彈性針布磨針機磨頭伺服位置自動控制系統(tǒng)研究

徐久益,惠 晶,傅錫林

(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 214101)

彈性針布磨針機磨頭伺服位置自動控制系統(tǒng)研究

徐久益1,惠 晶1,傅錫林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 214101)

為了解決彈性針布磨針機磨頭手動調距操作復雜、定位尺寸精密度低的問題，提出應用伺服電機調距的新型磨頭位置自動控制系統(tǒng)，并介紹其結構、工作原理、硬件實現及軟件設計方法。指出：該系統(tǒng)采用PLC作主控制器，伺服傳動系統(tǒng)作執(zhí)行驅動機構，通過PLC控制器與人機界面通信，實現了彈性針布與磨頭間距的柔性化調整；新系統(tǒng)定位精度達到1μm，并具有適應性強、操作簡單、產品質量好等優(yōu)點。

彈性針布；磨針機；PLC；伺服；位置控制

彈性針布是梳理機用重要的梳理器材，關乎著梳理機的高產、高效與優(yōu)質[1]，其質量一般由其平整度、銳利度、表面粗糙度、耐磨度和清晰度來評定，其中平整度和銳利度最為重要[2]。高精度的彈性針布磨針機是制造高質量彈性針布的保證，其磨礪尺寸的控制是生產彈性針布的重要環(huán)節(jié)[3]。

筆者介紹磨頭伺服位置控制系統(tǒng)，由伺服電機調節(jié)磨頭與針布間的距離，通過編寫位置控制算法，實現了磨頭位置尺寸的自動化控制，且系統(tǒng)定位過程操作簡單、控制精度高，對彈性針布有非常理想的磨礪效果，為整個彈性針布生產線的自動化控制創(chuàng)造了條件，有利于提高針布行業(yè)的整體水平。

1 磨頭位置自動控制系統(tǒng)的結構

磨針機磨頭位置自動控制系統(tǒng)結構如圖1所示。系統(tǒng)采用PLC作控制核心，伺服電機作執(zhí)行元件，脈沖旋轉編碼器(PG)作檢測元件， E-VIEW型觸摸屏為人機界面，通過FX2N-485-DB型通訊擴展模塊實現系統(tǒng)信息交流。當磨針機磨頭位置確定時，由觸摸屏給定位置信號，PLC計算并輸出脈沖信號到伺服驅動器，伺服電機可根據脈沖量和脈沖頻率來調節(jié)磨頭的位移量，旋轉編碼器反饋當前位置信號到PLC，PLC通過位置控制算法來改變其輸出脈沖，從而改變伺服電機的轉速，實現預定的運動軌跡。當定位完成時，伺服電機停止。

圖1 磨頭位置自動控制系統(tǒng)

磨頭位置自動控制系統(tǒng)以磨針基準線為參考線，通過控制磨頭相對于基準線的位移量，精確控制磨頭砂輪和彈性針布之間的距離。錫林滾筒徑向是磨頭與彈性針布調距的移動方向，調距即磨頭沿導軌上的滾珠絲杠縱向移動，磨頭在縱向導軌上的位置只能在一定范圍內進行調節(jié)，即根據系統(tǒng)的需要設定磨頭起點、終點限位。為適應不同型號針布的磨礪加工要求，每次磨針結束后都需將磨頭手動復位。為避免伺服系統(tǒng)錯誤地發(fā)出定位完成信號，在定位過程中，PLC需連續(xù)3次讀出定位完成信號，才能判為定位完成。

1.1 磨頭位置自動控制線性跟蹤

伺服系統(tǒng)在數控指令的控制下輸出位移、角度等運動信號，以實現預定的運動軌跡。伺服系統(tǒng)將被控對象的位置與目標位置間的距離保持在允許的偏差范圍之內，這種控制過程稱為位置自動控制APC[4]。

在彈性針布磨針機控制系統(tǒng)中，磨頭縱向的位置控制主要是通過精確控制伺服電機轉速來實現。作者是按照梯形速度圖來實現速度控制的，如圖2所示。在理想情況下，反饋速度完全跟蹤命令速度，位置偏差量幾乎為零。在實際控制中，由于傳動裝置響應滯后等因素的影響，系統(tǒng)反饋速度會滯后于命令速度，導致位置偏差量增大；因此，在磨頭位置控制中加入速度前饋校正環(huán)節(jié)，通過調節(jié)速度前饋系數來減小跟蹤誤差。圖2為速度前饋校正前后速度曲線對比。

a) 未加入速度前饋校正環(huán)節(jié)

b) 加入速度前饋校正環(huán)節(jié)

1.2 磨頭位置自動控制理想模型

磨頭位置自動控制系統(tǒng)中，理想定位的要求是在最短時間內完成符合精度要求的定位動作。在磨針工序中要將精密度放在首位，即要求在最短的時間內完成最大控制精度的定位動作。

