經編機電子橫移系統高速響應性的影響因素

郭威東， 夏風林， 張 琦

(江南大學 針織技術教育部工程研究中心, 江蘇 無錫 214122)

紡織品生產正朝著小批量、多品種、花型豐富的方向發展，而帶有機械式橫移系統的經編機已不能滿足這些需求，因此，經編機的數控化已成為當今經編裝備發展的一大趨勢[1]。經編機電子橫移系統作為現代經編機電子控制系統中最為關鍵的部分，其性能決定了經編機的生產速度與穩定性[2]；同時因為經編機梳櫛橫移運動的復雜性與精確性，使得高速橫移系統的電子化與高速化成為了經編機全面數控化的技術瓶頸[3]。

德國Karl Mayer公司推出的采用速度控制模式控制旋轉型伺服電動機的四梳電子橫移高速經編機可達到2 200 r/min[4]，大大高于國內廠商制造的同類機型的機器轉速。國內對經編伺服控制系統的研究主要集中在比例積分微分(PID)控制與建模仿真上，其中,鄭寶平等設計了基于雙PID控制模式的經編機電子橫移控制系統[5];劉念等對經編梳櫛橫移機構進行分析并建立動力學模型[6];付睿云等建立了經編機橫移機構的數學模型并得出不同控制參數對系統伺服剛度的響應規律[7]。

本文基于上述理論研究，通過對高速經編機電子橫移系統工作原理和橫移運動工藝要求的深入研究，通過一系列實驗探究了伺服電動機負載慣量比、磁極對數等因素對橫移運動精確性和穩定性的影響。

1 電子橫移控制系統分析

經編機電子橫移控制系統由機械傳動與系統控制兩部分組成，如圖1所示。機械傳動部分目前主要采用旋轉式伺服系統和滾珠絲杠的結構型式，以驅動梳櫛進行橫移；系統控制部分由控制單元(上位機)、伺服執行單元、運動反饋單元和主軸信號單元等組成。控制單元是整個系統的核心，由工控機、運動控制卡、可編程邏輯控制器(PLC)等組成，對梳櫛運動曲線進行規劃，并根據主軸的位置與速度信號控制伺服系統工作，并對運動反饋單元反饋的運動位置、伺服狀態等進行監測與控制。其中伺服系統是機械傳動與系統控制兩部分的共有交互點，對電子橫移系統的高速性能影響顯著。伺服驅動器根據控制單元給定的模擬信號(電壓)或脈沖頻率控制伺服電動機轉動，同時滾珠絲杠將電動機的旋轉運動轉換成直線運動，使梳櫛進行橫移運動。

圖1 經編電子橫移系統整體結構

高速經編機在編織生產時，主軸每轉1轉，導紗針需要分別完成2次橫移運動，在這個運動過程中，當織針擺入織針平面時，為避免擦針和擦傷紗線，梳櫛停止橫移或者進行微量橫移，當擺出織針平面時，梳櫛進行針前或針背的橫移[8]。梳櫛橫移與經編機主軸轉角相關，橫移所需時間與主軸轉速成反比關系，即經編機轉速越高，梳櫛橫移的實際時間越短。梳櫛橫移表現為“靜止→運動→靜止→運動”，而伺服電動機則是按“加速→減速→靜止→加速→減速→靜止”6個階段進行運動，如圖2所示。這種工作循環對伺服系統有著嚴苛的高響應性要求，必須在盡可能短的時間內完成信號接收、處理、運轉3種狀態的不間斷切換。以實驗中采用的GET4-EL型特里科高速經編機(福建佶龍產)為例，當主軸轉速達到1 500 r/min時，第一把橫移梳櫛GB1針前橫移時間約為8.3 ms，針背橫移時間約22.8 ms。

θ2、θ3、θ4—針前橫移; θ5、θ6、θ1—針背橫移。

另外橫移的運動精度對經編機橫移系統的高速性也有影響。如果橫移不準確即電動機實際旋轉角度與要求旋轉角度不一致，會引起擦針現象，進而容易造成斷經，影響生產效率；當橫移偏差嚴重時會撞壞織針及導紗針。在經編高速運轉時橫移精度要求高，且不能有累積誤差。

2 實驗部分

2.1 實驗原理

借助多摩川伺服驅動器配套的運動監測軟件(RS_Ware)進行運動數據采集，對主軸轉速信號、橫移指令信號和伺服電動機實際運轉反饋信號進行實時采集與監測，分析在選用不同的伺服電動機或慣量比參數條件下橫移指令信號和伺服電動機運動反饋信號的同步性，即伺服電動機的高速響應性與動態跟隨性，得到不同的伺服電動機參數對經編機電子橫移系統高速性的影響。

2.2 實驗平臺

實驗在特里科經編機上進行，幅寬2.29 m、機號E28，配有如圖1所示的電子橫移控制系統。測試梳櫛為GB1，進行1-0/2-3//的橫移運動，其中針前允許橫移的主軸轉角為125°～200°，針背橫移為255°～360°+100°。

