多軸驅(qū)動棉精梳機控制技術(shù)探討
2025-04-27
張慧芳 陳春紅
（上海一紡機械有限公司）
0 前言
自60年代上海紡織機械總廠打造出國內(nèi)第一臺棉紡精梳機設(shè)備至今已近半個世紀，在這半個世紀的歲月里，隨之配套的棉精梳機電氣控制系統(tǒng)的自動化程度也發(fā)生了較大的變化，控制系統(tǒng)從最早的十幾個繼電器控制，發(fā)展到目前用單扳機、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。但其動力部分的變化相對較少，基本上采用兩個電機拖動，即采用主電機和毛刷電機。個別的是采用三個電機，即再加上一個牽伸電機。對于采用兩電機拖動者的電氣控制系統(tǒng)是將兩個電機分別單獨控制各自的起停，沒有同步的要求。對于三電機拖動的電氣控制系統(tǒng)是將主電機和牽伸電機通過可編程序控制器實現(xiàn)聯(lián)動，毛刷電機單轉(zhuǎn)。
然而，在現(xiàn)有的棉紡精梳機控制技術(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界面上，因而不能高效、精確、直觀地改變主從電機之間的速比。另外，目前絕大部分機器，由于制造商僅提供一種機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)，而國外有極個別的制造商提供兩種以上的機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械零件來實現(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
針對以上棉紡精梳機控制技術(shù)不能高效、精確、直觀的改變主從電機之間的速比，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)新型的棉精梳機控制系統(tǒng)，其關(guān)鍵點可簡單歸納為電子凸輪、多軸同步運行、高速通訊技術(shù)的運用等。
1.1電子凸輪
有許多棉精梳機的弱點（或者講瓶頸口）是：車速一旦開高，就會影響棉網(wǎng)的成型質(zhì)量，且對所紡棉花的品種受到限制（例如不能紡好長絨棉等）。這些主要是由于此類的機型分離部分的高速運行，大都是采用了機械凸輪或者多連桿機構(gòu)加上行星輪系的合成傳動，其優(yōu)點是：控制部分簡單、造價低，但缺點是機械凸輪制造難度大，一般機械廠不能加工、機械構(gòu)件做好就不可改變形狀、也就不可改變分離運動的軌跡，因而高速精梳機在紡制不同長度纖維時適應(yīng)性差，是換品種時造成棉網(wǎng)成型不好的原因之一。為了免除以上由于機械組件等可能對機器造成的瓶頸口，經(jīng)市場反復(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直接傳動分離羅拉。
1.2多軸同步運行
為了更方便地調(diào)節(jié)各個傳動軸之間的速比，不用花大量的勞動力去更換不同部位的幾十個齒輪，我們將原來由一個主電機通過一整套的傳動皮帶及齒輪帶動所有的轉(zhuǎn)動軸，改為將幾個關(guān)鍵軸由不同的變頻電機分別傳動，其中，除了主電機，增加了傳動分離羅拉的伺服電機、傳動臺面引出羅拉的引出電機及傳動牽伸區(qū)域的牽伸電機，后三個電機都將嚴格跟蹤主電機作精確的同步運行。
1.3高速通訊技術(shù)的運用
整臺機器內(nèi)部運用工業(yè)總線通訊技術(shù)，使得控制裝置與驅(qū)動裝置之間具有極高的通訊速度，以實現(xiàn)上位機、人機界面、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)實現(xiàn)之。
2 方案實施
2.1電子凸輪取代機械結(jié)構(gòu)
機器中最為關(guān)鍵的分離羅拉的運動，我們采用了具有電子凸輪功能的伺服控制器及伺服電機取代了原來煩瑣的機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對其拖動的元件進行類似于機械組件一樣作不規(guī)則的運動，并且同時要實現(xiàn)對主傳動的準確跟蹤。
圖1 電子凸輪（上）取代機械凸輪及行星輪結(jié)構(gòu)（下）
工作時，由伺服電機直接驅(qū)動精梳機的分離羅拉的高速運行，在幾十毫秒的時間周期里，既要準確地跟蹤主軸，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行軌跡儲存在控制器里，可在工藝需要時，通過人機界面隨時實現(xiàn)輕松切換。因為電子凸輪是虛擬的，所以將永不磨損，而且電子凸輪的精度高，每個周期可以描繪幾千個點位，曲線切換亦方便。原來更換一個機械凸輪及相關(guān)零件則要花一天以上時間才能完成。
