陳速記

摘 要：隨著電子、電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，伺服電機(jī)、伺服控制器的成本越來越低，應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣泛。在高精度控制要求的場合，都會(huì)考慮到應(yīng)用伺服控制。

關(guān)鍵詞：多軸伺服；PLC控制；伺服控制

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）15-0091-02

1 送紗軸數(shù)的確定

現(xiàn)有的編織機(jī)只有一個(gè)異步電機(jī)喂紗，它的喂紗動(dòng)作與喂紗量是通過一個(gè)行程開關(guān)控制，上下經(jīng)紗的喂紗羅拉是通過鏈條、鏈輪按一定的傳動(dòng)比連接在一起的，兩條喂紗羅拉是一起轉(zhuǎn)動(dòng)的。當(dāng)紗線張力變大時(shí)，經(jīng)紗拉著導(dǎo)向滾筒向前移動(dòng)，當(dāng)導(dǎo)向滾筒碰到限位行程開關(guān)后，行程開關(guān)動(dòng)作再控制喂紗電機(jī)的接觸器吸合，喂紗電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)喂紗，當(dāng)經(jīng)紗張力變小時(shí)，導(dǎo)向滾筒會(huì)在拉簧的作用下復(fù)回原位，限位行程開關(guān)復(fù)位，接觸器斷開，這樣就完成了一次喂紗動(dòng)作。這種機(jī)械式的喂紗方式，無論是喂紗時(shí)機(jī)還是喂紗量都是單一的，喂紗精度也無法控制，所以毯面花型也比較單一，花型的變化只能靠變換起棕方式來實(shí)現(xiàn)。要改變這一狀況，就必須更改喂紗方式，并且使喂紗羅拉能夠單獨(dú)受控。

同一組經(jīng)紗只有通過不同的喂紗羅拉喂紗才可以產(chǎn)生不同的喂紗量，才能在同一經(jīng)向上產(chǎn)生高起珠、低起珠或者平紋，通過不同的喂紗規(guī)律就可以產(chǎn)生立體的花型效果。出于知識(shí)水平的限制，更多的是花型設(shè)計(jì)層面的限制，我決定第一臺(tái)多軸喂紗編織機(jī)采用3軸喂紗；一軸的經(jīng)紗負(fù)責(zé)織平紋，另兩軸的經(jīng)紗負(fù)責(zé)高起珠和低起珠，目的是先驗(yàn)證多軸喂紗的編織機(jī)是否能夠織出立體花型效果的地毯，這樣也可以花較少的資金在短時(shí)間內(nèi)制造出一臺(tái)機(jī)器，并生產(chǎn)一批新產(chǎn)品投放市場，以檢驗(yàn)市場反應(yīng)。

這臺(tái)多軸喂紗編織機(jī)織出來的地毯，它的珠高要求精確到毫米級(jí)，并且機(jī)器要在連續(xù)運(yùn)行的情況下不停的改變喂紗量，需要喂紗羅拉有著極高的響應(yīng)速度，以保證織出的毯面效果是符合設(shè)計(jì)要求的，使毯面表現(xiàn)出有規(guī)律的高低不平、美觀的立體感。

2 機(jī)械構(gòu)造設(shè)想

機(jī)械的起棕、引緯、打緯部分沒有重新設(shè)計(jì)，而是直接引用過來，依然采用偏心輪起棕、有梭引緯、機(jī)械打緯的模式，對(duì)于劍麻行業(yè)來說，這種有梭引緯與重型機(jī)械打緯機(jī)構(gòu)有著無梭織機(jī)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)；這種機(jī)構(gòu)可以編織粗紗、高緯密、自然邊的地毯，而無梭織機(jī)即無法做到。由于這2個(gè)機(jī)構(gòu)的重要特點(diǎn)，所以沿用下來，而機(jī)械送經(jīng)、地毯卷取兩部分則重新設(shè)計(jì)。

