摘要：本文簡(jiǎn)述了貝加萊的伺服控制技術(shù)，介紹了多軸向鋪緯經(jīng)編機(jī)。具體分析了整機(jī)的控制難點(diǎn)：電子送經(jīng)系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理，以及鋪緯系統(tǒng)的工藝和運(yùn)動(dòng)軌跡概述。
1 引言
伺服系統(tǒng)是用來(lái)精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過(guò)程的反饋控制系統(tǒng)，又稱(chēng)隨動(dòng)系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專(zhuān)指被控制量(系統(tǒng)的輸出量)是機(jī)械位移或移動(dòng)速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)， 其作用是使輸出的機(jī)械位移(或轉(zhuǎn)角)準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移(或轉(zhuǎn)角)。
貝加萊伺服控制系統(tǒng)由于其優(yōu)越的性能，已被廣泛地應(yīng)用于紡織、包裝、機(jī)器人、塑料、風(fēng)能、印刷、治金、半導(dǎo)體等行業(yè)。
圖1 貝加萊伺服控制系統(tǒng)
貝加萊伺服驅(qū)動(dòng)器采用模塊化設(shè)計(jì)，支持高速以太網(wǎng)協(xié)議PowerLink，通訊循環(huán)周期僅400us，控制循環(huán)僅50us，適合于高速、高精度的控制場(chǎng)合。
除了簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)控制外，還擁有強(qiáng)大的多軸控制功能，包括電子齒輪、電子凸輪、任意曲線(xiàn)跟隨和CNC。主軸信號(hào)可取自編碼器、某些傳感器、數(shù)學(xué)模型計(jì)算值等。
擁有強(qiáng)大的集成軟件平臺(tái)Automation Studio的支持。該平臺(tái)集編程、調(diào)試和測(cè)試于一體，支持梯形圖、結(jié)構(gòu)化文本、Basic和C語(yǔ)言編程;支持聯(lián)機(jī)調(diào)試和仿真調(diào)試;支持在線(xiàn)數(shù)據(jù)采集分析(示波器功能)。
在機(jī)械加工過(guò)程中，高標(biāo)準(zhǔn)的伺服控制器對(duì)于精度、質(zhì)量和動(dòng)態(tài)性能有著致關(guān)重要的作用，這就意味著控制理念和控制器的設(shè)置將起決定性的作用。
級(jí)聯(lián)控制器(或稱(chēng)串級(jí)控制器)概念是貝加萊伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)精髓，位置閉環(huán)控制器、速度閉環(huán)控制器、電流閉環(huán)控制器是級(jí)聯(lián)的，按照設(shè)定值工作。因此，在級(jí)聯(lián)控制器系統(tǒng)中，較高一級(jí)控制器的輸出變量成為了較低一級(jí)控制器的設(shè)定值(例如，位置閉環(huán)控制器輸出的設(shè)定速度決定了速度閉環(huán)控制器的設(shè)定值)。
圖2 級(jí)聯(lián)控制器結(jié)構(gòu)
2 多軸向鋪緯經(jīng)編設(shè)備概述
經(jīng)編工業(yè)是針織工業(yè)的一個(gè)重要組成部分，由于其織物具有獨(dú)特的性能以及生產(chǎn)高效率而得到快速發(fā)展。隨著現(xiàn)代自控技術(shù)的發(fā)展，特別是伺服控制技術(shù)的突破，越來(lái)越多的自控生產(chǎn)機(jī)械擯棄了機(jī)械凸輪，采用了無(wú)軸化設(shè)計(jì)，大大地提高了生產(chǎn)效率。現(xiàn)代電子經(jīng)編機(jī)的設(shè)計(jì)也順應(yīng)了這一時(shí)代潮流。
多軸向鋪緯經(jīng)編機(jī)作為經(jīng)編機(jī)中的高端機(jī)型，其復(fù)合織物可用于航空航天、兵工、造船、汽車(chē)、建筑、風(fēng)電等行業(yè)，前景非常廣闊。多軸向鋪緯經(jīng)編機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度高。國(guó)外設(shè)備一套售價(jià)需要人民幣一千萬(wàn)元以上，而且由于其織物可用于多種敏感行業(yè)，國(guó)外對(duì)該設(shè)備出口管控嚴(yán)格。
如圖3所示，多軸向經(jīng)編機(jī)由電子收卷(EFA)、電子牽拉(EWA)、電子送經(jīng)(EBC)、鋪緯系統(tǒng)等幾大部份組成。該設(shè)備配置了14個(gè)軸的伺服控制系統(tǒng)，包括主軸、鏈條軸、托布軸、鋪緯系統(tǒng)(每套有X、Y兩軸組成，共3套6個(gè)伺服軸)、送經(jīng)(3軸)、牽拉軸、收卷軸。運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)用到了電子齒輪、電子跟隨、CNC。該多軸向鋪緯經(jīng)編機(jī)的控制系統(tǒng)如圖4所示。下面主要介紹電子送經(jīng)及鋪緯系統(tǒng)的控制原理。
圖3 多軸向鋪緯經(jīng)編機(jī)設(shè)備構(gòu)成
圖4 多軸向鋪緯經(jīng)編機(jī)控制系統(tǒng)示意圖
2.1 電子送經(jīng)系統(tǒng)