圖2 原分離羅拉的運行曲線
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2萬（弧度/秒平方）以上，因此，在運動中對機械的沖擊很大，用了電子凸輪系統(tǒng)我們就 可對降低機械加速度和滿足不同的工藝性能等有所探索，因為現(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”精梳機的。
2.2基于高速通訊的控制網(wǎng)絡(luò)
本機的控制系統(tǒng)由控制裝置、驅(qū)動裝置、工業(yè)總線等構(gòu)成。控制裝置由上位機、人機界面、各類采樣元件和擴展器構(gòu)成；驅(qū)動裝置由變頻器及伺服驅(qū)動器和變頻電機及伺服電機構(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：上位機作為中央控制器，通過工業(yè)總線與多臺變頻器及伺服驅(qū)動器、人機界面連接；多臺變頻器或伺服驅(qū)動器連接各自對應(yīng)的變頻電機或伺服電機，這些電機又分別連接所傳動的機械軸，變頻電機及伺服電機的輸出軸或所傳動的機械軸上裝有編碼器進行采樣，直接反映電機或傳動軸的速度，主電機的編碼器信號通過擴展還作為多臺從變頻器或伺服驅(qū)動器的跟蹤源輸入；人機界面能及時顯示機器的運轉(zhuǎn)情況及報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，通過人機界面對各個變頻器或伺服驅(qū)動器進行操作，方便地對主從電機的速比、分離曲線的選擇進行輸入，還可以通過人機界面對每一單臺電機無級設(shè)定正反向轉(zhuǎn)速，并使之單獨起停，也可以根據(jù)該精梳機的工藝要求，實現(xiàn)多臺變頻電機或伺服電機高精度的同步運行。由于運用了總線高速通訊的技術(shù)，使整臺精梳機的實時性控制處于最佳狀態(tài)。
該控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下一些控制功能。
2.2.1多軸同步運行
通過高性能的可編程計算機控制器（以下簡稱PCC［1］）、人機界面、一臺主機變頻、一臺帶有電子凸輪的伺服控制器、兩臺從機變頻及其編碼器、采樣元件、執(zhí)行元件等組成四軸同步運行的新穎精梳機，控制精度高，跟蹤準確，起、停平穩(wěn)。
運行主畫面左邊顯示了必要的工藝參數(shù)以及當(dāng)班信息，右邊動態(tài)演示整臺機器所有電機同步運行的速度示意棒圖。
運行或停機時若有故障，右下角顯示報警翻頁箭頭，沒有故障，此報警鍵將自動隱藏。
圖4 機器運行主畫面
2.2.2方便調(diào)試和選擇各種參數(shù)
控制系統(tǒng)在機器正常工作時實行多軸同步運行，但在調(diào)試時各個電機又可根據(jù)需要分別單獨運行，只要在人機界面上通過鍵入操作員口令即可進入“電機調(diào)試”畫面。
圖5 單電機調(diào)試畫面(nips表示鉗次/min)
具體操作：速度設(shè)定按對應(yīng)電機的數(shù)字部位，即彈出鍵盤，寫入后確認；運行按相應(yīng)方框鍵，以O(shè)N/OFF切換起停；運行中的電機，相應(yīng)顯示其實時轉(zhuǎn)速。
以分離電機為例，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為運行，電機即往復(fù)運轉(zhuǎn)，速度顯示為實際轉(zhuǎn)速，再按一下變成OFF，電機即停止運轉(zhuǎn)，同時畫面內(nèi)OFF/ON按鈕變成OFF。
如要修改某些工藝或機械參數(shù)，可鍵入操作員密碼后進入相應(yīng)的畫面進行操作。
以“機械參數(shù)選擇”畫面為例。
圖6 機械參數(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)電機速度與主機速度相比；位置記憶即分離羅拉與錫林軸間的相對位置記憶；曲線種類即分離羅拉不同運行軌跡的選擇類別。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，棉紡精梳機的臺面及牽伸、圈條處的自停控制技術(shù)，大多采用機械接觸式、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，即使在原由我廠獨創(chuàng)的對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 號的數(shù)據(jù)，如果對于沒有電氣常識的紡織工人來說是缺乏直觀性的，而且在此方案的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器上面只能同時觀察到其中一個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)。
