多軸驅(qū)動(dòng)棉精梳機(jī)控制技術(shù)探討

張慧芳　陳春紅

（上海一紡機(jī)械有限公司）

0　前言

自60年代上海紡織機(jī)械總廠打造出國(guó)內(nèi)第一臺(tái)棉紡精梳機(jī)設(shè)備至今已近半個(gè)世紀(jì)，在這半個(gè)世紀(jì)的歲月里，隨之配套的棉精梳機(jī)電氣控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度也發(fā)生了較大的變化，控制系統(tǒng)從最早的十幾個(gè)繼電器控制，發(fā)展到目前用單扳機(jī)、可編程序控制器、各類顯示器、觸摸屏及變頻控制器等自控元器件的多種形式組合控制，已經(jīng)基本上擯棄了采用純繼電器方式控制的模式。但其動(dòng)力部分的變化相對(duì)較少，基本上采用兩個(gè)電機(jī)拖動(dòng)，即采用主電機(jī)和毛刷電機(jī)。個(gè)別的是采用三個(gè)電機(jī)，即再加上一個(gè)牽伸電機(jī)。對(duì)于采用兩電機(jī)拖動(dòng)者的電氣控制系統(tǒng)是將兩個(gè)電機(jī)分別單獨(dú)控制各自的起停，沒有同步的要求。對(duì)于三電機(jī)拖動(dòng)的電氣控制系統(tǒng)是將主電機(jī)和牽伸電機(jī)通過可編程序控制器實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，毛刷電機(jī)單轉(zhuǎn)。

然而，在現(xiàn)有的棉紡精梳機(jī)控制技術(shù)中，雖然品種繁多，但迄今為止，除本文所述之外，所有的棉紡精梳機(jī)產(chǎn)品幾乎均沒有采用工業(yè)總線的控制技術(shù)，因此它們之間的速比調(diào)節(jié)不可能快速地反映在人機(jī)界面上，因而不能高效、精確、直觀地改變主從電機(jī)之間的速比。另外，目前絕大部分機(jī)器，由于制造商僅提供一種機(jī)械凸輪行星輪系組件結(jié)構(gòu)，使得分離羅拉曲線不可調(diào)節(jié)，而國(guó)外有極個(gè)別的制造商提供兩種以上的機(jī)械凸輪或者多連桿行星輪系組件結(jié)構(gòu)供用戶紡制不同的棉紗品種，但此舉只能通過更換大量的機(jī)械零件來(lái)實(shí)現(xiàn)分離羅拉曲線的調(diào)節(jié)，不可能快速、方便地切換分離羅拉的使用曲線。

1　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)以上棉紡精梳機(jī)控制技術(shù)不能高效、精確、直觀的改變主從電機(jī)之間的速比，也不能快速、方便地切換分離羅拉的使用曲線的現(xiàn)狀，兩年多前著手研發(fā)新型的棉精梳機(jī)控制系統(tǒng)，其關(guān)鍵點(diǎn)可簡(jiǎn)單歸納為電子凸輪、多軸同步運(yùn)行、高速通訊技術(shù)的運(yùn)用等。

1.1電子凸輪

有許多棉精梳機(jī)的弱點(diǎn)（或者講瓶頸口）是：車速一旦開高，就會(huì)影響棉網(wǎng)的成型質(zhì)量，且對(duì)所紡棉花的品種受到限制（例如不能紡好長(zhǎng)絨棉等）。這些主要是由于此類的機(jī)型分離部分的高速運(yùn)行，大都是采用了機(jī)械凸輪或者多連桿機(jī)構(gòu)加上行星輪系的合成傳動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是：控制部分簡(jiǎn)單、造價(jià)低，但缺點(diǎn)是機(jī)械凸輪制造難度大，一般機(jī)械廠不能加工、機(jī)械構(gòu)件做好就不可改變形狀、也就不可改變分離運(yùn)動(dòng)的軌跡，因而高速精梳機(jī)在紡制不同長(zhǎng)度纖維時(shí)適應(yīng)性差，是換品種時(shí)造成棉網(wǎng)成型不好的原因之一。為了免除以上由于機(jī)械組件等可能對(duì)機(jī)器造成的瓶頸口，經(jīng)市場(chǎng)反復(fù)調(diào)研和技術(shù)論證，我們決心在現(xiàn)有的分離羅拉兩種傳動(dòng)方式的基礎(chǔ)上研制第三種方式，即以電子凸輪控制器及伺服電機(jī)直接傳動(dòng)分離羅拉。

