郭威東， 夏風(fēng)林， 張 琦

(江南大學(xué) 針織技術(shù)教育部工程研究中心, 江蘇 無錫 214122)

紡織品生產(chǎn)正朝著小批量、多品種、花型豐富的方向發(fā)展，而帶有機(jī)械式橫移系統(tǒng)的經(jīng)編機(jī)已不能滿足這些需求，因此，經(jīng)編機(jī)的數(shù)控化已成為當(dāng)今經(jīng)編裝備發(fā)展的一大趨勢[1]。經(jīng)編機(jī)電子橫移系統(tǒng)作為現(xiàn)代經(jīng)編機(jī)電子控制系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分，其性能決定了經(jīng)編機(jī)的生產(chǎn)速度與穩(wěn)定性[2]；同時因為經(jīng)編機(jī)梳櫛橫移運(yùn)動的復(fù)雜性與精確性，使得高速橫移系統(tǒng)的電子化與高速化成為了經(jīng)編機(jī)全面數(shù)控化的技術(shù)瓶頸[3]。

德國Karl Mayer公司推出的采用速度控制模式控制旋轉(zhuǎn)型伺服電動機(jī)的四梳電子橫移高速經(jīng)編機(jī)可達(dá)到2 200 r/min[4]，大大高于國內(nèi)廠商制造的同類機(jī)型的機(jī)器轉(zhuǎn)速。國內(nèi)對經(jīng)編伺服控制系統(tǒng)的研究主要集中在比例積分微分(PID)控制與建模仿真上，其中,鄭寶平等設(shè)計了基于雙PID控制模式的經(jīng)編機(jī)電子橫移控制系統(tǒng)[5];劉念等對經(jīng)編梳櫛橫移機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析并建立動力學(xué)模型[6];付睿云等建立了經(jīng)編機(jī)橫移機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型并得出不同控制參數(shù)對系統(tǒng)伺服剛度的響應(yīng)規(guī)律[7]。

本文基于上述理論研究，通過對高速經(jīng)編機(jī)電子橫移系統(tǒng)工作原理和橫移運(yùn)動工藝要求的深入研究，通過一系列實驗探究了伺服電動機(jī)負(fù)載慣量比、磁極對數(shù)等因素對橫移運(yùn)動精確性和穩(wěn)定性的影響。

1 電子橫移控制系統(tǒng)分析

經(jīng)編機(jī)電子橫移控制系統(tǒng)由機(jī)械傳動與系統(tǒng)控制兩部分組成，如圖1所示。機(jī)械傳動部分目前主要采用旋轉(zhuǎn)式伺服系統(tǒng)和滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)型式，以驅(qū)動梳櫛進(jìn)行橫移；系統(tǒng)控制部分由控制單元(上位機(jī))、伺服執(zhí)行單元、運(yùn)動反饋單元和主軸信號單元等組成?？刂茊卧钦麄€系統(tǒng)的核心，由工控機(jī)、運(yùn)動控制卡、可編程邏輯控制器(PLC)等組成，對梳櫛運(yùn)動曲線進(jìn)行規(guī)劃，并根據(jù)主軸的位置與速度信號控制伺服系統(tǒng)工作，并對運(yùn)動反饋單元反饋的運(yùn)動位置、伺服狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測與控制。其中伺服系統(tǒng)是機(jī)械傳動與系統(tǒng)控制兩部分的共有交互點，對電子橫移系統(tǒng)的高速性能影響顯著。伺服驅(qū)動器根據(jù)控制單元給定的模擬信號(電壓)或脈沖頻率控制伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)動，同時滾珠絲杠將電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，使梳櫛進(jìn)行橫移運(yùn)動。