磨頭位置自動控制系統(tǒng)理想定位過程如圖3所示。設定位置偏差為S，初始位置偏差為S0,伺服電機最大加速度為amax，最大速度為vmax。為了使磨頭裝置能夠盡快到達設定的位置，要盡量使磨頭裝置處于最大速度狀態(tài)。為了保證調節(jié)時間盡量短，執(zhí)行電機以最大加速度啟動，并以最大負加速度停機，從而使磨頭恰好停在目標位置。

圖3 磨頭位置自動控制系統(tǒng)理想定位過程

理想定位情況下，加速階段的速度為：

v=amaxt

(1)

加速階段的位置偏差為：

(2)

伺服電機達到最大速度時的實際加速時間為：

t1=vmax/amax

(3)

由式(1)和式(2)可得，此時其位置偏差值為：

S1=S0-vmax2/2amax

(4)

如果此時還未達到系統(tǒng)設定的位置，則電機還需以速度vmax繼續(xù)移動。磨頭定位需要的精度高且時間短，因此確定電機開始減速的時間是非常重要的。系統(tǒng)中設定最大加速度等于最大負加速度，因此加速運行距離等于減速運行距離，所以減速的距離為：

(5)

理想的位置控制系統(tǒng)，整個減速過程速度為：

(6)

從S2這個位置以最大負加速度amax開始減速，那么速度減為零時，恰好完成定位動作。由式(6)可知，位置偏差S為S2～0，v=f(S)的關系曲線是拋物線，那么在位置偏差很小的時候，減速過程很難控制在允許誤差范圍之內，一般是通過整定出合適的速度曲線關系的方法來解決該問題。

1.3 新型位置控制算法

新型磨頭位置的控制要求定位精度高且不出現超調，系統(tǒng)可采用“分段減速控制”的方法實現該要求。在位置控制系統(tǒng)中，APC算法可簡單表示為：

v=f(S)

(7)

式中：

v——控制算法的給定輸出速度；

S——位置偏差。

如圖4所示，從減速點S3開始，偏差越小、速度越慢，加速度越大。實際上，調距過程中的一個重要內容就是整定減速點和減速點開始的減速曲線。在整定過程中，可根據磨削工藝要求的尺寸精度，定出控制的死區(qū)，即在達到死區(qū)的范圍時，輸出速度為零，使被控對象在慣性的情況下滑到精度區(qū)S1，并在精度區(qū)的范圍內停下來，則S1即系統(tǒng)規(guī)定的磨頭定位精度。通常這個工作需要結合實際自動位置控制的執(zhí)行機構以及控制機構來完成。從圖4中可以看出，控制的關鍵在于2個減速點(S2，S3)和精度區(qū)S1的選取。

圖4 速度整定曲線

2 控制系統(tǒng)實現

2.1 系統(tǒng)硬件設計

控制器PLC是整個磨頭控制系統(tǒng)的核心，其控制功能強、可靠性高、配置靈活、體積小、質量輕，而且使用方便，在我國已廣泛地應用于自動化控制的各個領域。

PLC接收現場各類操作指令、各種狀態(tài)信號的反饋以及人機界面E-VIEW的實時參數設定。PLC上電時，其內部寄存器數值與特殊寄存器的功能進行初始化，將人機界面 E-VIEW面板中設置的數據，通過 RS-485 串口通訊改變 PLC 內部寄存器值；再經PLC內部計算處理、通過RS-485總線輸出給伺服驅動器；同時，伺服驅動器也將電機運行狀態(tài)經RS-485總線傳遞給PLC?？刂葡到y(tǒng)電氣原理如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)電氣原理

通過計算，實際的輸入輸出量I/O點數不超過32點，因此可以選擇三菱系列的FX2N-32MT型PLC。FX2N-32MT型PLC屬于晶體管輸出型，它除具有一般邏輯控制與運算功能外，還具有高速脈沖計數輸入功能，PLSY高速脈沖串直接輸出(Y0、Y1口)、RAMP電機變頻軟啟動/軟制動及其它特殊處理功能，可以對伺服電機進行位置控制[5]。PLC輸入端外部接線，如圖6所示。

圖6 PLC輸入端外部接線示意

通過分析可知，PLC的輸入需要占用12個輸入端子，端子分類及其功能定義，見表1。

磨頭裝置由高精度的交流伺服電機驅動，新型系統(tǒng)選用安川公司制造的SJDE-04APA型伺服驅動器及其相應的SJME-04AMA型伺服電機作為執(zhí)行電機[6]。伺服驅動器設置為“位置控制”方式，指令脈沖輸入方式采用“SIGN+PLUS”脈沖信號形式，在控制方式上加入命令跟蹤控制與前饋校正控制，可以提高對輸入脈沖命令的響應速度，對輸入命令最大程度跟蹤，減小了位置偏差量。如果將電機軸與負載側的機械減速比設為m/n，則可由下式求出電子齒數比的設定值：

