摘要：
本文主要介紹了貝加萊新一代伺服驅(qū)動(dòng)器ACOPOS multi在國內(nèi)首臺全數(shù)控1512錠配集
體落紗超長細(xì)紗機(jī)上的應(yīng)用。該機(jī)型羅拉部分采用了獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，取消了所有的機(jī)械變換齒輪，通過伺服傳動(dòng)取代傳統(tǒng)機(jī)械齒輪的復(fù)雜連接，前中后羅拉做到嚴(yán)格同步，實(shí)現(xiàn)牽伸倍數(shù)和捻度的精密控制，保證高支數(shù)紗線的成紗質(zhì)量；其次通過取消鋼領(lǐng)板的機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)，采用先進(jìn)的伺服控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)卷繞的電子成形技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡化、生產(chǎn)速度的提高、以及紗線支數(shù)和管紗成形的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使得機(jī)器更加具有柔性，全觸摸式的人機(jī)界面設(shè)定，能夠適應(yīng)終端客戶對于紡紗工藝不斷變化的市場需求。
Abstract:
This article mainly introduces the application of B&R ACOPOS multi Servo Driving in the first homemade NC ring spinning frame, which has 1512 spindles and is equipped with integral doffing device. The rollers of such machine adopt the individual driving system and all mechanical change gears are canceled. Through replacing the conventional complex mechanical gears by servo driving, the front, middle and back rollers are synchronous strictly, the draft times and twists are precise and the quality of high-count yarn is good; in addition, through adopting the advanced servo control system instead of the mechanical cams of ring rail, it realizes the electric winding formation, simple mechanical structure, high production speed and auto-adjustment of yarn counts and cop building. The more flexible machine and the touch human-machine interface are suitable for the changeable marketing demands of end users.
關(guān)鍵詞：ACOPOS multi伺服驅(qū)動(dòng) 羅拉分段傳動(dòng) 電子凸輪 集體落紗
Key words: ACOPOS multi servo driving, roller sectional driving, electric cam,
integral doffing
1. 前言：
上海二紡機(jī)股份有限公司是專業(yè)從事紡織機(jī)械及紡織器材制造的大型企業(yè)之一，進(jìn)入21世紀(jì)，上海及長三角飛速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)環(huán)境、金融環(huán)境、信息環(huán)境和環(huán)保環(huán)境，為上海二紡機(jī)的持續(xù)發(fā)展提供了絕好的機(jī)遇，同時(shí)也面臨著更大的挑戰(zhàn)。在考慮更具競爭力的產(chǎn)品以應(yīng)對日益激烈的國際競爭，2007年底，我們啟動(dòng)了EJM158JL型超長車細(xì)紗機(jī)帶集體落紗的產(chǎn)品開發(fā)計(jì)劃，設(shè)計(jì)國內(nèi)首臺高達(dá)1512錠的超長車設(shè)備，這是一項(xiàng)卓越的挑戰(zhàn)。