圖1 經(jīng)編電子橫移系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

高速經(jīng)編機(jī)在編織生產(chǎn)時，主軸每轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)，導(dǎo)紗針需要分別完成2次橫移運(yùn)動，在這個運(yùn)動過程中，當(dāng)織針擺入織針平面時，為避免擦針和擦傷紗線，梳櫛停止橫移或者進(jìn)行微量橫移，當(dāng)擺出織針平面時，梳櫛進(jìn)行針前或針背的橫移[8]。梳櫛橫移與經(jīng)編機(jī)主軸轉(zhuǎn)角相關(guān)，橫移所需時間與主軸轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系，即經(jīng)編機(jī)轉(zhuǎn)速越高，梳櫛橫移的實際時間越短。梳櫛橫移表現(xiàn)為“靜止→運(yùn)動→靜止→運(yùn)動”，而伺服電動機(jī)則是按“加速→減速→靜止→加速→減速→靜止”6個階段進(jìn)行運(yùn)動，如圖2所示。這種工作循環(huán)對伺服系統(tǒng)有著嚴(yán)苛的高響應(yīng)性要求，必須在盡可能短的時間內(nèi)完成信號接收、處理、運(yùn)轉(zhuǎn)3種狀態(tài)的不間斷切換。以實驗中采用的GET4-EL型特里科高速經(jīng)編機(jī)(福建佶龍產(chǎn))為例，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到1 500 r/min時，第一把橫移梳櫛GB1針前橫移時間約為8.3 ms，針背橫移時間約22.8 ms。

θ2、θ3、θ4—針前橫移; θ5、θ6、θ1—針背橫移。

另外橫移的運(yùn)動精度對經(jīng)編機(jī)橫移系統(tǒng)的高速性也有影響。如果橫移不準(zhǔn)確即電動機(jī)實際旋轉(zhuǎn)角度與要求旋轉(zhuǎn)角度不一致，會引起擦針現(xiàn)象，進(jìn)而容易造成斷經(jīng)，影響生產(chǎn)效率；當(dāng)橫移偏差嚴(yán)重時會撞壞織針及導(dǎo)紗針。在經(jīng)編高速運(yùn)轉(zhuǎn)時橫移精度要求高，且不能有累積誤差。

2 實驗部分

2.1 實驗原理

借助多摩川伺服驅(qū)動器配套的運(yùn)動監(jiān)測軟件(RS_Ware)進(jìn)行運(yùn)動數(shù)據(jù)采集，對主軸轉(zhuǎn)速信號、橫移指令信號和伺服電動機(jī)實際運(yùn)轉(zhuǎn)反饋信號進(jìn)行實時采集與監(jiān)測，分析在選用不同的伺服電動機(jī)或慣量比參數(shù)條件下橫移指令信號和伺服電動機(jī)運(yùn)動反饋信號的同步性，即伺服電動機(jī)的高速響應(yīng)性與動態(tài)跟隨性，得到不同的伺服電動機(jī)參數(shù)對經(jīng)編機(jī)電子橫移系統(tǒng)高速性的影響。

2.2 實驗平臺

實驗在特里科經(jīng)編機(jī)上進(jìn)行，幅寬2.29 m、機(jī)號E28，配有如圖1所示的電子橫移控制系統(tǒng)。測試梳櫛為GB1，進(jìn)行1-0/2-3//的橫移運(yùn)動，其中針前允許橫移的主軸轉(zhuǎn)角為125°～200°，針背橫移為255°～360°+100°。

2.3 實驗方法與步驟

1)根據(jù)實驗要求對電子橫移系統(tǒng)各部件進(jìn)行選擇并搭建實驗平臺。同時將伺服電動機(jī)與伺服控制器連接，再將伺服控制器與安裝有監(jiān)測與分析軟件(RS_Ware)的計算機(jī)相連。

2)將經(jīng)編機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度設(shè)定至實驗所需轉(zhuǎn)速，運(yùn)行計算機(jī)上的RS_Ware監(jiān)測與分析軟件，設(shè)置采樣參數(shù)。經(jīng)多次確定采樣周期為0.5 ms，采樣時間為150 ms。在此設(shè)置下可得到梳櫛橫移整個循環(huán)的完整數(shù)據(jù)。

3)為防止出現(xiàn)因機(jī)器狀況而引起的誤差，在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定1 min后再開始進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)采集，采集完成后繪制指令轉(zhuǎn)速信號與反饋轉(zhuǎn)速信號變化曲線，并進(jìn)行比對分析。