1.2多軸同步運(yùn)行

為了更方便地調(diào)節(jié)各個(gè)傳動(dòng)軸之間的速比，不用花大量的勞動(dòng)力去更換不同部位的幾十個(gè)齒輪，我們將原來(lái)由一個(gè)主電機(jī)通過一整套的傳動(dòng)皮帶及齒輪帶動(dòng)所有的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，改為將幾個(gè)關(guān)鍵軸由不同的變頻電機(jī)分別傳動(dòng)，其中，除了主電機(jī)，增加了傳動(dòng)分離羅拉的伺服電機(jī)、傳動(dòng)臺(tái)面引出羅拉的引出電機(jī)及傳動(dòng)牽伸區(qū)域的牽伸電機(jī)，后三個(gè)電機(jī)都將嚴(yán)格跟蹤主電機(jī)作精確的同步運(yùn)行。

1.3高速通訊技術(shù)的運(yùn)用

整臺(tái)機(jī)器內(nèi)部運(yùn)用工業(yè)總線通訊技術(shù)，使得控制裝置與驅(qū)動(dòng)裝置之間具有極高的通訊速度，以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)、人機(jī)界面、變頻控制器、伺服控制器之間快速的數(shù)據(jù)交換。向上通訊由工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)之。

2　方案實(shí)施

2.1電子凸輪取代機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)器中最為關(guān)鍵的分離羅拉的運(yùn)動(dòng)，我們采用了具有電子凸輪功能的伺服控制器及伺服電機(jī)取代了原來(lái)煩瑣的機(jī)械凸輪及行星輪組件（見圖1），其工作原理是用軟件編程的方法控制伺服電機(jī)對(duì)其拖動(dòng)的元件進(jìn)行類似于機(jī)械組件一樣作不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，并且同時(shí)要實(shí)現(xiàn)對(duì)主傳動(dòng)的準(zhǔn)確跟蹤。

圖1 電子凸輪（上）取代機(jī)械凸輪及行星輪結(jié)構(gòu)（下）

工作時(shí)，由伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)精梳機(jī)的分離羅拉的高速運(yùn)行，在幾十毫秒的時(shí)間周期里，既要準(zhǔn)確地跟蹤主軸，又要讓電子凸輪根據(jù)事先設(shè)定好的軌跡，作正反向的快速轉(zhuǎn)換（見圖2中分離羅拉的速度曲線）。由于應(yīng)用了電子凸輪，并通過大量的數(shù)字化軟件編程的方法將分離羅拉的多根運(yùn)行軌跡儲(chǔ)存在控制器里，可在工藝需要時(shí)，通過人機(jī)界面隨時(shí)實(shí)現(xiàn)輕松切換。因?yàn)殡娮油馆喪翘摂M的，所以將永不磨損，而且電子凸輪的精度高，每個(gè)周期可以描繪幾千個(gè)點(diǎn)位，曲線切換亦方便。原來(lái)更換一個(gè)機(jī)械凸輪及相關(guān)零件則要花一天以上時(shí)間才能完成。

圖2 原分離羅拉的運(yùn)行曲線

從圖2中分離羅拉的加速度曲線可以看出，原系統(tǒng)分離羅拉的角加速度瞬間最大達(dá)2萬(wàn)（弧度/秒平方）以上，因此，在運(yùn)動(dòng)中對(duì)機(jī)械的沖擊很大，用了電子凸輪系統(tǒng)我們就 可對(duì)降低機(jī)械加速度和滿足不同的工藝性能等有所探索，因?yàn)楝F(xiàn)在的曲線是可以隨意修改的。新的控制方式包含了大量數(shù)據(jù)處理工作，因而也有將其稱為“數(shù)字型”精梳機(jī)的。