2. 系統(tǒng)概述：
細(xì)紗超長車是一個(gè)面向未來的機(jī)器設(shè)計(jì)，不僅僅是因?yàn)樗獙?shí)現(xiàn)的高性能技術(shù)指標(biāo)，并且對于人工、占地等投資也會有大量的節(jié)省，就未來實(shí)現(xiàn)細(xì)絡(luò)聯(lián)、粗細(xì)聯(lián)來說，自動(dòng)化程度的提高對于未來機(jī)器的柔性整合至關(guān)重要。
EJM158JL型細(xì)紗機(jī)采用全數(shù)字化電氣控制系統(tǒng)，是集現(xiàn)場總線、PLC通訊控制、光機(jī)電一體化的配集體落紗裝置的新型紡機(jī)。該機(jī)的細(xì)紗錠數(shù)可達(dá)1512錠（標(biāo)準(zhǔn)常規(guī)細(xì)紗機(jī)為480錠/臺），為國內(nèi)錠數(shù)之最，預(yù)計(jì)可為用戶節(jié)省15%的生產(chǎn)成本，減少20%的占地面積。同時(shí)全自動(dòng)化的集體落紗裝置取消了傳統(tǒng)的人工落紗環(huán)節(jié)又可使棉紡廠萬錠用工人數(shù)減少25人左右。全機(jī)各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)均采用單獨(dú)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用電氣閉環(huán)控制代替機(jī)械齒輪傳動(dòng)，使紡紗品種轉(zhuǎn)換過程全部由計(jì)算機(jī)完成，取消了所有機(jī)械變換機(jī)構(gòu)，降低了機(jī)械材料和維護(hù)成本，提高了整機(jī)的產(chǎn)量和穩(wěn)定性。全機(jī)采用了先進(jìn)的電子凸輪技術(shù)代替了傳統(tǒng)的機(jī)械凸輪，運(yùn)用先進(jìn)的位置型伺服與電機(jī)來自動(dòng)定位，人性化的操作界面可使用戶自行設(shè)定各種變速曲線、工藝參數(shù)和集落定位，具有高效，節(jié)能，方便，精確的性能。
3. 控制系統(tǒng)方案簡介：
整套控制部分由上位機(jī)、人機(jī)界面、變頻控制器、專用伺服控制器、同步電機(jī)、伺服電機(jī)、Powerlink高速通訊總線等組成，主要控制如下四部分：
①羅拉分段獨(dú)立傳動(dòng)：
分別由ACOPOS multi伺服控制器控制12個(gè)羅拉同步電機(jī)傳動(dòng)前中后中間分段的12根羅拉，取消傳統(tǒng)意義上的由主軸帶動(dòng)，再通過車頭機(jī)械齒輪變換來帶動(dòng)羅拉傳動(dòng)的方法。
對于超長車而言，前、中、后羅拉在運(yùn)行過程中，尤其是高速中會產(chǎn)生微小的機(jī)械變形，這些微小的變形對于成型紗線的質(zhì)量而言卻有著非常大的影響，為了解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)了分段獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的羅拉驅(qū)動(dòng)方案，即前后車頭與車尾的羅拉在中間斷開，分別由車頭與車尾的同步羅拉電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，多個(gè)軸之間不斷的通過編碼器與總線通訊實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)交換，以確保相互之間同步關(guān)系的捆綁，在解決機(jī)械變形的同時(shí)，有效的解決了羅拉分段之后高精度的同步傳動(dòng)，即使在突然斷電的時(shí)候，各個(gè)軸之間依然能夠保持同步降速停止，以保證高質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)紡紗的需求，保證了紗線生產(chǎn)的一致性。
前羅拉：
分段 
分段 中羅拉：
分段 
分段 后羅拉:
分段 
分段 圖1：羅拉分段傳動(dòng)
同時(shí)，這樣設(shè)計(jì)的好處還在于：用戶在變換工藝時(shí)，只需將各羅拉的直徑，成紗需要達(dá)到的捻度和總牽伸倍數(shù)、后牽伸倍數(shù)等數(shù)據(jù)由人機(jī)界面輸入即可，通過大量的數(shù)字化軟件編程的方法，由程序內(nèi)已編寫好的紡紗曲線和數(shù)學(xué)公式在幾毫秒的時(shí)間周期內(nèi)，時(shí)刻控制和修正紗線的牽伸及捻度，以達(dá)到不再需要進(jìn)行繁瑣的更換機(jī)械齒輪來變換紗線工藝的目的，達(dá)到機(jī)械上永不磨損，同時(shí)還節(jié)省了更換機(jī)械組件所耗費(fèi)的時(shí)間。如下圖2
