貝加萊新一代伺服驅動器ACOPOS multi在國內首臺1512錠超長細紗機上的應用
上海二紡機股份有限公司 陸賀卿
摘要：
本文主要介紹了貝加萊新一代伺服驅動器ACOPOS multi在國內首臺全數控1512錠配集
體落紗超長細紗機上的應用。該機型羅拉部分采用了獨立的驅動技術，取消了所有的機械變換齒輪，通過伺服傳動取代傳統機械齒輪的復雜連接，前中后羅拉做到嚴格同步，實現牽伸倍數和捻度的精密控制，保證高支數紗線的成紗質量；其次通過取消鋼領板的機械凸輪機構，采用先進的伺服控制技術實現卷繞的電子成形技術，從而實現了機械結構的簡化、生產速度的提高、以及紗線支數和管紗成形的自動調節，使得機器更加具有柔性，全觸摸式的人機界面設定，能夠適應終端客戶對于紡紗工藝不斷變化的市場需求。
Abstract:
This article mainly introduces the application of B&R ACOPOS multi Servo Driving in the first homemade NC ring spinning frame, which has 1512 spindles and is equipped with integral doffing device. The rollers of such machine adopt the individual driving system and all mechanical change gears are canceled. Through replacing the conventional complex mechanical gears by servo driving, the front, middle and back rollers are synchronous strictly, the draft times and twists are precise and the quality of high-count yarn is good; in addition, through adopting the advanced servo control system instead of the mechanical cams of ring rail, it realizes the electric winding formation, simple mechanical structure, high production speed and auto-adjustment of yarn counts and cop building. The more flexible machine and the touch human-machine interface are suitable for the changeable marketing demands of end users.
關鍵詞：ACOPOS multi伺服驅動 羅拉分段傳動 電子凸輪 集體落紗
Key words: ACOPOS multi servo driving, roller sectional driving, electric cam,
integral doffing
1. 前言：
上海二紡機股份有限公司是專業從事紡織機械及紡織器材制造的大型企業之一，進入21世紀，上海及長三角飛速發展的經濟環境、金融環境、信息環境和環保環境，為上海二紡機的持續發展提供了絕好的機遇，同時也面臨著更大的挑戰。在考慮更具競爭力的產品以應對日益激烈的國際競爭，2007年底，我們啟動了EJM158JL型超長車細紗機帶集體落紗的產品開發計劃，設計國內首臺高達1512錠的超長車設備，這是一項卓越的挑戰。
2. 系統概述：
細紗超長車是一個面向未來的機器設計，不僅僅是因為它所要實現的高性能技術指標，并且對于人工、占地等投資也會有大量的節省，就未來實現細絡聯、粗細聯來說，自動化程度的提高對于未來機器的柔性整合至關重要。
EJM158JL型細紗機采用全數字化電氣控制系統，是集現場總線、PLC通訊控制、光機電一體化的配集體落紗裝置的新型紡機。該機的細紗錠數可達1512錠（標準常規細紗機為480錠/臺），為國內錠數之最，預計可為用戶節省15%的生產成本，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的人工落紗環節又可使棉紡廠萬錠用工人數減少25人左右。全機各傳動機構均采用單獨電機驅動，用電氣閉環控制代替機械齒輪傳動，使紡紗品種轉換過程全部由計算機完成，取消了所有機械變換機構，降低了機械材料和維護成本，提高了整機的產量和穩定性。全機采用了先進的電子凸輪技術代替了傳統的機械凸輪，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定各種變速曲線、工藝參數和集落定位，具有高效，節能，方便，精確的性能。
3. 控制系統方案簡介：
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：
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，尤其是高速中會產生微小的機械變形，這些微小的變形對于成型紗線的質量而言卻有著非常大的影響，為了解決這個問題，設計了分段獨立驅動的羅拉驅動方案，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動，多個軸之間不斷的通過編碼器與總線通訊實現高速的數據交換，以確保相互之間同步關系的捆綁，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，以保證高質量的實現紡紗的需求，保證了紗線生產的一致性。
