（机械电子工程专业论文）起毛机多轴同步传动控制系统研制.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 起毛，就是从织物表面拉出绒毛的整理，织物起毛加工的目的，是为了改善织物的风 格和外观，使织物具有毛型感，增强保暖性，提高外观的膨松性，使织物变得厚实，手感 柔软，提高服用价值。7 。 目前，起毛机的市场需求呈现出多品种、快速化、低成本、高可靠、高技术的态势。 传统的起毛机采用纯机械式调速，控制简单，但机械结构复杂，近年来在国际上已逐渐淘 汰。国内的主要一些起毛机生产厂家也逐渐从传统设计模式转为新型设计模式。本课题研 究的方向即为基于高性能p l c 控制的新型起毛机控制系统的研究。 本文从起毛机起毛机理、硬件电路设计、控制软件开发等方面对新型起毛机的控制系 统进行详细的阐述。首先，对起毛机的整体结构进行分析，分别介绍了起毛机的导布系统 结构，起毛系统结构和锡林、针辊各关键部件，对起毛机控制系统的整体要求进行分析， 包括整机运行速度的要求，系统运行的同步性要求，触摸屏控制要求以及张力同步性和平 稳性控制要求；然后，根据控制系统要求，进行硬件电路的设计，包括主控制器及各执行 器件，从导布系统、起毛系统、通信系统、供电系统几个方面对起毛机控制系统的硬件电 路设计进行了阐述；接着，在硬件系统的基础上，根据控制功能要求，进行控制系统的软 件开发，包括触摸屏软件开发和p l c 软件开发，把控制系统分解为几个模块，采用多任务 层次化的设计思想进行软件设计；最后，研究了一种基于p i d 算法的闭环张力控制技术， 提高了张力控制精度和系统抗干扰能力，并在此基础上引入多轴速度调节补偿机制，解决 了设备运行时的同步性问题，实现多轴同步张力动态平稳调节。 关键词：伺服控制；张力调节；闭环控制；多轴同步 浙江理工大学硕士学位论文 d e s i g no fm u l t i s p i n d l es y n c h r o n i z a t i o nt r a n s m i s s i o nr i s i n g m a c h i n ec o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t f l u f fo u tf r o mt h ef a b r i cs u r f a c ef i n i s h i n gi sc a l l e dr i s i n g ，t h ep u r p o s eo fr i s i n gt e x t i l ei st oi m p r o v et h e 卿l ea n de x t e r i o ra p p e a r a n c eo ft e x t i l e , w h i c hm a k et h et e x t i l ew o o lf e e l ，w a r m t h ，t h i c k ，s o f ta n di n c r e a s et h e v a l u eo fe l o t h c u r r e n t l y , t h em a r k e t sr e q u i r e m e n to fr a i s i n gm a c h i n es h o w sat r e n do fv a r i e t y , r a p i d ，l o wc o s t ，h i 曲 r e l i a b i l i t ya n dh i g h - t e e h t h ec o n v e n t i o n a lr a i s i n gm a c h i n em o d u l a t ev e l o c i t ym e c h a n i c a l l y , t h o u g ht h ec o n t r o l m e t h o di ss i m p l e ，t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ei sc o m p l e x ，s oi nr e c e n ty e a r st h ec o n v e n t i o n a lr i s i n gm a c h i n eh a s b e e ne l i m i n a t e d s o m eo ft h em a j o rd o m e s t i cr a i s i n gm a c h i n em a n u f a c t u r e r sh a v eg r a d u a l l yc h a n g et h ed e s i g n s t y l ef r o mt r a d i t i o n a lm o d e lt oan e wd e s i g np a t t e r n t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ri sa b o u tt h ep l c - b a s e dn e w h i g h - p e r f o r m a n c ec o n t r o ls y s t e mo fr a