多轴伺服运动控制的应用

陈速记

摘 要：随着电子、电力电子技术的飞速发展，伺服电机、伺服控制器的成本越来越低，应用的领域也越来越广泛。在高精度控制要求的场合，都会考虑到应用伺服控制。

关键词：多轴伺服；PLC控制；伺服控制

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）15-0091-02

1 送纱轴数的确定

现有的编织机只有一个异步电机喂纱，它的喂纱动作与喂纱量是通过一个行程开关控制，上下经纱的喂纱罗拉是通过链条、链轮按一定的传动比连接在一起的，两条喂纱罗拉是一起转动的。当纱线张力变大时，经纱拉着导向滚筒向前移动，当导向滚筒碰到限位行程开关后，行程开关动作再控制喂纱电机的接触器吸合，喂纱电机转动喂纱，当经纱张力变小时，导向滚筒会在拉簧的作用下复回原位，限位行程开关复位，接触器断开，这样就完成了一次喂纱动作。这种机械式的喂纱方式，无论是喂纱时机还是喂纱量都是单一的，喂纱精度也无法控制，所以毯面花型也比较单一，花型的变化只能靠变换起棕方式来实现。要改变这一状况，就必须更改喂纱方式，并且使喂纱罗拉能够单独受控。

同一组经纱只有通过不同的喂纱罗拉喂纱才可以产生不同的喂纱量，才能在同一经向上产生高起珠、低起珠或者平纹，通过不同的喂纱规律就可以产生立体的花型效果。出于知识水平的限制，更多的是花型设计层面的限制，我决定第一台多轴喂纱编织机采用3轴喂纱；一轴的经纱负责织平纹，另两轴的经纱负责高起珠和低起珠，目的是先验证多轴喂纱的编织机是否能够织出立体花型效果的地毯，这样也可以花较少的资金在短时间内制造出一台机器，并生产一批新产品投放市场，以检验市场反应。

这台多轴喂纱编织机织出来的地毯，它的珠高要求精确到毫米级，并且机器要在连续运行的情况下不停的改变喂纱量，需要喂纱罗拉有着极高的响应速度，以保证织出的毯面效果是符合设计要求的，使毯面表现出有规律的高低不平、美观的立体感。

2 机械构造设想

机械的起棕、引纬、打纬部分没有重新设计，而是直接引用过来，依然采用偏心轮起棕、有梭引纬、机械打纬的模式，对于剑麻行业来说，这种有梭引纬与重型机械打纬机构有着无梭织机无法比拟的优点；这种机构可以编织粗纱、高纬密、自然边的地毯，而无梭织机即无法做到。由于这2个机构的重要特点，所以沿用下来，而机械送经、地毯卷取两部分则重新设计。

机械送经部分，喂纱罗拉由原来的2条增至3条喂纱罗拉，并且每一条喂纱罗拉由一套伺服电机控制，每一条罗拉都可以单独运动，它们之间没有任何机械连接。其中一条喂纱罗拉负责喂入下纱，编织地毯结构的平纹；另两条喂纱罗拉负责喂入2种上纱，编织地毯结构的高低花纹。而且每一条喂纱罗拉都要有一条张力检测滚筒，以检测经纱的张力。以方便寻纬、断纱等编织错误处理时有参考的依据，这样可以快速恢复正常开机。如果没有经纱张力检测，那么在寻纬动作后经纱张力已改变，此时直接开机，地毯毯面的花型就会变样，要么毯面纬密变密了、花型变小，要么毯面纬密变疏了、花型變大、变松散，不管是那种后果，这样的地毯都是不合格的产品、是废品，这是不允许的。

同时考虑到喂纱有累积误差，这种喂纱累积误差来自这种重型织机的固有特性，高开口、强打纬力都会使经纱形变较大而有轻微的拉长。所以喂纱除了用伺服电机精确控制喂纱量外，每一轴喂纱罗拉必须还要有一套张力检测装置，便于控制经纱的张力，实现喂纱的另一个张力反馈，实现位置加张力的双闭环控制系统。当喂纱量设置过少导致张力过大时，PLC检测到后可以马上控制喂纱罗拉加快喂纱速度，张力偏小时，可以减少喂纱速度以达到张力平衡，进而可以保护机器不会因为张力过大而损坏，同时可以保证毯面效果。出于这两方面考虑，每一条喂纱罗拉都必须要有一条经纱张力检测滚筒。

