徐久益，惠 晶，傅錫林，秦柔康

(1.江南大學 輕工過程先進控制教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2.無錫市貓頭鷹紡織器材有限公司，江蘇 無錫 214000)

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?生產(chǎn)實踐

改進型兩軸獨立驅(qū)動的磨針機放料控制系統(tǒng)

徐久益1，惠 晶1，傅錫林2，秦柔康2

(1.江南大學 輕工過程先進控制教育部重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2.無錫市貓頭鷹紡織器材有限公司，江蘇 無錫 214000)

為克服傳統(tǒng)彈性針布磨針機機械結構復雜、工作效率低、靈活性和適應性差等缺點，介紹一種錫林軸與料輥軸無機械耦合的新型結構與控制模式。改進后的磨針機采用PLC作主控制器，變頻器和異步電機組成傳動控制系統(tǒng)，通過機械解耦和同步驅(qū)動保證兩軸的獨立協(xié)同運動，實現(xiàn)了工藝參數(shù)的柔性化調(diào)整。改進型系統(tǒng)實際運行結果證明：改進后磨針機工作效率高，錫林轉(zhuǎn)速由原來的4.60 r/min提高到6.08 r/min；控制精度高，間距誤差不大于0.1 mm；適應性強，實現(xiàn)彈性針布規(guī)格變化下的柔性調(diào)整與控制；穩(wěn)定可靠、維護量小、操作簡單、壽命長。

磨針機；放料控制；彈性針布；機械解耦；兩軸獨立驅(qū)動；柔性

0 引言

紡織器材制造業(yè)是保障并提高紡織工業(yè)的基礎工業(yè)，紡織器材制造裝備水平直接影響紡織產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，在制造業(yè)勞動力成本飛升的背景下，對有效提高紡織行業(yè)的競爭力作用重大[1]。針布是梳理機的心臟，對紡紗生產(chǎn)起關鍵性作用[2]。在彈性針布的制造工藝流程中，一般需要經(jīng)過配料、植針、磨針、切條、淬火、刷光、整檢、制夾(尾夾)、上夾、檢驗包裝等多道加工工序。其中磨針工序是決定彈性針布質(zhì)量指標的最重要工序。以前的磨針工序需要經(jīng)過“放料—磨針—停機—測量—再磨針—收料”的試探性經(jīng)驗加工方法[3]，放料裝置依靠錫林主軸機械傳動把彈性針布均勻整齊、松緊適度地包裹在錫林滾筒上面，然后錫林主軸帶動導軌上的磨頭往復運動對彈性針布進行磨礪。

目前，國內(nèi)使用的磨針機錫林主軸多采用力矩電機驅(qū)動，放料輥軸與錫林主軸通過齒輪箱、鏈條等機械鏈接傳動，在保持放料線速度與錫林滾筒線速度一致的同時，放料裝置通過其內(nèi)部的齒輪作用在放料導軌上按一定的速度移動。由于針布的規(guī)格品種繁多，每次改變放料針布的品種規(guī)格都要重新調(diào)整齒輪傳動比參數(shù)，甚至更換齒輪箱等機械零件，且存在機械磨損、維護量大、噪聲大等缺點，嚴重制約了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的進一步提高，傳統(tǒng)磨針機已無法滿足生產(chǎn)工藝要求，僅用一套放料機構無法同時滿足對不同寬度針布的放料需要[4]。

1 磨針機放料和導軌系統(tǒng)控制原理

1.1 放料系統(tǒng)控制原理

針對傳統(tǒng)磨針機存在的缺點，筆者介紹一種兩軸獨立驅(qū)動的磨針機放料控制裝置。利用FX2N-80MR型可編程序控制器和變頻器組成的電氣傳動控制系統(tǒng)，將錫林主軸與料輥軸的傳動機械解耦，兩個傳動軸分別由兩臺電機獨立驅(qū)動，通過軟件編程和數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)對錫林主軸與料輥軸的柔性連接。

