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高速精密数码卷绕解决方案

本文来自工控商务网：

本文介绍了高速精密数码卷绕方案市场前景、实现原理、技术手段和主要性能指标,并对各功能部件进行了描述。

　　 近些年，人们审美意识增强和生活水平提高，高档色织产品愈加受到人们喜爱。仅真丝绸，化纤丝、人造丝、混纺纱和棉纱等也可采用色丝织造，这就促使纱筒染色工艺色织行业获广泛应用。一般纱筒染色前需要将外购坯纱络成适合于筒子染色用“松式筒子”供下道工序用，松式精密络筒机需求日益增加。

国内现有松式络筒机整机结构一般采用单锭集中传动方式，通常包括卷绕、导纱、超喂等几种运动，采用机械齿轮和凸轮机构完成，针对各种纱线不同络筒工艺，设备调整比较困难；导纱机构采用是槽筒和旋转翼片，对一些高档纱线易产生损伤；同时采用是机械传动结构，卷绕速度不高。目前国外这种松式络筒机已经完全采用基于电子齿轮和电子凸轮全数码卷绕结构，即单锭独立传动；卷绕、横动导纱、纱线超喂、张力补偿均采用单独电机控制，各电机之间运动关系可参数设置进行描述，灵活应对各种特性纱线卷绕工艺需要；横动导纱采用是“导纱器”，即俗称“兔子头”，对纱线损伤很小，特别适用于高档色织纱线卷绕；另外各电机机械上没有直接传动连接，辅以高速精密运动控制软件算法，可以很方便实现高速精密交叉卷绕，络纱速度远大于机械式松式络筒机，大大提高了络纱效率。

　　 北京和利时电机技术有限公司和国内著名纺机集团合作，针对精密松式络筒机工艺特点，自身多年伺服和运动控制技术积累基础上，国内首次开发成功全面拥有自主知识产权高速精密松式络筒机电气控制方案。整个方案具有良好性能价格比，大大提升了国产松式络筒机自动化水平，主要技术指标达到了国外同类设备水平。

　　系统控制方案简介
　　 以单锭控制为例，系统控制方案原理如图一所示，横动电机轴连接一个钢丝轮，钢丝轮正反旋转驱动紧固钢丝上导纱器左右移动，实现纱线横动排线运动；卷绕电机直接驱动纱筒旋转，实现纱线卷绕运动，上述横动和卷绕两个运动合成后即表现为纱线以螺旋线形状来回卷绕纱筒表面。张力补偿电机和超喂电机则主要用于控制纱线卷绕过程中张力。

本方案中横动导纱电机采用了一台独特设计超小惯量伺服电机，卷绕和超喂电机采用也是专门设计定制高速无刷直流电机，张力电机采用了一台普通步进电机。图中“单锭控制驱动器”是和利时电机公司自有开发全数字永磁交流伺服驱动器基础上，嵌入了精密络筒机高速电子导纱运动控制算法、卷绕无刷电机速度控制和纱线张力控制策略专用型电机驱动控制系统。整个系统结构简单，功能齐全，键盘或通信方式调整“单锭控制驱动器”内部存储器参数可以方便设置纱线卷绕成形几何参数（满筒直径，收边幅度等），卷绕线速度，卷绕比，往复动程长度，纱筒硬边修整差动幅度、差动周期、差动凸轮曲线等各项工艺参数，同时具备RS232、RS485、CAN总线三种通信接口，可以很方便完成多锭联网控制，完全实现柔性化数码卷绕。主要技术参数列举如下：

　　可实现精密卷绕和数控分层卷绕两种功能； 
　　卷绕比控制范围2.000～12.000； 
　　横动伺服电机换向加速度高达8000r/s2，往复频率最大为800次/分钟，即每分钟1600次换向； 
　　横动伺服电机具备动程自动找零功能，无需外接零位传感器； 
　　内嵌有卷绕、超喂和张力补偿三个电机控制功能，可与变频器、直流无刷电机驱动器、步进电机驱动器方便接口，实现卷绕电机、超喂电机和张力补偿电机控制； 
　　具备空筒直径校准功能； 
　　多种实时参数显示，如实际线速度、纱筒直径、往复频率等； 
　　多种故障保护措施，如参数异常、电机超速、动程超差、硬件故障等； 
　　实时工作参数具备掉电保护功能，如卷绕长度、卷绕直径等；

横动伺服电机控制简介

　　 保证纱筒具备良好染色性能，需要从开始卷绕到满筒之间任何直径点上，筒子上纱线空间上成立体交叉，彼此都不平行，保证每层纱线没有重叠，就是说需要对纱筒卷绕比进行精密控制。所谓卷绕比，就是横动导纱钩每往复一次，纱筒卷绕圈数。交叉卷绕有传统槽筒卷绕（任意卷绕）、恒定卷绕比精密卷绕、数控分层卷绕三种形式，本方案主要实现了恒定卷绕比精密交叉卷绕和数控分层卷绕两种功能。

