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案例頻道 本文主要介紹了貝加萊新一代伺服驅(qū)動(dòng)器ACOPOS multi在國(guó)內(nèi)首臺(tái)全數(shù)控1512錠配集體落紗超長(zhǎng)細(xì)紗機(jī)上的應(yīng)用。該機(jī)型羅拉部分采用了獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，取消了所有的機(jī)械變換齒輪，通過(guò)伺服傳動(dòng)取代傳統(tǒng)機(jī)械齒輪的復(fù)雜連接，前中后羅拉做到嚴(yán)格同步，實(shí)現(xiàn)牽伸倍數(shù)和捻度的精密控制，保證高支數(shù)紗線的成紗質(zhì)量；其次通過(guò)取消鋼領(lǐng)板的機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)，采用先進(jìn)的伺服控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)卷繞的電子成形技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化、生產(chǎn)速度的提高、以及紗線支數(shù)和管紗成形的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使得機(jī)器更加具有柔性，全觸摸式的人機(jī)界面設(shè)定，能夠適應(yīng)終端客戶對(duì)于紡紗工藝不斷變化的市場(chǎng)需求。
關(guān)鍵詞：ACOPOS multi伺服驅(qū)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(jī)股份有限公司是專業(yè)從事紡織機(jī)械及紡織器材制造的大型企業(yè)之一，進(jìn)入21世紀(jì)，上海及長(zhǎng)三角飛速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)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(jī)的持續(xù)發(fā)展提供了絕好的機(jī)遇，同時(shí)也面臨著更大的挑戰(zhàn)。在考慮更具競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品以應(yīng)對(duì)日益激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，2007年底，我們啟動(dòng)了EJM158JL型超長(zhǎng)車(chē)細(xì)紗機(jī)帶集體落紗的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)計(jì)劃，設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)首臺(tái)高達(dá)1512錠的超長(zhǎng)車(chē)設(shè)備，這是一項(xiàng)卓越的挑戰(zhàn)。
2.系統(tǒng)概述：
細(xì)紗超長(zhǎng)車(chē)是一個(gè)面向未來(lái)的機(jī)器設(shè)計(jì)，不僅僅是因?yàn)樗獙?shí)現(xiàn)的高性能技術(shù)指標(biāo)，并且對(duì)于人工、占地等投資也會(huì)有大量的節(jié)省，就未來(lái)實(shí)現(xiàn)細(xì)絡(luò)聯(lián)、粗細(xì)聯(lián)來(lái)說(shuō)，自動(dòng)化程度的提高對(duì)于未來(lái)機(jī)器的柔性整合至關(guān)重要。
EJM158JL型細(xì)紗機(jī)采用全數(shù)字化電氣控制系統(tǒng)，是集現(xiàn)場(chǎng)總線、PLC通訊控制、光機(jī)電一體化的配集體落紗裝置的新型紡機(jī)。該機(jī)的細(xì)紗錠數(shù)可達(dá)1512錠（標(biāo)準(zhǔn)常規(guī)細(xì)紗機(jī)為480錠/臺(tái)），為國(guó)內(nèi)錠數(shù)之最，預(yù)計(jì)可為用戶節(jié)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(tǒng)的人工落紗環(huán)節(jié)又可使棉紡廠萬(wàn)錠用工人數(shù)減少25人左右。全機(jī)各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)均采用單獨(dú)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用電氣閉環(huán)控制代替機(jī)械齒輪傳動(dòng)，使紡紗品種轉(zhuǎn)換過(guò)程全部由計(jì)算機(jī)完成，取消了所有機(jī)械變換機(jī)構(gòu)，降低了機(jī)械材料和維護(hù)成本，提高了整機(jī)的產(chǎn)量和穩(wěn)定性。全機(jī)采用了先進(jìn)的電子凸輪技術(shù)代替了傳統(tǒng)的機(jī)械凸輪，運(yùn)用先進(jìn)的位置型伺服與電機(jī)來(lái)自動(dòng)定位，人性化的操作界面可使用戶自行設(shè)定各種變速曲線、工藝參數(shù)和集落定位，具有高效，節(jié)能，方便，精確的性能。
3.控制系統(tǒng)方案簡(jiǎn)介：
整套控制部分由上位機(jī)、人機(jī)界面、變頻控制器、專用伺服控制器、同步電機(jī)、伺服電機(jī)、Powerlink高速通訊總線等組成，主要控制如下四部分：
?、倭_拉分段獨(dú)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(jī)傳動(dòng)前中后中間分段的12根羅拉，取消傳統(tǒng)意義上的由主軸帶動(dòng)，再通過(guò)車(chē)頭機(jī)械齒輪變換來(lái)帶動(dòng)羅拉傳動(dòng)的方法。