表1 PLC輸入端子功能定義

類型功能轉換開關自動/手動故障信號伺服故障,故障復位各類按鈕電機運行、停止(自)、點動(手),磨頭復位控制信號脈沖輸入,伺服準備,起點限位,終點限位,定位完成

B/A=(4×PG×m)/(n×PB)=Pn202/Pn203

(8)

式(8)中，PG為編碼器脈沖數，PB為負載軸旋轉一圈的移動量，即滾珠絲杠節(jié)距。表2為新型位置控制系統(tǒng)電子齒數比的相關參數。

表2 電子齒數比的設定

內容滾珠絲杠確認機械構成絲杠節(jié)距:6mm減速比1∶1編碼器確認脈沖數13位:2048P/R決定指令單位1指令單位:0.001mm負載軸旋轉1圈移動量6mm/0.001mm=6000計算電子齒數比B/A=2048×4/6000

通過人機界面E-VIEW，可利用FX-PCS-DU 和WIN-C組態(tài)軟件設計主畫面、參數設定、狀態(tài)信息、報警信息和幫助等畫面。通過RS-422與PLC通信，可對磨頭位置參數在線修改，當彈性針布尺寸規(guī)格改變時，通過觸摸屏就能調整不同針布對應的磨頭位置，而不需要調節(jié)任何機械結構，提高了系統(tǒng)的自動化程度和精密度。

2.2 系統(tǒng)控制軟件設計

系統(tǒng)控制軟件由3部分組成，即PLC控制程序、觸摸屏——PLC通訊程序和觸摸屏組態(tài)軟件。因篇幅所限，在此僅給出PLC控制系統(tǒng)流程圖，根據新型控制算法和磨頭位置控制系統(tǒng)的實際情況，設計的磨頭自動定位控制系統(tǒng)流程，如圖7所示。

PLC上電后，先初始化系統(tǒng)運行狀態(tài)和相關變量，然后進入主循環(huán)。在自動運行條件下，若檢測系統(tǒng)處于就緒狀態(tài)，則根據觸摸屏設定的位置值計算出所需的脈沖數，再通過編碼器反饋的信號讀出已運行的脈沖數，而PLC內部則計算出系統(tǒng)剩余的脈沖數。當下壓裝置尚未處于定位位置附近時，根據剩余脈沖數來判斷系統(tǒng)是處于勻速段、第一減速段還是第二減速段，PLC則根據相應階段，發(fā)出相應頻率的脈沖；當處于定位位置附近時，為保證定位準確，系統(tǒng)需連續(xù)3次讀出定位完成信號，才能判為定位完成，然后系統(tǒng)清除偏移脈沖，程序停止運行。

圖7 磨頭自動定位控制系統(tǒng)流程

3 結論

新型磨頭位置自動控制系統(tǒng)，代替手動調節(jié)磨頭橫移裝置來設定磨削間距的傳統(tǒng)模式，采用高性能PLC及相關用戶軟件程序、高精度伺服電機位置控制，顯著提高了位置尺寸控制的精密度，并實現了磨削間距的柔性化調整。新系統(tǒng)的尺寸控制精密度可達1 μm，能夠滿足各尺寸規(guī)格彈性針布齒條的生產要求。

[1] 許鑑良.梳理機用針布的發(fā)展[J].紡織器材,2014,41(3Z):12-18.

[2] 蔣少軍.毛紡彈性針布的使用與發(fā)展趨勢的探討[J].國際紡織導報,2011(1)：24-28.

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

[4] 江瓊,曾攀.精軋電動壓下自動位置控制[J].冶金自動化,2014(2Z):362-364.

[5] 王阿根.電氣可編程控制原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2010.

[6] 日本安川電機株式會社.安川伺服驅動說明書[Z].

Study of the Automatic Servo Control System of the Grinding Head Position on the Grinding Machine for Flexible Clothing

XU Jiuyi1,HUI Jing1,FU Xilin2

(1.Key Laboratory of the Education Ministry on Advanced Process Control of Light Industry Jiangnan University,Wuxi 214122,China;2.Wuxi Owl Textile Accessories Co.,Ltd.,Wuxi 214101,China)

To solve the problem with the flexible clothing grinding machine such as compelx manual adjustment of the pitch of the head,poor positioning,a new automatic servo control system of grinding head position with motor pitch adjustment is introduced with the structure,work-how and the hardware plus software.It is pointed out that the system uses PLC as the main controller,the servo drive mechanism as execution transmission system,through the PLC controller and the man-machine interface communication,the flexible adjustment of the pitch between the flexible clothing and grinding head.The new system is of precision positioning of 1 μm,high adaptability,simple operation,and high product quality.

flexible clothing;grinding machine;PLC;servo;position control

2016-06-13

國家自然科學基金資助項目(51405198)；江蘇省自然科學基金(BK2013159)

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

TS103.82+

A

1001-9634(2017)01-0011-04