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案例頻道 本文主要介紹了貝加萊新一代伺服驅動(dòng)器ACOPOS multi在國內首臺全數控1512錠配集體落紗超長(cháng)細紗機上的應用。該機型羅拉部分采用了獨立的驅動(dòng)技術(shù)，取消了所有的機械變換齒輪，通過(guò)伺服傳動(dòng)取代傳統機械齒輪的復雜連接，前中后羅拉做到嚴格同步，實(shí)現牽伸倍數和捻度的精密控制，保證高支數紗線(xiàn)的成紗質(zhì)量；其次通過(guò)取消鋼領(lǐng)板的機械凸輪機構，采用先進(jìn)的伺服控制技術(shù)實(shí)現卷繞的電子成形技術(shù)，從而實(shí)現了機械結構的簡(jiǎn)化、生產(chǎn)速度的提高、以及紗線(xiàn)支數和管紗成形的自動(dòng)調節，使得機器更加具有柔性，全觸摸式的人機界面設定，能夠適應終端客戶(hù)對于紡紗工藝不斷變化的市場(chǎng)需求。
關(guān)鍵詞：ACOPOS multi伺服驅動(dòng) 羅拉分段傳動(dòng) 電子凸輪 集體落紗
1.前言：
上海二紡機股份有限公司是專(zhuān)業(yè)從事紡織機械及紡織器材制造的大型企業(yè)之一，進(jìn)入21世紀，上海及長(cháng)三角飛速發(fā)展的經(jīng)濟環(huán)境、金融環(huán)境、信息環(huán)境和環(huán)保環(huán)境，為上海二紡機的持續發(fā)展提供了絕好的機遇，同時(shí)也面臨著(zhù)更大的挑戰。在考慮更具競爭力的產(chǎn)品以應對日益激烈的國際競爭，2007年底，我們啟動(dòng)了EJM158JL型超長(cháng)車(chē)細紗機帶集體落紗的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)計劃，設計國內首臺高達1512錠的超長(cháng)車(chē)設備，這是一項卓越的挑戰。
2.系統概述：
細紗超長(cháng)車(chē)是一個(gè)面向未來(lái)的機器設計，不僅僅是因為它所要實(shí)現的高性能技術(shù)指標，并且對于人工、占地等投資也會(huì )有大量的節省，就未來(lái)實(shí)現細絡(luò )聯(lián)、粗細聯(lián)來(lái)說(shuō)，自動(dòng)化程度的提高對于未來(lái)機器的柔性整合至關(guān)重要。
EJM158JL型細紗機采用全數字化電氣控制系統，是集現場(chǎng)總線(xiàn)、PLC通訊控制、光機電一體化的配集體落紗裝置的新型紡機。該機的細紗錠數可達1512錠（標準常規細紗機為480錠/臺），為國內錠數之最，預計可為用戶(hù)節省15%的生產(chǎn)成本，減少20%的占地面積。同時(shí)全自動(dòng)化的集體落紗裝置取消了傳統的人工落紗環(huán)節又可使棉紡廠(chǎng)萬(wàn)錠用工人數減少25人左右。全機各傳動(dòng)機構均采用單獨電機驅動(dòng)，用電氣閉環(huán)控制代替機械齒輪傳動(dòng)，使紡紗品種轉換過(guò)程全部由計算機完成，取消了所有機械變換機構，降低了機械材料和維護成本，提高了整機的產(chǎn)量和穩定性。全機采用了先進(jìn)的電子凸輪技術(shù)代替了傳統的機械凸輪，運用先進(jìn)的位置型伺服與電機來(lái)自動(dòng)定位，人性化的操作界面可使用戶(hù)自行設定各種變速曲線(xiàn)、工藝參數和集落定位，具有高效，節能，方便，精確的性能。
3.控制系統方案簡(jiǎn)介：
整套控制部分由上位機、人機界面、變頻控制器、專(zhuān)用伺服控制器、同步電機、伺服電機、Powerlink高速通訊總線(xiàn)等組成，主要控制如下四部分：
?、倭_拉分段獨立傳動(dòng)：
分別由ACOPOS multi伺服控制器控制12個(gè)羅拉同步電機傳動(dòng)前中后中間分段的12根羅拉，取消傳統意義上的由主軸帶動(dòng)，再通過(guò)車(chē)頭機械齒輪變換來(lái)帶動(dòng)羅拉傳動(dòng)的方法。
