多軸伺服運動控制的應用

陳速記

摘 要：隨著電子、電力電子技術的飛速發展，伺服電機、伺服控制器的成本越來越低，應用的領域也越來越廣泛。在高精度控制要求的場合，都會考慮到應用伺服控制。

關鍵詞：多軸伺服；PLC控制；伺服控制

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）15-0091-02

1 送紗軸數的確定

現有的編織機只有一個異步電機喂紗，它的喂紗動作與喂紗量是通過一個行程開關控制，上下經紗的喂紗羅拉是通過鏈條、鏈輪按一定的傳動比連接在一起的，兩條喂紗羅拉是一起轉動的。當紗線張力變大時，經紗拉著導向滾筒向前移動，當導向滾筒碰到限位行程開關后，行程開關動作再控制喂紗電機的接觸器吸合，喂紗電機轉動喂紗，當經紗張力變小時，導向滾筒會在拉簧的作用下復回原位，限位行程開關復位，接觸器斷開，這樣就完成了一次喂紗動作。這種機械式的喂紗方式，無論是喂紗時機還是喂紗量都是單一的，喂紗精度也無法控制，所以毯面花型也比較單一，花型的變化只能靠變換起棕方式來實現。要改變這一狀況，就必須更改喂紗方式，并且使喂紗羅拉能夠單獨受控。

同一組經紗只有通過不同的喂紗羅拉喂紗才可以產生不同的喂紗量，才能在同一經向上產生高起珠、低起珠或者平紋，通過不同的喂紗規律就可以產生立體的花型效果。出于知識水平的限制，更多的是花型設計層面的限制，我決定第一臺多軸喂紗編織機采用3軸喂紗；一軸的經紗負責織平紋，另兩軸的經紗負責高起珠和低起珠，目的是先驗證多軸喂紗的編織機是否能夠織出立體花型效果的地毯，這樣也可以花較少的資金在短時間內制造出一臺機器，并生產一批新產品投放市場，以檢驗市場反應。

這臺多軸喂紗編織機織出來的地毯，它的珠高要求精確到毫米級，并且機器要在連續運行的情況下不停的改變喂紗量，需要喂紗羅拉有著極高的響應速度，以保證織出的毯面效果是符合設計要求的，使毯面表現出有規律的高低不平、美觀的立體感。

2 機械構造設想

機械的起棕、引緯、打緯部分沒有重新設計，而是直接引用過來，依然采用偏心輪起棕、有梭引緯、機械打緯的模式，對于劍麻行業來說，這種有梭引緯與重型機械打緯機構有著無梭織機無法比擬的優點；這種機構可以編織粗紗、高緯密、自然邊的地毯，而無梭織機即無法做到。由于這2個機構的重要特點，所以沿用下來，而機械送經、地毯卷取兩部分則重新設計。

機械送經部分，喂紗羅拉由原來的2條增至3條喂紗羅拉，并且每一條喂紗羅拉由一套伺服電機控制，每一條羅拉都可以單獨運動，它們之間沒有任何機械連接。其中一條喂紗羅拉負責喂入下紗，編織地毯結構的平紋；另兩條喂紗羅拉負責喂入2種上紗，編織地毯結構的高低花紋。而且每一條喂紗羅拉都要有一條張力檢測滾筒，以檢測經紗的張力。以方便尋緯、斷紗等編織錯誤處理時有參考的依據，這樣可以快速恢復正常開機。如果沒有經紗張力檢測，那么在尋緯動作后經紗張力已改變，此時直接開機，地毯毯面的花型就會變樣，要么毯面緯密變密了、花型變小，要么毯面緯密變疏了、花型變大、變松散，不管是那種后果，這樣的地毯都是不合格的產品、是廢品，這是不允許的。

同時考慮到喂紗有累積誤差，這種喂紗累積誤差來自這種重型織機的固有特性，高開口、強打緯力都會使經紗形變較大而有輕微的拉長。所以喂紗除了用伺服電機精確控制喂紗量外，每一軸喂紗羅拉必須還要有一套張力檢測裝置，便于控制經紗的張力，實現喂紗的另一個張力反饋，實現位置加張力的雙閉環控制系統。當喂紗量設置過少導致張力過大時，PLC檢測到后可以馬上控制喂紗羅拉加快喂紗速度，張力偏小時，可以減少喂紗速度以達到張力平衡，進而可以保護機器不會因為張力過大而損壞，同時可以保證毯面效果。出于這兩方面考慮，每一條喂紗羅拉都必須要有一條經紗張力檢測滾筒。

