（纺织工程专业论文）高速经编机电子横移的动态响应特性研究.pdf

摘要 摘要 传统的机械式梳栉横移机构存在的一些缺点已不能满足当今经编行业的发展，不能 很好的适应市场竞争的需要。电子式梳栉横移机构有着机械式梳栉横移机构无法比拟的 优点，极大的增加了经编工艺起花的可能性，推动了经编机的机电一体化和生产自动化 的进程，成为了经编机必然的发展方向。 论文介绍了横移机构以及随其一起发展的梳栉运动规律的发展，分析了国内外对用 于高速经编机的电子横移系统的研究现状，指出了我国目前研究水平与国外先进技术之 间的差距；对电子横移系统进行了深刻的研究，建立了以p l c 控制为核心的，永磁同 步电机为驱动原件的交流伺服系统下的电子横移系统，并根据电机的运动方式选择了以 滚珠丝杠为主要传动机构的机械构件；在建立的一整套电子横移系统的基础上，通过研 究机械式梳栉横移机构的原理，分析了电子横移系统动态响应的工艺特性；提出了机械 构件所应满足的基本要求和梳栉运动时选择运动规律的原则，满足了电子横移系统动态 响应的动力学特性要求：分析了电子横移系统控制结构的实现，在此基础上分析了电子 横移系统电气特性的影响因素并提出了满足电子横移系统电气特性要求的解决方案。 总之，本文在对电子横移系统组成和原理进行分析的基础上，探讨了电子横移系统 的动态响应特性的种种表现以及其影响因素，提出了满足其动态响应特性要求的措施和 方法，增加了电子横移系统可适应的经编机机速，改善了电子横系统的性能。 关键词：经编；高速经编机；电子横移；动态响应；梳栉横移 a b s t r a c t i l 圮c o m ；廿a i mo ft h e 由陋d i t i o n a lm e c h a n i c a ll 印p i i l gm e c h a n i s mr e 嘶c t s 也ed e v e l o p m e n t o f 也ew a 印l 【i l i t t i n gi 1 1 m 塔时i tc a n ta i a p tt 0t l l em a f k e tc o m p e t i 矗o n g d m p a 陀w i ln l e 仃a d i t i o n a ll 印p i i 培m e c t m i l i s m ，也en e wg 锄e 均t i o no ft l l el a p p i i l gs y s t e mc o m r o l l e db y 也e l i n e 盯辩n 哪a t o rh 鲢s o m em e r i t s i t ss u p e r i o r i 够m a l l i f e s t si n 让屺l 【n i t t i n gp o s s i b i l i 锣f - o r m ec o m p l i c a t e dp a 曲锄趿dt 1 1 ec o n w 柚e 邛f o rt l l ep r o d h c t i o n i ti sad t i v e l o p i i 唱删f o r t 1 1 et o p 掣砸em g h 嘴d 唧蛐i i l gm a c h i n ei nt 1 1 e 如魄玳 t h ep a p e ri n 仃o d u c e s 也ed l e v e l o p m e n to ft h el a p p i i l gm e c t l a j n i s m 锄dt h en l eg u i d eb a r 如o v e m e n tm l e ，赳l a j y s e s 也er e s e a r c hs i 删o no f 也ee l e c t 州cl a p p i i 培夥s t e mi nh i g hs p e e d w a r p 姐t t i l 唱m a c h i n e ，i i l d i c a ：t e st 1 1 ed i s p a r i 锣b t 叶w e 铋也er e a r c hl e v 盯o fo l l rc o 瑚1 仃y 锄d 廿l eo v e r 嬲a d v a n c e dt c c l l n o l o g y s n l d yd e 印1 yt l l ee l 咖i l i cl 印p i i l g 趼s t e n l 锄des c 乏l b l i s h n l el 印p i l l gm e c h a i l i s mu n d e rt l l ea cs e r v os y 毗m 谢map l cc o i n t r o l 勰n l ec 0 她a n dt l l e p m s m 嬲血e 嘶v ec o m 】p o 舱n t s ，锄dc h o s et l l em e c l l a i l i c a lc o m p o 眦m s 、) i ，i 也ab a l ls c 陀w 嬲 m em a i l l 位m s m i s s i o n 锄o r d 访gt 0 