An Application on Textile Machine of Digital Servo and Motion Control Techniques from HollySys Electric
高速精密數(shù)碼卷繞解決方案
Introduction of High Speed Precise Digital Winding Solution
何震球（北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司）
聯(lián)系電話:(010)-62932100-391
摘 要：本文介紹了高速精密數(shù)碼卷繞方案的市場前景、實(shí)現(xiàn)原理、技術(shù)手段和主要性能指標(biāo),并對各功能部件進(jìn)行了描述。
關(guān)鍵詞：絡(luò)筒機(jī)、卷繞、橫動(dòng)、超喂、電子導(dǎo)紗器、卷繞比、導(dǎo)紗動(dòng)程、精密交叉卷繞
近些年，隨著人們審美意識(shí)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(dòng)方式，通常包括卷繞、導(dǎo)紗、超喂等幾種運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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(dòng)；卷繞、橫動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)連接，輔以高速精密運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(shí)產(chǎn)權(quán)的高速精密松式絡(luò)筒機(jī)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(jī)的自動(dòng)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(dòng)電機(jī)軸連接一個(gè)鋼絲輪，通過鋼絲輪的正反旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)緊固在鋼絲上導(dǎo)紗器左右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)紗線的橫動(dòng)排線運(yùn)動(dòng)；卷繞電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)紗筒旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)紗線的卷繞運(yùn)動(dòng)，上述橫動(dòng)和卷繞兩個(gè)運(yùn)動(dòng)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(dòng)導(dǎo)紗電機(jī)采用了一臺(tái)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(tái)普通步進(jìn)電機(jī)。圖中的“單錠控制驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)。整個(gè)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(dòng)器”內(nèi)部存儲(chǔ)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(dòng)程長度，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(dòng)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(dòng)伺服電機(jī)具備動(dòng)程自動(dòng)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(gè)電機(jī)的控制功能，可與變頻器、直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)器”通過實(shí)時(shí)采集卷繞電機(jī)反饋編碼器脈沖信號(hào)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(dòng)伺服電機(jī)的速度給定指令，以保證橫動(dòng)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(dòng)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(dòng)伺服電機(jī)在做往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)器的電機(jī)控制算法在高動(dòng)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(dòng)電機(jī)換向時(shí)，不論多快，都會(huì)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(dòng)器”中嵌入了差動(dòng)凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律算法，周期性地實(shí)時(shí)變換橫動(dòng)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(dòng)凸輪曲線，設(shè)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(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(hào)處理器高速運(yùn)算能力，實(shí)時(shí)計(jì)算和修正橫動(dòng)導(dǎo)紗伺服電機(jī)與紗筒卷繞電機(jī)傳動(dòng)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(dòng)，從而會(huì)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(huì)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(dòng)。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(dòng)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(gè)張力遞減調(diào)節(jié)裝置，采用一個(gè)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(huì)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(dòng)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(dòng)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(huì)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(dòng)、精密運(yùn)動(dòng)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。
作者簡介：何震球（1969～），男，湖南湘潭人，高級(jí)工程師。研究領(lǐng)域包括數(shù)控技術(shù)，交流伺服技術(shù)及精密運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，目前主要致力于數(shù)控、伺服和運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用。
作者單位：北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司，北京海淀區(qū)學(xué)清路11號(hào)，100085
參考文獻(xiàn)：
［1］陳元甫.機(jī)織工藝與設(shè)備,上冊[M].北京:紡織工業(yè)出版社,1982,66-89。
［2］裘愉發(fā).精密絡(luò)筒生產(chǎn)技術(shù)[J].絲綢,2003,(4):26-27。
［3］鄒衡.紗線筒子染色工程，北京：中國紡織出版社，2004年8月。
［4］Luchinger H.用于筒子紗染色的精密卷繞技術(shù)[J].針織工業(yè),1998,(4):44-48。
