基于多轴伺服系统的细纱机控制系统设计

袁善旭，汪 军，b，陈 霞，b

(东华大学 a.纺织学院；b.纺织面料技术教育部重点实验室：上海 201620)

0 引言

细纱工序是纺纱阶段的关键工序，细纱的质量直接影响后道工序的加工及成品质量。传统细纱机多由一根主轴通过带轮、凸轮、传动齿轮等进行传动控制，以实现牵伸、加捻、卷绕成形等任务，其机械结构复杂，生产效率低，品种适应性差[1]。近几年，细纱机不断迭代更新，通过简化机械结构，结合计算机、自动控制、伺服驱动等技术的发展，自动化、数字化、信息化水平不断提高。目前多采用可编程逻辑控制器(PLC)结合变频控制、伺服控制系统改造细纱机，实现电子牵伸等功能[2]。

运动控制器作为运动控制技术的关键部件，能精确控制运动对象的位置和速度等运动参数，因此其广泛应用在各行各业的自动控制设备中[3]。笔者利用运动控制器开发基于多电机驱动的能够实现罗拉、钢领板和锭子等运动部件独立驱动的细纱机控制系统，以提高细纱机的控制精度和自动化程度。

1 控制系统的构成

细纱机控制系统以路斯特公司的运动控制器MotionOneCM为控制单元，配备伺服驱动器、人机交互界面(HMI)、伺服电机及其他元件。取消凸轮、棘轮等复杂的机械成型机构以及部分齿轮传动装置，前、中、后罗拉，钢领板以及锭子均通过电机进行独立驱动，为实现电子牵伸、电子凸轮提供基本条件[4]。细纱机的控制系统结构框图见图1。

运动控制器MotionOneCM作为一种控制电机运动方式的专用控制器，其具备单轴运动、组合运动、电子凸轮等基本的或特殊的运动控制功能。相比可编程逻辑控制器(PLC)，其性能更强大，能够完成要求精度高，运动过程复杂，反应更灵敏的任务；此外，该控制器还具备强大的通信能力。配备的电源模块能够直接通过直流母线排为运动控制器和伺服驱动器提供电源。伺服驱动器通过EtherCat现场总线与控制器进行数据通信传输，接收控制器发送的指令，精确控制伺服电机输出，完成罗拉、锭子的转动以及钢领板的升降运动。HMI通过以太网与控制器进行通信，能够完成细纱机纺纱工艺参数和机器参数的输入和调整，在线监控机器的运行状态以及纺纱进度。

2 控制模型的建立

细纱机的运行参数需要由纺纱工艺参数和部分机械参数计算得出，其主要涉及牵伸和卷绕成形两部分。为了保证机器运行平稳，各机构能够达到任务要求，以及保持纱线张力稳定，以提高纱线和管纱成形的质量，建立合理的数学模型尤为重要[5]。

2.1 牵伸数学模型

由数学模型得到前、中、后罗拉转速，根据减速比，最后计算出各伺服电机的转速。前罗拉输出纱条的线速度要与筒管卷绕纱线的线速度保持一致，卷绕速度为锭子转速与钢丝圈转速之差，前罗拉的转速nf计算公式为：

(1)

式中：

ns——锭子转速/(r·min-1)；

B——细纱捻缩率；

Df——前罗拉直径/mm；

Tt——细纱捻度/(捻·m-1)。

根据总牵伸倍数算出后罗拉转速nb，由后区牵伸倍数得到中罗拉转速nm，见式(2)和式(3)。

(2)

(3)

式中：

nf——前罗拉转速/(r·min-1)；

Db——后罗拉直径/mm；

EZ——总牵伸倍数；

Eb——后区牵伸倍数；

Dm——中罗拉直径/mm。

在实际的纺纱过程中，会存在飞花、滑溜、捻缩等问题，需要考虑牵伸效率。粗纱定量与细纱定量的比值为实际牵伸，而牵伸效率的选择对纺纱的质量偏差有较大的影响，总牵伸倍数(理论牵伸)EZ的计算见式(4)。

(4)

式中：

Ntc——粗纱号数/tex；

Ntx——细纱号数/tex；

C——牵伸效率。

2.2 卷绕成形数学模型

管纱卷绕成形由锭子的旋转运动和钢领板的上下往复运动相互配合完成，涉及到钢领板的升降运动和级升变化两个模型。细纱管纱一般采用圆锥形交叉卷绕形式，钢领板向上运动卷绕时为卷绕层，纱圈紧密，速度快；钢领板向下卷绕时为束缚层，纱圈稀疏，速度慢。钢领板上升、下降为一个卷绕周期，由于卷绕直径不断变化，卷绕速度也会受影响，为稳定纱线张力，钢领板的上升、下降需要遵循以下运动模型[6]。

(上升阶段)

(5)

(下降阶段)

(6)

式中：

X——钢领板上升(下降)的位移/mm；

H0——正常动程/mm；

R——最大卷装半径/mm；

r0——最小卷装半径/mm；

φ——钢领板上升(下降)凸轮的总转角；

φ——钢领板上升(下降)阶段凸轮即时转角。

卷绕层的纱圈螺距一般为纱线直径的4倍，束缚层是卷绕层的3倍。为保证纱圈之间固定的螺距，由前罗拉输出纱条量与相同时间内钢领板的卷绕纱线量一致，可以计算出凸轮的转速，前罗拉与凸轮的速比I计算见式(7)。