　　 实现精密交叉卷绕，“单锭控制驱动器”实时采集卷绕电机反馈编码器脉冲信号计算其实时速度，精密卷绕工艺要求，用独特数控算法出横动伺服电机速度给定指令，以保证横动伺服电机转速与卷绕电机转速卷绕比定义保持一定关系，让纱线以空间螺旋线形状往复绕纱筒上。精密控制卷绕比，往复卷绕纱线彼此交叉，不重叠，也就是说巧妙采用电子齿轮和电子凸轮取代机械齿轮和凸轮传动实现纱筒精密卷绕。

　　 实现精密卷绕高速性能，需要横动伺服电机做往复运动时，能够快速换向，这就要求伺服电机具备较高转矩惯量比，为此对横动伺服电机进行了独特优化设计，以保证电机转子惯量尽可能小。同时伺服驱动器电机控制算法高动态响应性方面也做了针对性设计，采用PID控制结合模糊控制算法，保证伺服电机速度不产生超调情况下，尽可能短时间内完成换向。

　　 横动电机换向时，多快，都会换向加减速造成有硬边现象出现，机械式络筒机硬边消除原理，“单锭控制驱动器”中嵌入了差动凸轮运动规律算法，周期性实时变换横动导纱器换向点，完成硬边消除功能。同时可以不同纱线特性，选择不同差动凸轮曲线，设置差动周期和幅度。

　　 采取差动电子凸轮算法消除硬边技术外，本方案还富有独创性实现了导纱器最小换向弧长控制算法，充分利用了DSP数字信号处理器高速运算能力，实时计算和修正横动导纱伺服电机与纱筒卷绕电机传动凸轮曲线规律，保证任何卷绕转速和卷绕直径状态下，导纱器换向弧长最小，最大限度消除卷绕纱筒硬边现象。

　　卷绕线速度控制简介
　　 理论上分析，纱筒卷绕线速度随纱筒卷绕半径变化而变化，而线速度变化直接引起卷绕张力波动，会影响纱筒成形质量和纱线机械物理性能。外层纱张力大于内层纱张力，就容易产生筒子外层纱挤压内层纱胀边现象；络纱过程中张力变化过大，也会容易造成纱线因络纱张力不同出现纱线拉伸率不同，这就要求络筒过程中尽量减小张力及压力波动。除保证恒定纱筒压力外，保证卷绕速度相对稳定是控制张力波动一项重要措施。

　　张力控制简介
　　 精密卷绕加工时纱线张力大小直接影响筒子卷绕松紧度，影响筒子绕纱容量和染色难易，并影响纱线加工断头率，各种精密卷绕络筒机都有纱线张力控制环节，特别是供筒子染色用纱线加工张力，不宜过大，以获松式卷筒，有利于染色。本方案采取措施保证相对恒定纱线卷绕线速度外，还另外设计有一个张力递减调节装置，采用一个步进电机控制张力调节杆。线速度升速过程中，调节步进电机转角状态，控制张力调节杆角度，改变纱线门栅夹持力度，以保证卷绕张力恒定；另外特殊纱筒“里紧外松”工艺要求，可以纱筒卷绕半径调节张力杆角度，保证卷绕纱筒小直径时卷绕张力大，大直径时卷绕张力小。

　　超喂电机控制简介
　　 精密卷绕过程中纱线线速度肯定大于纱筒退绕线速度，张力值也增大，而过大张力不到优质纱筒，会增加纱线断头，降低生产效率。，本方案采用了所谓“超喂”办法，即送出纱线速度大于卷取纱线速度，将纱线卷绕时筒子“硬拖”纱线状况改变成缓和卷取纱线状况，减少断头，获满意松式卷绕筒子。纱线超喂滚筒上环绕圈数取决于超喂量大小，一般超喂量控制值1．02～1．06（一圈情况下）之间。

　　结论
　　 精密络筒、络丝机器是纺织工艺中提高纺织品质量关键设备，高速精密数码卷绕方案成功掌握了纱线高速精密卷绕工艺中“KNOW HOW”，全部采用永磁电机驱动技术，机器能耗远远低于传统变频电机传动设备。同时采用了柔性化数码控制技术，非常适合于高档织物多品种、小批量纱筒生产，具有良好社会经济效益。和利时电机技术公司开发该创新解决方案涉及了电子控制，数字伺服电机和驱动、精密运动控制、和计算机网络通信等技术，是典型高技术机电一体化控制方案，也是采用数字控制技术改造传统产业典型案例。

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