地毯卷取装置也由原来的机械卷取重新设计成单独的伺服电机卷取，以方便控制地毯毯面的纬密。这样就可以方便的在触摸屏上更改地毯的纬密，而不需要机修工更换传动比上的机械齿轮，大大缩短更换品种时所需要的时间，提高生产效率。

3 控制方案的构想与实现

伺服驱动器采用位置控制模式，提前预设好伺服驱动器的电子齿轮比，通过PLC的高速脉冲输出口给定脉冲数量与脉冲频率到伺服驱动器，伺服驱动器再控制伺服电机的转动量与速度，当伺服执行完成后，再给一个执行完成信号给PLC。在触摸屏上做好可以输入喂纱量与喂纱速度的输入窗口，再经过预先编好的程序自动换算成脉冲数量与脉冲频率，这两个换算后的数值自动存在PLC脉冲输出对应的存储器上，这样操作工就可以根据不同的花型输入不同的喂纱量，而不需要自己换算成脉冲量，只需要跟据毯面效果输入自己想要的数值就可以了。

为了能达到高起珠与低起珠的效果，每一步花纹的起珠量必须要在刚刚引纬完成后到打纬完成前这段极短的时间内完成喂入，否则毯面上就不可能产生高起珠、低起珠、平纹的立体效果。因为，如果在梭口正在打开的过程，也即在引纬的过程中喂纱，会导致经纱张力变松，开口不清，进而有可能导致经纱被梭子撞断；如果在打完纬后再送经纱过来，那么打纬前的经纱就有可能不够多，会导致毯面起珠不够，甚至平纹的结果，更严重的是可能会在打纬时因张力过大而拉断经纱。所以在不阻碍引纬的前提下，在打纬完成前就要完成喂纱，此时喂入的经纱才会变成地毯的珠高。这需要喂纱电机要有极高的响应能力，也需要控制程序非常可靠。

要使控制程序稳定可靠，就必需知道机器刚好引完纬纱，准备打纬的这一重要位置，并且还需要知道当前所编织花型的步数，才能确定当前步数花型的喂纱量是多少。因此需要在机器的曲轴上装位置传感器，曲轴转一圈刚好对应地毯花型的一步花纹。这样机器就可以知道什么时候开始喂纱、喂入多少了，什么时候开始卷取、卷取多少了。

由于地毯编织机是重型织机，震动大，车间噪音、粉尘大、环境较差，使用旋转编码器比较容易丢脉冲和损坏，出于简便可靠的原则，直接选用2个防震动能力强的接近开关安装在机器的曲轴上空，与曲轴非接触，这样可以有效减少机械震动对传感器的影响，然后把检测片做成弧形，并按增量式编码器的原理把两片检测片一前一后安装在曲轴上，两接近开关并列固定在检测片上方，以便产生一前一后的两相脉冲信号，这种方式既可以确定开始喂纱的位置，又可以对曲轴的转动圈数计数，并且可以判断曲轴是正转还是反转，也即对花型步数计数，正转就加步数，反转就减步数。这是花型能否受控的重要条件。鉴于这两传感器的重要性，在程序中需要写专门判断传感器是否有损坏和误动作的程序，任何一个传感器丢失信号就马上报警停机，防止计数出错导致花型出错。同时触摸屏也会正确显示当前花型步数、张力大小、喂纱量等信息，以方便操作工查看参考。

为了实现这些控制要求，电气控制系统的主要电气元件：PLC选择三菱Fx5u-48MT/ES，因为FX5u系列有4个高速脉冲输出[1]，可以通过位置模式同时控制4轴伺服。伺服驱动器选择三菱的MR-JE-200B以及配套的HG-SN152J-S100伺服电机。纱线张力检测传感器采用自制的张力传感器。起棕、打纬的动力则由普通异步电机提供。