i s i n gm a c h i n e t h i sp a p e rd e s c r i b e st h er a i s i n gm e c h a n i s m ，t h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n ，t h es o f t , r a r ed e v e l o p m e n ta b o u t t h en e wc o n t r o ls y s t e mo fr i s i n gm a c h i n e f i r s t ，a n a l y s i st h ew h o l es t r u c t u r eo ft h es y s t e m ，i n c l u d i n gt h ec l o t h g u i d es y s t e ms t r u c t u r e ，t h er i s i n gs y s t e ms t r u c t u r e ，t h ec y l i n d e r , t h ek e yc o m p o n e n t so fn e e d l er o l l e r , a n d a n a l y s i st h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t so ft h eo v e r a l lc o n t r o ls y s t e m ，i n c l u d i n gt h er e q u i r e m e n t so fm a c h i n es p e e d , s y s t e ms y n c h r o n i z a t i o n ，t o u c hs c r e e nc o n t r o l ，t e n s i o nc o n t r o ls y n c h r o n i z a t i o na n ds t a b i l i t y t h e n ，a c c o r d i n gt o t h ec o n t r o ls y s t e mr e q u i r e m e n t s ，i n t r o d u c et h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n ，i n c l u d i n gt h em a i nc o n t r o l l e ra n dt h e i m p l e m e n t a t i o nd e v i c e s ，a n de l a b o r a t et h ec l o t hg u i d es y s t e m ，r a i s i n gs y s t e n n _ s ，c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，p o w e r s y s t e m t h e nb a s e dt h eh a r d w a r es y s t e m ，i n t r o d u c et h es o f t w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m ，i n c l u d i n gt o u c h s c r e e ns o f t w a r ed e s i g na n dp l cs o f t w a r ed e s i g n t h es o f t w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mi sd i v i d e di n t o s e v e r a lm o d u l e s ，u s i n gm u l t i - t a s k - l e v e ld e s i g nm e t h o d f i n a l l y , an e wt e n s i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y , u s i n gc l o s e l o o pp o l i c ya n dp i da l g o r i t h m ，w h i c hc o u l di m p r o v et e n s i o nc o n t r o la c c u r a c ya n dr a i s ea n t i i n t e r f e r e n c e c a p a b i l i t yw a si n v e s t i g a t e d o nt h eb a s i so ft h i st e c h n o l o g y , c o m p e n s a t i o nm e c h a n i s mf o rm u l t ia x i a lv e l o c i t y a d j u s t m e n tw h i c hc o u l ds o l v et h ep r o b l