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（北京和利時電機技術(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瞻坝、實現(xiàn)原理倾祈、技術(shù)手段和主要性能指標(biāo),并對各功能部件進行了描述甫题。

關(guān)鍵詞：絡(luò)筒機慧邮、卷繞调限、橫動、超喂误澳、電子導(dǎo)紗器耻矮、卷繞比、導(dǎo)紗動程忆谓、精密交叉卷繞

　　近些年淘钟，隨著人們審美意識增強和生活水平的提高，高檔色織產(chǎn)品愈加受到人們喜愛陪毡。不僅僅真絲綢米母，化纖絲、人造絲毡琉、混紡紗和棉紗等也可采用色絲織造铁瞒，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”供下道工序用桅滋，因此松式精密絡(luò)筒機的需求日益增加慧耍。

　　國內(nèi)現(xiàn)有的松式絡(luò)筒機整機結(jié)構(gòu)一般采用單錠集中傳動方式，通常包括卷繞推妈、導(dǎo)紗了赖、超喂等幾種運動，采用機械齒輪和凸輪機構(gòu)完成显哨，針對各種紗線不同的絡(luò)筒工藝笆滓，設(shè)備調(diào)整比較困難；導(dǎo)紗機構(gòu)采用的是槽筒和旋轉(zhuǎn)翼片篙绎，對一些高檔紗線易產(chǎn)生損傷初肥；同時由于采用的是機械傳動結(jié)構(gòu)，卷繞速度不高亿隔。目前國外這種松式絡(luò)筒機已經(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)午螺，即單錠獨立傳動墓枝；卷繞、橫動導(dǎo)紗跷它、紗線超喂容且、張力補償均采用單獨電機控制，各電機之間的運動關(guān)系可通過參數(shù)設(shè)置進行描述唾诺，靈活應(yīng)對各種特性的紗線卷繞工藝的需要亮隙；橫動導(dǎo)紗采用的是“導(dǎo)紗器”，即俗稱的“兔子頭”擎勘，對紗線的損傷很小咱揍，特別適用于高檔色織紗線的卷繞颖榜；另外由于各電機在機械上沒有直接的傳動連接棚饵，輔以高速精密運動控制軟件算法，可以很方便地實現(xiàn)高速精密交叉卷繞掩完，絡(luò)紗速度遠(yuǎn)大于機械式松式絡(luò)筒機噪漾，大大提高了絡(luò)紗效率。

　　北京和利時電機技術(shù)有限公司通過和國內(nèi)著名紡機集團合作且蓬，針對精密松式絡(luò)筒機的工藝特點欣硼，在自身多年伺服和運動控制技術(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)筒機電氣控制方案恶阴。整個方案具有良好的性能價格比诈胜，大大提升了國產(chǎn)松式絡(luò)筒機的自動化水平，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國外同類設(shè)備的水平冯事。

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

　　本方案中橫動導(dǎo)紗電機采用了一臺經(jīng)過獨特設(shè)計的超小慣量伺服電機担灭，卷繞和超喂電機采用的也是專門設(shè)計定制的高速無刷直流電機，張力電機采用了一臺普通步進電機填杀。圖中的“單錠控制驅(qū)動器”是和利時電機公司在自有開發(fā)的全數(shù)字永磁交流伺服驅(qū)動器的基礎(chǔ)上轧翘，嵌入了精密絡(luò)筒機高速電子導(dǎo)紗運動控制算法、卷繞無刷電機速度控制和紗線張力控制策略的專用型電機驅(qū)動控制系統(tǒng)坑匆。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單曙辑，功能齊全服筋，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）母债，卷繞的線速度午磁，卷繞比，往復(fù)動程長度毡们，紗筒硬邊修整的差動幅度迅皇、差動周期、差動凸輪曲線等各項工藝參數(shù)衙熔，同時具備RS232登颓、RS485、CAN總線三種通信接口红氯，可以很方便完成多錠聯(lián)網(wǎng)控制框咙，完全實現(xiàn)柔性化數(shù)碼卷繞。主要技術(shù)參數(shù)列舉如下：

可實現(xiàn)精密卷繞和數(shù)控分層卷繞兩種功能痢甘；
　　卷繞比控制范圍2.000～12.000喇嘱；
　　橫動伺服電機換向加速度高達(dá)8000r/s2，往復(fù)頻率最大為800次/分鐘塞栅，即每分鐘1600次換向者铜；
　　橫動伺服電機具備動程自動找零功能，無需外接零位傳感器放椰；
　　內(nèi)嵌有卷繞绵颅、超喂和張力補償三個電機的控制功能，可與變頻器玲禾、直流無刷電機驅(qū)動器忙体、步進電機驅(qū)動器方便接口，實現(xiàn)卷繞電機藤瞪、超喂　　電機和張力補償電機的控制挚粱；
　　具備空筒直徑校準(zhǔn)功能；
　　多種實時參數(shù)顯示媳把，如實際線速度惊柱、紗筒直徑、往復(fù)頻率等俏妆；
　　多種故障保護措施樱凄，如參數(shù)異常、電機超速失欢、動程超差戈弧、硬件故障等；
　　實時工作參數(shù)具備掉電保護功能晨另，如卷繞長度潭千、卷繞直徑等谱姓；

橫動伺服電機控制簡介

　　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上刨晴，筒子上的紗線在空間上成立體交叉屉来，彼此都不平行，保證每層紗線沒有重疊狈癞，就是說需要對紗筒的卷繞比進行精密控制茄靠。所謂卷繞比，就是橫動導(dǎo)紗鉤每往復(fù)一次蝶桶，紗筒卷繞的圈數(shù)慨绳。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真竖、數(shù)控分層卷繞三種形式脐雪，本方案主要實現(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。