電子送經(jīng)機(jī)構(gòu)作為現(xiàn)代高速經(jīng)編機(jī)重要部分之一，具有操作方便、精度高、重現(xiàn)性好、噪聲低、機(jī)速快等優(yōu)點(diǎn)。電子送經(jīng)需要配合主軸的成圈機(jī)構(gòu)精確、穩(wěn)定地送出所需紗量，完成對(duì)鋪設(shè)好的緯紗進(jìn)行縫紉。由于盤(pán)頭退繞造成直徑不斷減小，為保證送紗線(xiàn)速度不變，需要可靠地計(jì)算當(dāng)前的角速度，并且要在高速送紗的過(guò)程中，實(shí)時(shí)變更控制參數(shù)，否則就會(huì)造成崩紗。這就對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間提出了較高要求。這里使用了貝加萊的從軸跟隨技術(shù)。
圖5 電子送經(jīng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成
如圖5所示，電子送經(jīng)系統(tǒng)主要包括以下環(huán)節(jié)：
?、?測(cè)長(zhǎng)羅拉;
?、?伺服驅(qū)動(dòng)器;
③ 伺服電機(jī);
?、?、⑤ 傳動(dòng)裝置。
通過(guò)對(duì)送經(jīng)原理的分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)控制算法的自變量不是時(shí)間，而是經(jīng)軸紗線(xiàn)卷繞外徑，也即外周長(zhǎng)的變化。
所采用的算法基于以下原則：在一定的主軸速度下需要消耗的經(jīng)紗長(zhǎng)度與相應(yīng)的經(jīng)軸送經(jīng)速度下的繞紗長(zhǎng)度相等。間接計(jì)算法則假設(shè)紗線(xiàn)均勻地逐層纏繞在經(jīng)軸上，而經(jīng)軸當(dāng)前紗繞外周長(zhǎng)與經(jīng)軸退繞圈數(shù)成線(xiàn)性關(guān)系。
由分析得出：利用新經(jīng)軸上機(jī)時(shí)輸入的經(jīng)軸滿(mǎn)卷時(shí)紗繞外周長(zhǎng)Cmax、經(jīng)軸空繞時(shí)外周長(zhǎng)Cmin、經(jīng)軸滿(mǎn)卷時(shí)紗繞總?cè)?shù)W等參數(shù)和每一周期內(nèi)經(jīng)軸的退繞總?cè)?shù)Zi，按照一定公式可實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)軸電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速設(shè)定值Nbmi的計(jì)算，而其中的Cmax和W值則可直接從整經(jīng)工藝中獲得。
2.2 鋪緯系統(tǒng)
2.2.1 鋪緯工藝簡(jiǎn)介
鋪緯系統(tǒng)是多軸向鋪緯經(jīng)編機(jī)的核心系統(tǒng)，也是整機(jī)的控制難點(diǎn)所在。設(shè)計(jì)要求是每組鋪緯器要分別在運(yùn)行的軌道上動(dòng)態(tài)地完成不同角度(三組鋪緯器可分別設(shè)置從±45度到90度的角度)的緯紗鋪設(shè)，如圖6所示。鋪好的緯紗輸送至機(jī)頭完成縫紉。這里使用了CNC數(shù)控技術(shù)。
圖6 多軸向鋪緯&經(jīng)編示意圖
2.2.2 鋪緯運(yùn)動(dòng)軌跡概述
完成一次鋪緯動(dòng)作稱(chēng)一個(gè)鋪緯周期，在左、右二個(gè)導(dǎo)軌的鋪緯使用的時(shí)間相同，但鋪緯軌跡不同，因此二個(gè)鋪緯周期稱(chēng)為一個(gè)鋪緯循環(huán)。
在一個(gè)鋪緯周期中，有不同方向的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，也有停等時(shí)刻，它們所需時(shí)間可以合理分配時(shí)鐘脈沖數(shù)來(lái)度量，如壓紗板抬起的動(dòng)作，若分配的時(shí)鐘脈沖少了，那未壓紗板還未抬起，小車(chē)就移動(dòng)了，這樣壓紗板會(huì)打壞緯紗鉤;若分配的時(shí)鐘脈沖太多，因?yàn)橐粋€(gè)鋪緯周期的時(shí)鐘數(shù)是固定的，其他動(dòng)作分配的時(shí)間就少了，影響其他動(dòng)作，因此必須統(tǒng)籌分配。
一個(gè)鋪緯周期的時(shí)鐘脈沖數(shù)隨密度、鋪緯寬度而變化，如極限條件T=2865.12脈沖/周期;常規(guī)條件T=8595.36脈沖/周期。為了使控制模型簡(jiǎn)化，一般在極限條件下盡可能地合理分配各動(dòng)作的時(shí)鐘脈沖數(shù)，使其能基本正常工作，并將它折算成百分比，對(duì)于不同鋪緯周期的時(shí)鐘脈沖數(shù)，按此比例來(lái)進(jìn)行分配。
3 結(jié)束語(yǔ)
該設(shè)備投產(chǎn)后，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，各方面技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，并通過(guò)了部級(jí)科技成果鑒定。有關(guān)認(rèn)證結(jié)論為：該經(jīng)編機(jī)的研制成功，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)高速幅寬多軸向經(jīng)編機(jī)的空白，整機(jī)性
能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。該成果獲得中國(guó)紡織工業(yè)協(xié)會(huì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、江蘇省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)、常州市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介
李寧波 (1980~)，男，貝加萊工業(yè)自動(dòng)化( 上海)有限公司 技術(shù)部 技術(shù)支持工程師。
（轉(zhuǎn)載）
