電子齒輪技術(shù)在并條機(jī)上的應(yīng)用

李 響，王 丹，范碧白

(沈陽宏大紡織機(jī)械有限責(zé)任公司，沈陽 110141)

?

電子齒輪技術(shù)在并條機(jī)上的應(yīng)用

李 響，王 丹，范碧白

(沈陽宏大紡織機(jī)械有限責(zé)任公司，沈陽 110141)

介紹電子齒輪的組成、原理及電子齒輪技術(shù)在并條機(jī)上的應(yīng)用設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述如何正確地選擇電子齒輪比和電子齒輪使用精度；通過對(duì)比電子齒輪并條機(jī)與傳統(tǒng)齒輪傳動(dòng)并條機(jī)的出條質(zhì)量數(shù)據(jù)，表明電子齒輪技術(shù)應(yīng)用的可靠性和穩(wěn)定性好。指出：電子齒輪并條機(jī)較傳統(tǒng)并條機(jī)是在智能化和數(shù)字化上的進(jìn)步，其精度高、穩(wěn)定性好、操作方便，能降低并條機(jī)維護(hù)成本和企業(yè)勞動(dòng)成本。

并條機(jī)；電子齒輪；電子齒輪比；伺服驅(qū)動(dòng)器；控制精度

0 引言

隨著國內(nèi)勞動(dòng)力成本的攀升，勞動(dòng)密集型的紡織行業(yè)越來越關(guān)注因勞動(dòng)力成本提高而帶來的壓力，能夠節(jié)約勞動(dòng)力、智能化、數(shù)字化的紡織機(jī)械備受紡織廠青睞[1]。

伴隨電力電子技術(shù)迅猛發(fā)展，國內(nèi)伺服系統(tǒng)、變頻器和PLC等自動(dòng)化產(chǎn)品已經(jīng)越來越深入地應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，電子齒輪便是一種可以節(jié)約勞動(dòng)力、需要多種自動(dòng)化產(chǎn)品共同配合而實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。

1 電子齒輪的組成及原理

電子齒輪是用電子同步技術(shù)取代機(jī)械齒輪的一種機(jī)構(gòu)。

電子齒輪采用高精度的伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，用戶可以根據(jù)需要自由設(shè)定、修改電子齒輪比，降低齒輪更換的人工成本，解決機(jī)械傳動(dòng)過程中齒輪磨損和齒輪間隙造成的誤差。

1.1 電子齒輪裝置的組成

電子齒輪裝置主要由5部分組成：① 主動(dòng)系統(tǒng)(可采用伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)，也可采用變頻器控制電機(jī)，筆者以變頻器控制電機(jī)為例)；② 從動(dòng)系統(tǒng)(伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī))；③ 觸摸屏；④ PLC；⑤ 編碼器。

1.2 電子齒輪的原理

電子齒輪裝置原理框圖如圖1[2]。

通過觸摸屏設(shè)定相關(guān)參數(shù)，PLC下達(dá)啟動(dòng)和跟隨指令，變頻器控制主電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，伺服驅(qū)動(dòng)器獲得主電機(jī)編碼器信號(hào)，根據(jù)設(shè)定好的電子齒輪比，控制從電機(jī)跟隨主電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，以達(dá)到設(shè)定要求。采用伺服驅(qū)動(dòng)器閉環(huán)速度控制模式，大大提高了速度控制精度及響應(yīng)性，適用于高精度速度控制模式，速度波動(dòng)受機(jī)械傳動(dòng)影響較小。

2 電子齒輪在并條機(jī)上的應(yīng)用

電子齒輪技術(shù)在并條機(jī)上的應(yīng)用，是電氣智能化和數(shù)字化的創(chuàng)新。沈陽宏大紡織機(jī)械有限責(zé)任公司在JWF1309、JWF1309A型并條機(jī)上均已成功使用電子齒輪技術(shù)，其操作方便、控制精度高。

