一種精密卷繞的新型橫動(dòng)導(dǎo)紗裝置及控制分析

金春奎 仲岑然 陳驚云

摘 要：介紹了一種精密卷繞的新型橫動(dòng)導(dǎo)紗裝置，該裝置由兩個(gè)連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的普通步進(jìn)電機(jī)互相協(xié)同，帶動(dòng)鋼絲繩的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成精密卷繞的橫動(dòng)導(dǎo)紗。從理論上分析了兩個(gè)電機(jī)互相協(xié)同運(yùn)動(dòng)并保證定速導(dǎo)紗的控制原理，從硬件設(shè)計(jì)和軟件策略兩個(gè)方面，提出了該裝置定速橫動(dòng)控制的實(shí)施方案，并在BS-10S松式絡(luò)筒機(jī)上進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，對(duì)測(cè)試中出現(xiàn)的問(wèn)題給出了調(diào)整與改進(jìn)的方法，取得了與理論分析相符的實(shí)際控制效果。

關(guān)鍵詞：精密卷繞;導(dǎo)紗裝置;定速橫動(dòng);原理分析;控制策略

Abstract：A new traverse yarn device for precision winding is introduced in this paper. This device runs together with two common stepping motors with continuous rotation， which drives the reciprocating motion of wire rope to finish traverse yarn guidance for precision winding. This article theoretically analyzes the control principle of synergic movement of the two steeping motors to ensure the constant-speed yarn guidance. An implementation plan of constant-speed traverse control is proposed from two aspects （hardware design and software strategy）. Practical test is done with BS-105 spooling machine and the adjustment and improvement method is proposed for the problems in the test. The actual control results are consistent with the theoretical analysis.

Key words：precision winding; yarn device; constant-speed traverse motion; principle analysis; control analysis

自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)是紡織企業(yè)提高生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提升產(chǎn)品檔次的必備裝備，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)的技術(shù)與工藝水平有了新的提高，其中精密卷繞是自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，其原理是以橫動(dòng)的往復(fù)導(dǎo)紗裝置取代現(xiàn)有絡(luò)筒機(jī)上的槽筒，卷繞頭通過(guò)直接積極式傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用電腦控制卷繞與橫動(dòng)比來(lái)避免紗線的重疊問(wèn)題[1-3]。

國(guó)內(nèi)外各種橫動(dòng)導(dǎo)紗方式具體結(jié)構(gòu)不盡相同，但主要的工作原理相似，各具特點(diǎn)[4]。如賜萊福橫動(dòng)導(dǎo)紗裝置，采用兩組做正、反兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的撥叉（圖1），在往復(fù)動(dòng)程末端實(shí)現(xiàn)撥叉對(duì)長(zhǎng)絲控制的輪換，引導(dǎo)紗線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于紗線高速運(yùn)動(dòng)，撥叉必須具有耐磨性，同時(shí)導(dǎo)紗板與撥叉動(dòng)作配合機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜[5-7]。

SSM公司和SAVIO公司的橫動(dòng)導(dǎo)紗技術(shù)結(jié)構(gòu)基本類似，主要采用伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)皮帶輪或鋼絲繩實(shí)現(xiàn)紗線的橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)[4，7-8]（圖2）。該結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，要求電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向在極短的時(shí)間內(nèi)快速往返，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化劇烈。適應(yīng)這種運(yùn)動(dòng)狀況的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量小，力矩大，加速快。這些專用伺服電機(jī)特殊的性能增加了這種往復(fù)結(jié)構(gòu)的成本。同時(shí)急速往復(fù)齒帶磨損較嚴(yán)重，使用維護(hù)成本高[4]。

文獻(xiàn)[9]將伺服控制與機(jī)械凸輪相結(jié)合，使用凸輪連桿帶動(dòng)滑塊在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，但滑塊的急速往返磨損問(wèn)題仍然存在，同時(shí)，橫向?qū)Ъ喫俣刃。瑢?shí)際應(yīng)用價(jià)值不高。

1 定速橫動(dòng)導(dǎo)紗裝置的基本結(jié)構(gòu)

新型橫動(dòng)導(dǎo)紗裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)電機(jī)性能的要求不高，實(shí)施難度相對(duì)較低，易于普及和推廣。設(shè)計(jì)基本思路是以兩個(gè)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的普通步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輕質(zhì)圓盤，帶動(dòng)鋼絲繩的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)沒(méi)有頻繁的換向運(yùn)動(dòng)，可避免電機(jī)及結(jié)構(gòu)慣量對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，運(yùn)動(dòng)更穩(wěn)定，控制更方便。如圖3，鋼繩由圓盤O1的邊緣P1點(diǎn)經(jīng)Q1、Q2導(dǎo)輪與圓盤O2的邊緣P2點(diǎn)相連，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制的輕質(zhì)圓盤同向協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，控制鋼繩往復(fù)運(yùn)動(dòng)，固定在鋼繩的導(dǎo)紗鉤跟隨鋼繩完成往復(fù)導(dǎo)紗運(yùn)動(dòng)。