血er i 】衄血培w a yo ft 1 1 em o t o r o nt h eb 觞i so ft h e e l e c t r 0 面cl a p p i i l g $ s t e m ，删y z et l l e 慨l l i l o l o g i c a lc k 瞰l c t e r i s t i c so ft h ed y n m n i cr e s p o i l s e o fm ee l e c t r o n i cl a p p i i 培s y s t e mb ys t u d y i n gt l l e l et m d i t i o n a ll 印p i n gm e c h a n i s m p u t f o r 、) 吼r dt 1 1 e 越【t 0t h em e d i a i l i c a lc o m p o n e n t sa 1 1 d 也ep d i l c i p l eo f c h o o s i i 培m em o v 锄e n t r u l eo f 拙屺鲥d eb 瓯i tm e e t sm er e q l l i r e m e n t so ft l l e 由，n a l i l i c sc l 擒瑚u c l e 】唷s t i c so f 也e 由，1 1 锄i c 陀s p o n o f 也ee l e 曲r o n i cl a p p i i 培s y s t e m a n a l y 残也er e a l 刎o no fm ee l e c 仃0 1 1 i cc o n t l 觚t u 陀o ft h ee l e c 仃o i l i cl a p p i i l gs ) r s t e i n 觚do nt l l eb 嬲i so fi ta r l a l y z e 也ef 敏舰h so f 血e e l e c t r i c a lc b _ a r a c t e r i s t i c so f 廿l ee l e c t r 0 i l i cl a p p i i l gs y s t e m 趿df i n dn l ew a yt 0m e e t 也e 他q u i r e m e m so f 吐l ee l e c t r i c a lc h 出佻t e r i s t i c s i nb r i e o n 也ea n a l y s i so f 也ec 0 恤p o s i t i o n 觚dt h ep 血c i p l eo ft h ee l e c t i l i cl 印p i i l g 黟s t e 玛t h i sp a p i e rd i s c l i s s 廿l eb e h a _ v i o 瑙a n dt l l ef 诎。璐o ft h ed y n a i n i cc h a 删：t e z i s t i c s0 f 也ee l e c 仃o n i cl a p p i n g $ 啦m ，锄dp u tf o r v 删a l lk i i l d so fs o l u ：t i o n s ，w l l i c hi n c r e a 也e s p da l l di i p r o v et l l ep e r f o m 姗c eo ft h ee l e c t r 0 i l i cl 印p i i l gs y s t e m k 码啊o r d s ：w a 印g ；h i g hs p e e dt r i c o tn l a c h i 舱；e l o c 仃d i l i cl a p p i i l gs ) r s t e 心 d ) 删c 陀s p o i 拇e ；l a p p i i 培m e c h a i l i s m 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 梳栉横移机构发展1 1 1 1 机械式梳栉横移机构1 1 1 2 电子式梳栉横移机构2 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 国外研究现状3 1 2 2 国内研究现状3 1 3 本课题的目的、任务与意义3 第二章电子横移系统组成及原理5 2 1 控制系统设计5 2 1 1 伺服系统选择5 2 1 2 控制模式选择6 2 1 3 电子横移系统控制系统设计8 2 2 电子横移系统的机械构成和原理9 2 2 1 机械构成和原理9 2 2 2 机械机构误差分析1 0 2 3 梳栉横移运动实现的过程描述1 2 2 4 电子横移系统静态设计1 2 第三章电子横移系统动态响应的机械特性1 5 3 1 动态响应的工艺特性| 1 5 3 1 1 横移运动工艺要求1 5 3 1 2 传统的机械式梳栉横移机构1 5 3 1 3 横移运动规律分析1 6 3 1 4 动态响应的工艺特性1 9 3 2 