改进型两轴独立驱动的磨针机放料控制系统

徐久益，惠 晶，傅锡林，秦柔康

(1.江南大学 轻工过程先进控制教育部重点实验室，江苏 无锡 214122；2.无锡市猫头鹰纺织器材有限公司，江苏 无锡 214000)



•生产实践

改进型两轴独立驱动的磨针机放料控制系统

徐久益1，惠 晶1，傅锡林2，秦柔康2

(1.江南大学 轻工过程先进控制教育部重点实验室，江苏 无锡 214122；2.无锡市猫头鹰纺织器材有限公司，江苏 无锡 214000)

为克服传统弹性针布磨针机机械结构复杂、工作效率低、灵活性和适应性差等缺点，介绍一种锡林轴与料辊轴无机械耦合的新型结构与控制模式。改进后的磨针机采用PLC作主控制器，变频器和异步电机组成传动控制系统，通过机械解耦和同步驱动保证两轴的独立协同运动，实现了工艺参数的柔性化调整。改进型系统实际运行结果证明：改进后磨针机工作效率高，锡林转速由原来的4.60 r/min提高到6.08 r/min；控制精度高，间距误差不大于0.1 mm；适应性强，实现弹性针布规格变化下的柔性调整与控制；稳定可靠、维护量小、操作简单、寿命长。

磨针机；放料控制；弹性针布；机械解耦；两轴独立驱动；柔性

0 引言

纺织器材制造业是保障并提高纺织工业的基础工业，纺织器材制造装备水平直接影响纺织产品的产量和质量，在制造业劳动力成本飞升的背景下，对有效提高纺织行业的竞争力作用重大[1]。针布是梳理机的心脏，对纺纱生产起关键性作用[2]。在弹性针布的制造工艺流程中，一般需要经过配料、植针、磨针、切条、淬火、刷光、整检、制夹(尾夹)、上夹、检验包装等多道加工工序。其中磨针工序是决定弹性针布质量指标的最重要工序。以前的磨针工序需要经过“放料—磨针—停机—测量—再磨针—收料”的试探性经验加工方法[3]，放料装置依靠锡林主轴机械传动把弹性针布均匀整齐、松紧适度地包裹在锡林滚筒上面，然后锡林主轴带动导轨上的磨头往复运动对弹性针布进行磨砺。

目前，国内使用的磨针机锡林主轴多采用力矩电机驱动，放料辊轴与锡林主轴通过齿轮箱、链条等机械链接传动，在保持放料线速度与锡林滚筒线速度一致的同时，放料装置通过其内部的齿轮作用在放料导轨上按一定的速度移动。由于针布的规格品种繁多，每次改变放料针布的品种规格都要重新调整齿轮传动比参数，甚至更换齿轮箱等机械零件，且存在机械磨损、维护量大、噪声大等缺点，严重制约了产品质量和生产效率的进一步提高，传统磨针机已无法满足生产工艺要求，仅用一套放料机构无法同时满足对不同宽度针布的放料需要[4]。

1 磨针机放料和导轨系统控制原理

1.1 放料系统控制原理

针对传统磨针机存在的缺点，笔者介绍一种两轴独立驱动的磨针机放料控制装置。利用FX2N-80MR型可编程序控制器和变频器组成的电气传动控制系统，将锡林主轴与料辊轴的传动机械解耦，两个传动轴分别由两台电机独立驱动，通过软件编程和数据通信，实现对锡林主轴与料辊轴的柔性连接。

弹性针布磨针机控制系统分为放料部分、锡林滚筒控制部分、上下导轨部分和磨头控制部分。在磨针工序，磨针机首先需要操作放料步骤，放料就是把弹性针布均匀张紧地包裹在锡林滚筒上，便于后道磨砺针布，放料操作的效果直接影响针布磨砺的精度，决定产品的质量等级。

传统放料装置如图1所示，放料前先合上连接锡林主轴与传动链条的齿轮箱，放料选择低速开启锡林电机，放料辊轴与锡林电机通过链轮、链条传动，保持放料线速度与锡林滚筒线速度一致的同时，放料装置通过其内部的齿轮作用在放料导轨上按一定的速度移动；当锡林滚筒旋转一圈时，放料装置在导轨上移动一条针布宽度的距离；为避免放料重叠，间距应保持一致；放料完成后及时停锡林电机，把连接锡林滚筒与料辊轴的齿轮箱移开以避免发生误动作，最后束紧并固定好弹性针布。