e mo fs y n c h r o n i z a t i o nw h e nt h em a c h i n ew a sr u n n i n gh a db e e n i n t r o d u c e d t h ep u r p o s eo fs y n c h r o n o u s l yr e g u l a t i n gm u l t i p l es p i n d l et e n s i o nd y n a m i c a l l ya n ds m o o t h l yw a s i i 浙江理工大学硕士学位论文 a c c o m p l i s h e d k e y w o r d s ：s e l - v oc o n t r o l ；t e n s i o na d j u s t m e n t ；c l o s e - l o o pc o n t r o l ；m u l t i - - s p i n d l es y n c h r o n i z a t i o n i i i 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 后整理设备起毛机概述 第一章绪论 起毛，就是从织物表面拉出绒毛的整理【l 】。针织起毛织物，是在织物组织中 使用较粗纱支的衬垫纱，并在织物表面形成拉长线圈，经过金属钢丝针反复挑拉， 使纤维从纱支中不断被拉出来，形成绒毛层，覆盖在织物面上而成为绒类织物【2 l 。 目前，起毛机的市场需求呈现出多品种、快速化、低成本、高可靠、高技术 的态势。传统的起毛机采用纯机械式调速，控制简单，但机械结构复杂，近年来 在国际上已逐渐淘汰【3 】。国内的主要一些起毛机生产厂家也逐渐从传统设计模式 转为新型设计模式。本课题研究的方向即为基于p l c 控制的新型起毛机控制系 统的研究。 起毛机系统机械结构主要由导布系统和起毛系统以及其他各辅助机构组成， 导布系统负责织物的运送，起毛过程一项重要的技术指标布速，就是由导布 系统控制的；起毛系统负责织物在机体内的起毛作业；其他的辅助机构主要包括 纠偏装置、紧急制动装置、预扩辐辊、防护门、紧布架、制动辊、毛刷辊、吸尘 箱、照明灯等，在起毛作业中起协同辅助作用。下图为起毛机机械总体结构图。 浙江理工人学硕士学位论文 图1 1 起毛机机械总体结构图 导布系统由进布辊、前导辊、后导辊、上导辊和出布辊组成。每根导布辊由 一台交流伺服电机驱动，布料由进布辊导入，经预扩辐辊、扩辐辊、紧布架和制 动辊后由前导辊牵引进入起毛作业环节，起毛作业完成后的布料经后导辊和上导 辊牵引，最后由出布辊导出，至此，布料的一次起毛过程结束。导布系统共需5 台伺服电机控制，每两根导辊间装有张力传感器，下图中的黑点为各张力传感器。 各导辊的转速差产生各段张力，侈l j 如，当前导辊速度大于进步辊速度时，张 力增大，当相对速度逐渐缩小时，张力也相应地减小，张力大小就是根据这个原 理来调节的。 进布辊 前导辊后导辊 图1 2 起毛机导布系统原理图 上导辊出布辊 起毛系统主要负责织物的起毛作业，其机械系统结构包括扩幅辊、锡林以及 顺逆针辊。扩辐辊主要是为防止进入起毛作业的布料幅面发生紧缩，起展平幅面 的作用，扩辐辊由经变频器控制的交流电机驱动。锡林是起毛机的主要部件，目 前，国内外起毛机的锡林结构主要采用主轴两端分别安装滚盘，两端的滚盘通过 三根与主轴平行的撑管连接的结构，这种结构固定简单，重量轻，有较好的抗弯 能力，但存在抗扭转能力差的问题。由于在实际使用过程中，需要传递扭矩，主 动力矩作用在主轴的一端，阻力矩作用在两侧的滚盘外圆上，主轴在传递力矩过 程中发生扭转变形，导致两端滚盘外圆上的相对位置发生变化，从而使安装在上 面的起毛辊一端发生位移，影响起毛机的工作稳定性。为解决这一问题，本项目 2 浙江理工大学硕士学位论文 锡林是一种抗扭转变形的新型锡林结构，采用斜拉杆紧固机构，斜拉杆成螺旋形 沿扭转变形方向分布，这样主轴传递的转矩即可通过斜拉杆作用在滚盘上，提高 了锡林的抗扭转能力，从而提高整机的工作稳定性。顺针辊和逆针辊统称为起毛 针辊，起毛针辊是起毛机的关键部件，其工作平稳性与起毛效果与起毛质量直接 相关。目前，在锡林式起毛机上，对于工作宽度小于2 6 米的起毛针辊的安装固 定，主要采用每端各一个轴承的支撑方式或每端采用二个并排轴承的支撑方式。 此两种方式支承刚性差，易振动、噪声大，直接影响起毛质量。随着起毛门幅度 不断加宽，此种弊端越加凸显，本项目起毛针辊相应加粗针辊直径，以增强支承 刚性，提高起毛针辊工作平稳性，解决宽幅起毛和大起毛力矩对针辊的刚性要求。 1 2 国内外起毛机技术发展现状 1 2 1 国内起毛机发展 我国在8 0 年代初期的起毛机产品主要是由上海第四纺织机械厂生产的 n c 0 3 3 型钢丝起毛机【4 】，主要用于毛毯和呢绒的起毛。以及还是由其生产的 n c 0 3 4 型直刺果起毛机【5 1 ，适用于粗梳毛织物在润湿状态下起毛及梳理【6 】。 曾经广泛使用的国产m 3 0 1 起毛机【_ 丌，由单台电机作拖动动力源各传动部 分由机械联接协同运行。该类起毛机工作稳定维修简单，但产量低，起梳毛串 【8 1 不易调节，改变工艺困难f 9 1 ，难以获得不同的绒毛风格【l o l 、和高质量的起绒效 果 i l l 。