动态响应的动力学特性2 0 3 2 1 动态响应的动力学分析2 0 3 2 2 动力学特性要求2 1 第四章电子横移动态响应的电气特性2 7 4 1 电子横移系统控制方法的实现2 7 4 1 1 控制方法实现的基本理论2 7 4 2 电子横移系统控制方法的实现2 9 4 2 1 电子横移系统的控制结构2 9 4 2 2 电子横移系统电机精确横移实现的过程描述3 0 目录 4 2 3 控制系统的数学模型建立3 0 4 2 4p i d 参数整定3 1 4 3 电气特性的影响因素及分析3 2 4 3 1 瞬态特性的影响因素及分析3 2 4 3 2 稳态特性的研究3 6 4 4 电机振荡、超调的处理3 7 4 4 1 电机振荡3 7 4 4 2 电机超调3 8 4 4 3 电子横移系统中各梳栉在控制上的横移时间确定3 8 4 5 本章小结3 8 第六章结论4 1 5 1 总结4 1 5 2 进一步的研究方向4 1 致谢4 3 参考文献4 5 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文：4 8 第一章绪论 第一章绪论 高速经编机自被发明并开始应用以来，随着机械以及自动化技术的高速发展而迅速 发展，高速经编机的各个机构都经历了从完全机械式构成到半自动化到完全数字化控制 的发展过程，高速经编机的性能也得到了大大改善。 梳栉横移机构作为高速经编机的一个主要组成部分，它的发展构成了高速经编机发 展的一个主要内容。梳栉横移机构的发展促进了经编机速度和效率的提高，繁琐的机械 式机构的简化，高速经编机自动化和机电一体化进程的速度。作为梳栉横移机构的发展 的一个里程碑，电子梳栉横移机构开始出现并逐渐被广泛应用。电子梳栉横移机构在高 速经编机上的应用，真正达到了高速经编机的机电一体化和自动化。电子梳栉横移机构 也日渐成为经编研究中心和各个企业的重点研究内容。 对梳栉横移机构的研究包括很多方面，其中自经编机问世以来，凸轮的运动规律即 被应用到梳栉横移机构，随着技术的发展，特别是企业要求提高经编机机速的需求的增 加，应用到梳栉横移机构的运动规律也成为梳栉横移机构研究中的一个重要内容。电子 梳栉横移机构的出现，由于计算机和自动控制系统的应用，使得梳栉横移运动规律的应 用更加灵活和复杂。 梳栉横移机构的运动规律得到如此的重视，源自于梳栉横移运动规律对横移运动机 构的动态响应特性有着重要的影响，特别是在电子式梳栉横移机构中，梳栉横移运动规 律的实现方法和精度都是对经编机研究的一个重要课题和有待解决并加以改善的问题。 电子横移机构得以成功应用最为关键的因素在于梳栉的运动规律能否被很好的实 现。而对电子横移机构的研究最为关键的在于对其特性的研究，具体来讲是电子横移动 态响应特性的研究。 高速经编机动态响应特性即为本论文的研究课题，本章主要讲述梳栉横移运动规律 伴随梳栉横移机构发展而发展的概况以及国内外研究现状和本课题的目的，意义与任 务。 1 1 梳栉横移机构发展 1 1 1 机械式梳栉横移机构 机械式梳栉横移机构随着1 7 7 5 年英国的克莱恩发明第一台特里科经编机而产生。机 械式梳栉横移机构有着悠久的历史，成熟的技术，稳定可靠的运行，可以很好地满足梳 栉横移运动，直到现在仍有着十分广泛的应用。根据型号的不同，机械式梳栉横移机构 在结构上和性能上都有很大的不同。主要有链块滚筒式和花盘凸轮式两种【1 1 。 机械式梳栉横移机构的基本原理大体相同，但不同的机构中梳栉的横移运动规律差 别很大。不同梳栉横移运动规律的运用使得经编机的性能差距也甚大，最主要表现在经 编机的速度上。 1 1 1 1 普通式链块梳栉横移机构 普通链块式梳栉横移机构出现的时间最早，横移机构工作时，主轴通过一定装置驱 。江南大学硕士学位论文 动滚筒，使滚筒按照一定的传动比进行运动，滚筒外包覆有链块，链块按照一定的花型 组织排列，链块表面与紧贴于链块的转子相接触，并通过驱使转子在横移方向上的前后 运动驱动梳栉横移机构进行运动。 普通式链块梳栉横移机构中梳栉进行横移运动时其运动规律为最简单的运动规律， 运动开始和结束时梳栉的加速度和速度变化不连续且变化程度较大，造成梳栉在运动时 产生的震荡较大，因此采用此种梳栉横移机构的经编机速度不高，最高速度在6 0 0 印m ， 且经编机运行时噪音较大，梳栉横移机构磨损较快【2 】。 1 1 1 2 曲线式链块梳栉横移机构 曲线式链块梳栉横移机构是在普通式链块梳栉横移机构的基础上改进得到的，普通 链块表面推动梳栉横移的工作面是在链块倒角机上直接磨制的，呈直线形态，而曲线式 链块梳栉横移机构具有与大针距横移相适应的曲线表面，得到的梳栉运动规律无论是速 度还是加速度，其变化较为平稳连续，因此经编机运行时相应的较为平稳，没有太大的 噪音，可达到的最高速度也较大。但此种曲线式链块横移机构的链块的制作较为麻烦， 需专业的工具和人员进行加工，在经编机更换花型时较为麻烦，制作成本相对较高，不 利于企业降低成本提高效率，大大降低了企业的利润。 1 1 1 3 花盘式梳栉横移机构 花盘式梳栉横移机构是继链块式梳栉横移机构之后的另一种梳栉横移机构。