2.2基于高速通訊的控制網(wǎng)絡(luò)

本機(jī)的控制系統(tǒng)由控制裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、工業(yè)總線等構(gòu)成。控制裝置由上位機(jī)、人機(jī)界面、各類采樣元件和擴(kuò)展器構(gòu)成；驅(qū)動(dòng)裝置由變頻器及伺服驅(qū)動(dòng)器和變頻電機(jī)及伺服電機(jī)構(gòu)成；工業(yè)總線由具有高速通訊功能的通訊電纜、通訊面板和通訊接口構(gòu)成（見圖3）。

圖3 基于工業(yè)總線的控制框圖

控制方式：上位機(jī)作為中央控制器，通過工業(yè)總線與多臺(tái)變頻器及伺服驅(qū)動(dòng)器、人機(jī)界面連接；多臺(tái)變頻器或伺服驅(qū)動(dòng)器連接各自對(duì)應(yīng)的變頻電機(jī)或伺服電機(jī)，這些電機(jī)又分別連接所傳動(dòng)的機(jī)械軸，變頻電機(jī)及伺服電機(jī)的輸出軸或所傳動(dòng)的機(jī)械軸上裝有編碼器進(jìn)行采樣，直接反映電機(jī)或傳動(dòng)軸的速度，主電機(jī)的編碼器信號(hào)通過擴(kuò)展還作為多臺(tái)從變頻器或伺服驅(qū)動(dòng)器的跟蹤源輸入；人機(jī)界面能及時(shí)顯示機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況及報(bào)告故障原因和故障部位，操作人員可根據(jù)紡紗工藝的要求，通過人機(jī)界面對(duì)各個(gè)變頻器或伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行操作，方便地對(duì)主從電機(jī)的速比、分離曲線的選擇進(jìn)行輸入，還可以通過人機(jī)界面對(duì)每一單臺(tái)電機(jī)無(wú)級(jí)設(shè)定正反向轉(zhuǎn)速，并使之單獨(dú)起停，也可以根據(jù)該精梳機(jī)的工藝要求，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)變頻電機(jī)或伺服電機(jī)高精度的同步運(yùn)行。由于運(yùn)用了總線高速通訊的技術(shù)，使整臺(tái)精梳機(jī)的實(shí)時(shí)性控制處于最佳狀態(tài)。

該控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下一些控制功能。

2.2.1多軸同步運(yùn)行

通過高性能的可編程計(jì)算機(jī)控制器（以下簡(jiǎn)稱PCC［1］）、人機(jī)界面、一臺(tái)主機(jī)變頻、一臺(tái)帶有電子凸輪的伺服控制器、兩臺(tái)從機(jī)變頻及其編碼器、采樣元件、執(zhí)行元件等組成四軸同步運(yùn)行的新穎精梳機(jī)，控制精度高，跟蹤準(zhǔn)確，起、停平穩(wěn)。

運(yùn)行主畫面左邊顯示了必要的工藝參數(shù)以及當(dāng)班信息，右邊動(dòng)態(tài)演示整臺(tái)機(jī)器所有電機(jī)同步運(yùn)行的速度示意棒圖。

運(yùn)行或停機(jī)時(shí)若有故障，右下角顯示報(bào)警翻頁(yè)箭頭，沒有故障，此報(bào)警鍵將自動(dòng)隱藏。

圖4 機(jī)器運(yùn)行主畫面

2.2.2方便調(diào)試和選擇各種參數(shù)

控制系統(tǒng)在機(jī)器正常工作時(shí)實(shí)行多軸同步運(yùn)行，但在調(diào)試時(shí)各個(gè)電機(jī)又可根據(jù)需要分別單獨(dú)運(yùn)行，只要在人機(jī)界面上通過鍵入操作員口令即可進(jìn)入“電機(jī)調(diào)試”畫面。 

圖5 單電機(jī)調(diào)試畫面(nips表示鉗次/min)