所以近年来国内各厂家在起毛机的设计上，大都采用了各传动部分由单 台电机独立传动、速度独立可调的方案。国内著名的起毛机研发和生产厂家有海 宁的山山集团，连云港鹰游纺机有限公司和台湾的乙光公司。 1 2 2 国外起毛机发展 国外比较有名的起毛机研究和生产厂家主要有意大利的l a f e r 公司1 2 】、 c o m e t 公司、c a r h 公司、l a m p e r t i 公司【13 1 、r i m a r 公司、p a o l o 公司、 c r o s t a 公司、德国的h e r g e r t 公司【1 4 1 、s u c k e r + m u e l i e r 公司、g e m a t e x 公司、b i t e x m e 公司、美国的c e s s n e r 公司、西班牙的t o r r e s 公司【5 1 。其 中意大利的l a f e r 公司和r i m a r 公司做的最好。目前国外新型的起毛机基本 3 浙江理工人学硕士学位论文 上都由六个回转运动独立传动1 6 1 7 1 ，采用触摸屏【1 8 l + p l c 1 9 1 + 变频裂2 0 1 的调速方 案，触摸屏、p l c 、变频器之间通过r s 4 8 5 接e l 的串口协谢2 u 以通信方式进行 数据交换【2 2 】。线路简洁，硬件成本低廉【2 甜，并且扩展了起毛机的功能，如：自 动穿布、快速清理、快换针布、联机磨针等【2 4 】【2 5 】。 1 2 3 起毛机研究现状与发展趋势 目前，对起毛机的研究主要集中在机械电气结构部分和系统控制部分。其中 对电器机械结构方面的研究较多，而对控制系统方面的研究则相对比较少。 在机械电气结构部分的研究主要有：( 1 ) 对起毛机的工作原理的研究和工艺 研究，主要目的在于改善起毛机的工艺和提升机器性能；( 2 ) 对起毛零点的研究， 起毛零点是决定起毛设备上机工艺状态的一项重要参数。通过对起毛零点进行深 入分析，得出其在零点起毛状态下，针对不同的织物行进速度，起毛针辊、梳毛 针辊快速变换齿轮与走布辊快速变换齿轮传动比之间的关系，可迅速获得相对应 的零点状态时所对应的上机工艺参数，并在此基础上，通过改变关系中任意一项 传动比，以快速获得所需要的起毛强度，可作为起毛加工时的依据或参考；( 3 ) 对起毛机电气部分的改造，上世纪9 0 年代中后期，国内部分企业响应国家关于 开发新技术产品的号召，利用转差式调速器替代原来起毛机的调速部分，使整套 机器线路简单、维护方便、机械特性硬度高、抗干扰能力强和受温度影响小，满 足了当时的织造要求；( 4 ) 对起毛机动力性能的研究，起毛机的动力由电源经过 变频器、电动机传递到机械系统，通过调节电流频率调节各个电动机的输出转速 来调节布速f 2 6 】【2 7 1 、锡林转速、顺逆针辊带传动系统的转速，进而决定顺、逆针 辊的起毛方式和起毛风格。通过对起毛机动力性能的研究，分析出了针辊带传动 系统中每根针辊上传递的扭矩是多大；每个针辊带轮最大能传递的多大扭矩；知道 在给定顺逆针辊电机功率和锡林电机功率的情况下，起毛机能提供的最大起毛力 矩是多大，以及根据规律选择电机功率，实现节能与节省生产成本；( 5 ) 对针辊 系统结构性能的研究，基于弹性体和机械动力学理论提出了通用分析模型、性能 优化模型及其实现从而分析出针辊系统的结构性能( 包括静动力学) 对起毛质量 和整机性能的影响，从理论上提出一个最大程度提高起毛机性能的针辊结构模 型。 4 浙江理t 大学硕士学位论文 在系统控制部分的研究主要集中在对原有旧版起毛机采用继电器和接触器 控制转向由变频器和p l c 控制的新型起毛机上1 2 8 2 9 1 。西欧在上世纪9 0 年代初开 发的变频起毛机虽然也是采用触摸屏p l c 变频器控制方案，但是当时他们的p l c 对变频器控制是采用开关量+ 模拟量方式，我国起毛机企业自9 7 年开始着手开发 的起毛机中p l c 对变频器控制【3 0 】是采用串v i 方式。r s 4 8 5 串口协议连接智能现 场设备和自动化系统的数字式f 3 1 1 、双向传输、多分支结构的通信网络【3 2 1 。新型 的起毛机机构简单，操作方便，性能稳定【3 3 】，实现了由机械化向智能化发展【3 4 1 。 1 3 课题研究背景和主要内容 1 3 1 课题研究背景 与世界先进纺织装备技术水平相比，我国纺织机械行业总体技术水平较低。 随着我国纺织工业向外向型产业的转变，及人们对衣着、装饰、产业用纺织品的 品质需求日益提升，纺织产品结构发生了重大变化，国产纺织装备不能满足纺织 工业技术进步的要求，设备的进口量仍在迅速增加。我国每年纺机进口金额在 5 0 亿美元左右，其中染整设备的进口量所占份额最大，约占全部引进纺机设备 金额的2 0 ，位居各大类进口装备产品之首，这一方面表明国内高档染整机械设 备的市场需求巨大，同时也说明与国外先进技术相比，我国的纺织后整理装备技 术水平有待提高，国产染整设备的生产制造尚不能完全满足市场需求，市场潜力 很大。 目前国内外染整机械无论是单机还是成套设备，都在向高速、高效、节能、 减排、降耗和高精度、高品质、自动化、智能化、高可靠性的方向发展。