2 定速橫動(dòng)導(dǎo)紗運(yùn)動(dòng)原理分析

由圖3可見(jiàn)，如果兩個(gè)圓盤的同步運(yùn)動(dòng)，并不能形成互補(bǔ)效應(yīng)，以保證鋼絲繩一直處于繃緊狀態(tài)。要實(shí)現(xiàn)這一功能，需要左右兩個(gè)圓盤以不同角度和角速度相互協(xié)作運(yùn)動(dòng)。圖3中兩個(gè)導(dǎo)輪之間的距離固定，要保證鋼絲繩的一直處于繃緊，即P1Q1+P2Q2=常量，或者可以描述成在相同的時(shí)間內(nèi)：

這里得到保持l以特定速度變化時(shí)，圓盤角速度ω與角度α的關(guān)系。顯然保持l以特定速度變化時(shí)每一角度的角速度ω不同。

在相同的卷繞速度下，卷繞角越大，要求導(dǎo)紗橫動(dòng)速度越大，一般情況下，卷繞角在10°～25°范圍內(nèi)變化[10]。以BD-10S絡(luò)筒機(jī)正常卷繞速度v0=900 m/min，卷繞角25°，橫動(dòng)速度：

ω?cái)?shù)值為負(fù)，實(shí)際上是橫動(dòng)換向v<0所致，考慮到這個(gè)原因，所有的負(fù)值取絕對(duì)值，為實(shí)際角速度的值。從表1還可以看出，角速度ω隨α變化有如下特征。

a）要保證定速橫動(dòng)，不同的角度對(duì)應(yīng)的電機(jī)角速度不同。當(dāng)α趨向于0或π、2π時(shí)，ω趨向于±∞，超出一般電機(jī)的速度極值。

由于鋼繩負(fù)載很小，考慮到步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制穩(wěn)定性，旋轉(zhuǎn)以小于1 800 r/min即可。以電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度為1 800 r/min，角速度：

實(shí)踐中，邊端換向動(dòng)程與卷繞速度有關(guān)，每端在2～5 mm，與定速導(dǎo)紗距離合并，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)筒子導(dǎo)紗距離的要求。

這是較大卷繞角情況下得到的結(jié)果，當(dāng)卷繞角減小的情況下，導(dǎo)紗速度會(huì)有較大的降低。當(dāng)卷繞角到達(dá)15°時(shí)，角速度最大值為114 rad/s，電機(jī)的轉(zhuǎn)速在1 200 r/min即可。

當(dāng)α趨向于0（2π）或π時(shí)，考慮到定速導(dǎo)紗在該角度附近位置橫動(dòng)換向，處于定速導(dǎo)紗動(dòng)程之外，可使用有限的勻角速度通過(guò)。在[-24°，14°]端（0或2π端）可使用14°對(duì)應(yīng)的角速度;在[156°，204°]端（π端）可使用156°對(duì)應(yīng)的角速度，以固定角速度通過(guò)。

b）角速度值在0～180°和180°～360°范圍內(nèi)速度的變化規(guī)律關(guān)于180°位置對(duì)稱。圖5是定速導(dǎo)紗角速度隨角度變化趨勢(shì)圖。

結(jié)合式（7）與表1的計(jì)算，設(shè)計(jì)左右兩組電機(jī)分別在0與180°的位置以與角度相對(duì)應(yīng)的角速度運(yùn)行，在P1Q1與P2Q2以相同的速度變化同時(shí)，變化量符號(hào)相反，相互抵消，滿足式（1）的要求。保證鋼絲繩一直處于繃緊，橫動(dòng)運(yùn)動(dòng)勻速控制得以實(shí)現(xiàn)。

3 橫動(dòng)定速導(dǎo)紗的圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)控制策略

上文從理論上分析了裝置的原理上控制的可行性，下面介紹實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的硬件及軟設(shè)計(jì)。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件框圖如圖6所示，主要由控制板、驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)組成。

步進(jìn)電機(jī)帶有編碼器，參數(shù)為1 000線增量式帶z相（半圈型）輸出。步進(jìn)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)配置為3 200個(gè)脈沖一圈。

控制板輸出脈沖、方向、使能信號(hào)至步進(jìn)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)器，并檢測(cè)來(lái)自閉環(huán)驅(qū)動(dòng)器的報(bào)警輸入。步進(jìn)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)控制板輸入的控制信號(hào)與電機(jī)編碼器的信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

