《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高技術(shù)機(jī)電一體化紡織機(jī)械控制方案

2010-11-04
來源:國際工業(yè)自動化網(wǎng)

        近些年,隨著人們審美意識增強(qiáng)和生活水平的提高,高檔色織產(chǎn)品愈加受到人們喜愛。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(yīng)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(jī)的需求日益增加。

 

        國內(nèi)現(xiàn)有的松式絡(luò)筒機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)一般采用單錠集中傳動方式,通常包括卷繞、導(dǎo)紗、超喂等幾種運(yùn)動,采用機(jī)械齒輪和凸輪機(jī)構(gòu)完成,針對各種紗線不同的絡(luò)筒工藝,設(shè)備調(diào)整比較困難;導(dǎo)紗機(jī)構(gòu)采用的是槽筒和旋轉(zhuǎn)翼片,對一些高檔紗線易產(chǎn)生損傷;同時(shí)由于采用的是機(jī)械傳動結(jié)構(gòu),卷繞速度不高。目前國外這種松式絡(luò)筒機(jī)已經(jīng)完全采用基于電子齒輪和電子凸輪的全數(shù)碼卷繞結(jié)構(gòu),即單錠獨(dú)立傳動;卷繞、橫動導(dǎo)紗、紗線超喂、張力補(bǔ)償均采用單獨(dú)電機(jī)控制,各電機(jī)之間的運(yùn)動關(guān)系可通過參數(shù)設(shè)置進(jìn)行描述,靈活應(yīng)對各種特性的紗線卷繞工藝的需要;橫動導(dǎo)紗采用的是“導(dǎo)紗器”,即俗稱的“兔子頭”,對紗線的損傷很小,特別適用于高檔色織紗線的卷繞;另外由于各電機(jī)在機(jī)械上沒有直接的傳動連接,輔以高速精密運(yùn)動控制軟件算法,可以很方便地實(shí)現(xiàn)高速精密交叉卷繞,絡(luò)紗速度遠(yuǎn)大于機(jī)械式松式絡(luò)筒機(jī),大大提高了絡(luò)紗效率。
        北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司通過和國內(nèi)著名紡機(jī)集團(tuán)合作,針對精密松式絡(luò)筒機(jī)的工藝特點(diǎn),在自身多年伺服和運(yùn)動控制技術(shù)積累的基礎(chǔ)上,在國內(nèi)首次開發(fā)成功全面擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速精密松式絡(luò)筒機(jī)電氣控制方案。整個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(jī)的自動化水平,主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國外同類設(shè)備的水平。
        系統(tǒng)控制方案簡介

        以單錠控制為例,系統(tǒng)控制方案原理如圖一所示,橫動電機(jī)軸連接一個鋼絲輪,通過鋼絲輪的正反旋轉(zhuǎn)驅(qū)動緊固在鋼絲上導(dǎo)紗器左右移動,實(shí)現(xiàn)紗線的橫動排線運(yùn)動;卷繞電機(jī)直接驅(qū)動紗筒旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)紗線的卷繞運(yùn)動,上述橫動和卷繞兩個運(yùn)動合成后即表現(xiàn)為紗線以螺旋線的形狀來回卷繞在紗筒表面。張力補(bǔ)償電機(jī)和超喂電機(jī)則主要用于控制紗線卷繞過程中的張力。

 