在本機的控制系統(tǒng)中，通過現(xiàn)在的PCC、觸摸屏及現(xiàn)場總線技術(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界面上，而且通過對控制軟件的編程，人機界面的畫面上可同時反映所有模擬量傳感器的隨機信息，如有超過上下限的檢測點，系統(tǒng)以“有棉條狀態(tài)”的畫面為例，正常開車時，如果測量值處無"?"號，按"自動"一下，各模擬量上下限即自動設(shè)定。同時也可手動調(diào)節(jié)，按"手動選號"鍵選擇某一號傳感器，按“↑”為提高所選號模擬量傳感器自停的靈敏度，即縮小上下限值的范圍；按"="為所選號模擬量重新以當(dāng)前測量值為基準設(shè)定標(biāo)準的上下限范圍，按“↓”為降低所選號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，均會報警提醒操作者及時處理。
圖7 模擬量調(diào)試畫面
2.2.4向上通訊
本機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，運用得很少，隨著紡織廠的用人機制的精簡、自動化程度的不斷提高，車間集中管理和控制將勢在必行。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，屆時，在車間管理辦公室，就能夠觀察到車間現(xiàn)場每臺精梳機械運行的及時工況，提高了工作效率。
另外，還可以通過因特網(wǎng)實現(xiàn)遠程通訊，為今后的遠程診斷、遠程服務(wù)作好了鋪墊。
3 運行效果及專利申請
由于使用了以上所述的控制裝置和驅(qū)動裝置，不僅精梳機的分離曲線隨意可選，而且主從軸之間的速比精度可達萬分之一。再則運用了工業(yè)總線通訊技術(shù)，使得控制裝置與驅(qū)動裝置之間具有極高的數(shù)據(jù)交換速度，實現(xiàn)了一個普通的操作工對分離曲線的改變以及各個主從軸之間速比的調(diào)節(jié)在人機界面上幾秒鐘內(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，如果是更換機械零件將要花一天以上時間才能完成，同時對機器各個部位的模擬量傳感器的觀察、調(diào)試更為方便和直觀，因而大大簡化了操作程序、提高了控制精度及工作效率。新機的操作畫面也更為人性化、令用戶感覺更趨合理而簡便。
2005年度的上海國際紡織機械展覽會，云集了國內(nèi)外的十幾臺棉精梳機，這在歷年的國際紡織機械展覽會上是前所未有的，其中，我廠運用以上電氣控制系統(tǒng)的CJ40S型棉精梳機以其獨特的運動控制方式而引起了國內(nèi)外同行和各位專家的關(guān)注［2］。展覽會結(jié)束后，我們又馬上將設(shè)備移師上海一家棉紡織廠進行可靠性試驗至今已滿周年，總的運行情況良好。
由于我們以上的電氣控制方式，在目前所披露的國內(nèi)外棉精梳機的控制方式中是獨一無二的，因而我們對此申請了多項國內(nèi)發(fā)明和實用新穎專利，還申請了國際發(fā)明專利。
4 結(jié)語
在設(shè)備的機械、電氣可靠性試驗的基礎(chǔ)上，我們還將對該設(shè)備做進一步的工藝性試驗，以探索用不同的分離運行軌跡來適應(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行曲線，以減小設(shè)備的機械損傷，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)備的進步與當(dāng)今社會科學(xué)的飛速發(fā)展相吻合。
參考文獻：
［1］齊蓉，宵維榮，等. 可編程計算機控制器原理及應(yīng)用［M］．西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2002．
［2］劉恒琦, 鄭秀實，劉果成，等. 第十一屆上海國際紡織工業(yè)展覽會分析報告. 上海市紡織工程學(xué)會, 2005．
來源：《梳理技術(shù)》雜志
（版權(quán)歸原作者或機構(gòu)所有）
