数字伺服和运动控制技术在纺织机械中的应用

　　近些年，随着人们审美意识增强和生活水平的提高，高档色织产品愈加受到人们喜爱。不仅仅真丝绸，化纤丝、人造丝、混纺纱和棉纱等也可采用色丝织造，这就促使纱筒染色工艺在色织行业获得广泛应用。一般纱筒染色前需要将外购的坯纱络成适合于筒子染色用的“松式筒子”供下道工序用，因此松式精密络筒机的需求日益增加。
　　国内现有的松式络筒机整机结构一般采用单锭集中传动方式，通常包括卷绕、导纱、超喂等几种运动，采用机械齿轮和凸轮机构完成，针对各种纱线不同的络筒工艺，设备调整比较困难；导纱机构采用的是槽筒和旋转翼片，对一些高档纱线易产生损伤；同时由于采用的是机械传动结构，卷绕速度不高。目前国外这种松式络筒机已经完全采用基于电子齿轮和电子凸轮的全数码卷绕结构，即单锭独立传动；卷绕、横动导纱、纱线超喂、张力补偿均采用单独电机控制，各电机之间的运动关系可通过参数设置进行描述，灵活应对各种特性的纱线卷绕工艺的需要；横动导纱采用的是“导纱器”，即俗称的“兔子头”，对纱线的损伤很小，特别适用于高档色织纱线的卷绕；另外由于各电机在机械上没有直接的传动连接，辅以高速精密运动控制软件算法，可以很方便地实现高速精密交叉卷绕，络纱速度远大于机械式松式络筒机，大大提高了络纱效率。
　　北京和利时电机技术有限公司通过和国内著名纺机集团合作，针对精密松式络筒机的工艺特点，在自身多年伺服和运动控制技术积累的基础上，在国内首次开发成功全面拥有自主知识产权的高速精密松式络筒机电气控制方案。整个方案具有良好的性能价格比，大大提升了国产松式络筒机的自动化水平，主要技术指标达到了国外同类设备的水平。系统控制方案简介
　　以单锭控制为例，系统控制方案原理如图一所示，横动电机轴连接一个钢丝轮，通过钢丝轮的正反旋转驱动紧固在钢丝上导纱器左右移动，实现纱线的横动排线运动；卷绕电机直接驱动纱筒旋转，实现纱线的卷绕运动，上述横动和卷绕两个运动合成后即表现为纱线以螺旋线的形状来回卷绕在纱筒表面。张力补偿电机和超喂电机则主要用于控制纱线卷绕过程中的张力。
　　本方案中横动导纱电机采用了一台经过独特设计的超小惯量伺服电机，卷绕和超喂电机采用的也是专门设计定制的高速无刷直流电机，张力电机采用了一台普通步进电机。图中的“单锭控制驱动器”是和利时电机公司在自有开发的全数字永磁交流伺服驱动器的基础上，嵌入了精密络筒机高速电子导纱运动控制算法、卷绕无刷电机速度控制和纱线张力控制策略的专用型电机驱动控制系统。整个系统结构简单，功能齐全，通过键盘或通信方式调整“单锭控制驱动器”内部存储器参数可以方便设置纱线卷绕成形的几何参数（满筒直径，收边幅度等），卷绕的线速度，卷绕比，往复动程长度，纱筒硬边修整的差动幅度、差动周期、差动凸轮曲线等各项工艺参数，同时具备RS232、RS485、CAN总线三种通信接口，可以很方便完成多锭联网控制，完全实现柔性化数码卷绕。主要技术参数列举如下：
　　可实现精密卷绕和数控分层卷绕两种功能；
　　卷绕比控制范围2.000～12.000；
　　横动伺服电机换向加速度高达8000r/s2，往复频率最大为800次/分钟，即每分钟1600次换向；
　　横动伺服电机具备动程自动找零功能，无需外接零位传感器；
    　内嵌有卷绕、超喂和张力补偿三个电机的控制功能，可与变频器、直流无刷电机驱动器、步进电机驱动器方便接口，实现卷绕电机、超喂电机和张力补偿电机的控制；
　　具备空筒直径校准功能；
　　多种实时参数显示，如实际线速度、纱筒直径、往复频率等；
　　多种故障保护措施，如参数异常、电机超速、动程超差、硬件故障等；
　　实时工作参数具备掉电保护功能，如卷绕长度、卷绕直径等；
　　横动伺服电机控制简介
　　为了保证纱筒具备良好的染色性能，需要从开始卷绕到满筒之间任何直径点上，筒子上的纱线在空间上成立体交叉，彼此都不平行，保证每层纱线没有重叠，就是说需要对纱筒的卷绕比进行精密控制。所谓卷绕比，就是横动导纱钩每往复一次，纱筒卷绕的圈数。交叉卷绕有传统的槽筒卷绕（任意卷绕）、恒定卷绕比精密卷绕、数控分层卷绕三种形式，本方案主要实现了恒定卷绕比精密交叉卷绕和数控分层卷绕两种功能。