機(jī)械送經(jīng)部分，喂紗羅拉由原來的2條增至3條喂紗羅拉，并且每一條喂紗羅拉由一套伺服電機(jī)控制，每一條羅拉都可以單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，它們之間沒有任何機(jī)械連接。其中一條喂紗羅拉負(fù)責(zé)喂入下紗，編織地毯結(jié)構(gòu)的平紋；另兩條喂紗羅拉負(fù)責(zé)喂入2種上紗，編織地毯結(jié)構(gòu)的高低花紋。而且每一條喂紗羅拉都要有一條張力檢測滾筒，以檢測經(jīng)紗的張力。以方便尋緯、斷紗等編織錯(cuò)誤處理時(shí)有參考的依據(jù)，這樣可以快速恢復(fù)正常開機(jī)。如果沒有經(jīng)紗張力檢測，那么在尋緯動(dòng)作后經(jīng)紗張力已改變，此時(shí)直接開機(jī)，地毯毯面的花型就會(huì)變樣，要么毯面緯密變密了、花型變小，要么毯面緯密變疏了、花型變大、變松散，不管是那種后果，這樣的地毯都是不合格的產(chǎn)品、是廢品，這是不允許的。

同時(shí)考慮到喂紗有累積誤差，這種喂紗累積誤差來自這種重型織機(jī)的固有特性，高開口、強(qiáng)打緯力都會(huì)使經(jīng)紗形變較大而有輕微的拉長。所以喂紗除了用伺服電機(jī)精確控制喂紗量外，每一軸喂紗羅拉必須還要有一套張力檢測裝置，便于控制經(jīng)紗的張力，實(shí)現(xiàn)喂紗的另一個(gè)張力反饋，實(shí)現(xiàn)位置加張力的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)喂紗量設(shè)置過少導(dǎo)致張力過大時(shí)，PLC檢測到后可以馬上控制喂紗羅拉加快喂紗速度，張力偏小時(shí)，可以減少喂紗速度以達(dá)到張力平衡，進(jìn)而可以保護(hù)機(jī)器不會(huì)因?yàn)閺埩^大而損壞，同時(shí)可以保證毯面效果。出于這兩方面考慮，每一條喂紗羅拉都必須要有一條經(jīng)紗張力檢測滾筒。

地毯卷取裝置也由原來的機(jī)械卷取重新設(shè)計(jì)成單獨(dú)的伺服電機(jī)卷取，以方便控制地毯毯面的緯密。這樣就可以方便的在觸摸屏上更改地毯的緯密，而不需要機(jī)修工更換傳動(dòng)比上的機(jī)械齒輪，大大縮短更換品種時(shí)所需要的時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

3 控制方案的構(gòu)想與實(shí)現(xiàn)

伺服驅(qū)動(dòng)器采用位置控制模式，提前預(yù)設(shè)好伺服驅(qū)動(dòng)器的電子齒輪比，通過PLC的高速脈沖輸出口給定脈沖數(shù)量與脈沖頻率到伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器再控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)量與速度，當(dāng)伺服執(zhí)行完成后，再給一個(gè)執(zhí)行完成信號(hào)給PLC。在觸摸屏上做好可以輸入喂紗量與喂紗速度的輸入窗口，再經(jīng)過預(yù)先編好的程序自動(dòng)換算成脈沖數(shù)量與脈沖頻率，這兩個(gè)換算后的數(shù)值自動(dòng)存在PLC脈沖輸出對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器上，這樣操作工就可以根據(jù)不同的花型輸入不同的喂紗量，而不需要自己換算成脈沖量，只需要跟據(jù)毯面效果輸入自己想要的數(shù)值就可以了。

為了能達(dá)到高起珠與低起珠的效果，每一步花紋的起珠量必須要在剛剛引緯完成后到打緯完成前這段極短的時(shí)間內(nèi)完成喂入，否則毯面上就不可能產(chǎn)生高起珠、低起珠、平紋的立體效果。因?yàn)?，如果在梭口正在打開的過程，也即在引緯的過程中喂紗，會(huì)導(dǎo)致經(jīng)紗張力變松，開口不清，進(jìn)而有可能導(dǎo)致經(jīng)紗被梭子撞斷；如果在打完緯后再送經(jīng)紗過來，那么打緯前的經(jīng)紗就有可能不夠多，會(huì)導(dǎo)致毯面起珠不夠，甚至平紋的結(jié)果，更嚴(yán)重的是可能會(huì)在打緯時(shí)因張力過大而拉斷經(jīng)紗。所以在不阻礙引緯的前提下，在打緯完成前就要完成喂紗，此時(shí)喂入的經(jīng)紗才會(huì)變成地毯的珠高。這需要喂紗電機(jī)要有極高的響應(yīng)能力，也需要控制程序非?？煽俊?/p>

