电子齿轮技术在并条机上的应用

李 响，王 丹，范碧白

(沈阳宏大纺织机械有限责任公司，沈阳 110141)



电子齿轮技术在并条机上的应用

李 响，王 丹，范碧白

(沈阳宏大纺织机械有限责任公司，沈阳 110141)

介绍电子齿轮的组成、原理及电子齿轮技术在并条机上的应用设计，详细阐述如何正确地选择电子齿轮比和电子齿轮使用精度；通过对比电子齿轮并条机与传统齿轮传动并条机的出条质量数据，表明电子齿轮技术应用的可靠性和稳定性好。指出：电子齿轮并条机较传统并条机是在智能化和数字化上的进步，其精度高、稳定性好、操作方便，能降低并条机维护成本和企业劳动成本。

并条机；电子齿轮；电子齿轮比；伺服驱动器；控制精度

0 引言

随着国内劳动力成本的攀升，劳动密集型的纺织行业越来越关注因劳动力成本提高而带来的压力，能够节约劳动力、智能化、数字化的纺织机械备受纺织厂青睐[1]。

伴随电力电子技术迅猛发展，国内伺服系统、变频器和PLC等自动化产品已经越来越深入地应用到工业生产的各个领域，电子齿轮便是一种可以节约劳动力、需要多种自动化产品共同配合而实现的技术。

1 电子齿轮的组成及原理

电子齿轮是用电子同步技术取代机械齿轮的一种机构。

电子齿轮采用高精度的伺服驱动器进行驱动，用户可以根据需要自由设定、修改电子齿轮比，降低齿轮更换的人工成本，解决机械传动过程中齿轮磨损和齿轮间隙造成的误差。

1.1 电子齿轮装置的组成

电子齿轮装置主要由5部分组成：① 主动系统(可采用伺服驱动器控制伺服电机，也可采用变频器控制电机，笔者以变频器控制电机为例)；② 从动系统(伺服驱动器控制伺服电机)；③ 触摸屏；④ PLC；⑤ 编码器。

1.2 电子齿轮的原理

电子齿轮装置原理框图如图1[2]。

通过触摸屏设定相关参数，PLC下达启动和跟随指令，变频器控制主电机运转，伺服驱动器获得主电机编码器信号，根据设定好的电子齿轮比，控制从电机跟随主电机运转，以达到设定要求。采用伺服驱动器闭环速度控制模式，大大提高了速度控制精度及响应性，适用于高精度速度控制模式，速度波动受机械传动影响较小。

2 电子齿轮在并条机上的应用

电子齿轮技术在并条机上的应用，是电气智能化和数字化的创新。沈阳宏大纺织机械有限责任公司在JWF1309、JWF1309A型并条机上均已成功使用电子齿轮技术，其操作方便、控制精度高。

当传统的并条机工艺更改时，先要找到主牵伸倍数相对应的齿轮齿数，再由工人摘下皮带、更换齿轮，再将皮带装上，操作很麻烦。当并条机采用电子齿轮技术时，是通过设置电子齿轮比调控主牵伸技术来代替传统的人工变换齿轮，从而降低齿轮更换的人工成本，而且还解决了人工换齿轮不当操作导致的齿轮磕碰或齿隙不当造成的传动问题[3]。

配电子齿轮的并条机，是电子齿轮控制牵伸分配的并条机，牵伸区由两个电机拖动，实现罗拉牵伸同步的功能。

2.1 电子齿轮比

电子齿轮是通过伺服系统的位置模式实现的，在位置模式下输入位置指令对负载位移进行设定，而电机位置指令是对电机位移进行设定，为建立电机位置指令与输入位置指令的比例关系，引入电子齿轮比功能。

电子齿轮比公式：f2=f1×(N/M)

式中：

f2——从电机位置指令；

f1——输入位置指令；

N——电子齿轮比分子；

M——电子齿轮比分母。

2.2 电子齿轮比的计算

输入位置指令、从电机位置指令与电子齿轮比之间的关系，如图2所示。

已知输入位置指令为1，要求对应从电机位置位移量为ΔL，从电机轴周长为R，从电机编码器分辨率为P，求电子齿轮比。

当从电机位置位移量为ΔL时，从电机转动r=ΔL/R圈；根据从电机编码器分辨率为P，可得从电机转1圈其编码器产生P个脉冲反馈信号。当从电机位置位移量为ΔL时，产生脉冲数为r×P=(ΔL/R)×P。

因为电子齿轮比N/M=(从电机位置指令/输入位置指令)，所以，输入位置指令×(N/M)=从电机位置指令。

当输入位置指令为1时，即：1×(N/M)=(ΔL/R)×P，故电子齿轮比N/M=(ΔL/R)×P。

2.3 精度分析

电子齿轮并条机在加速、减速段，编码器产生的参考位置和电机实际位置总会有些误差，这个误差被称为跟随误差；而伺服系统位置模式就是为了减少跟随误差。通常情况下，正常运行段即稳态时，跟随误差几乎为零；在加速或减速时，跟随误差将主要是由电机的性能决定；用户可以根据要求的精度范围设定跟随误差的报警停车值。一般地，伺服系统设置了跟随误差的两个不同的设定值：第一个设定值为报警值，当前跟随误差超过第一个设定值时，伺服驱动器激活一个警告信号；第二个设定值为停车值，当前跟随误差超过第二个设定值时，伺服驱动器激活一个停止信号，进而使其停车。