2.3 實驗方法與步驟

1)根據實驗要求對電子橫移系統各部件進行選擇并搭建實驗平臺。同時將伺服電動機與伺服控制器連接，再將伺服控制器與安裝有監測與分析軟件(RS_Ware)的計算機相連。

2)將經編機運轉速度設定至實驗所需轉速，運行計算機上的RS_Ware監測與分析軟件，設置采樣參數。經多次確定采樣周期為0.5 ms，采樣時間為150 ms。在此設置下可得到梳櫛橫移整個循環的完整數據。

3)為防止出現因機器狀況而引起的誤差，在機器運轉穩定1 min后再開始進行實驗數據采集，采集完成后繪制指令轉速信號與反饋轉速信號變化曲線，并進行比對分析。

4)改變實驗變量(慣量比參數、電動機磁極對數、電動機額定功率)后再次重復步驟3)，并分析不同類型變量對于電子橫移系統高速性能的影響。

3 數據與分析

3.1 電動機轉動慣量比的影響與分析

經編電子橫移伺服系統中需要控制的運動量是梳櫛的橫移距離，實驗中是以安裝在電動機上的編碼器反饋回驅動器的脈沖數經過計算后得到的位置來表示負載梳櫛橫移運動量。由于有限的橫移機械系統剛性，同時轉動慣量對伺服系統的精度、穩定性、動態響應都有很大影響，因此在負載慣量確定的情況下，折算到電動機軸的負載慣量與電動機的轉動慣量之比要合適，必須合理取值，否則系統一般會出現振蕩甚至失控。轉動慣量比為電動機總負載慣量與電動機自身轉動慣量的比值，即轉動慣量比JR的計算公式[9]為

(1)

式中：Jm為電動機軸自身慣量，kg·m2;Jt電子橫移系統中折算到電機軸上的總轉動慣量，kg·m2。

轉動慣量是剛體繞軸轉動時慣性(回轉物體保持其勻速圓周運動或靜止的特性)的量度，一般來說每款電動機在設計時都被賦予了確定的轉動慣量值，負載是指經過折算后附加在伺服電動機軸上的總慣量。根據系統結構，該電子橫移系統中折算到電動機軸上的總轉動慣量Jt為

(2)

式中：M1為與電動機軸直連的聯軸節質量，kg；D1為聯軸節直徑，cm；M2為與滾珠絲杠的絲桿部分的質量，kg；D2為滾珠絲杠絲桿部分直徑，cm；P為絲杠螺矩，cm；i為電動機與絲杠之間的降速比；M3為滾珠絲杠螺母部分、緊固件和梳櫛等直線運動物體的總質量，kg。

經編電子橫移系統中直接或者間接地與電動機軸相連的部件以及參數經測量匯總后如下：梳櫛質量為5.11 kg，頂桿與拉繩質量為0.45 kg，緊固件(含滾珠絲杠螺母)質量為9.06 kg，滾珠絲杠質量為(絲杠部分)0.69 kg，聯軸節質量為0.24 kg。其中滾珠絲杠絲桿部分和聯軸節會隨工藝的變化而變化。由于經編機運轉時紗線處于運動狀態，其慣量時刻變化而無法確定，同時為驗證實驗參數對織造坯布效果影響，故在實驗中導紗針中僅在中央位置滿穿部分紗線。將式(2)代入(1)并根據測量數據，最終可得電子橫移系統中的慣量比JR為

根據經驗所得滾珠絲杠常用適宜慣量比在2左右[10]。

為測試慣量比參數對經編電子橫移系統的影響，在伺服驅動器調試軟件界面中對0.04-Inertia Ratio參數進行修改，分別設置不同的慣量比參數(分別為1.0、2.0、3.0)進行測試。考慮到在經編機高轉速時由于慣量比不匹配可能出現的斷紗撞針等一系列嚴重后果，實驗設置在機器轉速1 500 r/min下監測電動機實時運動狀況，對采集數據進行分析作圖如圖3所示。

圖3 不同慣量比參數下梳櫛運動速度曲線對比

從圖3中可看出，當慣量比設置為2.0時，電動機的反饋速度與伺服驅動器的指令速度配合較好且沒有出現過多超調現象，經編機在主軸速度1 500 r/min時整體運轉穩定，織出的坯布布面整潔疵點較少。當慣量比設置為1.0時，由于慣量比偏小即慣量不匹配，橫移系統整體剛度過小，伺服電動機的反饋速度與指令速度的匹配性較差，在機器運轉時電動機沒有按照上位機運動控制卡規劃的狀態進行運轉，在針前橫移結束后出現因慣量比過小產生的換向反沖，反映到經編機上表現為梳櫛在進行針前針背橫移時均出現擦針現象，同時織出的坯布布面出現很多破洞疵點。當采用3.0慣量比設定過大時，系統剛性過大而速度超調，在針前橫移結束后出現因慣量比過大產生的振蕩現象，經編機運行不穩定并伴隨無法調節的擦針并伴隨因張力波動而出現的斷紗現象。