花盘式 梳栉横移机构采用凸轮作为花型载体，凸轮的制作非常精密，使用花盘式梳栉横移机构 驱动梳栉进行运动时得到的运动规律为较为复杂的运动规律，比如正弦加速度运动规 律。以这种运动规律进行运动的梳栉速度加速度变化连续平稳无冲击，且最大速度、加 速度相对较小，因此经编机速度可以开到很高，l ( dm a y e 生产的高速经编机h k s 2 3 e 和l i b a 生产的同类高速机c o p c e n t r a2 k e 车速都高达3 5 0 0 r 1 ) m 以上，都采用花盘 式梳栉横移机构【3 】。 但花盘式梳栉横移也存在着与曲线式链块梳栉横移机构一样的问题。花盘加工精度 要求很高，必须由专业厂商提供，用户不能根据自己开发的花型制造；而且花纹完全组 织受凸轮尺寸限制，更换花纹时须将花盘拆换，十分不便。一般只应用于花型不常变动 的高速经编机或作为花梳经编机的地组织的花纹机构。 1 1 2 电子式梳栉横移机构 随着计算机和控制技术的发展，电子式梳栉横移机构开始踏上历史的舞台，先进的 伺服驱动技术和计算机控制技术的应用，使得梳栉的运动规律更加多元，实现的过程也 更具可操控性。在电子横移系统中可以根据需要选择梳栉适合的运动规律曲线，因此从 这个角度来说，电子梳栉横移机构可以适应的经编机速度可以更高，但由于种种因素的 制约，使得现毛 1 1 2 1e l 型电 由酬m a 用了新型伺服日 动。直线电机i 第一苹绪论 于连续的、快速的花型变换。e l 型梳栉横移机构适应机速最高为1 5 0 0 印m ，还不能完 全代替花盘式梳栉横移机构。在这种新型横移驱动装置下e 2 8 的机器针背横移可达1 2 针，最大累计横移距离可达5 0 衄，而且运行稳定、可靠【4 】。 1 1 2 2e l s 型电子梳栉横移机构 l i b a 公司推出了第一款全电脑控制的经编机配备了e l s 型电子梳栉横移机构。这 种机型采用高性能的液压传动，横移运动精确、可靠；最大横移距离可达1 5 英寸。它 还拥有一套花纹准备系统，使花型的设计和开发十分容易，电子系统的高存储能力使一 个花纹完全组织可达3 0 0 0 0 横列，花型开发空间大大扩展【5 】。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外对经编电子横移系统的研究已趋于成熟，产品性能也很稳定，电子横移系统已 经成为高档经编机的基本配置。相应地，在使用电子横移系统实现梳栉横移运动规律的 优化也做的较为完美，对电子横移动态响应特性研究要进入完善化的阶段。 目前国外带有电子横移系统的经编机主要是德国k 砌m a y c r 公司和l i b a 公司生产， 其电子横移系统均采用伺服控制系统。用于高速经编机的电子梳栉横移机构有e l 型电 子横移机构和e l s 型电子横移机构两种；其中e l 使用直线伺服电机驱动，e l s 使用电 液伺服控制驱动。 1 2 2 国内研究现状 从2 0 世纪9 0 年代开始，国内也开始了对经编电子横移系统的研究工作，并取得了 一定成果。国内已经应用变频技术、电子送经、电子卷取，但电子横移还处于研发阶段。 国内多数还是限于专利研究，福州大学和华中科技大学对经编电子横移系统做了一定研 究，只是对控制部分进行调试性实验；常州市润源经编机械有限公司开发出了类似产品， 但存在一定的缺陷。江南大学对电子横移系统进行了系统深入的研究，并在实验室内试 用该系统。江南大学开发的高速经编机电子横移系统的控制原理和控制思想已经逐步与 国际接轨，但在系统可以适应的经编机最高机速上尚存在一定缺陷，需进一步的研究和 开发【6 】。 1 3 本课题的目的、任务与意义 随着自动化技术、控制技术的发展，经编机机电一体化也成为了时代必然的趋势。 在这种发展趋势下，已经出现了适用于经编机生产的电子送经机构、c a d 花型设计系 统和电子牵拉卷取机构，目前电子横移系统在国外虽然研究已趋于完善，但仍存在很大 不足，国内电子横移系统的研究更是处于起步阶段，对电子横移进行大力研究，促进经 编机的机电一体化势在必行。 且机械式梳栉横移机构虽然技术成熟，但其本身存在的很多缺点严重制约了经编机 的发展，主要表现在： ( 1 ) 翻改花型不方便 传统的链块式和花盘式梳栉横移机构更换花型相当繁琐，更换花型花费时间长，导 致企业效率低下。链块式梳栉横移机构更换花型时需将所有链块拆下重新按照新的花型 3 江南大学硕士学位论文 工艺排列链块，有时对于特殊工艺需要的链块有数万块，更换花型花费时间太长；花盘 式梳栉横移机构使用的花盘都是专业厂家以专业工具生产的，每次更换花型都需重新制 作花盘。 ( 2 ) 花型扩展空间小 以k s 3 高速经编机为例，其使用的链块式梳栉横移机构一般情况下只可以使用4 8 个链块，花型的设计大受限制，而花盘式梳栉横移机构由于其本身凸轮的限制，不能作 为较复杂花型的载体。如今，人们对花型的要求越来越高，传统的机械式横移机构已不 能满足需要。 ( 3 ) 生产成本高 为保证生产的顺利进行，工厂必须准备大量的链块或者花盘以便在需要更换花型时 使用，这就造成了大量的闲置资源，增加了企业的成本，不利于企业效益的增加。 ( 4 ) 不利于企业的数字化管理 经编机的发展，包括电子送经机构的产生，花型设计系统c a d 系统的出现都可满 足企业数字化管理的实现。但传统的机械横移机构的花型信息最终以链块的排列顺序实 现，过程繁琐，保密较差，不适合企业e r p 的实现。 所以，机械式梳栉横移机构在很多方面已经不再适应现代经编机和经编生产的要求， 也不符合经编业的发展要求了。需新的电子梳栉横移机构取而代之。 目前，国外经编企业已开发了多种适合不同机型的电子梳栉横移产品，但是其价格 十分昂贵，我国经编企业大多是中小型企业，引进国外电子梳栉横移产品对企业来说成 本太高。所以开发新的电子梳栉横移机构对于我国的经编业来说也是非常有意义的，而 且具有十分广阔的市场前景。 目前国内企业内带有电子横移系统的经编机都是购自国外，其余的经编机的横移机 构都是机械式梳栉横移机构，且很大一部分都是二手经编机。因此，消化吸收国外电子 横移系统，并研究出我们国家自己的电子横移系统，并将国内的二手机械式梳栉横移机 构进行改装是我们现在的主要目的。 本课题的目的在于通过研究电子横移动态响应特性和与之有关的种种因素，并通过 对这些因素的分析，使梳栉运动规律可以更好的实现，以提高现行电子横移系统可以适 应的高速经编机的最高速度，促进经编机的机电一体化。本课题的意义在于促进电子横 移系统的完善，促进国内高速经编机的自动化发展，推动经编产业升级，缩小与国外先 进技术的差距，同时有助于打破国外的技术垄断地位，有效降低该系统在国内市场的价 格：增强我国经编产品的国际竞争力1 1 7 1 。 4 第二章电子横移系统组成及原理 第二章电子横移系统组成及原理 随着自动化技术和交流伺服系统应用技术以及优良的机械执行机构的不断发展和成 熟，经编机的自动化路程也随之而来。以先进的数字式交流伺服系统控制技术为核心的 机电一体化的高速经编机电子横移系统也已问世并投入企业的生产。毋庸置疑，机电一 体化的经编机可达到的最高车速成为其能否迅速得到企业应用的关键因素。 结构决定特性，这是任何学科都遵循的真理，同样，对于高速经编机的电子横移特 性，其决定因素为电子横移系统的本身结构。因此认真分析并设计电子横移系统的控制 和机械结构是研究电子横移系统动态响应特性最起码也是最重要的一步。 电子横移系统的基本结构包括伺服控制系统和机械执行机构以及主轴信号装置和上 位机组成，交流伺服控制系统的作用在于按照一定的驱动方式使得系统中所选用的伺服 电机尽可能的以希望的运动规律进行运动，交流伺服控制系统在本系统中选用交流伺服 系统下的控制系统，采用旋转式电机作为驱动电机；机械执行机构的作用在于将旋转式 电机轴的圆周运动转化为直线运动从而驱动梳栉进行横移运动，实现直线运动的主要部 件为滚珠丝杠。主轴信号装置主要用来提供经编机主轴的位置信息和速度信息，在梳栉 需进行横移时提供信号。 2 1 控制系统设计 2 1 1 伺服系统选择 2 1 1 1 机电伺服系统概述 伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又称随动系统。在很 多情况下，伺服系统专指被控制量( 系统的输出量) 是机械位移或位移速度、加速度的 反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移( 或转角) 准确地跟踪输入的位移( 或转角) 。 伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。机电伺服系统是以 电动机作为动力驱动元件的伺服系统。电动机是将电能转换为机械能的元件，功率范围 宽，使用方便，容易控制，是应用最广的驱动元件。 机电伺服系统伴随着伺服电机的发展而发展，经历了三个发展阶段：第一个阶段以 步进电动机驱动的液态伺服电机为中心，伺服系统的控制为开环系统，第二个阶段以直 流电动机为驱动电机，伺服系统的控制为闭环或半闭环系统，第三个阶段以机电一体化 为时代背景，与之相适应的伺服驱动装置也经历了模拟式、数模混合式和全数字化式阶 段。 机电伺服系统包括直流伺服系统和交流伺服系统。自直流电动机出现以来，在对伺 服系统要求较高的场合一直占主导地位。但直流电动机系统存在一些固有的缺点，比如 换向器、电刷易磨损需经常维护，换向器会产生火花，限制了电动机的最高转速和过载 能力，不能直接应用在易燃易爆的环境中。交流电动机没有上述缺点和限制，而且转子 惯量小，动态响应性能较好。在同样的体积下，交流电动机的输出功率可比直流电动机 提高l o 7 0 。此外，随着交流电动机的发展，其电压和转速将会更高。 5 江南大学硕士学位论文 交流伺服系统的驱动元件同样有两种：永磁同步电动机和感应异步电动机。永磁武 同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和异步电动机相比，它不需 要无功励磁电流，效率和功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小， 转子参数可测，控制性能较异步电动机好。