彈性針布磨針機控制系統(tǒng)分為放料部分、錫林滾筒控制部分、上下導軌部分和磨頭控制部分。在磨針工序，磨針機首先需要操作放料步驟，放料就是把彈性針布均勻張緊地包裹在錫林滾筒上，便于后道磨礪針布，放料操作的效果直接影響針布磨礪的精度，決定產(chǎn)品的質(zhì)量等級。

傳統(tǒng)放料裝置如圖1所示，放料前先合上連接錫林主軸與傳動鏈條的齒輪箱，放料選擇低速開啟錫林電機，放料輥軸與錫林電機通過鏈輪、鏈條傳動，保持放料線速度與錫林滾筒線速度一致的同時，放料裝置通過其內(nèi)部的齒輪作用在放料導軌上按一定的速度移動；當錫林滾筒旋轉(zhuǎn)一圈時，放料裝置在導軌上移動一條針布寬度的距離；為避免放料重疊，間距應保持一致；放料完成后及時停錫林電機，把連接錫林滾筒與料輥軸的齒輪箱移開以避免發(fā)生誤動作，最后束緊并固定好彈性針布。

傳統(tǒng)彈性針布磨針機放料是機械傳動方式，料輥軸的轉(zhuǎn)速與錫林電機的轉(zhuǎn)速n1通過鏈條傳動保持比例同步，料輥軸轉(zhuǎn)速為n0，絲杠螺距為p，錫林滾筒轉(zhuǎn)速為：錫林滾筒每旋轉(zhuǎn)一圈，料輥電機驅(qū)動放料裝置在絲杠上面移動一條針布寬度d，錫林主軸與料輥軸齒輪傳動比為i，滿足公式(1)：

(1)

1.2 放料控制系統(tǒng)的改進

為了解決傳統(tǒng)磨針機機械耦合方式傳動的一系列缺陷[5]，對磨針機進行局部改進，如圖2所示。改進后由PLC、變頻器、料輥電機組成的獨立控制系統(tǒng)，傳動比通過錫林與料輥變頻器之間的模擬量傳輸實現(xiàn)。由式(1)可知，由于絲杠螺距p固定不變，所以只需要調(diào)節(jié)傳動比i就可以滿足不同寬度針布條的要求，當針布條間距過大時，會增加上下導軌往復行程，針布磨礪有效時間減少；針布條間距過小時，會發(fā)生邊界重疊并損傷針布；所以，對于不同寬度的針布條，要保持一定的針布間距，可以調(diào)節(jié)變頻器之間的電位器改變傳動比，這樣適用于多種寬度的針布。

彈性針布磨針機的放料有幾點要求：① 放料速度要快，節(jié)省工作時間；② 放料時，彈性針布與錫林滾筒間保持穩(wěn)定的張力，保證針布在錫林滾筒上面包裹得足夠緊，這樣反復磨礪針布的時候不會因移動或褶皺影響后面的磨礪精度；③ 錫林電機與料輥電機保持同步比例傳動，保證放料間距均勻。

通過對改進后的磨針機放料系統(tǒng)進行多次放料調(diào)試，給出兩種規(guī)格針布條的放料參數(shù)，見表1，放料時針布條之間要保持一定間距的余量，避免針布重疊而損壞針布。

表1 放料規(guī)格參數(shù)

針布型號Z-L1Z-L2針布寬度d/mm45.550.5絲杠螺距p/mm66錫林轉(zhuǎn)速n1/(r·min-1)6.086.08料輥轉(zhuǎn)速n0/(r·min-1)5762針布間距l(xiāng)/mm10.7510.68