(7)

式中：

h——卷绕层螺距/mm；

γ——管纱圆锥半角，一般经验γ=10°～15°；

k——凸轮比，一般取2～3[7]。

钢领板每次升降后要改变方向，还要有级升。为了增加管纱的容量，在管底卷绕阶段，级升m和动程h由小逐渐增大直到正常卷绕阶段，即m1

正常卷绕阶段的级升m计算如下。

(8)

式中：

Nt——细纱号数/tex；

ρm——卷装密度/(g·cm-3)；

h——卷绕层螺距/mm；

γ——圆锥角；

k——凸轮比。

假如管底成形阶段需要钢领板n个卷绕周期，则第i次升降的动程hi如下。

(9)

第i次升降的级升mi如下。

(10)

3 运动程序的实现

MotionCenter是运动控制器MotionOneCM用于应用程序开发的专业软件，是基于自动化编程开发平台Codesys的二次开发端。自动化编程开发平台Codesys符合IEC 61131-3国际编程标准规范，相比传统封闭的PLC来说，具有开放、功能多、支持所有主流总线等优点[9]。MotionCenter中除包含基本的逻辑控制之外，还含有用于单轴、多轴等运动控制的库文件，适合多轴机器自动化程序的开发。

3.1 罗拉牵伸运动

通过数学模型的计算可以得到各罗拉伺服电机的转速，利用MC_MoveVelocity功能块设置前罗拉伺服电机转速为给定的转速。中、后罗拉伺服电机转速与前罗拉伺服电机转速的比值作为齿轮比，以前罗拉为参考轴，利用MC_GearIn电子齿轮功能块设置中、后罗拉伺服电机。中、后罗拉根据齿轮比跟随前罗拉伺服电机运动，齿轮比会随牵伸倍数的改变而变化，从而实现电子牵伸功能。

3.2 钢领板运动

传统细纱机是将钢领板升降运动模型设计成机械凸轮，机械凸轮作用于钢领板[10]。在本控制系统中，将运动模型转化成凸轮曲线，同时会生成速度、加速度曲线，以实现电子凸轮功能。控制钢领板位移的凸轮曲线见图2，x轴为凸轮转角，y轴为钢领板位移。

MC_CamIn为电子凸轮功能块，能使从轴跟随主轴的运动，按照凸轮曲线规定的位移路径进行运动。添加虚拟轴(实际上不存在，以理想状态运动的轴)，利用MC_MoveVelocity功能块使其以凸轮的转速运动，作为主轴。钢领板伺服电机作为从轴，通过MC_CamIn功能块，使钢领板跟随凸轮的转动按照凸轮曲线完成升降运动。当凸轮比k为3时，0°～270°为上升阶段，270°～360°为下降阶段，钢领板运动完成一个周期。通过程序不断调用MC_CamIn功能块，钢领板则进行周期升降运动。

钢领板每完成1个升降周期后，要有级升，特别是管底成形阶段，级升和动程由小逐渐增大。MC_CamIn功能块中的引脚SlaveOffset参数的设置可以使凸轮曲线沿y轴进行偏移，由此可以实现钢领板每个周期间的级升。引脚SlaveScaling参数的设置可以使凸轮曲线沿y轴进行缩放，由此可以实现钢领板动程的变化。管底成形阶段，钢领板每次升降之后，根据级升模型重新计算SlaveOffset和SlaveScaling的值。正常卷绕阶段，SlaveOffset和SlaveScaling参数设置保持常量。

4 系统设计效果

细纱机控制除了具备开车、中途停车等基本功能以外，还具备纺纱阶段判断、满管自动停车、产量计算等功能。能够根据小、中、大纱的不同纺纱阶段，实时调整锭子转速，从而控制纱线张力，减少断头。人机交互界面的使用，不仅可以对纺纱参数、成形参数、机器参数进行设置，还可以监控锭子转速、罗拉转速、产量等机器运行参数，并对运行故障进行提示。

电子齿轮的应用使罗拉实现电子牵伸功能，牵伸倍数可以自由设置。在运动控制器的控制下，前、中、后罗拉能够同时启动，同步加速，时刻保持牵伸倍数恒定。启动后，各罗拉转速变化见图3。

传统的机械凸轮、棘轮、撑爪等部件由电子卷绕成形取代，提高传动效率的同时，增加了管纱成形的灵活性，螺距、圆锥角、级升值等参数可以由人机交互界面进行设置。钢领板能够按照凸轮曲线规定的运动轨迹进行升降，级升和动程从管底成形阶段的初始值逐步增大到正常值，运动更加精密，钢领板多个卷绕周期的位移曲线见图4。

5 结语

在细纱机不断高速化的背景下，运动控制器、伺服驱动等的应用使罗拉之间的同步性增强，各轴之间的运动配合更加协调，有利于提高机器的稳定性和精度。电子牵伸、电子凸轮的实现简化了细纱机的机械结构，提高了自动化水平，为其他纺纱工艺的开发提供了可能。可以通过上位机直接对控制程序和轴配置进行调试，安装拆卸方便，功能可扩展性强。