圖2：工藝變換及牽伸倍數(shù)的設(shè)定
②鋼領(lǐng)板傳動(dòng)采用電子凸輪技術(shù)
鋼領(lǐng)板級升采用具有電子凸輪功能的凸輪型伺服控制器及伺服電機(jī)，取代了原來復(fù)雜的機(jī)械齒輪及凸輪結(jié)構(gòu)組件，以達(dá)到電子凸輪成形代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械凸輪成形，其原理為通過用軟件編程的方法控制伺服電機(jī)對其拖動(dòng)的元件進(jìn)行類似于機(jī)械組件一樣的不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，并且同時(shí)實(shí)現(xiàn)對鋼領(lǐng)板傳動(dòng)的準(zhǔn)確跟蹤。
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傳動(dòng)分配 |
圖3：鋼領(lǐng)板升降傳動(dòng)
細(xì)紗的管紗分管頂、管身和管底三個(gè)部分，卷繞形式采用圓錐形交叉卷繞形式(又稱短動(dòng)程升降卷繞)，同一層紗各處的卷繞直徑不同，以實(shí)現(xiàn)退繞時(shí)紗可從管頂抽出而管體不轉(zhuǎn)動(dòng)，適應(yīng)高速退繞的目的。
因此，在細(xì)紗的電子成形控制中，采用伺服系統(tǒng)控制鋼領(lǐng)板電子凸輪功能，根據(jù)前羅拉的出線速度和紗線的粗細(xì)度設(shè)定卷繞節(jié)距和成形高度，計(jì)算出紗線在管身和管底卷繞所須的鋼領(lǐng)板升降速度；通過編碼器發(fā)出信號反饋給伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)細(xì)紗的電子成形。
圖4： 電子凸輪運(yùn)動(dòng)曲線圖
電子凸輪技術(shù)的應(yīng)用使得紗線成型變得簡單，與傳統(tǒng)的機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)相比，它消除了機(jī)械磨損所帶來的機(jī)器維護(hù)成本的上升，并且，最重要的是，采用伺服驅(qū)動(dòng)后，通過數(shù)學(xué)模型和經(jīng)典凸輪成型公式的應(yīng)用，整個(gè)成型工藝變得更加靈活，它無需對機(jī)械組件進(jìn)行重新的變化，而僅僅只需通過積升參數(shù)的設(shè)置，伺服自行運(yùn)行不同的CAM曲線來實(shí)現(xiàn)不同紡紗過程對于傳動(dòng)的要求，以達(dá)到更好的成型效果。
圖5：電子凸輪級升與動(dòng)程參數(shù)的設(shè)定
③主電機(jī)控制錠子傳動(dòng)
錠子部分由主電機(jī)帶動(dòng)主軸傳動(dòng)，如下圖：
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傳動(dòng)分配 |
圖6：錠子由主軸傳動(dòng)
該部分由主變頻器、錠子傳動(dòng)部分和主電機(jī)構(gòu)成，其作用是上位機(jī)依據(jù)用戶在人機(jī)界面內(nèi)設(shè)定的控制十點(diǎn)曲線的速度，由變頻器控制錠子轉(zhuǎn)動(dòng)的速度曲線，自動(dòng)調(diào)整錠子運(yùn)行，以提高紗線質(zhì)量和產(chǎn)量。
圖7：十點(diǎn)曲線的長度與速度的設(shè)定
④位置型伺服控制集體落紗的升降
集體落紗功能的實(shí)現(xiàn)對于提高棉紡廠的勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，保證成紗品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)無人生產(chǎn)十分重要，因此集體落紗裝置的穩(wěn)定性和可靠性在細(xì)紗機(jī)控制的設(shè)計(jì)中占有重要地位。
集體落紗部分由位置型伺服控制器和伺服電機(jī)采用脈沖精確定位的方式控制。該部分由伺服控制器、升降傳動(dòng)部分和集落電機(jī)構(gòu)成，集體落紗傳動(dòng)數(shù)字通訊分為人字臂上升、下降、暫停和伺服復(fù)位四個(gè)功能，通過在上位機(jī)內(nèi)設(shè)定的13個(gè)集落位置脈沖來達(dá)到自動(dòng)插拔管的精確定位，落紗時(shí)間被縮短到小于3分鐘，整個(gè)1512錠的走管時(shí)間則控制在55分鐘以內(nèi)，而留頭率則在98％以上，同時(shí)省去了空管紗的整理工作，并且節(jié)省了大量人工，這對于終端客戶來說意味著巨大的成本節(jié)省，也顯示了帶集體落紗設(shè)備的競爭力。