要使控制程序穩(wěn)定可靠，就必需知道機(jī)器剛好引完緯紗，準(zhǔn)備打緯的這一重要位置，并且還需要知道當(dāng)前所編織花型的步數(shù)，才能確定當(dāng)前步數(shù)花型的喂紗量是多少。因此需要在機(jī)器的曲軸上裝位置傳感器，曲軸轉(zhuǎn)一圈剛好對(duì)應(yīng)地毯花型的一步花紋。這樣機(jī)器就可以知道什么時(shí)候開始喂紗、喂入多少了，什么時(shí)候開始卷取、卷取多少了。

由于地毯編織機(jī)是重型織機(jī)，震動(dòng)大，車間噪音、粉塵大、環(huán)境較差，使用旋轉(zhuǎn)編碼器比較容易丟脈沖和損壞，出于簡便可靠的原則，直接選用2個(gè)防震動(dòng)能力強(qiáng)的接近開關(guān)安裝在機(jī)器的曲軸上空，與曲軸非接觸，這樣可以有效減少機(jī)械震動(dòng)對(duì)傳感器的影響，然后把檢測片做成弧形，并按增量式編碼器的原理把兩片檢測片一前一后安裝在曲軸上，兩接近開關(guān)并列固定在檢測片上方，以便產(chǎn)生一前一后的兩相脈沖信號(hào)，這種方式既可以確定開始喂紗的位置，又可以對(duì)曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)計(jì)數(shù)，并且可以判斷曲軸是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，也即對(duì)花型步數(shù)計(jì)數(shù)，正轉(zhuǎn)就加步數(shù)，反轉(zhuǎn)就減步數(shù)。這是花型能否受控的重要條件。鑒于這兩傳感器的重要性，在程序中需要寫專門判斷傳感器是否有損壞和誤動(dòng)作的程序，任何一個(gè)傳感器丟失信號(hào)就馬上報(bào)警停機(jī)，防止計(jì)數(shù)出錯(cuò)導(dǎo)致花型出錯(cuò)。同時(shí)觸摸屏也會(huì)正確顯示當(dāng)前花型步數(shù)、張力大小、喂紗量等信息，以方便操作工查看參考。

為了實(shí)現(xiàn)這些控制要求，電氣控制系統(tǒng)的主要電氣元件：PLC選擇三菱Fx5u-48MT/ES，因?yàn)镕X5u系列有4個(gè)高速脈沖輸出[1]，可以通過位置模式同時(shí)控制4軸伺服。伺服驅(qū)動(dòng)器選擇三菱的MR-JE-200B以及配套的HG-SN152J-S100伺服電機(jī)。紗線張力檢測傳感器采用自制的張力傳感器。起棕、打緯的動(dòng)力則由普通異步電機(jī)提供。

4 調(diào)試與試生產(chǎn)

機(jī)器安裝完后首先空機(jī)調(diào)試，以檢驗(yàn)機(jī)器的動(dòng)作是否按照設(shè)計(jì)的要求動(dòng)作，各部位有沒異常。第一步調(diào)試還算順利，但在機(jī)器穿紗后的調(diào)試階段還是出現(xiàn)了很多預(yù)想不到的情況。剛開始帶紗試機(jī)時(shí)，怎么也看不到我們預(yù)期的結(jié)果。毯面沒看到有高起珠、低起珠的現(xiàn)象，都是平紋，只能說織出來的是麻布，而且還是不合格的麻布，毯面很雜亂無章；出現(xiàn)這種情況，首先懷疑是不是喂紗羅拉沒有按要求喂紗?，F(xiàn)場程序運(yùn)行監(jiān)控發(fā)現(xiàn)：伺服控制器是按預(yù)先設(shè)計(jì)的喂紗順序和喂紗量執(zhí)行的，但即不見多的喂紗變成珠高。當(dāng)時(shí)百思不得其解，難道是這種多軸喂紗機(jī)構(gòu)本身不合理，所以不可能產(chǎn)生可變珠高的地毯，還是喂紗量不夠，以至打緯時(shí)經(jīng)紗不能起珠。首先排除第二種可能，加一倍喂紗量再試，結(jié)果看到有起珠的跡象了，但是珠高不穩(wěn)定，毯面花型也出不來，松松散散的。不過看到有起珠的跡象，還是增加了不少信心，證明設(shè)計(jì)的方向是對(duì)的。

