一種精密卷繞的新型橫動導紗裝置及控制分析

金春奎 仲岑然 陳驚云

摘 要：介紹了一種精密卷繞的新型橫動導紗裝置，該裝置由兩個連續旋轉運動的普通步進電機互相協同，帶動鋼絲繩的往復運動，完成精密卷繞的橫動導紗。從理論上分析了兩個電機互相協同運動并保證定速導紗的控制原理，從硬件設計和軟件策略兩個方面，提出了該裝置定速橫動控制的實施方案，并在BS-10S松式絡筒機上進行了實際測試，對測試中出現的問題給出了調整與改進的方法，取得了與理論分析相符的實際控制效果。

關鍵詞：精密卷繞;導紗裝置;定速橫動;原理分析;控制策略

Abstract：A new traverse yarn device for precision winding is introduced in this paper. This device runs together with two common stepping motors with continuous rotation， which drives the reciprocating motion of wire rope to finish traverse yarn guidance for precision winding. This article theoretically analyzes the control principle of synergic movement of the two steeping motors to ensure the constant-speed yarn guidance. An implementation plan of constant-speed traverse control is proposed from two aspects （hardware design and software strategy）. Practical test is done with BS-105 spooling machine and the adjustment and improvement method is proposed for the problems in the test. The actual control results are consistent with the theoretical analysis.

Key words：precision winding; yarn device; constant-speed traverse motion; principle analysis; control analysis

自動絡筒機是紡織企業提高生產效率，降低勞動強度，提升產品檔次的必備裝備，經過多年的發展，自動絡筒機的技術與工藝水平有了新的提高，其中精密卷繞是自動絡筒機未來發展的趨勢，其原理是以橫動的往復導紗裝置取代現有絡筒機上的槽筒，卷繞頭通過直接積極式傳動來實現，采用電腦控制卷繞與橫動比來避免紗線的重疊問題[1-3]。

國內外各種橫動導紗方式具體結構不盡相同，但主要的工作原理相似，各具特點[4]。如賜萊福橫動導紗裝置，采用兩組做正、反兩個方向轉動的撥叉（圖1），在往復動程末端實現撥叉對長絲控制的輪換，引導紗線往復運動。由于紗線高速運動，撥叉必須具有耐磨性，同時導紗板與撥叉動作配合機構較為復雜[5-7]。

SSM公司和SAVIO公司的橫動導紗技術結構基本類似，主要采用伺服電機正反轉帶動皮帶輪或鋼絲繩實現紗線的橫向往復運動[4，7-8]（圖2）。該結構相對簡單，但伺服電機正反轉驅動的往復運動，要求電機的運動方向在極短的時間內快速往返，運動狀態變化劇烈。適應這種運動狀況的伺服電機轉子慣量小，力矩大，加速快。這些專用伺服電機特殊的性能增加了這種往復結構的成本。同時急速往復齒帶磨損較嚴重，使用維護成本高[4]。

文獻[9]將伺服控制與機械凸輪相結合，使用凸輪連桿帶動滑塊在導軌上滑動，但滑塊的急速往返磨損問題仍然存在，同時，橫向導紗速度小，實際應用價值不高。

1 定速橫動導紗裝置的基本結構

新型橫動導紗裝置結構簡單，對電機性能的要求不高，實施難度相對較低，易于普及和推廣。設計基本思路是以兩個連續運轉的普通步進電機驅動輕質圓盤，帶動鋼絲繩的往復運動，電機沒有頻繁的換向運動，可避免電機及結構慣量對動態響應的影響，運動更穩定，控制更方便。如圖3，鋼繩由圓盤O1的邊緣P1點經Q1、Q2導輪與圓盤O2的邊緣P2點相連，兩個步進電機控制的輕質圓盤同向協調運動，控制鋼繩往復運動，固定在鋼繩的導紗鉤跟隨鋼繩完成往復導紗運動。

2 定速橫動導紗運動原理分析

由圖3可見，如果兩個圓盤的同步運動，并不能形成互補效應，以保證鋼絲繩一直處于繃緊狀態。要實現這一功能，需要左右兩個圓盤以不同角度和角速度相互協作運動。圖3中兩個導輪之間的距離固定，要保證鋼絲繩的一直處于繃緊，即P1Q1+P2Q2=常量，或者可以描述成在相同的時間內：

這里得到保持l以特定速度變化時，圓盤角速度ω與角度α的關系。顯然保持l以特定速度變化時每一角度的角速度ω不同。

在相同的卷繞速度下，卷繞角越大，要求導紗橫動速度越大，一般情況下，卷繞角在10°～25°范圍內變化[10]。以BD-10S絡筒機正常卷繞速度v0=900 m/min，卷繞角25°，橫動速度：

ω數值為負，實際上是橫動換向v<0所致，考慮到這個原因，所有的負值取絕對值，為實際角速度的值。從表1還可以看出，角速度ω隨α變化有如下特征。

a）要保證定速橫動，不同的角度對應的電機角速度不同。當α趨向于0或π、2π時，ω趨向于±∞，超出一般電機的速度極值。

由于鋼繩負載很小，考慮到步進電機的運動控制穩定性，旋轉以小于1 800 r/min即可。以電機運動速度為1 800 r/min，角速度：

實踐中，邊端換向動程與卷繞速度有關，每端在2～5 mm，與定速導紗距離合并，達到標準筒子導紗距離的要求。

這是較大卷繞角情況下得到的結果，當卷繞角減小的情況下，導紗速度會有較大的降低。當卷繞角到達15°時，角速度最大值為114 rad/s，電機的轉速在1 200 r/min即可。