为适应 纺织工业产业升级的需要，利用高新技术进行产品结构调整，实现传统纺机产品 的光、机、电、气、液、智能技术一体化，是纺机生产企业发展的必然选择，也 是纺织后整理装备技术发展的必然趋势。 为了加快纺织工业的结构调整、产业升级和技术进步，去年国家出台了纺 织工业调整和振兴规划，规划明确地把多年来一直困扰纺织工业发展的瓶颈一 一面料，作为支持的重点来开发高性能的后整理设备。规划还明确大力开发并应 用国产产业用纺织机械，使其占全部纺织机械市场份额由目前的1 0 提高到 3 0 。同时，由于进口设备价格昂贵，多数企业要考虑投入产出效益，选择国产 s 浙江理t 大学硕十学位论文 先进设备趋势比较明显。民营企业和个私企业迅猛发展，并逐步成为主流，这些 企业为了提高市场竞争力，也十分重视企业技术创新体系建设，投资国产化先进 设备的比重显著增加。从以上情况分析，国产的、能替代进口的纺织先进设备是 国家产业振兴政策支持的重点产品，是生产企业提高效能的必然选择，是制造企 业技术创新的目标和方向，这无疑为高效宽幅拉毛机产品项目的研发及产业化实 施创造了良好契机。 传统的起毛机生产效率低，整机同步运行性能差，起毛力不易控制，因此 为适应用户对产品的需求，开发高性能新型起毛机，是染整机械技术进一步发展 的需要。国家已将纺织行业染整设备作为重点发展项目，本项目产品系纺织品后 整理设备，是国家鼓励支持对象。通过本项目的实施，研制具有自主知识产权的 机电一体化的高速起毛整理机，并实现批量生产，使产品逐步替代进口设备，完 全适应了印染后整理设备生产企业对生产高效和多样性产品的要求，对于提高我 国染整装备技术水平，纺织品后整理设备竞争力，及节能高效的绿色生产的水平 具有重要意义。 1 3 2 主要研究内容 本论文通过对起毛机理、多轴同步导布运动恒张力闭环控制技术及导布与 起毛作业协同控制技术的研究，研制具有自主知识产权的智能化高效宽幅起毛整 理机，产品具有宽门幅、大起毛力、高智能化、起毛效果均匀、生产效率高、整 机同步性好等特点。 根据起毛机系统控制要求，需要提供恒张力的导布控制和无极调速的起毛 控制，而起毛控制又要与导布控制协同工作。因此，起毛整理机控制系统的研制， 主要以多轴同步传动恒定张力控制为核心的，研发一种导布张力分段设置、相对 恒定、范围可调、起毛和导布协同控制的控制系统。主要研究内容包括： ( 1 ) 控制系统硬件设计 根据控制功能要求，选择控制系统主控制单元、人机界面、执行器、传感器 等设备和器件，并组合成系统。主控制单元选用高性能p l c 作为起毛机系统的 核心控制单元；采用触摸液晶屏作为用户操作面板；起毛装置采用变频电机控制， 导布装置采用交流伺服电机驱动、张力闭环控制；设计能够反应布料张力真实变 6 浙江理工人学硕士学位论文 化的张力采样方式，保证织物在运动过程中张力恒定的闭环控制需要；采用气动 执行器件驱动纠偏机构运动，并设计织物布面位置信息的采集方式，保证自动纠 偏控制的实现；采用气动执行器件驱动针辊传动离合器保护装置和毛刷辊升降控 制。 ( 2 ) 控制系统软件开发 根据硬件平台的资源和系统的控制功能要求，进行实时控制软件和人机界面 程序的开发。采用多任务软件框架设计思想，根据系统对各个控制任务的时效性 要求，完成控制系统p l c 实时控制软件开发。根据拉毛机控制系统操作要求， 设计完成图文化的人机界面程序，并建立生产过程中的各种工艺信息参数以供用 户参考；设计具有专家系统功能的起毛导航模块，在保证织物生产效果的基础上 方便用户进行生产过程中的参数设置。 ( 3 ) 多轴同步传动恒张力闭环控制技术研究与实现 对当前多种恒张力控制方法进行分析总结，对一种多轴同步传动起毛整理机 的控制技术，关键是对多轴同步传动导布张力闭环控制、起毛和导布协同控制进 行深入研究，采用p i d 控制算法，应用p l c 控制技术，在起毛机控制系统上实 现恒张力控制。传统布速控制以后导布辊的线速为基准，其余导辊以一定相对速 度差进行控制。这种控制方法不能满足高速起毛机作业下起毛张力动态快速调节 的需要，本项目提出虚拟布速为基准的控制策略：虚拟布速基准是以一根虚拟导 布辊的布速作为控制基准，其余导布辊布速与该虚拟布辊的速比关系根据需要进 行设定、调节或变更。并采用多轴伺服同步驱动取代多轴独立变频器驱动，张力 由单一闭环控制调节改为多轴同步补偿调节闭环控制，使得原本开环的导布过程 转为闭环过程控制，提高了系统的稳定性和可靠性，解决由多轴独立变频器驱动 产生的在导布过程中的启动和停止段张力无法控制的问题，使织物处于最佳起毛 状态。这种控制技术需要对全部导辊根据设定张力和布速进行动态调节控制，是 本项目控制上的主要创新点和难点之一。起毛效果由进布速度，进布预拉张力， 导布张力平稳性，起毛工艺的张力设定值，以及起毛张力平稳性等因素决定。因 此，整个起毛作业必须是一个导布和起毛协同工作的过程，导布和起毛必须进行 协同控制。在高速运行的起毛机上，根据起毛作业所处的不同状态同时发送导布 系统和起毛系统速度控制指令，并保持织物布面张力恒定是系统控制的关键技术 7 浙江理工大学硕士学位论文 所在。本项目采用高速可编程控制器实现导布和起毛协同控制，提高系统控制实 时性，并采用自适应闭环控制技术，在起毛机控制系统上实现恒张力控制。 1 4 本章小结 本章介绍了起毛机系统的结构，国内外的发展及研究现状，以及本文研究的 背景和主要内容。 