　　為了實現(xiàn)精密交叉卷繞疼邀，“單錠控制驅(qū)動器”通過實時采集卷繞電機反饋編碼器脈沖信號計算其實時速度喂江，根據(jù)精密卷繞工藝要求召锈，用獨特數(shù)控算法得出橫動伺服電機的速度給定指令沛野，以保證橫動伺服電機轉(zhuǎn)速與卷繞電機轉(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)繞在紗筒上诅枚。通過精密控制卷繞比含话，往復(fù)卷繞的紗線彼此交叉，不重疊妥坦，也就是說巧妙采用電子齒輪和電子凸輪取代機械齒輪和凸輪傳動實現(xiàn)紗筒的精密卷繞茂钠。

　　為了實現(xiàn)精密卷繞的高速性能，需要橫動伺服電機在做往復(fù)運動時房贮，能夠快速換向径塔，這就要求伺服電機具備較高的轉(zhuǎn)矩慣量比，為此對橫動伺服電機進行了獨特優(yōu)化設(shè)計殊蜓，以保證電機轉(zhuǎn)子慣量盡可能小凰番。同時伺服驅(qū)動器的電機控制算法在高動態(tài)響應(yīng)性方面也做了針對性的設(shè)計，采用PID控制結(jié)合模糊控制算法寂贱，保證伺服電機速度在不產(chǎn)生超調(diào)的情況下褒堆，盡可能短時間內(nèi)完成換向。

　　由于橫動電機換向時滋饲，不論多快厉碟，都會因為換向加減速造成有硬邊現(xiàn)象出現(xiàn)，按照機械式絡(luò)筒機硬邊消除原理屠缭，在“單錠控制驅(qū)動器”中嵌入了差動凸輪運動規(guī)律算法箍鼓，周期性地實時變換橫動導(dǎo)紗器的換向點崭参，完成硬邊消除功能。同時可以根據(jù)不同紗線特性款咖，選擇不同的差動凸輪曲線阵翎，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)外之剧，本方案還富有獨創(chuàng)性地實現(xiàn)了導(dǎo)紗器最小換向弧長的控制算法郭卫，充分利用了DSP數(shù)字信號處理器高速運算能力，實時計算和修正橫動導(dǎo)紗伺服電機與紗筒卷繞電機傳動的凸輪曲線規(guī)律背稼，保證在任何卷繞轉(zhuǎn)速和卷繞直徑狀態(tài)下贰军，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)象蟹肘。

卷繞線速度控制簡介
　　理論上分析词疼，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谅儡，從而會影響紗筒的成形質(zhì)量和紗線的機械物理性能秫丐。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)象妈扁；如果絡(luò)紗過程中張力變化過大竹俱，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粘胧。所以除保證恒定紗筒壓力外摊房，保證卷繞速度相對穩(wěn)定是控制張力波動的一項重要措施。

張力控制簡介
　　精密卷繞加工時紗線張力的大小直接影響筒子卷繞的松緊度诅潮，從而影響筒子繞紗的容量和染色的難易昨哑，并影響紗線加工的斷頭率，因而各種精密卷繞絡(luò)筒機都有紗線的張力控制環(huán)節(jié)胜全，特別是供筒子染色用的紗線的加工張力域毡，不宜過大，以獲得松式卷筒琅功，有利于染色考余。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)計有一個張力遞減調(diào)節(jié)裝置倔约，采用一個步進電機控制的張力調(diào)節(jié)桿秃殉。在線速度升速過程中，通過調(diào)節(jié)步進電機的轉(zhuǎn)角狀態(tài)浸剩，控制張力調(diào)節(jié)桿的角度钾军，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”的工藝要求吏恭，可以根據(jù)紗筒卷繞半徑調(diào)節(jié)張力桿的角度拗小，保證卷繞紗筒小直徑時卷繞張力大，大直徑時卷繞張力小樱哼。

超喂電機控制簡介
　　精密卷繞過程中紗線線速度肯定大于紗筒退繞線速度哀九，張力值也因此增大，而過大的張力不但得不到優(yōu)質(zhì)紗筒搅幅，而且會增加紗線的斷頭阅束，降低生產(chǎn)效率。因此茄唐，本方案采用了所謂“超喂”的辦法伴严，即送出紗線的速度大于卷取紗線的速度，將紗線卷繞時筒子“硬拖”紗線的狀況改變成緩和地卷取紗線的狀況辐芍，從而減少斷頭贡垃，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掷戚，一般的超喂量控制值在1．02～1．06（一圈情況下）之間令久。

結(jié)論
　　精密絡(luò)筒、絡(luò)絲機器是紡織工藝中提高紡織品質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備猫郎，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”沧唧，全部采用永磁電機驅(qū)動技術(shù)，機器能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的變頻電機傳動設(shè)備糙娃。同時由于采用了柔性化數(shù)碼控制技術(shù)烧啊，非常適合于高檔織物的多品種赐汤、小批量紗筒生產(chǎn)憎抡，具有良好的社會經(jīng)濟效益。和利時電機技術(shù)公司開發(fā)的該創(chuàng)新解決方案涉及了電子控制刨紊，數(shù)字伺服電機和驅(qū)動性湿、精密運動控制、和計算機網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)满败，是典型的高技術(shù)機電一體化控制方案肤频，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～）算墨，男宵荒，湖南湘潭人，高級工程師净嘀。研究領(lǐng)域包括數(shù)控技術(shù)报咳，交流伺服技術(shù)及精密運動控制技術(shù)，目前主要致力于數(shù)控挖藏、伺服和運動控制技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用暑刃。

作者單位：北京和利時電機技術(shù)有限公司厢漩，北京海淀區(qū)學(xué)清路11號，100085

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