2 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設計

PLC是整個系統(tǒng)的核心控制器，以其處理速度快、抗擾能力強、編程簡單等優(yōu)點，在現(xiàn)代工業(yè)控制中得到廣泛應用。為了方便實際控制，本設計將放料控制系統(tǒng)的PLC程序加入原有的磨針機系統(tǒng)PLC總程序中，通過計算的實際輸入量點數(shù)近30個，為以備其它控制功能，預留有點數(shù)；因此，系統(tǒng)可選擇三菱系列的FX2N-80MR型PLC[6]。FX2N-80MR型PLC屬于繼電器輸出型，具有邏輯控制結構簡單、運算功能快、編寫程序簡潔等特點，可方便對電機進行啟動、制動以及調(diào)速控制，能滿足整套磨針機控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。PLC接受現(xiàn)場的操作指令、各種狀態(tài)信號的反饋，以及接受電位器的實時參數(shù)調(diào)節(jié)；全系統(tǒng)PLC的輸入功能接口如圖3所示。

按照系統(tǒng)的功能設計要求和輸入點對應的PLC輸出點的功能定義，見表2。

由于交流驅(qū)動的發(fā)展日益成熟，有許多其它驅(qū)動方式不可比擬的優(yōu)點。根據(jù)工藝要求，選用安川F7型11kW變頻器[7]作為錫林電機的驅(qū)動器，安川VS-606V7型0.75 kW變頻器[8]作為料輥電機的驅(qū)動器。安川系列變頻器主要特點為：控制模式有電壓/頻率比固定控制、矢量控制；電機啟動、制動平穩(wěn)，可實現(xiàn)無級調(diào)速；速度控制范圍廣、精度高、響應快、應用功能多[9]。

表2 PLC輸出點功能定義

類型功能變頻器驅(qū)動錫林正反轉(zhuǎn),料輥正反轉(zhuǎn),上下導軌正反轉(zhuǎn)常規(guī)驅(qū)動上下磨頭轉(zhuǎn)故障報警變頻器故障,熱繼電器,極限限位開關指示燈運行,停止,正轉(zhuǎn),反轉(zhuǎn)

變頻器接線如圖4所示，L1、L2、L3是380 V交流電輸入，QF為斷路器，R、S、T為變頻器輸入源端子，S1～S4為多功能輸入端子；U、V、W是變頻器輸出端子，連接三相電機。放料時，本系統(tǒng)變頻器選擇電壓/頻率比固定控制模式，錫林變頻器F7通過AM多功能模擬量輸出(這里的模擬量AM為0 V～10 V的電壓指令)，傳輸給料輥變頻器V7的主速度頻率指令FR，這樣可以實現(xiàn)放料時兩電機同步比例轉(zhuǎn)動，保證放料均勻、避免重疊。變頻器AC、FC端子為模擬量公共接點[8]。

2.2 系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)磨針機放料工作原理及工藝要求，確定程序的基本結構主要由下面幾部分組成：PLC主控制程序、錫林變頻器與PLC通訊程序、料輥變頻器與PLC通訊程序。這里，僅給出PLC控制程序流程，如圖5所示。

放料線上電后，系統(tǒng)檢測正常則設定針布條寬度；否則，轉(zhuǎn)到故障報警，系統(tǒng)停機。設定針布條寬度后，檢測通信成功與否，不成功則故障報警，成功則啟動錫林電機。錫林電機啟動后，料輥電機會跟著錫林電機啟動，這時就開始自動放料。放料運行后，程序?qū)崟r監(jiān)控放料線運行情況，出現(xiàn)不正常立即進行故障報警并停機。當放料裝置到達料輥軸限位時，放料結束，程序停止運行，放料線自動停機。

本系統(tǒng)PLC與變頻器通過RS-422總線進行數(shù)據(jù)通信，安川V7和F7系列變頻器內(nèi)置RS-422通信接口，可以通過R+、R-端子通信輸入，通過S+、S-端子通信輸出和PLC進行數(shù)據(jù)通訊，傳遞控制命令和接受實時運行參數(shù)；利用FX系列PLC自帶的外部設備命令及一些特殊的輔助繼電器和數(shù)據(jù)寄存器，可以方便地實現(xiàn)PLC與外部設備的通訊。本設計選用的通訊數(shù)據(jù)長度為8位，偶校驗，停止位：1位固定，通訊速度為19 200 bit/s。