4 调试与试生产

机器安装完后首先空机调试，以检验机器的动作是否按照设计的要求动作，各部位有没异常。第一步调试还算顺利，但在机器穿纱后的调试阶段还是出现了很多预想不到的情况。刚开始带纱试机时，怎么也看不到我们预期的结果。毯面没看到有高起珠、低起珠的现象，都是平纹，只能说织出来的是麻布，而且还是不合格的麻布，毯面很杂乱无章；出现这种情况，首先怀疑是不是喂纱罗拉没有按要求喂纱。现场程序运行监控发现：伺服控制器是按预先设计的喂纱顺序和喂纱量执行的，但即不见多的喂纱变成珠高。当时百思不得其解，难道是这种多轴喂纱机构本身不合理，所以不可能产生可变珠高的地毯，还是喂纱量不够，以至打纬时经纱不能起珠。首先排除第二种可能，加一倍喂纱量再试，结果看到有起珠的迹象了，但是珠高不稳定，毯面花型也出不来，松松散散的。不过看到有起珠的迹象，还是增加了不少信心，证明设计的方向是对的。

接下来就是要找到珠高不稳定的真正原因。即喂纱量受控，起珠不受控的问题点。通过不停的观察发现：当低起珠时，低起珠喂纱罗拉上的上纱是松的，打纬时这松的纱就会被打起珠，本应低起珠的也变高起珠了。原来纱线张力不受控才是起珠不受控的真正原因。接下来就是要解决张力受控问题，市场上成熟的微动程张力传感器并不适用于这种重型织机，因为这种重型织机在打纬时张力变化很大，张力滚筒的位置需要能够滑动，打纬时纱线张力变大，高起珠的张力滚就要往前移，快速减少打纬的瞬时张力，保证起珠高度，如果张力滚在原位不动，张力的瞬时过大会拉低起珠高度；不是高起珠的张力筒就要往后移，将有松动的纱线张紧，保持张力不变。

为实现这一功能必须保证张力滚筒的张力是可控的。张力传感器的行程必须够长，长度应该适应最大开口到平棕的行程变化，所以在调试阶段自制了适用这种要求的张力传感器。它由拉簧和直线位移传感器组成，拉簧的形变改变位移传感器的电阻值，PLC检测到位移传感器的返回值就可知道张力滚筒当前的张力，自制的张力传感器通过校准可以正常使用，这与张力传感器的桥式应变片工作原理有异曲同工之妙。虽然自制的张力传感器不美观，但完美解决了这一问题。高低起珠效果马上呈现出來，并且很有规律，毯面花型结构也很紧凑。起珠的高度也可以通过改变喂纱量很方便的改变。调试到这种状态，这台多轴伺服喂纱编织机基本上可以投入车间试生产。

在试生产阶段，发现毯面上高起珠与低起珠的交界处纬线是弯的，但是弯的形状大小一样，很有规律、很美观。于是突发奇想，又多搞了5种风格出来：（1）完全不纬弯的风格；（2）前直后弯的风格；（3）前弯后直的风格；（4）高低珠提前交接的风格；（5）高低珠延后交接的风格。这6种同起棕规律而不同毯面风格的花型可以在触摸屏上随意设定，非常方便。

在培训车间员工熟练操作后，完全放手让车间试生产。试生产期间运行顺畅、操作方便，完全符合生产需要。这台多轴伺服喂纱编织机达到当初设计要求。

5 结语

这台3轴伺服喂纱加1轴伺服卷取的编织机织出的剑麻地毯达到预期的效果，毯面花纹立体效果明显，收到我们新样版的客户都非常满意，并惊讶我们是如何做到的。这套多轴伺服运动控制系统的成功应用证明：多轴喂纱是可以编织出立体花型效果的剑麻地毯的；伺服控制完全胜任这一控制要求。在全球范围，我们公司在剑麻纺织行业率先拥有了可以编织立体花型地毯的机器。

这次4轴伺服运动控制的成功应用，为下次更多轴伺服运动控制的应用打下了坚实的基础，并积累了很多经验。由于水平有限，文中大量使用口语化语言，也难免会有很多不足之处。

参考文献

[1]梁耀光，余文烋.电工新技术教程[M].世界图书出版广东有限公司，2012.