對(duì)于超長(zhǎng)車(chē)而言，前、中、后羅拉在運(yùn)行過(guò)程中，尤其是高速中會(huì)產(chǎn)生微小的機(jī)械變形，這些微小的變形對(duì)于成型紗線的質(zhì)量而言卻有著非常大的影響，為了解決這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了分段獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的羅拉驅(qū)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(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，多個(gè)軸之間不斷的通過(guò)編碼器與總線通訊實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)交換，以確保相互之間同步關(guān)系的捆綁，在解決機(jī)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(xiàn)紡紗的需求，保證了紗線生產(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(shè)計(jì)的好處還在于：用戶在變換工藝時(shí)，只需將各羅拉的直徑，成紗需要達(dá)到的捻度和總牽伸倍數(shù)、后牽伸倍數(shù)等數(shù)據(jù)由人機(jī)界面輸入即可，通過(guò)大量的數(shù)字化軟件編程的方法，由程序內(nèi)已編寫(xiě)好的紡紗曲線和數(shù)學(xué)公式在幾毫秒的時(shí)間周期內(nèi)，時(shí)刻控制和修正紗線的牽伸及捻度，以達(dá)到不再需要進(jìn)行繁瑣的更換機(jī)械齒輪來(lái)變換紗線工藝的目的，達(dá)到機(jī)械上永不磨損，同時(shí)還節(jié)省了更換機(jī)械組件所耗費(fèi)的時(shí)間。如下圖2
圖2：工藝變換及牽伸倍數(shù)的設(shè)定
?、阡擃I(lǐng)板傳動(dòng)采用電子凸輪技術(shù)
鋼領(lǐng)板級(jí)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(jī)，取代了原來(lái)復(fù)雜的機(jī)械齒輪及凸輪結(jié)構(gòu)組件，以達(dá)到電子凸輪成形代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)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(jī)對(duì)其拖動(dòng)的元件進(jìn)行類似于機(jī)械組件一樣的不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，并且同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼領(lǐng)板傳動(dòng)的準(zhǔn)確跟蹤。
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傳動(dòng)分配 |
圖3：鋼領(lǐng)板升降傳動(dòng)
細(xì)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(xiàn)退繞時(shí)紗可從管頂抽出而管體不轉(zhuǎn)動(dòng)，適應(yīng)高速退繞的目的。
因此，在細(xì)紗的電子成形控制中，采用伺服系統(tǒng)控制鋼領(lǐng)板電子凸輪功能，根據(jù)前羅拉的出線速度和紗線的粗細(xì)度設(shè)定卷繞節(jié)距和成形高度，計(jì)算出紗線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(hào)反饋給伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)細(xì)紗的電子成形。
圖4： 電子凸輪運(yùn)動(dòng)曲線圖
電子凸輪技術(shù)的應(yīng)用使得紗線成型變得簡(jiǎn)單，與傳統(tǒng)的機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)相比，它消除了機(jī)械磨損所帶來(lái)的機(jī)器維護(hù)成本的上升，并且，最重要的是，采用伺服驅(qū)動(dòng)后，通過(guò)數(shù)學(xué)模型和經(jīng)典凸輪成型公式的應(yīng)用，整個(gè)成型工藝變得更加靈活，它無(wú)需對(duì)機(jī)械組件進(jìn)行重新的變化，而僅僅只需通過(guò)積升參數(shù)的設(shè)置，伺服自行運(yùn)行不同的CAM曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)不同紡紗過(guò)程對(duì)于傳動(dòng)的要求，以達(dá)到更好的成型效果。
圖5：電子凸輪級(jí)升與動(dòng)程參數(shù)的設(shè)定
?、壑麟姍C(jī)控制錠子傳動(dòng)
錠子部分由主電機(jī)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(jī)構(gòu)成，其作用是上位機(jī)依據(jù)用戶在人機(jī)界面內(nèi)設(shè)定的控制十點(diǎn)曲線的速度，由變頻器控制錠子轉(zhuǎn)動(dòng)的速度曲線，自動(dòng)調(diào)整錠子運(yùn)行，以提高紗線質(zhì)量和產(chǎn)量。
圖7：十點(diǎn)曲線的長(zhǎng)度與速度的設(shè)定
?、芪恢眯退欧刂萍w落紗的升降
