摘 要：本文主要介紹了貝加萊新一代伺服驅(qū)動器ACOPOS multi在國內(nèi)首臺全數(shù)控1512錠配集體落紗超長細紗機上的應(yīng)用。該機型羅拉部分采用了獨立的驅(qū)動技術(shù)，取消了所有的機械變換齒輪，通過伺服傳動取代傳統(tǒng)機械齒輪的復(fù)雜連接，前中后羅拉做到嚴格同步，實現(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；其次通過取消鋼領(lǐng)板的機械凸輪機構(gòu)，采用先進的伺服控制技術(shù)實現(xiàn)卷繞的電子成形技術(shù)，從而實現(xiàn)了機械結(jié)構(gòu)的簡化、生產(chǎn)速度的提高、以及紗線支數(shù)和管紗成形的自動調(diào)節(jié)，使得機器更加具有柔性，全觸摸式的人機界面設(shè)定，能夠適應(yīng)終端客戶對于紡紗工藝不斷變化的市場需求。

1. 前言

上海二紡機股份有限公司是專業(yè)從事紡織機械及紡織器材制造的大型企業(yè)之一，進入21世紀，上海及長三角飛速發(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(xù)發(fā)展提供了絕好的機遇，同時也面臨著更大的挑戰(zhàn)。在考慮更具競爭力的產(chǎn)品以應(yīng)對日益激烈的國際競爭，2007年底，啟動了EJM158JL型超長車細紗機帶集體落紗的產(chǎn)品開發(fā)計劃，設(shè)計國內(nèi)首臺高達1512錠的超長車設(shè)備，這是一項富有挑戰(zhàn)性的工作。

2. 系統(tǒng)概述

細紗超長車是一個面向未來的機器設(shè)計，不僅僅是因為它所要實現(xiàn)的高性能技術(shù)指標，并且對于人工、占地等投資也會有大量的節(jié)省，就未來實現(xiàn)細絡(luò)聯(lián)、粗細聯(lián)來說，自動化程度的提高對于未來機器的柔性整合至關(guān)重要。

EJM158JL型細紗機采用全數(shù)字化電氣控制系統(tǒng)，是集現(xiàn)場總線、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(shù)可達1512錠（標準常規(guī)細紗機為480錠/臺），為國內(nèi)錠數(shù)之最，預(yù)計可為用戶節(jié)省15%的生產(chǎn)成本，減少20%的占地面積。同時全自動化的集體落紗裝置取消了傳統(tǒng)的人工落紗環(huán)節(jié)又可使棉紡廠萬錠用工人數(shù)減少25人左右。全機各傳動機構(gòu)均采用單獨電機驅(qū)動，用電氣閉環(huán)控制代替機械齒輪傳動，使紡紗品種轉(zhuǎn)換過程全部由計算機完成，取消了所有機械變換機構(gòu)，降低了機械材料和維護成本，提高了整機的產(chǎn)量和穩(wěn)定性。全機采用了先進的電子凸輪技術(shù)代替了傳統(tǒng)的機械凸輪，運用先進的位置型伺服與電機來自動定位，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)方案簡介

整套控制部分由上位機、人機界面、變頻控制器、專用伺服控制器、同步電機、伺服電機、Powerlink高速通訊總線等組成，主要控制如下四部分：

3.1  羅拉分段獨立傳動

分別由ACOPOS multi伺服控制器控制12個羅拉同步電機傳動前中后中間分段的12根羅拉，取消傳統(tǒng)意義上的由主軸帶動，再通過車頭機械齒輪變換來帶動羅拉傳動的方法。

對于超長車而言，前、中、后羅拉在運行過程中，尤其是高速中會產(chǎn)生微小的機械變形，這些微小的變形對于成型紗線的質(zhì)量而言卻有著非常大的影響，為了解決這個問題，設(shè)計了分段獨立驅(qū)動的羅拉驅(qū)動方案，即前后車頭與車尾的羅拉在中間斷開，分別由車頭與車尾的同步羅拉電機單獨驅(qū)動，多個軸之間不斷的通過編碼器與總線通訊實現(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，在解決機械變形的同時，有效的解決了羅拉分段之后高精度的同步傳動，即使在突然斷電的時候，各個軸之間依然能夠保持同步降速停止，以保證高質(zhì)量的實現(xiàn)紡紗的需求，保證了紗線生產(chǎn)的一致性。

圖1  羅拉分段傳動

同時，這樣設(shè)計的好處還在于：用戶在變換工藝時，只需將各羅拉的直徑，成紗需要達到的捻度和總牽伸倍數(shù)、后牽伸倍數(shù)等數(shù)據(jù)由人機界面輸入即可，通過大量的數(shù)字化軟件編程的方法，由程序內(nèi)已編寫好的紡紗曲線和數(shù)學公式在幾毫秒的時間周期內(nèi)，時刻控制和修正紗線的牽伸及捻度，以達到不再需要進行繁瑣的更換機械齒輪來變換紗線工藝的目的，達到機械上永不磨損，同時還節(jié)省了更換機械組件所耗費的時間。如下圖2：

圖2  工藝變換及牽伸倍數(shù)的設(shè)定

3.2  鋼領(lǐng)板傳動采用電子凸輪技術(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，取代了原來復(fù)雜的機械齒輪及凸輪結(jié)構(gòu)組件，以達到電子凸輪成形代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械凸輪成形，其原理為通過用軟件編程的方法控制伺服電機對其拖動的元件進行類似于機械組件一樣的不規(guī)則的運動，并且同時實現(xiàn)對鋼領(lǐng)板傳動的準確跟蹤。