 傳動(dòng)集落升降裝置 |
圖8：集體落紗升降傳動(dòng)
整套控制方案的實(shí)現(xiàn)如下圖：
圖9：控制系統(tǒng)方案
4. 驅(qū)動(dòng)器散熱問題的解決
雖然，自動(dòng)化程度和獨(dú)立驅(qū)動(dòng)很重要，但是，紡織機(jī)械行業(yè)有很多特殊的要求必須首先被考慮，例如：散熱方式，因?yàn)榧徔棌S高溫高濕的生產(chǎn)環(huán)境，造成了毛紗及漂浮物會累積到電氣柜子里，對柜子的散熱性造成了很大的影響，甚至出現(xiàn)了散熱風(fēng)扇堵轉(zhuǎn)的情況，這可能直接會導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器的損壞，因此，通常這些機(jī)器都要求散熱裝置安裝于機(jī)柜的外面，以便整個(gè)電氣柜的密封性和驅(qū)動(dòng)器的持續(xù)散熱得到保證，而本機(jī)中的ACOPOS multi驅(qū)動(dòng)器采用大冷板穿墻式的安裝方式極好適應(yīng)了這一特殊的環(huán)境需求，在實(shí)際的試驗(yàn)中，驅(qū)動(dòng)器的散熱得到了有力保證。
5. 降本、節(jié)能與降耗：
由于紡織機(jī)械是一個(gè)競爭非常激烈的領(lǐng)域，因此成本也必須考慮在內(nèi)，一方面是整體的硬件投資成本，另一方面是系統(tǒng)的運(yùn)行成本。全機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器的逆變單元具有雙軸驅(qū)動(dòng)能力，14個(gè)軸只需要7個(gè)逆變單元，這將大大的節(jié)省成本，同時(shí)整個(gè)驅(qū)動(dòng)器部分采用了共直流母線技術(shù)，每個(gè)逆變單元無需再增加DC模塊的成本,從而使得整體的價(jià)格得到下降，而且共直流母線有較大范圍的電源支持能力，從230VAC～480VAC寬廣的電壓適應(yīng)范圍使得即使在電源不穩(wěn)定的情況下，也能提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流輸出，確保了機(jī)器的可靠運(yùn)行。
驅(qū)動(dòng)器本身通過內(nèi)部的節(jié)能設(shè)計(jì)，分別處于運(yùn)行和制動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)相互之間進(jìn)行了很好的能量平衡，直流母線將那些制動(dòng)的電能進(jìn)行了重新的分配，而不是通過熱能的形式散發(fā)掉。高功率因素設(shè)計(jì)也保障了能量被充分的利用，這在一定程度上也大大的節(jié)省了運(yùn)行中的能量，降低了能耗。
圖10：紡機(jī)展覽會樣機(jī)
6. 結(jié)束語：
隨著紡機(jī)設(shè)備技術(shù)進(jìn)步和更新?lián)Q代的速度越來越快，超長細(xì)紗機(jī)作為一款面向未來的機(jī)型，對于新增的投資或者技術(shù)的改造而言，不僅僅是減少了車頭和車尾的排列，節(jié)省了占地面積和對廠房的投資，更重要的在于質(zhì)量的提升，和對客戶整體的生產(chǎn)效率的提高，由ACOPOS multi構(gòu)成的分布式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)借助于POWERLINK的通信技術(shù),將機(jī)器的整個(gè)生產(chǎn)過程及各工藝步驟完美的實(shí)現(xiàn)了同步，機(jī)器整體性能達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平，這是一個(gè)非常具有競爭力的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
參考文獻(xiàn)：
《可編程計(jì)算機(jī)控制器技術(shù)》 電子工業(yè)出版社 2005.11 齊蓉，肖維榮
《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》 機(jī)械工業(yè)出版社 陳伯時(shí)
《ACOPOS multi User's Manual》
（轉(zhuǎn)載）
