞周期，由于卷繞直徑不斷變化，卷繞速度也會受影響，為穩(wěn)定紗線張力，鋼領(lǐng)板的上升、下降需要遵循以下運動模型[6]。

(上升階段)

(5)

(下降階段)

(6)

式中：

X——鋼領(lǐng)板上升(下降)的位移/mm；

H0——正常動程/mm；

R——最大卷裝半徑/mm；

r0——最小卷裝半徑/mm；

φ——鋼領(lǐng)板上升(下降)凸輪的總轉(zhuǎn)角；

φ——鋼領(lǐng)板上升(下降)階段凸輪即時轉(zhuǎn)角。

卷繞層的紗圈螺距一般為紗線直徑的4倍，束縛層是卷繞層的3倍。為保證紗圈之間固定的螺距，由前羅拉輸出紗條量與相同時間內(nèi)鋼領(lǐng)板的卷繞紗線量一致，可以計算出凸輪的轉(zhuǎn)速，前羅拉與凸輪的速比I計算見式(7)。

(7)

式中：

h——卷繞層螺距/mm；

γ——管紗圓錐半角，一般經(jīng)驗γ=10°～15°；

k——凸輪比，一般取2～3[7]。

鋼領(lǐng)板每次升降后要改變方向，還要有級升。為了增加管紗的容量，在管底卷繞階段，級升m和動程h由小逐漸增大直到正常卷繞階段，即m1

正常卷繞階段的級升m計算如下。

(8)

式中：

Nt——細紗號數(shù)/tex；

ρm——卷裝密度/(g·cm-3)；

h——卷繞層螺距/mm；

γ——圓錐角；

k——凸輪比。

假如管底成形階段需要鋼領(lǐng)板n個卷繞周期，則第i次升降的動程hi如下。

(9)

第i次升降的級升mi如下。

(10)

3 運動程序的實現(xiàn)

MotionCenter是運動控制器MotionOneCM用于應用程序開發(fā)的專業(yè)軟件，是基于自動化編程開發(fā)平臺Codesys的二次開發(fā)端。自動化編程開發(fā)平臺Codesys符合IEC 61131-3國際編程標準規(guī)范，相比傳統(tǒng)封閉的PLC來說，具有開放、功能多、支持所有主流總線等優(yōu)點[9]。MotionCenter中除包含基本的邏輯控制之外，還含有用于單軸、多軸等運動控制的庫文件，適合多軸機器自動化程序的開發(fā)。

3.1 羅拉牽伸運動

通過數(shù)學模型的計算可以得到各羅拉伺服電機的轉(zhuǎn)速，利用MC_MoveVelocity功能塊設(shè)置前羅拉伺服電機轉(zhuǎn)速為給定的轉(zhuǎn)速。中、后羅拉伺服電機轉(zhuǎn)速與前羅拉伺服電機轉(zhuǎn)速的比值作為齒輪比，以前羅拉為參考軸，利用MC_GearIn電子齒輪功能塊設(shè)置中、后羅拉伺服電機。中、后羅拉根據(jù)齒輪比跟隨前羅拉伺服電機運動，齒輪比會隨牽伸倍數(shù)的改變而變化，從而實現(xiàn)電子牽伸功能。

3.2 鋼領(lǐng)板運動

傳統(tǒng)細紗機是將鋼領(lǐng)板升降運動模型設(shè)計成機械凸輪，機械凸輪作用于鋼領(lǐng)板[10]。在本控制系統(tǒng)中，將運動模型轉(zhuǎn)化成凸輪曲線，同時會生成速度、加速度曲線，以實現(xiàn)電子凸輪功能?？刂其擃I(lǐng)板位移的凸輪曲線見圖2，x軸為凸輪轉(zhuǎn)角，y軸為鋼領(lǐng)板位移。

MC_CamIn為電子凸輪功能塊，能使從軸跟隨主軸的運動，按照凸輪曲線規(guī)定的位移路徑進行運動。添加虛擬軸(實際上不存在，以理想狀態(tài)運動的軸)，利用MC_MoveVelocity功能塊使其以凸輪的轉(zhuǎn)速運動，作為主軸。鋼領(lǐng)板伺服電機作為從軸，通過MC_CamIn功能塊，使鋼領(lǐng)板跟隨凸輪的轉(zhuǎn)動按照凸輪曲線完成升降運動。當凸輪比k為3時，0°～270°為上升階段，270°～360°為下降階段，鋼領(lǐng)板運動完成一個周期。通過程序不斷調(diào)用MC_CamIn功能塊，鋼領(lǐng)板則進行周期升降運動。

鋼領(lǐng)板每完成1個升降周期后，要有級升，特別是管底成形階段，級升和動程由小逐漸增大。MC_CamIn功能塊中的引腳SlaveOffset參數(shù)的設(shè)置可以使凸輪曲線沿y軸進行偏移，由此可以實現(xiàn)鋼領(lǐng)板每個周期間的級升。引腳SlaveScaling參數(shù)的設(shè)置可以使凸輪曲線沿y軸進行縮放，由此可以實現(xiàn)鋼領(lǐng)板動程的變化。管底成形階段，鋼領(lǐng)板每次升降之后，根據(jù)級升模型重新計算SlaveOffset和SlaveScaling的值。正常卷繞階段，SlaveOffset和SlaveScaling參數(shù)設(shè)置保持常量。

4 系統(tǒng)設(shè)計效果

細紗機控制除了具備開車、中途停車等基本功能以外，還具備紡紗階段判斷、滿管自動停車、產(chǎn)量計算等功能。能夠根據(jù)小、中、大紗的不同紡紗階段，實時調(diào)整錠子轉(zhuǎn)速，從而控制紗線張力，減少斷頭。人機交互界面的使用，不僅可以對紡紗參數(shù)、成形參數(shù)、機器參數(shù)進行設(shè)置，還可以監(jiān)控錠子轉(zhuǎn)速、羅拉轉(zhuǎn)速、產(chǎn)量等機器運行參數(shù)，并對運行故障進行提示。

電子齒輪的應用使羅拉實現(xiàn)電子牽伸功能，牽伸倍數(shù)可以自由設(shè)置。在運動控制器的控制下，前、中、后羅拉能夠同時啟動，同步加速，時刻保持牽伸倍數(shù)恒定。啟動后，各羅拉轉(zhuǎn)速變化見圖3。

傳統(tǒng)的機械凸輪、棘輪、撐爪等部件由電子卷繞成形取代，提高傳動效率的同時，增加了管紗成形的靈活性，螺距、圓錐角、級升值等參數(shù)可以由人機交互界面進行設(shè)置。鋼領(lǐng)板能夠按照凸輪曲線規(guī)定的運動軌跡進行升降，級升和動程從管底成形階段的初始值逐步增大到正常值，運動更加精密，鋼領(lǐng)板多個卷繞周期的位移曲線見圖4。

5 結(jié)語

在細紗機不斷高速化的背景下，運動控制器、伺服驅(qū)動等的應用使羅拉之間的同步性增強，各軸之間的運動配合更加協(xié)調(diào)，有利于提高機器的穩(wěn)定性和精度。電子牽伸、電子凸輪的實現(xiàn)簡化了細紗機的機械結(jié)構(gòu)，提高了自動化水平，為其他紡紗工藝的開發(fā)提供了可能?？梢酝ㄟ^上位機直接對控制程序和軸配置進行調(diào)試，安裝拆卸方便，功能可擴展性強。