传统弹性针布磨针机放料是机械传动方式，料辊轴的转速与锡林电机的转速n1通过链条传动保持比例同步，料辊轴转速为n0，丝杠螺距为p，锡林滚筒转速为：锡林滚筒每旋转一圈，料辊电机驱动放料装置在丝杠上面移动一条针布宽度d，锡林主轴与料辊轴齿轮传动比为i，满足公式(1)：

(1)

1.2 放料控制系统的改进

为了解决传统磨针机机械耦合方式传动的一系列缺陷[5]，对磨针机进行局部改进，如图2所示。改进后由PLC、变频器、料辊电机组成的独立控制系统，传动比通过锡林与料辊变频器之间的模拟量传输实现。由式(1)可知，由于丝杠螺距p固定不变，所以只需要调节传动比i就可以满足不同宽度针布条的要求，当针布条间距过大时，会增加上下导轨往复行程，针布磨砺有效时间减少；针布条间距过小时，会发生边界重叠并损伤针布；所以，对于不同宽度的针布条，要保持一定的针布间距，可以调节变频器之间的电位器改变传动比，这样适用于多种宽度的针布。

弹性针布磨针机的放料有几点要求：① 放料速度要快，节省工作时间；② 放料时，弹性针布与锡林滚筒间保持稳定的张力，保证针布在锡林滚筒上面包裹得足够紧，这样反复磨砺针布的时候不会因移动或褶皱影响后面的磨砺精度；③ 锡林电机与料辊电机保持同步比例传动，保证放料间距均匀。

通过对改进后的磨针机放料系统进行多次放料调试，给出两种规格针布条的放料参数，见表1，放料时针布条之间要保持一定间距的余量，避免针布重叠而损坏针布。

表1 放料规格参数

针布型号Z-L1Z-L2针布宽度d/mm45.550.5丝杠螺距p/mm66锡林转速n1/(r·min-1)6.086.08料辊转速n0/(r·min-1)5762针布间距l/mm10.7510.68

2 控制系统的实现

2.1 系统硬件设计

PLC是整个系统的核心控制器，以其处理速度快、抗扰能力强、编程简单等优点，在现代工业控制中得到广泛应用。为了方便实际控制，本设计将放料控制系统的PLC程序加入原有的磨针机系统PLC总程序中，通过计算的实际输入量点数近30个，为以备其它控制功能，预留有点数；因此，系统可选择三菱系列的FX2N-80MR型PLC[6]。FX2N-80MR型PLC属于继电器输出型，具有逻辑控制结构简单、运算功能快、编写程序简洁等特点，可方便对电机进行启动、制动以及调速控制，能满足整套磨针机控制系统的实现。PLC接受现场的操作指令、各种状态信号的反馈，以及接受电位器的实时参数调节；全系统PLC的输入功能接口如图3所示。

按照系统的功能设计要求和输入点对应的PLC输出点的功能定义，见表2。

由于交流驱动的发展日益成熟，有许多其它驱动方式不可比拟的优点。根据工艺要求，选用安川F7型11kW变频器[7]作为锡林电机的驱动器，安川VS-606V7型0.75 kW变频器[8]作为料辊电机的驱动器。安川系列变频器主要特点为：控制模式有电压/频率比固定控制、矢量控制；电机启动、制动平稳，可实现无级调速；速度控制范围广、精度高、响应快、应用功能多[9]。

表2 PLC输出点功能定义

类型功能变频器驱动锡林正反转,料辊正反转,上下导轨正反转常规驱动上下磨头转故障报警变频器故障,热继电器,极限限位开关指示灯运行,停止,正转,反转

变频器接线如图4所示，L1、L2、L3是380 V交流电输入，QF为断路器，R、S、T为变频器输入源端子，S1～S4为多功能输入端子；U、V、W是变频器输出端子，连接三相电机。放料时，本系统变频器选择电压/频率比固定控制模式，锡林变频器F7通过AM多功能模拟量输出(这里的模拟量AM为0 V～10 V的电压指令)，传输给料辊变频器V7的主速度频率指令FR，这样可以实现放料时两电机同步比例转动，保证放料均匀、避免重叠。变频器AC、FC端子为模拟量公共接点[8]。

2.2 系统软件设计

根据磨针机放料工作原理及工艺要求，确定程序的基本结构主要由下面几部分组成：PLC主控制程序、锡林变频器与PLC通讯程序、料辊变频器与PLC通讯程序。这里，仅给出PLC控制程序流程，如图5所示。