3.2 伺服電動機選型的影響與分析

伺服電動機的選型，首先要保證橫移梳櫛的最大運動速度vmax經滾珠絲杠導程l折算后，到電動機主軸上的轉速n不超過電動機的額定轉速nm，即

(3)

根據伺服電動機的運動曲線，負載轉矩應當滿足一定要求：當經編機穩定運行時，負載施加在電動機軸上的轉矩不超過電動機自身的連續額定轉矩范圍，即系統中折算到電動機軸上的負載轉矩為

(4)

式中：Tl為折算到電動機軸上的負載轉矩，N·m；K為滾珠絲杠的扭矩系數，K=0.1/tanβ，β為滾珠絲杠的導程角；Fa0為滾珠絲杠螺母的預壓負載；F為軸向時所需的力，N；TB為滾珠絲杠支撐軸承摩擦轉矩之和，N·m;η2為滾珠絲杠的正向效率(將旋轉運動變為直線運動)，%；η1為齒輪的傳動效率，%；TA為電動機同軸齒輪支撐軸承摩擦轉矩之和，N·m。

根據上述公式以及電動機運動曲線的特性，實驗選擇了3種不同型號電動機進行測試，其主要參數分別如表1所示。

表1 實驗用3種伺服電動機參數

考慮到經編機運轉速度及其變化對于梳櫛橫移時間以及橫移系統的響應影響很大，實驗設定在1 500和2 000 r/min 2種轉速下進行數據采集，經多次實驗得出數據曲線如圖4所示。根據電動機設計原理，電動機運轉時產生的轉矩波動與電動機的轉子磁極對數有關，增加磁極對數有利于提高電動機運轉穩定性[11]。從圖中得到的運動曲線中也可清楚地看出，電動機磁極對數的改變會明顯影響電子橫移系統的性能。

圖4 不同速度下3種伺服電動機梳櫛運動速度曲線對比

在伺服電動機功率不變，電動機磁極對數從8對極改為10對極，即優化了電動機的內部結構設計，編織同一花型工藝時，電動機的反饋速度與指令速度的匹配性提高。經多次實驗數據對比，指令速度與反饋速度之間的時間間隔從(2±0.2) ms減少至(1±0.2) ms，大大提升了電子橫移系統的響應性。經編機運轉速度為1 500 r/min的情況下，采用10對極的伺服電動機時，單次橫移時伺服電動機的加減速響應提高，而最高轉速降低，即梳櫛橫移運動的加速度加大，動能降低，橫移運動整體更平滑緩和。當經編機運轉速度上升至2 000 r/min后，伺服電動機運動負載大幅，增加采用8對極伺服電動機的橫移系統在針前針背橫移階段出現明顯的反饋速度與指令速度偏差較大即運動失調現象，而采用10對極的伺服電動機依然保持穩定運行未出現運動失調;因此采用優化內結構的伺服電動機更有利于提高電子橫移系統的平穩性。

另一方面，實驗結果表明在電動機主動磁極對數相同的情況下，電動機設計的額定功率的變化對于電動機旋轉運動規律影響不明顯，即對電子橫移系統的響應性影響不大。在經編機主軸轉速1 500 r/min的情況下，使用2.5 kW伺服電動機的負載率相對于2.0 kW伺服電動機下降了25%，且隨著主軸轉速的提高，伺服電動機負載率也在呈非線性上升，即電動機功率決定了經編機轉速提高的上限，否則電動機會過載而報警。從這一方面考慮，經編機電子橫移系統應根據經編機轉速、梳櫛材料等設計要求合理選擇伺服電動機的額定功率，留有適當的設計余量即可。

4 結 論

本文分析了經編電子橫移系統的運動要求，并通過多次實驗驗證了伺服慣量比參數設置、伺服電動機磁極對數與功率大小對于電子橫移系統的影響，得到以下主要結論。

1)經編電子橫移系統中的梳櫛應盡量選用輕質高強材料，以減少電動機的工作負載。伺服參數中的負載慣性比參數設置對伺服系統的工作狀態很重要，在使用中應根據具體的實際狀況設置適當的負載慣量比參數。負載慣量比參數設置不當會導致梳櫛橫移運動振蕩、或者運動剛性不足而影響運動的精度。

2)伺服電動機的磁極對數直接影響到電動機旋轉速度與定位精度，增大磁極對數能有效提高電子橫移系統的響應性和平穩性。

3)伺服電動機的功率應根據電子橫移系統設計要求合理選擇，在滿足需要的前提下，加大伺服電動機的功率并不能提升電子橫移系統的響應性;但電動機在低負載率下運行，有利于增加伺服電動機的負載率呈非線性提升，而電動機的額定功率決定了速度提升的上限。