晏春雨

[摘? ? 要]新型絎縫機針梭采用伺服電機同步運行是必然趨勢，并且已經(jīng)在市場中被應用。本文基于研為運動控制卡提出并實現(xiàn)了一種絎縫機針梭電機主從同步運行方案。并且在此硬件基礎上開發(fā)了上位機軟件。通過對實際運行狀態(tài)的測試驗證，實現(xiàn)了同步運行幾個參數(shù)的探討性研究。最后通過實際絎縫測試驗證了參數(shù)設置的合理性以及該方案的可靠性。

[關鍵詞]iMC404E;運動控制卡;主從同步;同步參數(shù)

[中圖分類號]TS941.5 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）03–0–03

[Abstract]It is an inevitable trend that the needle shuttle of new quilting machine runs synchronously with servo motor and has been applied in the market. Based on the function of motion control card， this paper proposes and realizes a master-slave synchronous operation scheme of quilting machine needle shuttle motor. On the basis of this hardware， the upper computer software is developed. Through the test and verification of the actual running state， the exploratory research on several parameters of synchronous operation is realized. Finally， the rationality of parameter setting and the reliability of the scheme are verified by actual quilting test.

[Keywords]iMC404E; motion control card;? master-slave synchronization; parameter of? synchronization

1 概述

絎縫機主軸分為上機頭與下機座，上機針往復運動與機座旋梭高速旋轉需要嚴格的位置對應關系才能保證絎縫勾線精度以及較低的斷線率。傳統(tǒng)絎縫機通過一個異步電機帶動復雜花鍵軸機構實現(xiàn)硬連接，上位機通過RS485串口控制變頻器，其優(yōu)點是同步剛性優(yōu)異。有噪音大、精度保持性差、最高轉速低、絎縫效率低等缺點。以前在電氣上不容易實現(xiàn)軟同步，這也是不得已而為之的方案?，F(xiàn)在伺服電機各種硬件板卡性能的提升讓兩個電機實現(xiàn)無硬連接的軟同步成為主流方案。

基于伺服電機高可控性的基礎，電氣同步具有高速高效、靜音、精度保持性好以及傳動鏈極簡諸多優(yōu)點使其淘汰機械式同步成為必然。絎縫機針梭同步運行的本質(zhì)是兩電機轉速和相對位置一致，理想狀態(tài)下兩電機相對位置完全一致就能保證機針和旋梭相對位置一致從而保證勾線穩(wěn)定性。如果偏差過大則會導致勾線不成功跳線以及浮線。實現(xiàn)伺服電機同步運行的控制方式分類很多，對于絎縫機這一類經(jīng)濟型系統(tǒng)常見以下三種方案：總線式系統(tǒng)實現(xiàn)、控制卡實現(xiàn)、伺服驅動實現(xiàn)。

本文基于研為4軸以太網(wǎng)接口iMC4xxE/A系列運動控制卡，實現(xiàn)通用伺服驅動的同步運行。并且基于實際測試斷線率以及相關報警，確定了比較合理的同步參數(shù)閾值。并且最終在絎縫機上實際驗證了該方案的可行性與可靠性。

2 系統(tǒng)控制配置與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)結構與基本電路

上述提到的三種伺服電機同步方式，總線式同步采用CAN、profibus或者工業(yè)以太網(wǎng)等總線通信方式，由于通信速率高硬件功能強大，這種方式能達到很高的同步運行精度，不過相對成本也比較高;控制卡同步和伺服驅動實現(xiàn)同步以上位機脈沖方式控制驅動，其中伺服驅動同步只需要上位控制器（或控制卡）一個軸通道就可以實現(xiàn)，由于沒有位置反饋給上位機，同步精度難以保證與監(jiān)控。

綜上所述，本文采用具有龍門同步功能的四軸以太網(wǎng)運動控制卡來實現(xiàn)針梭電機同步運行以及反饋位置采集進而實現(xiàn)誤差監(jiān)控。本文選用控制卡型號為IMC404E，具有四個通道可以編程，實現(xiàn)四個軸的運動控制。伺服選用松下NEW-E系列750W驅動以及電機，伺服驅動型號為MCDJT3220，伺服電機型號為MHMJ082G1U。

對于龍門式結構設備如龍門銑床、激光切割機等設備需要雙邊雙電機驅動[3]，需要兩個電機精確同步運行才能達到即實現(xiàn)精確定位又不會因為同步超差導致機械干涉卡死的功能。針對這種需求，一部分運動控制卡開發(fā)了兩電機同步運行的功能函數(shù)，控制卡使用者通過高級語言調(diào)用相關函數(shù)實現(xiàn)兩電機同步運行的功能又稱為龍門同步功能。本文基于IMC404E的龍門同步功能實現(xiàn)了針梭電機同步運行。