放料线上电后，系统检测正常则设定针布条宽度；否则，转到故障报警，系统停机。设定针布条宽度后，检测通信成功与否，不成功则故障报警，成功则启动锡林电机。锡林电机启动后，料辊电机会跟着锡林电机启动，这时就开始自动放料。放料运行后，程序实时监控放料线运行情况，出现不正常立即进行故障报警并停机。当放料装置到达料辊轴限位时，放料结束，程序停止运行，放料线自动停机。

本系统PLC与变频器通过RS-422总线进行数据通信，安川V7和F7系列变频器内置RS-422通信接口，可以通过R+、R-端子通信输入，通过S+、S-端子通信输出和PLC进行数据通讯，传递控制命令和接受实时运行参数；利用FX系列PLC自带的外部设备命令及一些特殊的辅助继电器和数据寄存器，可以方便地实现PLC与外部设备的通讯。本设计选用的通讯数据长度为8位，偶校验，停止位：1位固定，通讯速度为19 200 bit/s。

改装完成后的磨针机实物如图6所示。

3 结语

对磨针机放料系统进行改进，利用PLC、变频器和电机构成的交流驱动磨针机放料控制系统，具有传统机械耦合式放料系统无法比拟的优点，克服了机械结构复杂、噪声大、磨损严重、放料速度慢等问题。通过实际运行检验，改进后磨针机具有以下优点：① 实现弹性针布规格变化时的柔性调整与控制，各种规格弹性针布等间距、整齐、均匀、紧密地包裹在锡林滚筒表面，间距误差不大于0.1 mm；② 放料两轴独立电气传动方式实现机械解耦，改善了机械结构，工作噪声小、磨损小，锡林转速由4.60 r/min提高到6.08 r/min；③ 系统运行稳定可靠，维护量小，自动化程度高，操作简单等。

[1] 中国纺织工业联合会.“十三五”纺织工业着力结构优化创新驱动[N].中国工业报，2015-07-29 (B01).

[2] 许鑑良.梳理机用针布的发展[J].纺织器材，2014，41(1)：12-18.

[3] 魏志忠.新型弹性盖板针布的制造设备、工艺特点及应用效果[J].纺织器材，2009，36(3)：7-11.

[4] 张国梁.国内外针布制造设备现状和发展趋势[J].纺织器材，2011，38(1)：48-51.

[5] 彭俊，惠晶.新型钢丝圈基片卷绕成型机的数字化实现[J].电气传动，2012，42(6)：54-58.

[6] 吴启红.可编程序控制系统设计技术[M].北京：机械工业出版社，2012：17-32.

[7] 日本安川电机株式会社.YASKAWA F7用户手册[Z].2005.

[8] 日本安川电机株式会社.VS-606V7变频器使用说明书[Z].

[9] 李春来.PLC控制电机变频调速试验系统的设计与实现[J].黑龙江科技信息，2015(12)：58.

The Improved Feeding Control System with Isolated Driven Two Shafts for the Needle Grinder

XU Jiuyi1,HUI Jing1,FU Xilin2,QIN Roukang2

(1.The Key Laboratory Attached to the Education Ministry of Advanced Controlled light Industry Process Jiangnan University,Wuxi 214122,China;2.Wuxi Owl Textile Accessories Co.,Ltd.,Wuxi 214000,China)

With regard to the problems such as complex structure,low efficiency,poor flexibility and adaptability and other shortcomings with the traditional grinder for the wire fillet clothing,a new structural control mode is introduced with a cylinder shaft coupled with the shaft of the feed roller without mechanics.The improved grinder is equipped with PLC as the main controller,and the inverter and induction motor as transmission control system.The mechanical decoupling and synchronous drive ensure a coordinated motion of the two isolated driven shafts,gaining the flexible adjustment of the process parameters.The improved product proves that it is of high efficiency with cylinder speed increase from 4.60 r/min to 6.08 r/min;high control precision with pitch error less than 0.1 mm.It is of wide application with flexible adjustment and control with the change of the specifications of the wire fillet clothing.It is stable and reliable,of little maintenance,simple operation and long service life.

grinder;feeding control;wire fillet clothing;mechanical decoupling;isolated duo-shaft driving;flexibility

2016-03-28

国家自然科学基金资助项目(51405198)

徐久益(1991—)，男，江苏盐城人，在读硕士研究生，主要从事电力电子与电力传动方面的研究。

时间：2016-04-29 16∶42

TS103.82+1

A

1001-9634(2016)05-0011-04

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1131.TS.20160429.1642.002.html