電機(jī)編碼器信號(hào)不僅輸出至步進(jìn)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)器，還需要輸至控制板。以便在控制應(yīng)用上獲取當(dāng)前位置，完成啟動(dòng)角度自復(fù)位等功能。

3.2 軟件控制流程

主控板芯片內(nèi)部有一個(gè)循環(huán)計(jì)數(shù)器，計(jì)錄當(dāng)前電機(jī)運(yùn)動(dòng)步數(shù)（角度）。為角度校準(zhǔn)方便，兩步進(jìn)電機(jī)安裝位置相差180°。這樣，初始時(shí)當(dāng)?shù)谝?、第二步進(jìn)電機(jī)均以0角度開(kāi)始，校準(zhǔn)Z相編碼器，同時(shí)輸出信號(hào)。根據(jù)導(dǎo)紗橫動(dòng)設(shè)定的速度，結(jié)合運(yùn)動(dòng)步數(shù)計(jì)算出的角度，在給定的區(qū)間內(nèi)根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出當(dāng)前角速度，根據(jù)角速度計(jì)算步進(jìn)脈沖頻率，在規(guī)定的間隔輸出脈沖，控制信號(hào)發(fā)送至步進(jìn)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)器，完成一次控制。實(shí)際應(yīng)用中，為了減少運(yùn)算工作量，一圈3 200個(gè)脈沖可以分為400組，每8個(gè)脈沖更換一次脈沖頻率，這樣可以在資源有限的情況下，達(dá)到預(yù)先計(jì)算，預(yù)先決策，減少運(yùn)算量，提高控制準(zhǔn)確性。當(dāng)其中的一個(gè)電機(jī)編碼器的Z相輸出信號(hào)（每圈一次），比較另一電機(jī)編碼器的Z相輸出，是否同步。如果不同步，較快的等待同步校準(zhǔn)。然后步數(shù)自動(dòng)清零，再次開(kāi)始新的一圈運(yùn)行?？刂屏鞒倘鐖D7所示。

4 定速導(dǎo)紗系統(tǒng)的測(cè)試與調(diào)整

該裝置在BD-S10松式絡(luò)筒機(jī)上試驗(yàn)運(yùn)行，導(dǎo)紗鉤固定在鋼繩上，配合卷繞速度的調(diào)節(jié)，卷繞角在10°～25°可調(diào)，運(yùn)行穩(wěn)定。達(dá)到了一般絡(luò)筒導(dǎo)紗卷繞的要求。與傳統(tǒng)的伺服電機(jī)換向的往復(fù)式方式相比，電機(jī)沒(méi)有反向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行更穩(wěn)定。鋼繩的張弛是由兩個(gè)電機(jī)協(xié)同控制，張弛穩(wěn)定，沒(méi)有電機(jī)換向方式時(shí)的一端拉緊，一端松弛產(chǎn)生的鋼繩彎折。

a）由于電機(jī)速度的限制，在高速絡(luò)筒時(shí)（超過(guò)1 000 m/min）通過(guò)橫動(dòng)的速度調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)防重疊功能時(shí)調(diào)節(jié)范圍還不夠，容易形成硬邊[11]。此時(shí)可以通過(guò)兩換向位置速度交叉變化得以改善。

b）要盡可能的減小導(dǎo)紗鉤和卷繞紗面的距離，實(shí)踐當(dāng)導(dǎo)紗鉤和卷繞紗面的距離20 mm時(shí)，筒紗成形良好，距離太大，筒紗橫向尺寸穩(wěn)定性受影響。

c）筒紗橫向尺寸穩(wěn)定性還與卷繞速度相關(guān)，速度大，尺寸稍長(zhǎng)，在工藝調(diào)節(jié)時(shí)要加以考慮。

5 結(jié) 語(yǔ)

總體上相比傳統(tǒng)的伺服電機(jī)換向?qū)崿F(xiàn)橫動(dòng)的方式，本方案采用通用電機(jī)配件，相比專用的電機(jī)成本大大降低，同時(shí)在橫動(dòng)控制速度上也較傳統(tǒng)方案更方便，電機(jī)沒(méi)有反向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行更穩(wěn)定;裝置運(yùn)動(dòng)部件更為簡(jiǎn)單輕便，運(yùn)動(dòng)慣量小，反應(yīng)更迅速;采用非線性角速度變速控制，在有限的電機(jī)轉(zhuǎn)速條件下，最大限度地保證定速導(dǎo)紗的動(dòng)程，保證了筒紗卷繞工藝的控制，實(shí)際調(diào)試中達(dá)到常規(guī)絡(luò)紗生產(chǎn)的要求。

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