地毯卷取裝置也由原來的機械卷取重新設計成單獨的伺服電機卷取，以方便控制地毯毯面的緯密。這樣就可以方便的在觸摸屏上更改地毯的緯密，而不需要機修工更換傳動比上的機械齒輪，大大縮短更換品種時所需要的時間，提高生產效率。

3 控制方案的構想與實現

伺服驅動器采用位置控制模式，提前預設好伺服驅動器的電子齒輪比，通過PLC的高速脈沖輸出口給定脈沖數量與脈沖頻率到伺服驅動器，伺服驅動器再控制伺服電機的轉動量與速度，當伺服執行完成后，再給一個執行完成信號給PLC。在觸摸屏上做好可以輸入喂紗量與喂紗速度的輸入窗口，再經過預先編好的程序自動換算成脈沖數量與脈沖頻率，這兩個換算后的數值自動存在PLC脈沖輸出對應的存儲器上，這樣操作工就可以根據不同的花型輸入不同的喂紗量，而不需要自己換算成脈沖量，只需要跟據毯面效果輸入自己想要的數值就可以了。

為了能達到高起珠與低起珠的效果，每一步花紋的起珠量必須要在剛剛引緯完成后到打緯完成前這段極短的時間內完成喂入，否則毯面上就不可能產生高起珠、低起珠、平紋的立體效果。因為，如果在梭口正在打開的過程，也即在引緯的過程中喂紗，會導致經紗張力變松，開口不清，進而有可能導致經紗被梭子撞斷；如果在打完緯后再送經紗過來，那么打緯前的經紗就有可能不夠多，會導致毯面起珠不夠，甚至平紋的結果，更嚴重的是可能會在打緯時因張力過大而拉斷經紗。所以在不阻礙引緯的前提下，在打緯完成前就要完成喂紗，此時喂入的經紗才會變成地毯的珠高。這需要喂紗電機要有極高的響應能力，也需要控制程序非?？煽俊?/p>

要使控制程序穩定可靠，就必需知道機器剛好引完緯紗，準備打緯的這一重要位置，并且還需要知道當前所編織花型的步數，才能確定當前步數花型的喂紗量是多少。因此需要在機器的曲軸上裝位置傳感器，曲軸轉一圈剛好對應地毯花型的一步花紋。這樣機器就可以知道什么時候開始喂紗、喂入多少了，什么時候開始卷取、卷取多少了。

由于地毯編織機是重型織機，震動大，車間噪音、粉塵大、環境較差，使用旋轉編碼器比較容易丟脈沖和損壞，出于簡便可靠的原則，直接選用2個防震動能力強的接近開關安裝在機器的曲軸上空，與曲軸非接觸，這樣可以有效減少機械震動對傳感器的影響，然后把檢測片做成弧形，并按增量式編碼器的原理把兩片檢測片一前一后安裝在曲軸上，兩接近開關并列固定在檢測片上方，以便產生一前一后的兩相脈沖信號，這種方式既可以確定開始喂紗的位置，又可以對曲軸的轉動圈數計數，并且可以判斷曲軸是正轉還是反轉，也即對花型步數計數，正轉就加步數，反轉就減步數。這是花型能否受控的重要條件。鑒于這兩傳感器的重要性，在程序中需要寫專門判斷傳感器是否有損壞和誤動作的程序，任何一個傳感器丟失信號就馬上報警停機，防止計數出錯導致花型出錯。同時觸摸屏也會正確顯示當前花型步數、張力大小、喂紗量等信息，以方便操作工查看參考。

為了實現這些控制要求，電氣控制系統的主要電氣元件：PLC選擇三菱Fx5u-48MT/ES，因為FX5u系列有4個高速脈沖輸出[1]，可以通過位置模式同時控制4軸伺服。伺服驅動器選擇三菱的MR-JE-200B以及配套的HG-SN152J-S100伺服電機。紗線張力檢測傳感器采用自制的張力傳感器。起棕、打緯的動力則由普通異步電機提供。