具體操作：速度設(shè)定按對(duì)應(yīng)電機(jī)的數(shù)字部位，即彈出鍵盤，寫入后確認(rèn)；運(yùn)行按相應(yīng)方框鍵，以O(shè)N/OFF切換起停；運(yùn)行中的電機(jī)，相應(yīng)顯示其實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。

以分離電機(jī)為例，若走凸輪模式，按一下CAMoff/CAMon,顯示CAMon即為凸輪開，設(shè)定鉗次，按一下OFF/ON，顯示ON為運(yùn)行，電機(jī)即往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，速度顯示為實(shí)際轉(zhuǎn)速，再按一下變成OFF，電機(jī)即停止運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)畫面內(nèi)OFF/ON按鈕變成OFF。

如要修改某些工藝或機(jī)械參數(shù)，可鍵入操作員密碼后進(jìn)入相應(yīng)的畫面進(jìn)行操作。

以“機(jī)械參數(shù)選擇”畫面為例。

圖6 機(jī)械參數(shù)選擇畫面

具體操作：按住其中的數(shù)字部位即彈出一小鍵盤可輸入數(shù)字。這里的速比是相應(yīng)電機(jī)速度與主機(jī)速度相比；位置記憶即分離羅拉與錫林軸間的相對(duì)位置記憶；曲線種類即分離羅拉不同運(yùn)行軌跡的選擇類別。此畫面內(nèi)各參數(shù)改變均作永久內(nèi)存保存處理。

2.2.3模擬量控制技術(shù)的發(fā)揮更為充分

在現(xiàn)有的技術(shù)中，棉紡精梳機(jī)的臺(tái)面及牽伸、圈條處的自停控制技術(shù)，大多采用機(jī)械接觸式、光電傳感器等形式，這些方式由于全部采用的是開關(guān)量的控制方法，控制精度顯然是不高的，即使在原由我廠獨(dú)創(chuàng)的對(duì)這些部位采用模擬量傳感器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器組合的模擬控制技術(shù)，也只是將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成了數(shù)字量，操作人員在模/數(shù)轉(zhuǎn)換器上面讀出的還是電壓信 號(hào)的數(shù)據(jù)，如果對(duì)于沒有電氣常識(shí)的紡織工人來(lái)說(shuō)是缺乏直觀性的，而且在此方案的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器上面只能同時(shí)觀察到其中一個(gè)模擬量傳感器的情況，不能全面地反映所有模擬量傳感器的工作狀態(tài)。

在本機(jī)的控制系統(tǒng)中，通過現(xiàn)在的PCC、觸摸屏及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，使得此模擬控制技術(shù)得到了更為完美的發(fā)展，模擬傳感器的位移量能以百分之一毫米的精度反映到人機(jī)界面上，而且通過對(duì)控制軟件的編程，人機(jī)界面的畫面上可同時(shí)反映所有模擬量傳感器的隨機(jī)信息，如有超過上下限的檢測(cè)點(diǎn)，系統(tǒng)以“有棉條狀態(tài)”的畫面為例，正常開車時(shí)，如果測(cè)量值處無(wú)"?"號(hào)，按"自動(dòng)"一下，各模擬量上下限即自動(dòng)設(shè)定。同時(shí)也可手動(dòng)調(diào)節(jié)，按"手動(dòng)選號(hào)"鍵選擇某一號(hào)傳感器，按“↑”為提高所選號(hào)模擬量傳感器自停的靈敏度，即縮小上下限值的范圍；按"="為所選號(hào)模擬量重新以當(dāng)前測(cè)量值為基準(zhǔn)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)的上下限范圍，按“↓”為降低所選號(hào)模擬量傳感器自停的靈敏度，即放大上下限值的范圍。當(dāng)出現(xiàn)“？”時(shí)，均會(huì)報(bào)警提醒操作者及時(shí)處理。 