4)改變實驗變量(慣量比參數(shù)、電動機(jī)磁極對數(shù)、電動機(jī)額定功率)后再次重復(fù)步驟3)，并分析不同類型變量對于電子橫移系統(tǒng)高速性能的影響。

3 數(shù)據(jù)與分析

3.1 電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量比的影響與分析

經(jīng)編電子橫移伺服系統(tǒng)中需要控制的運(yùn)動量是梳櫛的橫移距離，實驗中是以安裝在電動機(jī)上的編碼器反饋回驅(qū)動器的脈沖數(shù)經(jīng)過計算后得到的位置來表示負(fù)載梳櫛橫移運(yùn)動量。由于有限的橫移機(jī)械系統(tǒng)剛性，同時轉(zhuǎn)動慣量對伺服系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性、動態(tài)響應(yīng)都有很大影響，因此在負(fù)載慣量確定的情況下，折算到電動機(jī)軸的負(fù)載慣量與電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量之比要合適，必須合理取值，否則系統(tǒng)一般會出現(xiàn)振蕩甚至失控。轉(zhuǎn)動慣量比為電動機(jī)總負(fù)載慣量與電動機(jī)自身轉(zhuǎn)動慣量的比值，即轉(zhuǎn)動慣量比JR的計算公式[9]為

(1)

式中：Jm為電動機(jī)軸自身慣量，kg·m2;Jt電子橫移系統(tǒng)中折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2。

轉(zhuǎn)動慣量是剛體繞軸轉(zhuǎn)動時慣性(回轉(zhuǎn)物體保持其勻速圓周運(yùn)動或靜止的特性)的量度，一般來說每款電動機(jī)在設(shè)計時都被賦予了確定的轉(zhuǎn)動慣量值，負(fù)載是指經(jīng)過折算后附加在伺服電動機(jī)軸上的總慣量。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該電子橫移系統(tǒng)中折算到電動機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jt為

(2)

式中：M1為與電動機(jī)軸直連的聯(lián)軸節(jié)質(zhì)量，kg；D1為聯(lián)軸節(jié)直徑，cm；M2為與滾珠絲杠的絲桿部分的質(zhì)量，kg；D2為滾珠絲杠絲桿部分直徑，cm；P為絲杠螺矩，cm；i為電動機(jī)與絲杠之間的降速比；M3為滾珠絲杠螺母部分、緊固件和梳櫛等直線運(yùn)動物體的總質(zhì)量，kg。

經(jīng)編電子橫移系統(tǒng)中直接或者間接地與電動機(jī)軸相連的部件以及參數(shù)經(jīng)測量匯總后如下：梳櫛質(zhì)量為5.11 kg，頂桿與拉繩質(zhì)量為0.45 kg，緊固件(含滾珠絲杠螺母)質(zhì)量為9.06 kg，滾珠絲杠質(zhì)量為(絲杠部分)0.69 kg，聯(lián)軸節(jié)質(zhì)量為0.24 kg。其中滾珠絲杠絲桿部分和聯(lián)軸節(jié)會隨工藝的變化而變化。由于經(jīng)編機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時紗線處于運(yùn)動狀態(tài)，其慣量時刻變化而無法確定，同時為驗證實驗參數(shù)對織造坯布效果影響，故在實驗中導(dǎo)紗針中僅在中央位置滿穿部分紗線。將式(2)代入(1)并根據(jù)測量數(shù)據(jù)，最終可得電子橫移系統(tǒng)中的慣量比JR為

根據(jù)經(jīng)驗所得滾珠絲杠常用適宜慣量比在2左右[10]。

為測試慣量比參數(shù)對經(jīng)編電子橫移系統(tǒng)的影響，在伺服驅(qū)動器調(diào)試軟件界面中對0.04-Inertia Ratio參數(shù)進(jìn)行修改，分別設(shè)置不同的慣量比參數(shù)(分別為1.0、2.0、3.0)進(jìn)行測試?？紤]到在經(jīng)編機(jī)高轉(zhuǎn)速時由于慣量比不匹配可能出現(xiàn)的斷紗撞針等一系列嚴(yán)重后果，實驗設(shè)置在機(jī)器轉(zhuǎn)速1 500 r/min下監(jiān)測電動機(jī)實時運(yùn)動狀況，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析作圖如圖3所示。