浙江理工人学硕士学位论文 第二章起毛机控制系统总体设计 2 1 控制系统控制要求 在本项目中，根据工况可分为单独调试、整机联动以及自动引布三种运行情 况。其中，单独调试主要是在机器停止期间可分别对各部件进行单独运行，如进 布段张力太小时，可以把前导及以后的导布辊进行微调，从而调节各段的张力值， 达到良好的开机状态；整机联动就是机器正常工作时的状态；自动引布主要作用 是，当需要换上另外的布料进行起毛时，由自动引布功能把新布料导入机器内， 起导布作用。 本项目起毛机整机联动时对导布系统的布速要求为1 0 4 0 m m i n ，导布系统的 5 根导辊由5 台伺服电机控制，根据各导辊直径和设置伺服电机电子齿轮比可计 算出各伺服电机的转速，以及确认各伺服电机的功率要求。 表2 1 整机联动各导辊速度表 表2 2 单独调试各导辊速度表 9 浙江理工大学硕士学位论文 表2 3 自动引布各导辊速度表 系统对锡林的速度要求很高，需要达到8 5 1 1 0 r m i n ，因此对驱动锡林的交 流电机功率要求较大，而且锡林的运转速度必须和导布系统一致，对控制锡林的 交流电机采用变频器驱动，在锡林的控制中需要做到缓启缓刹，系统要求在按下 操作面板启动按钮后，锡林缓慢加速，在1 5 秒内达到设定的速度要求；在按下 停止按钮后，锡林以一定的比例减速，在1 5 秒内完成减速过程。当发生紧急情 况时，如断布、缠卷、伺服故障、变频故障等意外情况时，锡林必须在尽短时间 内停止，以最大限度地减小损失，因锡林惯性太大，制动力不够，需要在变频器 相应端子接上制动电阻，制动电阻用于吸收电动机再生制动的能量，可以缩短大 贯量负载的自由停车时问。 起毛针辊包括顺针辊和逆针辊，因逆针辊在起毛作业中比顺针辊需要做更多 的功，因此，驱动逆针辊的交流电机和变频器功率都要大于顺针辊。在实际工作 中，针辊的转速可达8 0 0 1 2 0 0 r m i n ，本系统中起毛针辊数量为2 4 辊，其中顺针 辊1 2 ，逆针辊1 2 ，共由两台变频器驱动。 扩辐辊的转速一般在4 5 0 6 0 0 r m i n ，由于驱动扩辐辊所需的力矩相对较小， 因此，对驱动控制扩辐辊的变频器的功率要求不高，相对其他的变频器，其功率 较小。 表2 4 起毛系统各部件速度表 1 0 浙江理_ t 大学硕士学位论文 要想获得高质量的起毛效果，必须保证系统运行时导布系统各导辊速度高度 的一致性，以及导布系统和锡林运行的协同性。 。导布系统各导辊是通过伺服进行驱动的，系统正常运行时，速度为3 0 m m i n ， 根据导辊直径可换算成相应的伺服脉冲数，同时，相邻两辊之间还要保持一定的 速度差以维持一定的张力，因此，主控制器要实时地确定各导辊速度所需的脉冲 数，速度的调节要快速，准确；锡林是通过变频器来驱动的，锡林运转的速度要 根据导布系统的实际速度做出相应地调整，如果两者速度相差超过一定限度，则 会发生扯布危险，因此，对锡林的实时控制也提出了一定的要求。 根据起毛工艺的需要，将起毛机张力划分为4 段，分别为进布张力、起毛张 力、上导张力和出布张力。进布段张力为进布辊与前导辊之间的张力，后面各段 张力依次类推，分别为两辊之间的张力。进布段主要用于进布面料张力的预拉伸， 起毛段则直接参与起毛过程面料的张力调节控制，使面料张力在整个加工过程中 达到近乎相同的状态，加工受力均匀。上导段用于还原进布时张力的变化量，出 布段用于将面料牵引出去存放到成品储备车中。 各段的张力根据起毛面料的要求各有不同，以涤纶面料为例，设定的进布张 力为1 0 k g ，起毛张力为4 5 k g ，上导张力为2 0 k g ，出布张力为1 5 k g ，4 段张力 共需要4 个张力传感器和4 个传感变送器，针对各种布料起毛对各段张力的需求 不同这一情况，选择4 个张力传感器量程分别为5 0 k g ，1 0 0 k g ，5 0 k g ，5 0 k g 。 由于安装传感器的张力辊本体具有自重，因此，当系统无张力时，张力传感 器的值显示的是各根张力辊的自重，为了能清楚地观察到系统各处张力的真实 值，对张力显示值进行处理，即减去各辊自重来进行张力值修正，因安装方式不 浙江理工大学硕+ 学位论文 同，进布段、上导段、出布段跟布料张力值方向相反，起毛段跟布料张力值方向 相同。 在根据各种布料加工要求设置好各段张力后，每段张力都有一个确定的张力 设定值，为了使实际张力达到设定的要求值，就要设定相应的伺服速度来产生相 应的张力，由于设定的张力是理论值，实际上随着加工的进行，伺服的速度每时 每刻都在变化，因此，各段的张力值是会围绕设定张力值动态波动的，此时，就 对控制算法提出了一定的要求，即张力的波动要尽可能小，就是设计一套控制算 法来产生动态平稳的张力控制效果，这样起毛的质量就会越好。 产生动态平稳的张力控制效果，这是针对各段张力单独来讨论的，而起毛机 拥有5 根主轴，共4 段张力，要求每段张力实际值都要围绕设定值做动态平稳的 微调，就必须要考虑5 轴的同步性问题，因为前一轴的调节必然会影响到后一段 张力值的波动，如果不考虑同步性控制这一方面，而只对各轴进行单独的调节， 则前一轴的调节，会给后面几轴造成影响，而且，没过一轴，该影响量会叠加， 越到后面，波动越大，势必会影响动态平稳这一控制要求，因此，张力的多轴同 步控制问题也是本项目研究的重点之一。 