圖3  鋼領(lǐng)板升降傳動

細紗的管紗分管頂、管身和管底三個部分，卷繞形式采用圓錐形交叉卷繞形式(又稱短動程升降卷繞)，同一層紗各處的卷繞直徑不同，以實現(xiàn)退繞時紗可從管頂抽出而管體不轉(zhuǎn)動，適應(yīng)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(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度設(shè)定卷繞節(jié)距和成形高度，計算出紗線在管身和管底卷繞所須的鋼領(lǐng)板升降速度；通過編碼器發(fā)出信號反饋給伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)細紗的電子成形。

圖4  電子凸輪運動曲線圖

電子凸輪技術(shù)的應(yīng)用使得紗線成型變得簡單，與傳統(tǒng)的機械凸輪機構(gòu)相比，它消除了機械磨損所帶來的機器維護成本的上升，并且，最重要的是，采用伺服驅(qū)動后，通過數(shù)學模型和經(jīng)典凸輪成型公式的應(yīng)用，整個成型工藝變得更加靈活，它無需對機械組件進行重新的變化，而僅僅只需通過積升參數(shù)的設(shè)置，伺服自行運行不同的CAM曲線來實現(xiàn)不同紡紗過程對于傳動的要求，以達到更好的成型效果。

圖5  電子凸輪級升與動程參數(shù)的設(shè)定

3.3  主電機控制錠子傳動

錠子部分由主電機帶動主軸傳動，如下圖：

圖6  錠子由主軸傳動

該部分由主變頻器、錠子傳動部分和主電機構(gòu)成，其作用是上位機依據(jù)用戶在人機界面內(nèi)設(shè)定的控制十點曲線的速度，由變頻器控制錠子轉(zhuǎn)動的速度曲線，自動調(diào)整錠子運行，以提高紗線質(zhì)量和產(chǎn)量。

圖7  十點曲線的長度與速度的設(shè)定

3.4  位置型伺服控制集體落紗的升降

集體落紗功能的實現(xiàn)對于提高棉紡廠的勞動生產(chǎn)率，降低工人勞動強度，保證成紗品質(zhì)，實現(xiàn)無人生產(chǎn)十分重要，因此集體落紗裝置的穩(wěn)定性和可靠性在細紗機控制的設(shè)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、升降傳動部分和集落電機構(gòu)成，集體落紗傳動數(shù)字通訊分為人字臂上升、下降、暫停和伺服復(fù)位四個功能，通過在上位機內(nèi)設(shè)定的13個集落位置脈沖來達到自動插拔管的精確定位，落紗時間被縮短到小于3分鐘，整個1512錠的走管時間則控制在55分鐘以內(nèi)，而留頭率則在98％以上，同時省去了空管紗的整理工作，并且節(jié)省了大量人工，這對于終端客戶來說意味著巨大的成本節(jié)省，也顯示了帶集體落紗設(shè)備的競爭力。

圖8  集體落紗升降傳動

整套控制方案的實現(xiàn)如下圖：

圖9  控制系統(tǒng)方案

4. 驅(qū)動器散熱問題的解決

雖然，自動化程度和獨立驅(qū)動很重要，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，因為紡織廠高溫高濕的生產(chǎn)環(huán)境，造成了毛紗及漂浮物會累積到電氣柜子里，對柜子的散熱性造成了很大的影響，甚至出現(xiàn)了散熱風扇堵轉(zhuǎn)的情況，這可能直接會導(dǎo)致驅(qū)動器的損壞，因此，通常這些機器都要求散熱裝置安裝于機柜的外面，以便整個電氣柜的密封性和驅(qū)動器的持續(xù)散熱得到保證，而本機中的ACOPOS multi驅(qū)動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，在實際的試驗中，驅(qū)動器的散熱得到了有力保證。

5. 節(jié)能降耗與降低成本

由于紡織機械是一個競爭非常激烈的領(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)的運行成本。全機伺服驅(qū)動器的逆變單元具有雙軸驅(qū)動能力，14個軸只需要7個逆變單元，這將大大的節(jié)省成本，同時整個驅(qū)動器部分采用了共直流母線技術(shù)，每個逆變單元無需再增加DC模塊的成本,從而使得整體的價格得到下降，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)動電流輸出，確保了機器的可靠運行。

驅(qū)動器本身通過內(nèi)部的節(jié)能設(shè)計，分別處于運行和制動狀態(tài)的電機相互之間進行了很好的能量平衡，直流母線將那些制動的電能進行了重新的分配，而不是通過熱能的形式散發(fā)掉。高功率因素設(shè)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(jié)省了運行中的能量，降低了能耗。

圖10  紡機展覽會樣機

6. 結(jié)束語

隨著紡機設(shè)備技術(shù)進步和更新?lián)Q代的速度越來越快，超長細紗機作為一款面向未來的機型，對于新增的投資或者技術(shù)的改造而言，不僅僅是減少了車頭和車尾的排列，節(jié)省了占地面積和對廠房的投資，更重要的在于質(zhì)量的提升，和對客戶整體的生產(chǎn)效率的提高，由ACOPOS multi構(gòu)成的分布式伺服驅(qū)動系統(tǒng)借助于POWERLINK的通信技術(shù),將機器的整個生產(chǎn)過程及各工藝步驟完美的實現(xiàn)了同步，機器整體性能達到國內(nèi)領(lǐng)先水平，這是一個非常具有競爭力的產(chǎn)品設(shè)計。