　　为了实现精密交叉卷绕，“单锭控制驱动器”通过实时采集卷绕电机反馈编码器脉冲信号计算其实时速度，根据精密卷绕工艺要求，用独特数控算法得出横动伺服电机的速度给定指令，以保证横动伺服电机转速与卷绕电机转速按照卷绕比的定义保持一定关系，让纱线以空间螺旋线的形状往复绕在纱筒上。通过精密控制卷绕比，往复卷绕的纱线彼此交叉，不重叠，也就是说巧妙采用电子齿轮和电子凸轮取代机械齿轮和凸轮传动实现纱筒的精密卷绕。
　　为了实现精密卷绕的高速性能，需要横动伺服电机在做往复运动时，能够快速换向，这就要求伺服电机具备较高的转矩惯量比，为此对横动伺服电机进行了独特优化设计，以保证电机转子惯量尽可能小。同时伺服驱动器的电机控制算法在高动态响应性方面也做了针对性的设计，采用PID控制结合模糊控制算法，保证伺服电机速度在不产生超调的情况下，尽可能短时间内完成换向。
　　由于横动电机换向时，不论多快，都会因为换向加减速造成有硬边现象出现，按照机械式络筒机硬边消除原理，在“单锭控制驱动器”中嵌入了差动凸轮运动规律算法，周期性地实时变换横动导纱器的换向点，完成硬边消除功能。同时可以根据不同纱线特性，选择不同的差动凸轮曲线，设置差动周期和幅度。　　除了采取差动电子凸轮算法消除硬边技术外，本方案还富有独创性地实现了导纱器最小换向弧长的控制算法，充分利用了DSP数字信号处理器高速运算能力，实时计算和修正横动导纱伺服电机与纱筒卷绕电机传动的凸轮曲线规律，保证在任何卷绕转速和卷绕直径状态下，导纱器换向的弧长最小，最大限度地消除卷绕纱筒的硬边现象。
　　卷绕线速度控制简介
　　理论上分析，纱筒卷绕的线速度随纱筒的卷绕半径变化而变化，而线速度的变化直接引起卷绕张力的波动，从而会影响纱筒的成形质量和纱线的机械物理性能。如果外层纱的张力大于内层纱的张力，就容易产生筒子外层纱挤压内层纱的胀边现象；如果络纱过程中张力变化过大，也会容易造成纱线因络纱张力不同出现纱线拉伸率不同，这就要求在络筒过程中尽量减小张力及压力的波动。所以除保证恒定纱筒压力外，保证卷绕速度相对稳定是控制张力波动的一项重要措施。
　　张力控制简介
　　精密卷绕加工时纱线张力的大小直接影响筒子卷绕的松紧度，从而影响筒子绕纱的容量和染色的难易，并影响纱线加工的断头率，因而各种精密卷绕络筒机都有纱线的张力控制环节，特别是供筒子染色用的纱线的加工张力，不宜过大，以获得松式卷筒，有利于染色。本方案除了采取措施保证相对恒定的纱线卷绕线速度外，还另外设计有一个张力递减调节装置，采用一个步进电机控制的张力调节杆。在线速度升速过程中，通过调节步进电机的转角状态，控制张力调节杆的角度，改变纱线通过的门栅夹持力度，以保证卷绕张力恒定；另外按照特殊纱筒“里紧外松”的工艺要求，可以根据纱筒卷绕半径调节张力杆的角度，保证卷绕纱筒小直径时卷绕张力大，大直径时卷绕张力小。
 　　超喂电机控制简介
 　　精密卷绕过程中纱线线速度肯定大于纱筒退绕线速度，张力值也因此增大，而过大的张力不但得不到优质纱筒，而且会增加纱线的断头，降低生产效率。因此，本方案采用了所谓“超喂”的办法，即送出纱线的速度大于卷取纱线的速度，将纱线卷绕时筒子“硬拖”纱线的状况改变成缓和地卷取纱线的状况，从而减少断头，获得满意的松式卷绕筒子。纱线在超喂滚筒上环绕的圈数取决于超喂量的大小，一般的超喂量控制值在1．02～1．06（一圈情况下）之间。
　　精密络筒、络丝机器是纺织工艺中提高纺织品质量的关键设备，高速精密数码卷绕方案成功掌握了纱线高速精密卷绕工艺中的“KNOW HOW”，全部采用永磁电机驱动技术，机器能耗远远低于传统的变频电机传动设备。同时由于采用了柔性化数码控制技术，非常适合于高档织物的多品种、小批量纱筒生产，具有良好的社会经济效益。和利时电机技术公司开发的该创新解决方案涉及了电子控制，数字伺服电机和驱动、精密运动控制、和计算机网络通信等技术，是典型的高技术机电一体化控制方案，也是采用数字控制技术改造传统产业的典型案例。