2 2 控制系统功能要求 单纯的开关按钮已不能满足日益发展的纺机系统操作需求，为了更好地对起 毛机进行操作以及维护，提升整机的美观性和实用性，人机界面已成为必不可少 的一项功能。本项目中人机界面主要的功能有： ( 1 ) 设定开机前的各项机器参数； ( 2 ) 保存不同工艺所需的参数； ( 3 ) 调用各项工艺参数； ( 4 ) 对机器导布系统各部件进行微调； ( 5 ) 实时显示机器运行中各部件状态信息 ( 6 ) 实时显示伺服、变频报警信息以及对报警内容进行处理； ( 7 ) 对其他辅助设备的控制。 1 2 浙江理工大学硕士学位论文 2 3 主要技术指标 本项目产品是一种广泛用于棉、毛、化纤织物、针织物等后整理的纺机设备。 主要适用于机织物、针织物，包括圆筒和开幅针织物的表面起毛：也可适用于棉 纺、棉混纺及经编织物、毛纺、毛混纺及化纤织物的起毛。通过该机的整理，可 使织物表面产生各种风格的绒面，从而改变服用纺织品、家纺的外观和性能；达 到产业用纺织品的功能要求。 从传统纺织品到产业用布的起毛加工，不仅拓展了起毛装备的市场空问，同 时也对起毛装备的门幅、起毛力及效率等提出了更高要求，本项目正是应对此要 求而开发的，产品的市场前景十分广阔。 项目产品的主要技术指标如表2 5 所示： 表2 5 主要技术指标 4 7 3 0 x 4 1 1 0 x5 2 3 0 4 1 1 0 x5 5 3 0 x 4 1 1 0 机器外形尺寸( 长宽x 高) ( n u n ) 2 9 1 52 9 1 5x 2 9 1 5 1 3 浙江理工人学硕士学位论文 2 4 控制系统总体设计 根据控制功能要求，将控制系统分为主控制单元、人机界面、导布系统、起 毛系统几个部分，组合成控制系统。主控制单元选用高性能p l c 作为起毛机系 统的核心控制单元，采用双p l c 结构作为控制系统的核心结构；采用触摸液晶 屏作为用户操作面板；起毛装置采用变频电机控制，导布装置采用交流伺服电机 驱动、张力闭环控制；设计能够反应真实变化的张力采样方式，保证织物在导布 过程中张力恒定的闭环控制需要；采用气动执行器件驱动纠偏机构运动，并设计 织物布面位置信息的采集方式，保证自动纠偏控制的实现；采用气动执行器件驱 动针辊传动离合器保护装置和毛刷辊升降控制。控制系统框图如下图所示： 伺 服 驱 动 器 伺 服 驱 动 器 伺 服 驱 动 器 伺 服 驱 动 器 o 伺 服 驱 动 器 o 进 布 电 机 落 布 电 机 阳 图2 1 起毛机控制系统示意图 1 4 一陂倾体丁口幽 一恢倾惴 一。田h幽困引ud圈例圆 圈吲uo图 浙江理工大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章主要介绍了起毛机控制系统的总体设计方案，对起毛机控制系统的整体 要求进行分析，包括整机运行速度的要求，系统运行的同步性要求，触摸屏控制 要求以及张力同步性和平稳性控制要求，最后介绍了起毛机控制系统的总体结构 设计。 浙江理工大学硕十学位论文 3 1 硬件总体框架 第三章起毛机控制系统硬件设计 起毛机硬件结构的主控制器为双c p l hp l c ，上位机采用触摸屏作为输入控 制，张力数据采集部分由4 个传感器完成，导布系统山5 台伺服控制，起毛系统 由4 台变频器控制。此外，需要的扩展单元有：主p l c 卜安装两块r s 2 3 2 选件 板，一块用于与触摸屏的通信，另一块用于与从p l c 的通信；从p l c 也安装两 块选件板，其中一块为r s 2 3 2 ，用于与主p l c 通信，另一块为r s 4 8 5 ，用于与 变频器通信。硬件平台示意图如下图所示： 图3 1 起毛机硬件总体机构示意图 主p l c 主要控制导布系统运行，以及一些输入输出丌关量的处理，从p l c 主要负责起毛系统变频器的控制。进布张力传感器检测进布辊与前导辊之间的张 力，起毛张力传感器检测前导辊与后导辊之i 刈的张力，上导张力传感器检测后导 辊与上导辊之问的张力，出布张力传感器检测上导辊与出布辊之问的张力。张力 1 6 浙江理工大学硕士学位论文 产生的模拟量电压值输入主p l c 的4 路内置模拟输入单元进行模拟量数据的处 理。 3 2p l c 选型 可编程控制器s y s m a cc p l h 是用于实现高速处理、高性能的程序一体化 p l c 。它是o m r o n 公司小型高功能的新型p l c ，以以往产品相比，输入输出 点数相同，但处理性能比以往产品高将近1 0 倍3 5 l 【3 矾，因此在小型控制领域被广 泛使用。c p l h 高性能体现在： ( 1 ) 内置输入2 4 点，包括8 点中断输入，8 点脉冲接收，内置输出1 6 点，可 扩展，最大可达总计3 2 0 点输入输出； ( 2 ) 4 轴高速计数输入，频率可达1 0 0 k h z ，可扩展； ( 3 ) 4 轴高速脉冲输出，其中2 路1 0 0 k h z ，2 路3 0 k h z ，可扩展； ( 4 ) 内置4 路模拟电压电流输入，2 路模拟电压电流输出，可扩展； ( 5 ) 通过安装选件板，可进行r s 一2 3 2 c 通信或r s 4 2 2 a 4 8 5 通信，可与p t 触 摸屏，条形码阅读器以及变频器等设备进行通信连接； ( 6 ) 程序容量2 0 k 步。 