改裝完成后的磨針機實物如圖6所示。

3 結語

對磨針機放料系統(tǒng)進行改進，利用PLC、變頻器和電機構成的交流驅(qū)動磨針機放料控制系統(tǒng)，具有傳統(tǒng)機械耦合式放料系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點，克服了機械結構復雜、噪聲大、磨損嚴重、放料速度慢等問題。通過實際運行檢驗，改進后磨針機具有以下優(yōu)點：① 實現(xiàn)彈性針布規(guī)格變化時的柔性調(diào)整與控制，各種規(guī)格彈性針布等間距、整齊、均勻、緊密地包裹在錫林滾筒表面，間距誤差不大于0.1 mm；② 放料兩軸獨立電氣傳動方式實現(xiàn)機械解耦，改善了機械結構，工作噪聲小、磨損小，錫林轉(zhuǎn)速由4.60 r/min提高到6.08 r/min；③ 系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，維護量小，自動化程度高，操作簡單等。

[1] 中國紡織工業(yè)聯(lián)合會.“十三五”紡織工業(yè)著力結構優(yōu)化創(chuàng)新驅(qū)動[N].中國工業(yè)報，2015-07-29 (B01).

[2] 許鑑良.梳理機用針布的發(fā)展[J].紡織器材，2014，41(1)：12-18.

[3] 魏志忠.新型彈性蓋板針布的制造設備、工藝特點及應用效果[J].紡織器材，2009，36(3)：7-11.

[4] 張國梁.國內(nèi)外針布制造設備現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].紡織器材，2011，38(1)：48-51.

[5] 彭俊，惠晶.新型鋼絲圈基片卷繞成型機的數(shù)字化實現(xiàn)[J].電氣傳動，2012，42(6)：54-58.

[6] 吳啟紅.可編程序控制系統(tǒng)設計技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012：17-32.

[7] 日本安川電機株式會社.YASKAWA F7用戶手冊[Z].2005.

[8] 日本安川電機株式會社.VS-606V7變頻器使用說明書[Z].

[9] 李春來.PLC控制電機變頻調(diào)速試驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].黑龍江科技信息，2015(12)：58.

The Improved Feeding Control System with Isolated Driven Two Shafts for the Needle Grinder

XU Jiuyi1,HUI Jing1,FU Xilin2,QIN Roukang2

(1.The Key Laboratory Attached to the Education Ministry of Advanced Controlled light Industry Process Jiangnan University,Wuxi 214122,China;2.Wuxi Owl Textile Accessories Co.,Ltd.,Wuxi 214000,China)

With regard to the problems such as complex structure,low efficiency,poor flexibility and adaptability and other shortcomings with the traditional grinder for the wire fillet clothing,a new structural control mode is introduced with a cylinder shaft coupled with the shaft of the feed roller without mechanics.The improved grinder is equipped with PLC as the main controller,and the inverter and induction motor as transmission control system.The mechanical decoupling and synchronous drive ensure a coordinated motion of the two isolated driven shafts,gaining the flexible adjustment of the process parameters.The improved product proves that it is of high efficiency with cylinder speed increase from 4.60 r/min to 6.08 r/min;high control precision with pitch error less than 0.1 mm.It is of wide application with flexible adjustment and control with the change of the specifications of the wire fillet clothing.It is stable and reliable,of little maintenance,simple operation and long service life.

grinder;feeding control;wire fillet clothing;mechanical decoupling;isolated duo-shaft driving;flexibility

2016-03-28

國家自然科學基金資助項目(51405198)

徐久益(1991—)，男，江蘇鹽城人，在讀碩士研究生，主要從事電力電子與電力傳動方面的研究。

時間：2016-04-29 16∶42

TS103.82+1

A

1001-9634(2016)05-0011-04

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1131.TS.20160429.1642.002.html