當(dāng)傳統(tǒng)的并條機(jī)工藝更改時(shí)，先要找到主牽伸倍數(shù)相對(duì)應(yīng)的齒輪齒數(shù)，再由工人摘下皮帶、更換齒輪，再將皮帶裝上，操作很麻煩。當(dāng)并條機(jī)采用電子齒輪技術(shù)時(shí)，是通過設(shè)置電子齒輪比調(diào)控主牽伸技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工變換齒輪，從而降低齒輪更換的人工成本，而且還解決了人工換齒輪不當(dāng)操作導(dǎo)致的齒輪磕碰或齒隙不當(dāng)造成的傳動(dòng)問題[3]。

配電子齒輪的并條機(jī)，是電子齒輪控制牽伸分配的并條機(jī)，牽伸區(qū)由兩個(gè)電機(jī)拖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)羅拉牽伸同步的功能。

2.1 電子齒輪比

電子齒輪是通過伺服系統(tǒng)的位置模式實(shí)現(xiàn)的，在位置模式下輸入位置指令對(duì)負(fù)載位移進(jìn)行設(shè)定，而電機(jī)位置指令是對(duì)電機(jī)位移進(jìn)行設(shè)定，為建立電機(jī)位置指令與輸入位置指令的比例關(guān)系，引入電子齒輪比功能。

電子齒輪比公式：f2=f1×(N/M)

式中：

f2——從電機(jī)位置指令；

f1——輸入位置指令；

N——電子齒輪比分子；

M——電子齒輪比分母。

2.2 電子齒輪比的計(jì)算

輸入位置指令、從電機(jī)位置指令與電子齒輪比之間的關(guān)系，如圖2所示。

已知輸入位置指令為1，要求對(duì)應(yīng)從電機(jī)位置位移量為ΔL，從電機(jī)軸周長為R，從電機(jī)編碼器分辨率為P，求電子齒輪比。

當(dāng)從電機(jī)位置位移量為ΔL時(shí)，從電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)r=ΔL/R圈；根據(jù)從電機(jī)編碼器分辨率為P，可得從電機(jī)轉(zhuǎn)1圈其編碼器產(chǎn)生P個(gè)脈沖反饋信號(hào)。當(dāng)從電機(jī)位置位移量為ΔL時(shí)，產(chǎn)生脈沖數(shù)為r×P=(ΔL/R)×P。

因?yàn)殡娮育X輪比N/M=(從電機(jī)位置指令/輸入位置指令)，所以，輸入位置指令×(N/M)=從電機(jī)位置指令。

當(dāng)輸入位置指令為1時(shí)，即：1×(N/M)=(ΔL/R)×P，故電子齒輪比N/M=(ΔL/R)×P。

2.3 精度分析

電子齒輪并條機(jī)在加速、減速段，編碼器產(chǎn)生的參考位置和電機(jī)實(shí)際位置總會(huì)有些誤差，這個(gè)誤差被稱為跟隨誤差；而伺服系統(tǒng)位置模式就是為了減少跟隨誤差。通常情況下，正常運(yùn)行段即穩(wěn)態(tài)時(shí)，跟隨誤差幾乎為零；在加速或減速時(shí)，跟隨誤差將主要是由電機(jī)的性能決定；用戶可以根據(jù)要求的精度范圍設(shè)定跟隨誤差的報(bào)警停車值。一般地，伺服系統(tǒng)設(shè)置了跟隨誤差的兩個(gè)不同的設(shè)定值：第一個(gè)設(shè)定值為報(bào)警值，當(dāng)前跟隨誤差超過第一個(gè)設(shè)定值時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器激活一個(gè)警告信號(hào)；第二個(gè)設(shè)定值為停車值，當(dāng)前跟隨誤差超過第二個(gè)設(shè)定值時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器激活一個(gè)停止信號(hào)，進(jìn)而使其停車。

2.3.1 理論控制精度計(jì)算

以沈陽宏大JWF1309A型并條機(jī)為例，根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)圖，可知主電機(jī)的轉(zhuǎn)速和前壓輥的轉(zhuǎn)速關(guān)系為：