根据本项目对输入输出点数要求，模拟量输入要求以及伺服高速控制输出和变频 器4 8 5 通信要求，c p l hp l c 完全适合作为本项目的主控制器。 3 3 双p l c 结构的主控制器 一台p l c 只有4 路高速脉冲输出，而本项目起毛机导布系统由5 根轴构成， 共需5 路脉冲输出来驱动5 台伺服电机，因此，需要通过添加组件扩展一路高速 脉冲输出。经过市场调查发现，高速脉冲输出组件价格与一台p l c 价格相当， 从性价比和产品扩展性方面考虑，决定采用双p l c 结构来作为起毛机控制系统 的主控制器。 3 4 导布系统电路设计 导布系统电气设计包括伺服控制硬件电路设计和张力信号采集硬件电路设 计。伺服控制硬件电路完成对伺服电机的运转控制，而张力采集硬件电路则主要 1 7 浙江理t 大学硕十学位论文 用来采集起毛机运转过程中真实的布料张力，作为张力闭环控制反馈环节的参数 来调节伺服电机的转速。 3 4 1 伺服控制硬件电路设计 伺服控制是导布系统控制最关键的部分，伺服控制硬件电路设计主要是完成 p l c 与伺服驱动器指令控制序列信号线的连接以及伺服驱动器与伺服电机编码 器信号线的连接。p l c 与伺服驱动器的信号线包括正反脉冲信号、伺服启动信号、 脉冲串输入方式选择信号、伺服报警信息清除信号。下图为p l c 伺服控制硬件 电路图。 l 1 l 2 l 3x 2 哇v + y 2 4 v - x 伺服启动x 报警清除z 前导脉；中输出( 正) ) 前导脉冲输出( 反b c b 事c b v r e f m 5 置i t 醢 帮 霹 餐 霉 何服驱动器 图3 2 伺服控制硬件图 3 4 2 张力信号采集硬件电路设计 5 * f f b f f z * f f t e g n d p 5 弧5 s i g + s i g f g 伺服电机 伺服报警 常用的张力检测方式是采用张力传感器检测，由安装在辊轴上的传感器直接 一一一阢一洲一一一一肌一吼一一 姒一啦一un一一嗽一眦一一一一一一一一一一一胍 浙江理1 j 大学硕士学位论文 检测出张力信号，进布段、起毛段、上导段和出布段的张力都是经各部分的张力 传感器检测反馈给p l c ，然后p l c 经过计算控制伺服电机转动。x a 型主p l cc p i h 带有4 路模拟量输入端口，4 个张力传感器与主p i 。c 上的这4 路模拟量输入端 j 连接，进行张力信号的检测反馈。 由张力信号采集硬件电路实时采集来的张力电压信号值作为模拟量输入到 p l c 的模拟量通道进行模拟量数据处理，处理后数据作为导布系统张力闭环控制 反馈回路的参数在p l c 内进行算法处理来谢节伺服电机的当前转速，输入到控 制器进行处理。p l c 内置模拟量输入输出端子台如图3 3 所示，输入信号量程 0 1 0 v ，分辨率设定为1 6 0 0 0 ，张力信号采集硬件电路如图3 4 所示： 棱拟输入输出端子台辩歹睡 a ，d d ，a 12 3 45 67 8 91 01 11 21 31 41 51 6 孳l 瓣n o 磅麓 ll n l + 2l n l 3l n _ 2 + |l n 2 5l n 3 6l n 3 7i n 4 j - sl n 4 - x , ，不连接屏蔽线 图3 3 模拟量输入输出引脚 弓l 嬲ko 功缝 9o u t v l l oo u t i l ll o u t l 20 0 1v 2 一 1 3o u 下1 2 一 1 4 o u l 2 1 5l n a g 1 6l n a g 进布传感器起毛传感器上导传感器 出布传感器 图3 4 张力模拟量信号采集电路图 1 9 2 4 v 2 4 v 一 浙江理： 人学硕士学位论文 3 5 起毛系统电路设计 起毛系统主要部件有锡林、顺针辊、逆针辊和扩辐辊，它们的动力是由电机 提供的，而电机又是山变频器驱动的，归根结底，对起毛系统的控制就是对变频 器的控制。 起毛系统电气设计主要是各电机与变频器的连接以及p l c 与变频器的连接， 由于是采用通信方式，因此，p l c 与变频器的硬件连接相对较简单，通信连接具 体在下一节进行介绍。 由于锡林的功率和惯量矩比较大，为了避免在启动、制动的过程中母线电流 过大，所以在锡林上加了制动电阻。制动电阻将龟机溅速时所产生的再生能作为 热量消耗，可以提高变频器的减速能力。电路连接图如图3 5 所示： 锡林顺针辊 逆针辊扩幅辊 图3 5 起毛系统硬件电路图 3 6 基于r s 2 3 2 和r s 4 8 5 总线的通信电路设计 3 6 1 主从p l c 通信 本项目两台p l c 是通过r s 2 3 2 方式进行通信的，丰p l c 上的c o m 2 口和 从p l c 的c o m i 口都装有选件板r s 2 3 2c p l w - c i f 0 1 。r s 2 3 2 选件板各个引脚 2 0 浙江理工人学硕士学位论文 说明如下图所示： e f i s - 2 3 2 c 连接器 5 1 9 8 弓l 瓣鳙号信号喀称僵号名_ 豁信号方翕 lf g 皱餍凌逵 2 s d o x d ) 发送致鬻输! _ l ：l 3 r d ( r x d ) 接收数据输入 4 r s ( 袋t s 发送请求输嬲 5 c 鬟c t s )漶| i 丧发送输入 65 vl 趋源