對于超長(cháng)車(chē)而言，前、中、后羅拉在運行過(guò)程中，尤其是高速中會(huì )產(chǎn)生微小的機械變形，這些微小的變形對于成型紗線(xiàn)的質(zhì)量而言卻有著(zhù)非常大的影響，為了解決這個(gè)問(wèn)題，設計了分段獨立驅動(dòng)的羅拉驅動(dòng)方案，即前后車(chē)頭與車(chē)尾的羅拉在中間斷開(kāi)，分別由車(chē)頭與車(chē)尾的同步羅拉電機單獨驅動(dòng)，多個(gè)軸之間不斷的通過(guò)編碼器與總線(xiàn)通訊實(shí)現高速的數據交換，以確保相互之間同步關(guān)系的捆綁，在解決機械變形的同時(shí)，有效的解決了羅拉分段之后高精度的同步傳動(dòng)，即使在突然斷電的時(shí)候，各個(gè)軸之間依然能夠保持同步降速停止，以保證高質(zhì)量的實(shí)現紡紗的需求，保證了紗線(xiàn)生產(chǎn)的一致性。
前羅拉：
分段 
分段 中羅拉：
分段 
分段 后羅拉:
分段 
分段 圖1：羅拉分段傳動(dòng)
同時(shí)，這樣設計的好處還在于：用戶(hù)在變換工藝時(shí)，只需將各羅拉的直徑，成紗需要達到的捻度和總牽伸倍數、后牽伸倍數等數據由人機界面輸入即可，通過(guò)大量的數字化軟件編程的方法，由程序內已編寫(xiě)好的紡紗曲線(xiàn)和數學(xué)公式在幾毫秒的時(shí)間周期內，時(shí)刻控制和修正紗線(xiàn)的牽伸及捻度，以達到不再需要進(jìn)行繁瑣的更換機械齒輪來(lái)變換紗線(xiàn)工藝的目的，達到機械上永不磨損，同時(shí)還節省了更換機械組件所耗費的時(shí)間。如下圖2
圖2：工藝變換及牽伸倍數的設定
?、阡擃I(lǐng)板傳動(dòng)采用電子凸輪技術(shù)
鋼領(lǐng)板級升采用具有電子凸輪功能的凸輪型伺服控制器及伺服電機，取代了原來(lái)復雜的機械齒輪及凸輪結構組件，以達到電子凸輪成形代替傳統的機械凸輪成形，其原理為通過(guò)用軟件編程的方法控制伺服電機對其拖動(dòng)的元件進(jìn)行類(lèi)似于機械組件一樣的不規則的運動(dòng)，并且同時(shí)實(shí)現對鋼領(lǐng)板傳動(dòng)的準確跟蹤。
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傳動(dòng)分配 |
圖3：鋼領(lǐng)板升降傳動(dòng)
細紗的管紗分管頂、管身和管底三個(gè)部分，卷繞形式采用圓錐形交叉卷繞形式(又稱(chēng)短動(dòng)程升降卷繞)，同一層紗各處的卷繞直徑不同，以實(shí)現退繞時(shí)紗可從管頂抽出而管體不轉動(dòng)，適應高速退繞的目的。
因此，在細紗的電子成形控制中，采用伺服系統控制鋼領(lǐng)板電子凸輪功能，根據前羅拉的出線(xiàn)速度和紗線(xiàn)的粗細度設定卷繞節距和成形高度，計算出紗線(xiàn)在管身和管底卷繞所須的鋼領(lǐng)板升降速度；通過(guò)編碼器發(fā)出信號反饋給伺服系統，實(shí)現細紗的電子成形。
圖4： 電子凸輪運動(dòng)曲線(xiàn)圖
電子凸輪技術(shù)的應用使得紗線(xiàn)成型變得簡(jiǎn)單，與傳統的機械凸輪機構相比，它消除了機械磨損所帶來(lái)的機器維護成本的上升，并且，最重要的是，采用伺服驅動(dòng)后，通過(guò)數學(xué)模型和經(jīng)典凸輪成型公式的應用，整個(gè)成型工藝變得更加靈活，它無(wú)需對機械組件進(jìn)行重新的變化，而僅僅只需通過(guò)積升參數的設置，伺服自行運行不同的CAM曲線(xiàn)來(lái)實(shí)現不同紡紗過(guò)程對于傳動(dòng)的要求，以達到更好的成型效果。
圖5：電子凸輪級升與動(dòng)程參數的設定
?、壑麟姍C控制錠子傳動(dòng)
錠子部分由主電機帶動(dòng)主軸傳動(dòng)，如下圖：
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傳動(dòng)分配 |
圖6：錠子由主軸傳動(dòng)
該部分由主變頻器、錠子傳動(dòng)部分和主電機構成，其作用是上位機依據用戶(hù)在人機界面內設定的控制十點(diǎn)曲線(xiàn)的速度，由變頻器控制錠子轉動(dòng)的速度曲線(xiàn)，自動(dòng)調整錠子運行，以提高紗線(xiàn)質(zhì)量和產(chǎn)量。
圖7：十點(diǎn)曲線(xiàn)的長(cháng)度與速度的設定
?、芪恢眯退欧刂萍w落紗的升降