主電機(jī)的轉(zhuǎn)速和一羅拉的轉(zhuǎn)速關(guān)系為：

從電機(jī)與二羅拉轉(zhuǎn)速比：

計(jì)算時(shí)，取前張力變換輪Z1極限值為50，前張力變換輪Z3極限值為30，根據(jù)實(shí)際前壓輥軸直徑為60 mm，一羅拉軸直徑為35 mm，選用的2048限編碼器，得出主電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)前壓輥?zhàn)哌^的距離S0為0.139 mm，對(duì)應(yīng)一羅拉走過的距離S1為0.134 mm。

取變換輪Z2極限值為68，根據(jù)實(shí)際二羅拉軸直徑為35.5 mm，得出從電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)二羅拉走過的距離S2為0.076 mm。

理論計(jì)算以5 m輸出棉條標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量為25 g，如果啟停車時(shí)造成棉條質(zhì)量的波動(dòng)不大于±0.1 g，即質(zhì)量偏差為±0.4%，則啟停車時(shí)一、二羅拉間，每1 m棉條長度的波動(dòng)范圍應(yīng)控制Δ為不大于4 mm。

以Δ=4 mm為理論計(jì)算依據(jù)，根據(jù)JWF1309A型傳動(dòng)圖，一羅拉軸直徑為35 mm，啟停車時(shí)一、二羅拉間棉條出現(xiàn)4 mm的波動(dòng)，相當(dāng)于一羅拉超前轉(zhuǎn)了R1轉(zhuǎn)。

R1=4/(35×π)≈0.036r

即從電機(jī)滯后了Q1個(gè)脈沖，根據(jù)從電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)二羅拉走過的距離為0.076 mm，得出Q1=4/0.076=53.63。

因此，為了確?？刂凭冗_(dá)到要求，從電機(jī)在跟隨主電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)脈沖波動(dòng)不能超過54個(gè)。

2.3.2 實(shí)際控制精度分析

下面以JWF1309A型并條機(jī)(在無錫馬山試驗(yàn)中心)做啟停車試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析，現(xiàn)場示波器波形如圖3所示[4]。

圖中Encoder1為從軸(從電機(jī))實(shí)際位置，Encoder2為主軸(主電機(jī))實(shí)際位置，Lag Error為從軸角偏差，分別在運(yùn)行、啟動(dòng)和停止過程中隨機(jī)取一處跟隨數(shù)據(jù)。

a) 運(yùn)行過程：從截取開車短片段看出啟動(dòng)一瞬間主軸采集了y-diff為8 025個(gè)脈沖，從軸y-diff采集了3 842個(gè)脈沖，計(jì)算同步比例為8 025÷3 842 = 2.088 76。因?yàn)檎＿\(yùn)行段，主電機(jī)、從電機(jī)的速度最穩(wěn)定，所以設(shè)運(yùn)行過程的同步比例2.088 76為穩(wěn)態(tài)。

b) 啟動(dòng)過程：啟動(dòng)時(shí)主軸采集了y-diff為7 271個(gè)脈沖，從軸y-diff采集了3 479個(gè)脈沖，而穩(wěn)態(tài)時(shí)從軸脈沖數(shù)應(yīng)為：7 271÷2.088 76=3 481；因此，算出啟動(dòng)時(shí)從軸脈沖數(shù)比運(yùn)行時(shí)脈沖數(shù)少：3 481-3 479=2(<54)。

c) 停車過程：啟動(dòng)時(shí)主軸采集了y-diff為7 684個(gè)脈沖，從軸y-diff采集了3 683個(gè)脈沖，而穩(wěn)態(tài)時(shí)從軸脈沖數(shù)應(yīng)為：7 684÷2.088 76=3 678；因此，算出停止時(shí)從軸脈沖數(shù)比運(yùn)行時(shí)脈沖數(shù)少：3 683-3 678=5(<54)。