接下來就是要找到珠高不穩(wěn)定的真正原因。即喂紗量受控，起珠不受控的問題點(diǎn)。通過不停的觀察發(fā)現(xiàn)：當(dāng)?shù)推鹬闀r(shí)，低起珠喂紗羅拉上的上紗是松的，打緯時(shí)這松的紗就會(huì)被打起珠，本應(yīng)低起珠的也變高起珠了。原來紗線張力不受控才是起珠不受控的真正原因。接下來就是要解決張力受控問題，市場上成熟的微動(dòng)程張力傳感器并不適用于這種重型織機(jī)，因?yàn)檫@種重型織機(jī)在打緯時(shí)張力變化很大，張力滾筒的位置需要能夠滑動(dòng)，打緯時(shí)紗線張力變大，高起珠的張力滾就要往前移，快速減少打緯的瞬時(shí)張力，保證起珠高度，如果張力滾在原位不動(dòng)，張力的瞬時(shí)過大會(huì)拉低起珠高度；不是高起珠的張力筒就要往后移，將有松動(dòng)的紗線張緊，保持張力不變。

為實(shí)現(xiàn)這一功能必須保證張力滾筒的張力是可控的。張力傳感器的行程必須夠長，長度應(yīng)該適應(yīng)最大開口到平棕的行程變化，所以在調(diào)試階段自制了適用這種要求的張力傳感器。它由拉簧和直線位移傳感器組成，拉簧的形變改變位移傳感器的電阻值，PLC檢測到位移傳感器的返回值就可知道張力滾筒當(dāng)前的張力，自制的張力傳感器通過校準(zhǔn)可以正常使用，這與張力傳感器的橋式應(yīng)變片工作原理有異曲同工之妙。雖然自制的張力傳感器不美觀，但完美解決了這一問題。高低起珠效果馬上呈現(xiàn)出來，并且很有規(guī)律，毯面花型結(jié)構(gòu)也很緊湊。起珠的高度也可以通過改變喂紗量很方便的改變。調(diào)試到這種狀態(tài)，這臺(tái)多軸伺服喂紗編織機(jī)基本上可以投入車間試生產(chǎn)。

在試生產(chǎn)階段，發(fā)現(xiàn)毯面上高起珠與低起珠的交界處緯線是彎的，但是彎的形狀大小一樣，很有規(guī)律、很美觀。于是突發(fā)奇想，又多搞了5種風(fēng)格出來：（1）完全不緯彎的風(fēng)格；（2）前直后彎的風(fēng)格；（3）前彎后直的風(fēng)格；（4）高低珠提前交接的風(fēng)格；（5）高低珠延后交接的風(fēng)格。這6種同起棕規(guī)律而不同毯面風(fēng)格的花型可以在觸摸屏上隨意設(shè)定，非常方便。

在培訓(xùn)車間員工熟練操作后，完全放手讓車間試生產(chǎn)。試生產(chǎn)期間運(yùn)行順暢、操作方便，完全符合生產(chǎn)需要。這臺(tái)多軸伺服喂紗編織機(jī)達(dá)到當(dāng)初設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

這臺(tái)3軸伺服喂紗加1軸伺服卷取的編織機(jī)織出的劍麻地毯達(dá)到預(yù)期的效果，毯面花紋立體效果明顯，收到我們新樣版的客戶都非常滿意，并驚訝我們是如何做到的。這套多軸伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用證明：多軸喂紗是可以編織出立體花型效果的劍麻地毯的；伺服控制完全勝任這一控制要求。在全球范圍，我們公司在劍麻紡織行業(yè)率先擁有了可以編織立體花型地毯的機(jī)器。

這次4軸伺服運(yùn)動(dòng)控制的成功應(yīng)用，為下次更多軸伺服運(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并積累了很多經(jīng)驗(yàn)。由于水平有限，文中大量使用口語化語言，也難免會(huì)有很多不足之處。

參考文獻(xiàn)

[1]梁耀光，余文烋.電工新技術(shù)教程[M].世界圖書出版廣東有限公司，2012.