圖3 不同慣量比參數(shù)下梳櫛運(yùn)動速度曲線對比

從圖3中可看出，當(dāng)慣量比設(shè)置為2.0時，電動機(jī)的反饋速度與伺服驅(qū)動器的指令速度配合較好且沒有出現(xiàn)過多超調(diào)現(xiàn)象，經(jīng)編機(jī)在主軸速度1 500 r/min時整體運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，織出的坯布布面整潔疵點較少。當(dāng)慣量比設(shè)置為1.0時，由于慣量比偏小即慣量不匹配，橫移系統(tǒng)整體剛度過小，伺服電動機(jī)的反饋速度與指令速度的匹配性較差，在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時電動機(jī)沒有按照上位機(jī)運(yùn)動控制卡規(guī)劃的狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，在針前橫移結(jié)束后出現(xiàn)因慣量比過小產(chǎn)生的換向反沖，反映到經(jīng)編機(jī)上表現(xiàn)為梳櫛在進(jìn)行針前針背橫移時均出現(xiàn)擦針現(xiàn)象，同時織出的坯布布面出現(xiàn)很多破洞疵點。當(dāng)采用3.0慣量比設(shè)定過大時，系統(tǒng)剛性過大而速度超調(diào)，在針前橫移結(jié)束后出現(xiàn)因慣量比過大產(chǎn)生的振蕩現(xiàn)象，經(jīng)編機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定并伴隨無法調(diào)節(jié)的擦針并伴隨因張力波動而出現(xiàn)的斷紗現(xiàn)象。

3.2 伺服電動機(jī)選型的影響與分析

伺服電動機(jī)的選型，首先要保證橫移梳櫛的最大運(yùn)動速度vmax經(jīng)滾珠絲杠導(dǎo)程l折算后，到電動機(jī)主軸上的轉(zhuǎn)速n不超過電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速nm，即

(3)

根據(jù)伺服電動機(jī)的運(yùn)動曲線，負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)當(dāng)滿足一定要求：當(dāng)經(jīng)編機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時，負(fù)載施加在電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩不超過電動機(jī)自身的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍，即系統(tǒng)中折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為

(4)

式中：Tl為折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m；K為滾珠絲杠的扭矩系數(shù)，K=0.1/tanβ，β為滾珠絲杠的導(dǎo)程角；Fa0為滾珠絲杠螺母的預(yù)壓負(fù)載；F為軸向時所需的力，N；TB為滾珠絲杠支撐軸承摩擦轉(zhuǎn)矩之和，N·m;η2為滾珠絲杠的正向效率(將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動)，%；η1為齒輪的傳動效率，%；TA為電動機(jī)同軸齒輪支撐軸承摩擦轉(zhuǎn)矩之和，N·m。

根據(jù)上述公式以及電動機(jī)運(yùn)動曲線的特性，實驗選擇了3種不同型號電動機(jī)進(jìn)行測試，其主要參數(shù)分別如表1所示。

表1 實驗用3種伺服電動機(jī)參數(shù)

考慮到經(jīng)編機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度及其變化對于梳櫛橫移時間以及橫移系統(tǒng)的響應(yīng)影響很大，實驗設(shè)定在1 500和2 000 r/min 2種轉(zhuǎn)速下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)多次實驗得出數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。根據(jù)電動機(jī)設(shè)計原理，電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動與電動機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)有關(guān)，增加磁極對數(shù)有利于提高電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性[11]。從圖中得到的運(yùn)動曲線中也可清楚地看出，電動機(jī)磁極對數(shù)的改變會明顯影響電子橫移系統(tǒng)的性能。