當α趨向于0（2π）或π時，考慮到定速導紗在該角度附近位置橫動換向，處于定速導紗動程之外，可使用有限的勻角速度通過。在[-24°，14°]端（0或2π端）可使用14°對應的角速度;在[156°，204°]端（π端）可使用156°對應的角速度，以固定角速度通過。

b）角速度值在0～180°和180°～360°范圍內速度的變化規律關于180°位置對稱。圖5是定速導紗角速度隨角度變化趨勢圖。

結合式（7）與表1的計算，設計左右兩組電機分別在0與180°的位置以與角度相對應的角速度運行，在P1Q1與P2Q2以相同的速度變化同時，變化量符號相反，相互抵消，滿足式（1）的要求。保證鋼絲繩一直處于繃緊，橫動運動勻速控制得以實現。

3 橫動定速導紗的圓盤轉動控制策略

上文從理論上分析了裝置的原理上控制的可行性，下面介紹實現控制系統的硬件及軟設計。

3.1 硬件設計

硬件框圖如圖6所示，主要由控制板、驅動器、電機組成。

步進電機帶有編碼器，參數為1 000線增量式帶z相（半圈型）輸出。步進閉環驅動器的參數配置為3 200個脈沖一圈。

控制板輸出脈沖、方向、使能信號至步進閉環驅動器，并檢測來自閉環驅動器的報警輸入。步進閉環驅動器根據控制板輸入的控制信號與電機編碼器的信號來驅動電機。

電機編碼器信號不僅輸出至步進閉環驅動器，還需要輸至控制板。以便在控制應用上獲取當前位置，完成啟動角度自復位等功能。

3.2 軟件控制流程

主控板芯片內部有一個循環計數器，計錄當前電機運動步數（角度）。為角度校準方便，兩步進電機安裝位置相差180°。這樣，初始時當第一、第二步進電機均以0角度開始，校準Z相編碼器，同時輸出信號。根據導紗橫動設定的速度，結合運動步數計算出的角度，在給定的區間內根據數學模型計算出當前角速度，根據角速度計算步進脈沖頻率，在規定的間隔輸出脈沖，控制信號發送至步進閉環驅動器，完成一次控制。實際應用中，為了減少運算工作量，一圈3 200個脈沖可以分為400組，每8個脈沖更換一次脈沖頻率，這樣可以在資源有限的情況下，達到預先計算，預先決策，減少運算量，提高控制準確性。當其中的一個電機編碼器的Z相輸出信號（每圈一次），比較另一電機編碼器的Z相輸出，是否同步。如果不同步，較快的等待同步校準。然后步數自動清零，再次開始新的一圈運行。控制流程如圖7所示。

4 定速導紗系統的測試與調整

該裝置在BD-S10松式絡筒機上試驗運行，導紗鉤固定在鋼繩上，配合卷繞速度的調節，卷繞角在10°～25°可調，運行穩定。達到了一般絡筒導紗卷繞的要求。與傳統的伺服電機換向的往復式方式相比，電機沒有反向運動，運行更穩定。鋼繩的張弛是由兩個電機協同控制，張弛穩定，沒有電機換向方式時的一端拉緊，一端松弛產生的鋼繩彎折。

a）由于電機速度的限制，在高速絡筒時（超過1 000 m/min）通過橫動的速度調節實現防重疊功能時調節范圍還不夠，容易形成硬邊[11]。此時可以通過兩換向位置速度交叉變化得以改善。

b）要盡可能的減小導紗鉤和卷繞紗面的距離，實踐當導紗鉤和卷繞紗面的距離20 mm時，筒紗成形良好，距離太大，筒紗橫向尺寸穩定性受影響。

c）筒紗橫向尺寸穩定性還與卷繞速度相關，速度大，尺寸稍長，在工藝調節時要加以考慮。

5 結 語

總體上相比傳統的伺服電機換向實現橫動的方式，本方案采用通用電機配件，相比專用的電機成本大大降低，同時在橫動控制速度上也較傳統方案更方便，電機沒有反向運動，運行更穩定;裝置運動部件更為簡單輕便，運動慣量小，反應更迅速;采用非線性角速度變速控制，在有限的電機轉速條件下，最大限度地保證定速導紗的動程，保證了筒紗卷繞工藝的控制，實際調試中達到常規絡紗生產的要求。

參考文獻：

[1] 劉廣喜，劉松.高速卷繞頭的精密卷繞控制[J].紡織機械，2013（3）：11-14.

[2] 劉敦平.松式絡筒機的發展及GA036精密絡筒機的應用[J].紡織導報，2009（7）：74-76.

[3] 范偉鵬，胡旭東.精密絡筒機新型卷繞技術的研究[J].現代紡織技術，2013（4）：19-22.

[4] 高健.一種新型橫動導紗方式[J].紡織機械，2013（4）：26-27，15.

[5] 李晨晨.自動絡筒機撥叉導紗機構設計以及可行性分析[J].機械工程師，2009（5）：97-98

[6] 陳亞建.性能卓越的PPW-A撥片式精密卷繞機.紡織導報，2010（5）：80-82.

[7] 楊小鳳.絡筒機的導紗機構與卷繞形式分析[J].科技視界，2014（27）：76-77.

[8] 張嘉勝，曹繼鵬.伺服系統在紡織機械中的應用[J].遼東學院學報（自然科學版），2015（3）：190-194.

[9] 王恒剛，胡克勤，郭吉豐.基于伺服控制和曲柄連桿滑塊機構的導紗系統[J].紡織學報，2012（9）：130-134.

[10] 張冶.紡紗工藝設計與實施[M].上海：東華大學出版社，2011：172-177.

[11] 陸文華，魏建，匡江紅，等.卷裝成型技術的探討與分析[J].合成纖維，2006（4）：21-25.