集體落紗功能的實(shí)現(xiàn)對(duì)于提高棉紡廠的勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，保證成紗品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人生產(chǎn)十分重要，因此集體落紗裝置的穩(wěn)定性和可靠性在細(xì)紗機(jī)控制的設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)構(gòu)成，集體落紗傳動(dòng)數(shù)字通訊分為人字臂上升、下降、暫停和伺服復(fù)位四個(gè)功能，通過(guò)在上位機(jī)內(nèi)設(shè)定的13個(gè)集落位置脈沖來(lái)達(dá)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分鐘以內(nèi)，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(jié)省了大量人工，這對(duì)于終端客戶來(lái)說(shuō)意味著巨大的成本節(jié)省，也顯示了帶集體落紗設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)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(xiàn)如下圖：
圖9：控制系統(tǒng)方案
4.驅(qū)動(dòng)器散熱問(wèn)題的解決
雖然，自動(dòng)化程度和獨(dú)立驅(qū)動(dòng)很重要，但是，紡織機(jī)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?yàn)榧徔棌S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(duì)柜子的散熱性造成了很大的影響，甚至出現(xiàn)了散熱風(fēng)扇堵轉(zhuǎn)的情況，這可能直接會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器的損壞，因此，通常這些機(jī)器都要求散熱裝置安裝于機(jī)柜的外面，以便整個(gè)電氣柜的密封性和驅(qū)動(dòng)器的持續(xù)散熱得到保證，而本機(jī)中的ACOPOS multi驅(qū)動(dòng)器采用大冷板穿墻式的安裝方式極好適應(yīng)了這一特殊的環(huán)境需求，在實(shí)際的試驗(yàn)中，驅(qū)動(dòng)器的散熱得到了有力保證。
5.降本、節(jié)能與降耗：
由于紡織機(jī)械是一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈的領(lǐng)域，因此成本也必須考慮在內(nèi)，一方面是整體的硬件投資成本，另一方面是系統(tǒng)的運(yùn)行成本。全機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器的逆變單元具有雙軸驅(qū)動(dòng)能力，14個(gè)軸只需要7個(gè)逆變單元，這將大大的節(jié)省成本，同時(shí)整個(gè)驅(qū)動(dòng)器部分采用了共直流母線技術(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，而且共直流母線有較大范圍的電源支持能力，從230VAC～480VAC寬廣的電壓適應(yīng)范圍使得即使在電源不穩(wěn)定的情況下，也能提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流輸出，確保了機(jī)器的可靠運(yùn)行。
驅(qū)動(dòng)器本身通過(guò)內(nèi)部的節(jié)能設(shè)計(jì)，分別處于運(yùn)行和制動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)相互之間進(jìn)行了很好的能量平衡，直流母線將那些制動(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(shè)計(jì)也保障了能量被充分的利用，這在一定程度上也大大的節(jié)省了運(yùn)行中的能量，降低了能耗。
圖10：紡機(jī)展覽會(huì)樣機(jī)
6.結(jié)束語(yǔ)：
隨著紡機(jī)設(shè)備技術(shù)進(jìn)步和更新?lián)Q代的速度越來(lái)越快，超長(zhǎng)細(xì)紗機(jī)作為一款面向未來(lái)的機(jī)型，對(duì)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(jié)省了占地面積和對(duì)廠房的投資，更重要的在于質(zhì)量的提升，和對(duì)客戶整體的生產(chǎn)效率的提高，由ACOPOS multi構(gòu)成的分布式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)借助于POWERLINK的通信技術(shù),將機(jī)器的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程及各工藝步驟完美的實(shí)現(xiàn)了同步，機(jī)器整體性能達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，這是一個(gè)非常具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
參考文獻(xiàn)：
《可編程計(jì)算機(jī)控制器技術(shù)》 電子工業(yè)出版社 2005.11 齊蓉，肖維榮
《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》 機(jī)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(hào)：11010802023656號(hào)