圖1為本文同步控制系統(tǒng)示意圖，其中XY兩個通道用于實現(xiàn)絎縫機軌跡控制，通道軸3軸4用于針梭電機同步控制，當兩軸同步以后，上位機把這兩個軸當成一個同步軸來控制。該控制卡同步功能采用的是主從跟隨模式，其中軸4是機頭機針軸也是同步軸主軸，軸3是機座旋梭軸也是同步軸從軸?？刂瓶ㄖ鬏S同時接收電機驅動反饋的實時位置信號，通過電機實時位置誤差動態(tài)調(diào)整兩電機的相對位置。

2.2 同步運行的軟件程序實現(xiàn)

本文基于VC++編寫上位機軟件，結合控制卡提供的函數(shù)庫在軟件中實現(xiàn)絎縫機所有功能。IMC404E控制卡與同步相關的寄存器參數(shù)如表1所示。

使能同步功能只需要設置以上參數(shù)就可以。其中errwin是誤差補償閾值，errlim是報警誤差閾值，兩者單位都是脈沖數(shù)。對控制卡的所有操作指令本質(zhì)上都是對控制卡寄存器的讀寫，對于16位寄存器，控制卡提供的功能函數(shù)是：

int PKG_IMC_SetParam16（IMC_HANDLE handle，short paramloc，short data，int axis，int fifo）

該函數(shù)參數(shù)說明：

handle：設備句柄，是上位機調(diào)用控制卡函數(shù)的指針。

paramloc：表示當前被寫入的寄存器地址。

data：當前寫入的16 位整型數(shù)據(jù)。

axis：當前寄存器所屬的軸號;如果是全局寄存器，則將 axis 設為 0。

fifo：指令順序執(zhí)行存放的通道，先放入的指令先執(zhí)行。

所以同步功能使能代碼及注釋如下：

PKG_IMC_SetParam16（m_handle，mainaxis，3，2，SEL_QFIFO）;//軸3跟隨軸4運動。

PKG_IMC_SetParam16（m_handle，kp，0.1，2，SEL_QFIFO）;//誤差超過糾偏閾值時以0.1的比例系數(shù)進行糾正。

PKG_IMC_SetParam16（m_handle，win，100，2，SEL_QFIFO）;//誤差補償閾值是100個脈沖（默認值）。

PKG_IMC_SetParam16（m_handle，errlim，1000，2，SEL_QFIFO）;//誤差報警閾值是1000個脈沖（默認值）。

PKG_IMC_SetParam16（m_handle，mainptr，curvel，2，SEL_QFIFO）;//從軸跟隨主軸速度參數(shù)運動。

以上參數(shù)是從軸軸3的參數(shù)，需要注意的是，軸1、2、3、4對應內(nèi)部的邏輯軸號是0、1、2、3。

圖2為主從控制原理框圖，上述程序使能同步功能以后，主軸電機接受上位機脈沖指令以設定速度運轉，從軸接受相同脈沖跟隨主軸運轉。當控制卡接收到的主從編碼器反饋偏差的絕對值超過100個脈沖時，系統(tǒng)認為從軸需要補償，并且按照偏差和補償系數(shù)kp的乘積進行補償跟隨，知道偏差重新小于100這個閾值。如果在負載激增或者其它特殊情況下，從軸和主軸誤差超過1000個脈沖，也就是1/10圈。此時認為嚴重超限，系統(tǒng)置位錯誤寄存器，相當于輸出一個報警信號用于停止主從軸。

3 實際絎縫運行測試結果以及同步關鍵參數(shù)確定

同步參數(shù)中errwin，errlim和kp是經(jīng)過實際測試取得的經(jīng)驗值，過大或者過小都會影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行。本文上位機軟件中開發(fā)了平均誤差監(jiān)控顯示界面，并且具備完善的報警提示功能。errwin 過小或者kp過大會導致調(diào)整過快或者超調(diào)加速度超限報警。errlim過小會導致頻繁停機，所以取默認值1000?？刂平Y合實際驗證幾個參數(shù)統(tǒng)計結果。如表2表3所示：

通過以上圖表可以看出，在其他參數(shù)不變只改變一個值得情況下，初步可以確定kp設定值過小過大都會影響跟隨誤差，其取值在0.05～0.2左右。errwin取值小于30就會導致報警頻繁，其取值應大于40且越小理論跟隨精度越高。當然以上測試從統(tǒng)計學上來講數(shù)據(jù)量少，參數(shù)也并不精確，不過可以基本確定取值范圍?；谶@個范圍本文中errwin設定50，errlim設定1000和kp設定0.1，然后對這一組參數(shù)進行大量實際測試與客戶現(xiàn)場使用，驗證了該組取值完全能夠滿足絎縫機針梭同步需求的絎縫精度。

4 結語

本文基于控制卡提供的龍門同步功能以及相關函數(shù)實現(xiàn)了絎縫機上針梭同步應用，并且根據(jù)測試結果確定了穩(wěn)定絎縫的同步參數(shù)取值范圍，最后結合實際絎縫加工驗證了參數(shù)選取的合理性該同步方案的絎縫可靠性。

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