圖4 不同速度下3種伺服電動機(jī)梳櫛運(yùn)動速度曲線對比

在伺服電動機(jī)功率不變，電動機(jī)磁極對數(shù)從8對極改為10對極，即優(yōu)化了電動機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，編織同一花型工藝時，電動機(jī)的反饋速度與指令速度的匹配性提高。經(jīng)多次實驗數(shù)據(jù)對比，指令速度與反饋速度之間的時間間隔從(2±0.2) ms減少至(1±0.2) ms，大大提升了電子橫移系統(tǒng)的響應(yīng)性。經(jīng)編機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度為1 500 r/min的情況下，采用10對極的伺服電動機(jī)時，單次橫移時伺服電動機(jī)的加減速響應(yīng)提高，而最高轉(zhuǎn)速降低，即梳櫛橫移運(yùn)動的加速度加大，動能降低，橫移運(yùn)動整體更平滑緩和。當(dāng)經(jīng)編機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度上升至2 000 r/min后，伺服電動機(jī)運(yùn)動負(fù)載大幅，增加采用8對極伺服電動機(jī)的橫移系統(tǒng)在針前針背橫移階段出現(xiàn)明顯的反饋速度與指令速度偏差較大即運(yùn)動失調(diào)現(xiàn)象，而采用10對極的伺服電動機(jī)依然保持穩(wěn)定運(yùn)行未出現(xiàn)運(yùn)動失調(diào);因此采用優(yōu)化內(nèi)結(jié)構(gòu)的伺服電動機(jī)更有利于提高電子橫移系統(tǒng)的平穩(wěn)性。

另一方面，實驗結(jié)果表明在電動機(jī)主動磁極對數(shù)相同的情況下，電動機(jī)設(shè)計的額定功率的變化對于電動機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動規(guī)律影響不明顯，即對電子橫移系統(tǒng)的響應(yīng)性影響不大。在經(jīng)編機(jī)主軸轉(zhuǎn)速1 500 r/min的情況下，使用2.5 kW伺服電動機(jī)的負(fù)載率相對于2.0 kW伺服電動機(jī)下降了25%，且隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，伺服電動機(jī)負(fù)載率也在呈非線性上升，即電動機(jī)功率決定了經(jīng)編機(jī)轉(zhuǎn)速提高的上限，否則電動機(jī)會過載而報警。從這一方面考慮，經(jīng)編機(jī)電子橫移系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)經(jīng)編機(jī)轉(zhuǎn)速、梳櫛材料等設(shè)計要求合理選擇伺服電動機(jī)的額定功率，留有適當(dāng)?shù)脑O(shè)計余量即可。

4 結(jié) 論

本文分析了經(jīng)編電子橫移系統(tǒng)的運(yùn)動要求，并通過多次實驗驗證了伺服慣量比參數(shù)設(shè)置、伺服電動機(jī)磁極對數(shù)與功率大小對于電子橫移系統(tǒng)的影響，得到以下主要結(jié)論。

1)經(jīng)編電子橫移系統(tǒng)中的梳櫛應(yīng)盡量選用輕質(zhì)高強(qiáng)材料，以減少電動機(jī)的工作負(fù)載。伺服參數(shù)中的負(fù)載慣性比參數(shù)設(shè)置對伺服系統(tǒng)的工作狀態(tài)很重要，在使用中應(yīng)根據(jù)具體的實際狀況設(shè)置適當(dāng)?shù)呢?fù)載慣量比參數(shù)。負(fù)載慣量比參數(shù)設(shè)置不當(dāng)會導(dǎo)致梳櫛橫移運(yùn)動振蕩、或者運(yùn)動剛性不足而影響運(yùn)動的精度。

2)伺服電動機(jī)的磁極對數(shù)直接影響到電動機(jī)旋轉(zhuǎn)速度與定位精度，增大磁極對數(shù)能有效提高電子橫移系統(tǒng)的響應(yīng)性和平穩(wěn)性。

3)伺服電動機(jī)的功率應(yīng)根據(jù)電子橫移系統(tǒng)設(shè)計要求合理選擇，在滿足需要的前提下，加大伺服電動機(jī)的功率并不能提升電子橫移系統(tǒng)的響應(yīng)性;但電動機(jī)在低負(fù)載率下運(yùn)行，有利于增加伺服電動機(jī)的負(fù)載率呈非線性提升，而電動機(jī)的額定功率決定了速度提升的上限。