4 調試與試生產

機器安裝完后首先空機調試，以檢驗機器的動作是否按照設計的要求動作，各部位有沒異常。第一步調試還算順利，但在機器穿紗后的調試階段還是出現了很多預想不到的情況。剛開始帶紗試機時，怎么也看不到我們預期的結果。毯面沒看到有高起珠、低起珠的現象，都是平紋，只能說織出來的是麻布，而且還是不合格的麻布，毯面很雜亂無章；出現這種情況，首先懷疑是不是喂紗羅拉沒有按要求喂紗。現場程序運行監控發現：伺服控制器是按預先設計的喂紗順序和喂紗量執行的，但即不見多的喂紗變成珠高。當時百思不得其解，難道是這種多軸喂紗機構本身不合理，所以不可能產生可變珠高的地毯，還是喂紗量不夠，以至打緯時經紗不能起珠。首先排除第二種可能，加一倍喂紗量再試，結果看到有起珠的跡象了，但是珠高不穩定，毯面花型也出不來，松松散散的。不過看到有起珠的跡象，還是增加了不少信心，證明設計的方向是對的。

接下來就是要找到珠高不穩定的真正原因。即喂紗量受控，起珠不受控的問題點。通過不停的觀察發現：當低起珠時，低起珠喂紗羅拉上的上紗是松的，打緯時這松的紗就會被打起珠，本應低起珠的也變高起珠了。原來紗線張力不受控才是起珠不受控的真正原因。接下來就是要解決張力受控問題，市場上成熟的微動程張力傳感器并不適用于這種重型織機，因為這種重型織機在打緯時張力變化很大，張力滾筒的位置需要能夠滑動，打緯時紗線張力變大，高起珠的張力滾就要往前移，快速減少打緯的瞬時張力，保證起珠高度，如果張力滾在原位不動，張力的瞬時過大會拉低起珠高度；不是高起珠的張力筒就要往后移，將有松動的紗線張緊，保持張力不變。

為實現這一功能必須保證張力滾筒的張力是可控的。張力傳感器的行程必須夠長，長度應該適應最大開口到平棕的行程變化，所以在調試階段自制了適用這種要求的張力傳感器。它由拉簧和直線位移傳感器組成，拉簧的形變改變位移傳感器的電阻值，PLC檢測到位移傳感器的返回值就可知道張力滾筒當前的張力，自制的張力傳感器通過校準可以正常使用，這與張力傳感器的橋式應變片工作原理有異曲同工之妙。雖然自制的張力傳感器不美觀，但完美解決了這一問題。高低起珠效果馬上呈現出來，并且很有規律，毯面花型結構也很緊湊。起珠的高度也可以通過改變喂紗量很方便的改變。調試到這種狀態，這臺多軸伺服喂紗編織機基本上可以投入車間試生產。

在試生產階段，發現毯面上高起珠與低起珠的交界處緯線是彎的，但是彎的形狀大小一樣，很有規律、很美觀。于是突發奇想，又多搞了5種風格出來：（1）完全不緯彎的風格；（2）前直后彎的風格；（3）前彎后直的風格；（4）高低珠提前交接的風格；（5）高低珠延后交接的風格。這6種同起棕規律而不同毯面風格的花型可以在觸摸屏上隨意設定，非常方便。

在培訓車間員工熟練操作后，完全放手讓車間試生產。試生產期間運行順暢、操作方便，完全符合生產需要。這臺多軸伺服喂紗編織機達到當初設計要求。

5 結語

這臺3軸伺服喂紗加1軸伺服卷取的編織機織出的劍麻地毯達到預期的效果，毯面花紋立體效果明顯，收到我們新樣版的客戶都非常滿意，并驚訝我們是如何做到的。這套多軸伺服運動控制系統的成功應用證明：多軸喂紗是可以編織出立體花型效果的劍麻地毯的；伺服控制完全勝任這一控制要求。在全球范圍，我們公司在劍麻紡織行業率先擁有了可以編織立體花型地毯的機器。

這次4軸伺服運動控制的成功應用，為下次更多軸伺服運動控制的應用打下了堅實的基礎，并積累了很多經驗。由于水平有限，文中大量使用口語化語言，也難免會有很多不足之處。

參考文獻

[1]梁耀光，余文烋.電工新技術教程[M].世界圖書出版廣東有限公司，2012.