2.3.1 理论控制精度计算

以沈阳宏大JWF1309A型并条机为例，根据机械传动图，可知主电机的转速和前压辊的转速关系为：

主电机的转速和一罗拉的转速关系为：

从电机与二罗拉转速比：

计算时，取前张力变换轮Z1极限值为50，前张力变换轮Z3极限值为30，根据实际前压辊轴直径为60 mm，一罗拉轴直径为35 mm，选用的2048限编码器，得出主电机旋转时1个脉冲对应前压辊走过的距离S0为0.139 mm，对应一罗拉走过的距离S1为0.134 mm。

取变换轮Z2极限值为68，根据实际二罗拉轴直径为35.5 mm，得出从电机旋转时1个脉冲对应二罗拉走过的距离S2为0.076 mm。

理论计算以5 m输出棉条标准质量为25 g，如果启停车时造成棉条质量的波动不大于±0.1 g，即质量偏差为±0.4%，则启停车时一、二罗拉间，每1 m棉条长度的波动范围应控制Δ为不大于4 mm。

以Δ=4 mm为理论计算依据，根据JWF1309A型传动图，一罗拉轴直径为35 mm，启停车时一、二罗拉间棉条出现4 mm的波动，相当于一罗拉超前转了R1转。

R1=4/(35×π)≈0.036r

即从电机滞后了Q1个脉冲，根据从电机旋转时一个脉冲对应二罗拉走过的距离为0.076 mm，得出Q1=4/0.076=53.63。

因此，为了确保控制精度达到要求，从电机在跟随主电机运转时脉冲波动不能超过54个。

2.3.2 实际控制精度分析

下面以JWF1309A型并条机(在无锡马山试验中心)做启停车试验数据进行精度分析，现场示波器波形如图3所示[4]。

图中Encoder1为从轴(从电机)实际位置，Encoder2为主轴(主电机)实际位置，Lag Error为从轴角偏差，分别在运行、启动和停止过程中随机取一处跟随数据。

a) 运行过程：从截取开车短片段看出启动一瞬间主轴采集了y-diff为8 025个脉冲，从轴y-diff采集了3 842个脉冲，计算同步比例为8 025÷3 842 = 2.088 76。因为正常运行段，主电机、从电机的速度最稳定，所以设运行过程的同步比例2.088 76为稳态。

b) 启动过程：启动时主轴采集了y-diff为7 271个脉冲，从轴y-diff采集了3 479个脉冲，而稳态时从轴脉冲数应为：7 271÷2.088 76=3 481；因此，算出启动时从轴脉冲数比运行时脉冲数少：3 481-3 479=2(<54)。

c) 停车过程：启动时主轴采集了y-diff为7 684个脉冲，从轴y-diff采集了3 683个脉冲，而稳态时从轴脉冲数应为：7 684÷2.088 76=3 678；因此，算出停止时从轴脉冲数比运行时脉冲数少：3 683-3 678=5(<54)。

根据a)、b)、c)计算分析，配电子齿轮的JWF1309A型并条机在正常运行和启停车过程中，均能保持高精度跟随，不会因电子齿轮的跟随误差造成棉条质量的下降。

2.3.3 数据对比

为了验证JWF1309A型并条机不会因电子齿轮的跟随误差造成棉条质量的下降，与FA306A型和JWF1310型并条机做启停车试验对比(在无锡马山试验中心)，在相同条件下进行数据测试[5]，FA306A型并条机属于齿轮传动，JWF1310型并条机属于皮带传动，这两种机型均属于牵伸区机械传动机型。

3种并条机纺普梳30.7 tex纱末道目标质量数据对比见表1。

表1 三种并条机在纺普梳30.7 tex纱末道目标质量数据对比 单位：g/(5 m)

表1数据表明，相同条件下，配电子齿轮的JWF1309A型并条机在正常运行和启停车过程中的质量数据，与机械传动的FA306A型和JWF1310型并条机的数据差异不大。

3 结语

与传统并条机相比，电子齿轮并条机在智能化和数字化上又进了一步，应用电子齿轮技术调控主牵伸倍数的方式与传统的人工变换牙轮方式相比较，精度高、稳定性好、操作方便，大大降低了并条机的维护成本和纺织企业的劳动成本。实践表明，电子齿轮并条机设计先进、性能优越，具有很好的推广价值。

[1] 齐蓉，肖维荣.可编程计算机控制器技术[M].北京：电子工业出版社，2006.

[2] 贝加莱工业自动化(上海)有限公司.ASiM多轴运动功能[Z].2010.

[3] 祝宪民.我国纺织机械行业面临的形势及科学发展探讨[Z].2012.

[4] 上海纺织控股(集团)公司，棉纺手册编委会.《棉纺手册》[M].3版.北京：中国纺织出版社，2004.

[5] 严嘉杰.纺机电气控制技术：电子齿轮技术应用[Z].贝加莱工业自动化(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 响(1986—)，男，辽宁营口人，工程师，主要从事并条机电气自动化部分的设计。

TS103.22+4

B

1001-9634(2016)05-0015-03