永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋 于成熟，系统的调速范围得到了拓宽，已经成为交流伺服系统的主流，永磁式同步电动 机交流系统已经向大功率，高功能和微型化发展。 控制技术的发展，特别是计算机的发展，使得数字式交流伺服系统得以出现并快速 发展，这种伺服系统调试和使用更加简单【g 】。 2 1 1 2 伺服系统选择 电子横移系统中由于梳栉运动的特殊性，导致电机必须能够实现运动停止运动 的高速起停过程，在运行过程中电机运动的高速性要求电机本身的性能要特别好，从上 文的分析中，永磁式同步电机更符合电子横移系统对电机的要求，且全数字式交流伺服 系统的种种优点更利于实现经编机的自动化。 综上所述，本论文采用永磁同步电机下的交流伺服系统作为电子横移系统的伺服系 统，由于旋转式电机比直线式电机的成本小，且运行过程中噪音较小，考虑到开发用成 本等因素，因此选择旋转式电机作为电机横移系统的动作驱动电机。 2 1 2 控制模式选择 2 1 2 1 伺服系统控制模式分类 电子横移系统因其独特性要求控制的精确性和快速响应性，在各种控制方式中只有 位置控制方式才可以达到是电机精确运动的目的，因此电子横移控制系统采用位置控制 方式，按照系统的构造和特点，大体可将伺服系统分为四种。 一、开环位置伺服系统 开环伺服系统中不包括位置反馈装置，其伺服系统只按照伺服驱动器发送的指令驱 动电机进行运动，但电机或者机械执行机构的位置移动并没有进行检测，因此这种伺服 系统的精度不能保证。其结构图如图2 1 图2 1 开环位置伺服系统 f i g2 - l 吣l pp o s i t i s e n ，os y s t 锄 二、全闭环位置控制系统 6 第二章电子横移系统组成及原理 全闭环位置控制系统中电机不仅按照驱动器的指令进行运动，而且在机械执行机构 中装有位置检测装置，可以检测机械执行机构的实际位移或者转角，因此可以保证系统 的精度。其机构图如图2 2 所示： 图2 2 全闭环位置伺服系统 f i 9 2 - 2c l o s e d1 0 0 pp o s i t i o ns e r v os y 毗m 三、半闭环位置控制系统 半闭环控制系统中存在着位置检测装置，但其位置检测装置只能检测到电机轴的实 际位移或者转角，而对于电机驱动的机械装置不能进行检测，因此，电机轴以后的机械 装置的位置或转角移动精度不能得到保证。其控制结构如图2 3 所示： 图2 3 半闭环位置伺服系统 f i g 2 - 3s e m i - c l o 辩d1 0 0 pp o s i t i o n r v os y s t e m 四、混合位置闭环控制系统 混合位置闭环控制系统中有全闭环和半闭环两种控制方式。半闭环主要进行控制作 用而全闭环只进行稳态误差补偿，两者结合的好处在于可以得到较精确的位置控制和较 快的响应速度。其控制结构如如图2 - 4 所示： 7 江南大学硕士学位论文 图2 4 混合闭环位置伺服系统 f i g2 _ 4h y b r i dc l o d - l pp o s i t i o ns e r v os y s t c m 2 1 2 2 电子横移系统控制方式 从上述几种控制方式的描述来看，基于电子横移系统的本身特点，开环的控制系统 并不适合，从理论上讲全闭环的控制方式更能保3 证位置的精确性，但考虑到采用全闭 环时，执行部件本身被包含在位置闭环中，伺服的电气自动控制部分和执行机构不再相 对独立，这将影响控制系统的稳定性，使得系统容易出现共振和低俗爬行，且全闭环控 制方式的使用必然要将机械执行机构的设计也需达到通用性，不利于降低成本【9 】。 而半闭环控制方式反馈环节中非线性因素少，容易整定，位置控制也较为精确，通 过比较，本文中的电子横移系统采用半闭环的位置控制方式。 2 1 3 电子横移系统控制系统设计 控制系统主要由控制回路和电机驱动回路组成。控制回路主要完成实时数据的采集 计算，程序的运行等任务，核心的部分为p l c 。电机驱动回路主要目的是按照p l c 的 计算驱动电机进行运动。图2 5 为控制系统组成： 2 1 3 1 控制回路 如图中的工控机、p l c 、主轴信号装置和电机编码器、外围电路和外部电源构成了 控制系统的控制回路。 主轴 一、工控机 图2 5 电子横移系统的控制回路 f i 9 2 5c o n 昀ll po f t l 坨e l e c 仃d f l i cl 印p i r 唱s y s t e i n 8 第二章电子梗移系统组成及原理 工控机主要实现人机交流的目的，其主要功能包括： ( 1 ) 作为人机界面，要采用可视化窗体式界面设计； ( 2 ) 实现各种输入操作，并进行实时监控： ( 3 ) 完成花型参数的文件读入或键盘输入、下传及校验； ( 4 ) 生产、产品数据管理功能； ( 5 ) 花型储存( 不含花型设计) 。 