根據(jù)a)、b)、c)計(jì)算分析，配電子齒輪的JWF1309A型并條機(jī)在正常運(yùn)行和啟停車過程中，均能保持高精度跟隨，不會(huì)因電子齒輪的跟隨誤差造成棉條質(zhì)量的下降。

2.3.3 數(shù)據(jù)對(duì)比

為了驗(yàn)證JWF1309A型并條機(jī)不會(huì)因電子齒輪的跟隨誤差造成棉條質(zhì)量的下降，與FA306A型和JWF1310型并條機(jī)做啟停車試驗(yàn)對(duì)比(在無錫馬山試驗(yàn)中心)，在相同條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)測試[5]，F(xiàn)A306A型并條機(jī)屬于齒輪傳動(dòng)，JWF1310型并條機(jī)屬于皮帶傳動(dòng)，這兩種機(jī)型均屬于牽伸區(qū)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)型。

3種并條機(jī)紡普梳30.7 tex紗末道目標(biāo)質(zhì)量數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。

表1 三種并條機(jī)在紡普梳30.7 tex紗末道目標(biāo)質(zhì)量數(shù)據(jù)對(duì)比 單位：g/(5 m)

表1數(shù)據(jù)表明，相同條件下，配電子齒輪的JWF1309A型并條機(jī)在正常運(yùn)行和啟停車過程中的質(zhì)量數(shù)據(jù)，與機(jī)械傳動(dòng)的FA306A型和JWF1310型并條機(jī)的數(shù)據(jù)差異不大。

3 結(jié)語

與傳統(tǒng)并條機(jī)相比，電子齒輪并條機(jī)在智能化和數(shù)字化上又進(jìn)了一步，應(yīng)用電子齒輪技術(shù)調(diào)控主牽伸倍數(shù)的方式與傳統(tǒng)的人工變換牙輪方式相比較，精度高、穩(wěn)定性好、操作方便，大大降低了并條機(jī)的維護(hù)成本和紡織企業(yè)的勞動(dòng)成本。實(shí)踐表明，電子齒輪并條機(jī)設(shè)計(jì)先進(jìn)、性能優(yōu)越，具有很好的推廣價(jià)值。

[1] 齊蓉，肖維榮.可編程計(jì)算機(jī)控制器技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2] 貝加萊工業(yè)自動(dòng)化(上海)有限公司.ASiM多軸運(yùn)動(dòng)功能[Z].2010.

[3] 祝憲民.我國紡織機(jī)械行業(yè)面臨的形勢及科學(xué)發(fā)展探討[Z].2012.

[4] 上海紡織控股(集團(tuán))公司，棉紡手冊編委會(huì).《棉紡手冊》[M].3版.北京：中國紡織出版社，2004.

[5] 嚴(yán)嘉杰.紡機(jī)電氣控制技術(shù)：電子齒輪技術(shù)應(yīng)用[Z].貝加萊工業(yè)自動(dòng)化(上海)有限公司，2012.

The Application of Electronic Gearing Technology on the Drawing Frame

LI Xiang,WANG Dan,FAN Bibai

(Shenyang Grand Textile Machinery Co.,Ltd.,Shenyang 110141,China)

Introduction is done to the parts,principle of the electronic gearing and the design and application of electronic gearing technology in the drawing frame.Description is made in detail on how to correctly choose electronic gearing ratio and electronic gearing accuracy.Comparison sliver quality between the drawing frame with the traditional gearing and that with the electronic gearing indicates that the product with the electronic gearing is of good reliability and stability.It is pointed out that the drawing frame with the electronic gearing is superior over the drawing frame with the traditional gearing in intelligent and digital application,consequently yielding high precision,good stability,convenient operation,low cost of maintenance and labor for enterprises.

drawing frame;electronic gear;electronic gear ratio;servo drive;control precision

2016-04-16

李 響(1986—)，男，遼寧營口人，工程師，主要從事并條機(jī)電氣自動(dòng)化部分的設(shè)計(jì)。

TS103.22+4

B

1001-9634(2016)05-0015-03