圖7 模擬量調(diào)試畫面

2.2.4向上通訊

本機(jī)提供向上通訊的工業(yè)以太網(wǎng)接口，便于整條生產(chǎn)線的集中管理和控制。紡織廠的車間管理的聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)還剛剛起步，運(yùn)用得很少，隨著紡織廠的用人機(jī)制的精簡(jiǎn)、自動(dòng)化程度的不斷提高，車間集中管理和控制將勢(shì)在必行。一旦用戶使用了我們具有工業(yè)以太網(wǎng)接口的新穎精梳機(jī)，屆時(shí)，在車間管理辦公室，就能夠觀察到車間現(xiàn)場(chǎng)每臺(tái)精梳機(jī)械運(yùn)行的及時(shí)工況，提高了工作效率。

另外，還可以通過因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊，為今后的遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程服務(wù)作好了鋪墊。

3　運(yùn)行效果及專利申請(qǐng)

由于使用了以上所述的控制裝置和驅(qū)動(dòng)裝置，不僅精梳機(jī)的分離曲線隨意可選，而且主從軸之間的速比精度可達(dá)萬(wàn)分之一。再則運(yùn)用了工業(yè)總線通訊技術(shù)，使得控制裝置與驅(qū)動(dòng)裝置之間具有極高的數(shù)據(jù)交換速度，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)普通的操作工對(duì)分離曲線的改變以及各個(gè)主從軸之間速比的調(diào)節(jié)在人機(jī)界面上幾秒鐘內(nèi)即可操作完成，而原先改變以上的設(shè)置必須有專業(yè)技術(shù)人員操作，如果是更換機(jī)械零件將要花一天以上時(shí)間才能完成，同時(shí)對(duì)機(jī)器各個(gè)部位的模擬量傳感器的觀察、調(diào)試更為方便和直觀，因而大大簡(jiǎn)化了操作程序、提高了控制精度及工作效率。新機(jī)的操作畫面也更為人性化、令用戶感覺更趨合理而簡(jiǎn)便。

2005年度的上海國(guó)際紡織機(jī)械展覽會(huì)，云集了國(guó)內(nèi)外的十幾臺(tái)棉精梳機(jī)，這在歷年的國(guó)際紡織機(jī)械展覽會(huì)上是前所未有的，其中，我廠運(yùn)用以上電氣控制系統(tǒng)的CJ40S型棉精梳機(jī)以其獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)控制方式而引起了國(guó)內(nèi)外同行和各位專家的關(guān)注［2］。展覽會(huì)結(jié)束后，我們又馬上將設(shè)備移師上海一家棉紡織廠進(jìn)行可靠性試驗(yàn)至今已滿周年，總的運(yùn)行情況良好。

由于我們以上的電氣控制方式，在目前所披露的國(guó)內(nèi)外棉精梳機(jī)的控制方式中是獨(dú)一無(wú)二的，因而我們對(duì)此申請(qǐng)了多項(xiàng)國(guó)內(nèi)發(fā)明和實(shí)用新穎專利，還申請(qǐng)了國(guó)際發(fā)明專利。

4　結(jié)語(yǔ)

在設(shè)備的機(jī)械、電氣可靠性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們還將對(duì)該設(shè)備做進(jìn)一步的工藝性試驗(yàn)，以探索用不同的分離運(yùn)行軌跡來(lái)適應(yīng)各種不同的紡紗品種；在工藝要求能夠滿足的前提下，研制更合理的分離羅拉運(yùn)行曲線，以減小設(shè)備的機(jī)械損傷，從而使得這一完全自主創(chuàng)新的電氣控制系統(tǒng)能發(fā)揮出更大的作用，促使棉精梳設(shè)備的進(jìn)步與當(dāng)今社會(huì)科學(xué)的飛速發(fā)展相吻合。

參考文獻(xiàn)：

［1］齊蓉，宵維榮，等. 可編程計(jì)算機(jī)控制器原理及應(yīng)用［M］．西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2002．

［2］劉恒琦, 鄭秀實(shí)，劉果成，等.  第十一屆上海國(guó)際紡織工業(yè)展覽會(huì)分析報(bào)告. 上海市紡織工程學(xué)會(huì), 2005．

來(lái)源：《梳理技術(shù)》雜志

（版權(quán)歸原作者或機(jī)構(gòu)所有）