二、主轴信号装置 所谓主轴信号装置是指与经编机机器主轴一起转动、可以实时反映经编机主轴信息 的编码器，编码器将主轴的信息以脉冲的形式发送到伺服驱动器，当伺服驱动器接受到 一定的脉冲信号反映主轴到了须进行横移的位置时由伺服驱动器发送一定脉冲指令驱 动电机进行运动【l 们。 三、电机编码器 电机编码器可以将电机的实时位置和速度等参数转化为电信号并反馈给p l c ，使系 统构成半闭环回路，用以控制电机运动，使电机运动更为精确。 四、p l c p l c 又成可编程控制器，属于工业用计算机的一种。自身带有c p u 和存储器，主要 完成系统在运行是各个数据的监控，完成各控制量的计算，控制整个程序运行的过程， 在控制回路中居于核心地位【l 。 2 1 3 2 驱动回路 控制系统的驱动回路主要包括整流滤波电路，i p m 驱动电路以及保护电路。整流滤 波电路的主要目的是将输入的2 2 0 、r 交流电转变为3 1 0 v 左右的交流电供i p m 使用，i p m 完成伺服电机的驱动过程，控制回路中i p m 的接口与p l c 相连，当i p m 接收到p l c 发 送的驱动电机进行运动的信号时驱动电机进行运动，且当电路出现过压、过电过载等情 况时，p l c 会切断与i p m 的连接，强制电机停止转动以实现对电机的保护【1 2 1 。 2 2 电子横移系统的机械构成和原理 2 2 1 机械构成和原理 在电子横移系统中经编机的每把梳栉都要由相应的一个电机进行驱动，所有驱动梳 栉进行横移的电机与梳栉之间的所有机械传动机构和安装机构即构成了电子横移系统 机械执行机构部分。电子横移系统中为电机驱动梳栉进行横移的机械单元原理都一致， 因此下面以一把梳栉的机械组成阐述电子横移系统中机械结构的原理【l 3 1 。 电子横移系统的机械结构主要包括电机和滚珠丝杠的安装座、滚珠丝杠、联轴器、 拉绳以及梳栉顶杆等。所有的机械结构中滚珠丝杠为核心部件，其主要作用在于将电机 轴的圆周运动转化直线运动，联轴器用来连接电机轴和滚珠丝杆，拉绳和顶杆的两端分 别固定在滚珠丝杠和梳栉的一端。当电机轴运动时，带动联轴器一起运动，从而带动滚 珠丝杠运动输入端的运动，经过滚珠丝杠的转化，电机轴的圆周运动在滚珠丝杠的运动 输出端变为直线运动，经过顶杆和拉绳，这种运动间接传递给相应的梳栉从而驱动梳栉 进行横移。其结构图如图2 6 所示： 9 江南大学硕士学位论文 电机联轴器项杆梳栉 电机轴滚珠丝杠拉绳 图2 6 电子横移系统机械结构 f i g2 - 6m e c h a i l i c a ls h 咖o f 廿l ee l 州cl a p p i i l gs y s 锄n 2 2 2 机械机构误差分析 2 2 3 1 联轴器和电机轴的抱合的影响 联轴器用来连接电机轴和滚珠丝杠轴，使得滚珠丝杠轴可以紧密跟随电机轴的运动， 从而达到机械上的高速动态响应。 电机在带动滚珠丝杠进行运动时是进行的高频率的“停动停”的运动，具 有很高的速度和加速度，从而电机轴上会有非常大的瞬时转矩。高速度、高加速度和高 力矩要求联轴器与电机轴之间的抱合要牢固并且持续时间长。由于安装和加工精度的问 题，联轴器与电机轴之间会存有缝隙致使抱合不紧，在经编机进行高速运动时导致联轴 器和电机轴之间的运动不同步，最后导致梳栉的运动规律不能符合运行前设定的梳栉运 动规律曲线，反映在曲线上则是梳栉的实际运动曲线在设定的运动曲线上某个点会突然 波动继而整个曲线会滞后或着超前于设定的运动曲线，这样就会导致导纱针与织针的碰 撞【1 4 1 。 2 2 3 2 滚珠丝杠的加工精度的影响 滚珠丝杠是将电机的回转运动转化为直线运动的关键机械结构，滚珠丝杠的加工精 度对横移系统的精确度有重要的影响。滚珠丝杠通过刻在其轴前端的螺纹将轴的回转运 动转化为直线运动，如果螺纹与螺纹之间留有缝隙，将导致转化成的直线运动位移不准 确。螺纹与螺纹之间的缝隙比较小，往往不会立即出现机器的擦针现象，更多是表现为 机器在横移过很多距离后会有突然擦针。 2 3 3 3 顶杆的影响 如图2 7 ，途中a 点为滚珠丝杠末端运动输出点，e 点为顶杆另一端。在实际运动 过程中顶杆的运动包括摆动运动和横移运动，现假设电机的横移运动距离为零，而只进 行摆动运动，则顶杆a e 的运动轨迹是以a 点为圆心的一段圆弧b c ，可见当电机的横 移距离为零时顶杆的横移运动距离并非为零，其距离大小为a e 与a d 距离之间的差值。 从图中可知，a e 的大小为项杆的长度，线段b c 的长度接近顶杆摆动的摆幅h ，图 中角度。为项杆摆动相对的半顶角，其中 ，1 nu s i n0 = = 兰= 兰( 2 1 ) l o 第二章电子横移系统组成及原理 则顶杆因摆动而产生的横向位移为： e d = a e a d - l 一f j 丽 q 2 2 t a n la r c s i l l 二l l2 l j 以k s 4 高速经编机为例，梳栉的摆动动程大小为1 3 衄，顶杆的长度为5 4 0 i l ：吼， 将数据带入上述公示可得其偏移大小为0 0 5 4 i 砌，且由公式可以看出顶杆越短，偏差越 大f l 卯。 