        本方案中橫動導(dǎo)紗電機(jī)采用了一臺經(jīng)過獨(dú)特設(shè)計(jì)的超小慣量伺服電機(jī),卷繞和超喂電機(jī)采用的也是專門設(shè)計(jì)定制的高速無刷直流電機(jī),張力電機(jī)采用了一臺普通步進(jìn)電機(jī)。圖中的“單錠控制驅(qū)動器”是和利時(shí)電機(jī)公司在自有開發(fā)的全數(shù)字永磁交流伺服驅(qū)動器的基礎(chǔ)上,嵌入了精密絡(luò)筒機(jī)高速電子導(dǎo)紗運(yùn)動控制算法、卷繞無刷電機(jī)速度控制和紗線張力控制策略的專用型電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,功能齊全,通過鍵盤或通信方式調(diào)整“單錠控制驅(qū)動器”內(nèi)部存儲器參數(shù)可以方便設(shè)置紗線卷繞成形的幾何參數(shù)(滿筒直徑,收邊幅度等),卷繞的線速度,卷繞比,往復(fù)動程長度,紗筒硬邊修整的差動幅度、差動周期、差動凸輪曲線等各項(xiàng)工藝參數(shù),同時(shí)具備RS232、RS485、CAN總線三種通信接口,可以很方便完成多錠聯(lián)網(wǎng)控制,完全實(shí)現(xiàn)柔性化數(shù)碼卷繞。

        主要技術(shù)參數(shù)列舉如下:
        可實(shí)現(xiàn)精密卷繞和數(shù)控分層卷繞兩種功能;

        卷繞比控制范圍2.000~12.000;

        橫動伺服電機(jī)換向加速度高達(dá)8000r/s2,往復(fù)頻率最大為800次/分鐘,即每分鐘1600次換向;

        橫動伺服電機(jī)具備動程自動找零功能,無需外接零位傳感器;

        內(nèi)嵌有卷繞、超喂和張力補(bǔ)償三個電機(jī)的控制功能,可與變頻器、直流無刷電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器方便接口,實(shí)現(xiàn)卷繞電機(jī)、超喂電機(jī)和張力補(bǔ)償電機(jī)的控制;

        具備空筒直徑校準(zhǔn)功能;

        多種實(shí)時(shí)參數(shù)顯示,如實(shí)際線速度、紗筒直徑、往復(fù)頻率等;

        多種故障保護(hù)措施,如參數(shù)異常、電機(jī)超速、動程超差、硬件故障等;

        實(shí)時(shí)工作參數(shù)具備掉電保護(hù)功能,如卷繞長度、卷繞直徑等;

 

        橫動伺服電機(jī)控制簡介
        為了保證紗筒具備良好的染色性能,需要從開始卷繞到滿筒之間任何直徑點(diǎn)上,筒子上的紗線在空間上成立體交叉,彼此都不平行,保證每層紗線沒有重疊,就是說需要對紗筒的卷繞比進(jìn)行精密控制。所謂卷繞比,就是橫動導(dǎo)紗鉤每往復(fù)一次,紗筒卷繞的圈數(shù)。交叉卷繞有傳統(tǒng)的槽筒卷繞(任意卷繞)、恒定卷繞比精密卷繞、數(shù)控分層卷繞三種形式,本方案主要實(shí)現(xiàn)了恒定卷繞比精密交叉卷繞和數(shù)控分層卷繞兩種功能。
        為了實(shí)現(xiàn)精密交叉卷繞,“單錠控制驅(qū)動器”通過實(shí)時(shí)采集卷繞電機(jī)反饋編碼器脈沖信號計(jì)算其實(shí)時(shí)速度,根據(jù)精密卷繞工藝要求,用獨(dú)特?cái)?shù)控算法得出橫動伺服電機(jī)的速度給定指令,以保證橫動伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速與卷繞電機(jī)轉(zhuǎn)速按照卷繞比的定義保持一定關(guān)系,讓紗線以空間螺旋線的形狀往復(fù)繞在紗筒上。通過精密控制卷繞比,往復(fù)卷繞的紗線彼此交叉,不重疊,也就是說巧妙采用電子齒輪和電子凸輪取代機(jī)械齒輪和凸輪傳動實(shí)現(xiàn)紗筒的精密卷繞。
        為了實(shí)現(xiàn)精密卷繞的高速性能,需要橫動伺服電機(jī)在做往復(fù)運(yùn)動時(shí),能夠快速換向,這就要求伺服電機(jī)具備較高的轉(zhuǎn)矩慣量比,為此對橫動伺服電機(jī)進(jìn)行了獨(dú)特優(yōu)化設(shè)計(jì),以保證電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量盡可能小。同時(shí)伺服驅(qū)動器的電機(jī)控制算法在高動態(tài)響應(yīng)性方面也做了針對性的設(shè)計(jì),采用PID控制結(jié)合模糊控制算法,保證伺服電機(jī)速度在不產(chǎn)生超調(diào)的情況下,盡可能短時(shí)間內(nèi)完成換向。
        由于橫動電機(jī)換向時(shí),不論多快,都會因?yàn)閾Q向加減速造成有硬邊現(xiàn)象出現(xiàn),按照機(jī)械式絡(luò)筒機(jī)硬邊消除原理,在“單錠控制驅(qū)動器”中嵌入了差動凸輪運(yùn)動規(guī)律算法,周期性地實(shí)時(shí)變換橫動導(dǎo)紗器的換向點(diǎn),完成硬邊消除功能。同時(shí)可以根據(jù)不同紗線特性,選擇不同的差動凸輪曲線,設(shè)置差動周期和幅度。
        除了采取差動電子凸輪算法消除硬邊技術(shù)外,本方案還富有獨(dú)創(chuàng)性地實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)紗器最小換向弧長的控制算法,充分利用了DSP數(shù)字信號處理器高速運(yùn)算能力,實(shí)時(shí)計(jì)算和修正橫動導(dǎo)紗伺服電機(jī)與紗筒卷繞電機(jī)傳動的凸輪曲線規(guī)律,保證在任何卷繞轉(zhuǎn)速和卷繞直徑狀態(tài)下,導(dǎo)紗器換向的弧長最小,最大限度地消除卷繞紗筒的硬邊現(xiàn)象。
        卷繞線速度控制簡介