集體落紗功能的實(shí)現對于提高棉紡廠(chǎng)的勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低工人勞動(dòng)強度，保證成紗品質(zhì)，實(shí)現無(wú)人生產(chǎn)十分重要，因此集體落紗裝置的穩定性和可靠性在細紗機控制的設計中占有重要地位。
集體落紗部分由位置型伺服控制器和伺服電機采用脈沖精確定位的方式控制。該部分由伺服控制器、升降傳動(dòng)部分和集落電機構成，集體落紗傳動(dòng)數字通訊分為人字臂上升、下降、暫停和伺服復位四個(gè)功能，通過(guò)在上位機內設定的13個(gè)集落位置脈沖來(lái)達到自動(dòng)插拔管的精確定位，落紗時(shí)間被縮短到小于3分鐘，整個(gè)1512錠的走管時(shí)間則控制在55分鐘以?xún)?，而留頭率則在98％以上，同時(shí)省去了空管紗的整理工作，并且節省了大量人工，這對于終端客戶(hù)來(lái)說(shuō)意味著(zhù)巨大的成本節省，也顯示了帶集體落紗設備的競爭力。
 傳動(dòng)集落升降裝置 |
圖8：集體落紗升降傳動(dòng)
整套控制方案的實(shí)現如下圖：
圖9：控制系統方案
4.驅動(dòng)器散熱問(wèn)題的解決
雖然，自動(dòng)化程度和獨立驅動(dòng)很重要，但是，紡織機械行業(yè)有很多特殊的要求必須首先被考慮，例如：散熱方式，因為紡織廠(chǎng)高溫高濕的生產(chǎn)環(huán)境，造成了毛紗及漂浮物會(huì )累積到電氣柜子里，對柜子的散熱性造成了很大的影響，甚至出現了散熱風(fēng)扇堵轉的情況，這可能直接會(huì )導致驅動(dòng)器的損壞，因此，通常這些機器都要求散熱裝置安裝于機柜的外面，以便整個(gè)電氣柜的密封性和驅動(dòng)器的持續散熱得到保證，而本機中的ACOPOS multi驅動(dòng)器采用大冷板穿墻式的安裝方式極好適應了這一特殊的環(huán)境需求，在實(shí)際的試驗中，驅動(dòng)器的散熱得到了有力保證。
5.降本、節能與降耗：
由于紡織機械是一個(gè)競爭非常激烈的領(lǐng)域，因此成本也必須考慮在內，一方面是整體的硬件投資成本，另一方面是系統的運行成本。全機伺服驅動(dòng)器的逆變單元具有雙軸驅動(dòng)能力，14個(gè)軸只需要7個(gè)逆變單元，這將大大的節省成本，同時(shí)整個(gè)驅動(dòng)器部分采用了共直流母線(xiàn)技術(shù)，每個(gè)逆變單元無(wú)需再增加DC模塊的成本,從而使得整體的價(jià)格得到下降，而且共直流母線(xiàn)有較大范圍的電源支持能力，從230VAC～480VAC寬廣的電壓適應范圍使得即使在電源不穩定的情況下，也能提供穩定的驅動(dòng)電流輸出，確保了機器的可靠運行。
驅動(dòng)器本身通過(guò)內部的節能設計，分別處于運行和制動(dòng)狀態(tài)的電機相互之間進(jìn)行了很好的能量平衡，直流母線(xiàn)將那些制動(dòng)的電能進(jìn)行了重新的分配，而不是通過(guò)熱能的形式散發(fā)掉。高功率因素設計也保障了能量被充分的利用，這在一定程度上也大大的節省了運行中的能量，降低了能耗。
圖10：紡機展覽會(huì )樣機
6.結束語(yǔ)：
隨著(zhù)紡機設備技術(shù)進(jìn)步和更新?lián)Q代的速度越來(lái)越快，超長(cháng)細紗機作為一款面向未來(lái)的機型，對于新增的投資或者技術(shù)的改造而言，不僅僅是減少了車(chē)頭和車(chē)尾的排列，節省了占地面積和對廠(chǎng)房的投資，更重要的在于質(zhì)量的提升，和對客戶(hù)整體的生產(chǎn)效率的提高，由ACOPOS multi構成的分布式伺服驅動(dòng)系統借助于POWERLINK的通信技術(shù),將機器的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程及各工藝步驟完美的實(shí)現了同步，機器整體性能達到國內領(lǐng)先水平，這是一個(gè)非常具有競爭力的產(chǎn)品設計。
參考文獻：
《可編程計算機控制器技術(shù)》 電子工業(yè)出版社 2005.11 齊蓉，肖維榮
《運動(dòng)控制系統》 機械工業(yè)出版社 陳伯時(shí)
《ACOPOS multi User's Manual》
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號