梳栉与项杆连接点摆动曲线 b 图2 7 顶杆跟随梳栉摆动示意图 f i g2 - 7 s k e t c hm 印o fp u s h 川s w i n g i n gm o v 锄e n t 2 3 3 4 电机运动轴与梳栉的平行度的影响 伺服电动机安装需要考虑电动机轴与梳栉安装的平行度，这将决定梳栉横移的位移 传递误差。以伺服驱动器驱动伺服电动机移动1 个针距进行说明，伺服电动机通过顶杆 的作用，将它的位移传递到梳栉的位移，如果电动机运动轴与梳栉不平行，梳栉横移的距离 将会多于或者少于一个针距。因此梳栉摆动到其整个摆幅的中心位置时，电动机轴、顶杆、 梳栉应在一条直线上，避免产生较大的误差，从而提高系统的横移精度【l 们。 2 3 3 5 共振的影响 共振是指一个物理系统在特定频率下，以最大振幅做振动的情形。经编机运转时不 可避免的会产生振动，当运转到特定的速度时，整个机器的振动频率会与机器的自由振 动频率相等，这时候机器在共振的影响下机器各机械部件的振动的振幅剧增，导致机械 部件之间的碰撞产生的形变也随之剧增，电子横移系统此时也不例外，梳栉在这种情况 江南大学硕士学位论文 下的运动规律远远偏离预先设定的运动规律，机器不能正常运转【l 7 1 。 以研究振动对机器产生的影响为目的通过试验测试了实验室一台k s 4 机型的振动和 噪声，对测试的数据进行分析，这台k s 4 机型的共振点发生在机器的运转速度在7 5 0 转分时，此时机器的振幅最大，在1 0 0 删m 左右，而经实践证明，当机器运转速度在7 5 0 转分时，电子横移系统此时有擦针现象，由此可以看出共振对于机器运行稳定性的影响， 而梳栉的横移运动曲线在这种情况下会出现很大偏差从而导致机器的擦针现象【l 引。 鉴于以上分析，在希望机器所能达到的速度点上面应该避免机器在这个速度点发生 共振，当出现这种情况时应对机器的结构或者质量进行改动，使整个机器的共振点发生 偏移，从而避免机器出现共振现象。 2 3 梳栉横移运动实现的过程描述 一般来讲，高速经编机有3 到4 把梳栉进行横移运动，每把梳栉都需要相应的一套 电机和驱动器进行控制。 电子横移系统运行之前需要有准备过程，首先在工控机中输入各梳栉的横移运行角 度，即梳栉需要进行横移时经编机主轴的角度，主轴的角度由主轴信号装置提供，以及 梳栉运动的组织工艺和梳栉运动时遵循运动规律。所有参数设置好后将数据存储进驱动 器的控制器单元即p l c 中，之后初始化程序。经编机开始运行后，当p l c 接受到梳栉 需要进行横移的信号时，按照事先输入的梳栉运行规律驱动相应电机进行运动，电机转 子上的编码器也会将电机的实时信息比如速度位置等反馈回p l c 实现系统的半闭环控 制，以精确地控制电机进行跟随运动。以上过程即为电子横移系统中梳栉横移运动实现 的全过程【1 9 】。 2 4 电子横移系统静态设计 控制系统的静态设计主要指电机型号的选择，电子横移系统中梳栉的运动是高速起 停的运动，在运动过程中梳栉的速度、加速度等参数不断变化，且速度和加速度值较大， 驱动梳栉进行运动的电机与梳栉的运动规律相似。电机的功率必须满足在这种高速运动 下的功率要求，否则系统的运行将会出现问 题。 为方便计算期间，将梳栉的运动过程简 化为横加速和横减速的过程，梳栉的速度和 时间曲线如图2 8 所示，梳栉速度从0 以恒 定加速度后以相同大小的加速度再减小到 0 ，完成整个横移运动。 对于交流电机来说，其功率为恒功率输 出，转矩与转速成反比关系。现假设电机功 率从输出至驱动梳栉进行运动的过程中没 有能量损耗，则电机的功率可通过梳栉的运 动计算得来。 假设经编机机号为2 8 ，机速为1 2 0 0 呻， 1 2 v 瓣 图2 8 梳栉速度时间曲线 f i g2 8v e l i t y m m ec u r v eo f g u i d e 陆 则主轴转一圈时间为o 0 5 s 。 第二章电子横移系统组成及原理 梳栉进行横移运动时可达到到最高速度： 圪。：笙 ( 2 3 ) 眦 一 式中：s 指梳栉横移距离，t 指梳栉横移运动的时间： 梳栉横移距离： s ：n 型( 2 4 ) 2 8 式中：n 为梳栉横移的针距数； 梳栉横移运动的时间： t ：l o 0 5( 2 5 ) 3 6 0 式中：e 为梳栉允许的横移角度； 因此梳栉横移一次时获得的能量： 一2 e = m v 眦2 = 4 m ( 2 6 ) t 式中：m 为梳栉的质量。 以卡尔迈耶的k s 4 机器为例，其梳栉的质量为1 2 k g 。设针前横移一针，允许横移 角度为5 0 度，根据上述公示，其横移距离s 为o 9 0 7 衄，横移时间为0 0 0 6 9 s ，带入式 中可得梳栉进行针前横移时获得的所有动能为8 3 焦耳。设针后横移五针，允许横移角 度为1 2 0 度，则其横移距离为4 5 3 5 i n m ，横移时间为0 0 1 7 s ，其获得的最大动能为3 4 焦耳。 按照梳栉针前横移的运动计算电机所需要功率： p ：旦( 2 7 ) 1 0 0 优 计算可得p 为1 2 千瓦，按照梳栉针后横移的运动计算电机所需要的功率以同样的