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

        精密卷繞加工時(shí)紗線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,并影響紗線加工的斷頭率,因而各種精密卷繞絡(luò)筒機(jī)都有紗線的張力控制環(huán)節(jié),特別是供筒子染色用的紗線的加工張力,不宜過大,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卷繞線速度外,還另外設(shè)計(jì)有一個張力遞減調(diào)節(jié)裝置,采用一個步進(jìn)電機(jī)控制的張力調(diào)節(jié)桿。在線速度升速過程中,通過調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角狀態(tài),控制張力調(diào)節(jié)桿的角度,改變紗線通過的門柵夾持力度,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(jù)紗筒卷繞半徑調(diào)節(jié)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(jī)控制簡介

精密卷繞過程中紗線線速度肯定大于紗筒退繞線速度,張力值也因此增大,而過大的張力不但得不到優(yōu)質(zhì)紗筒,而且會增加紗線的斷頭,降低生產(chǎn)效率。因此,本方案采用了所謂“超喂”的辦法,即送出紗線的速度大于卷取紗線的速度,將紗線卷繞時(shí)筒子“硬拖”紗線的狀況改變成緩和地卷取紗線的狀況,從而減少斷頭,獲得滿意的松式卷繞筒子。紗線在超喂?jié)L筒上環(huán)繞的圈數(shù)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(jié)論

        精密絡(luò)筒、絡(luò)絲機(jī)器是紡織工藝中提高紡織品質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備,高速精密數(shù)碼卷繞方案成功掌握了紗線高速精密卷繞工藝中的“KNOW HOW”,全部采用永磁電機(jī)驅(qū)動技術(shù),機(jī)器能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的變頻電機(jī)傳動設(shè)備。同時(shí)由于采用了柔性化數(shù)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),具有良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。和利時(shí)電機(jī)技術(shù)公司開發(fā)的該創(chuàng)新解決方案涉及了電子控制,數(shù)字伺服電機(jī)和驅(qū)動、精密運(yùn)動控制、和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù),是典型的高技術(shù)機(jī)電一體化控制方案,也是采用數(shù)字控制技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的典型案例。

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