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
同時，這樣設計的好處還在于：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、后牽伸倍數等數據由人機界面輸入即可，通過大量的數字化軟件編程的方法，由程序內已編寫好的紡紗曲線和數學公式在幾毫秒的時間周期內，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的設定
②鋼領板傳動采用電子凸輪技術
鋼領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，取代了原來復雜的機械齒輪及凸輪結構組件，以達到電子凸輪成形代替傳統的機械凸輪成形，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則的運動，并且同時實現對鋼領板傳動的準確跟蹤。
傳動分配 |
圖3：鋼領板升降傳動
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，以實現退繞時紗可從管頂抽出而管體不轉動，適應高速退繞的目的。
因此，在細紗的電子成形控制中，采用伺服系統控制鋼領板電子凸輪功能，根據前羅拉的出線速度和紗線的粗細度設定卷繞節距和成形高度，計算出紗線在管身和管底卷繞所須的鋼領板升降速度；通過編碼器發出信號反饋給伺服系統，實現細紗的電子成形。
圖4： 電子凸輪運動曲線圖
電子凸輪技術的應用使得紗線成型變得簡單，與傳統的機械凸輪機構相比，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，采用伺服驅動后，通過數學模型和經典凸輪成型公式的應用，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的設置，伺服自行運行不同的CAM曲線來實現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的設定
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：
傳動分配 |
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成，其作用是上位機依據用戶在人機界面內設定的控制十點曲線的速度，由變頻器控制錠子轉動的速度曲線，自動調整錠子運行，以提高紗線質量和產量。
圖7：十點曲線的長度與速度的設定
④位置型伺服控制集體落紗的升降
集體落紗功能的實現對于提高棉紡廠的勞動生產率，降低工人勞動強度，保證成紗品質，實現無人生產十分重要，因此集體落紗裝置的穩定性和可靠性在細紗機控制的設計中占有重要地位。
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成，集體落紗傳動數字通訊分為人字臂上升、下降、暫停和伺服復位四個功能，通過在上位機內設定的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，而留頭率則在98％以上，同時省去了空管紗的整理工作，并且節省了大量人工，這對于終端客戶來說意味著巨大的成本節省，也顯示了帶集體落紗設備的競爭力。
 傳動集落升降裝置 |
圖8：集體落紗升降傳動
整套控制方案的實現如下圖：
圖9：控制系統方案
4. 驅動器散熱問題的解決
雖然，自動化程度和獨立驅動很重要，但是，紡織機械行業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環境，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，甚至出現了散熱風扇堵轉的情況，這可能直接會導致驅動器的損壞，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動器的持續散熱得到保證，而本機中的ACOPOS multi驅動器采用大冷板穿墻式的安裝方式極好適應了這一特殊的環境需求，在實際的試驗中，驅動器的散熱得到了有力保證。
5. 降本、節能與降耗：
由于紡織機械是一個競爭非常激烈的領域，因此成本也必須考慮在內，一方面是整體的硬件投資成本，另一方面是系統的運行成本。全機伺服驅動器的逆變單元具有雙軸驅動能力，14個軸只需要7個逆變單元，這將大大的節省成本，同時整個驅動器部分采用了共直流母線技術，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寬廣的電壓適應范圍使得即使在電源不穩定的情況下，也能提供穩定的驅動電流輸出，確保了機器的可靠運行。
驅動器本身通過內部的節能設計，分別處于運行和制動狀態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掉。高功率因素設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省了運行中的能量，降低了能耗。
圖10：紡機展覽會樣機
6. 結束語：
隨著紡機設備技術進步和更新換代的速度越來越快，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的改造而言，不僅僅是減少了車頭和車尾的排列，節省了占地面積和對廠房的投資，更重要的在于質量的提升，和對客戶整體的生產效率的提高，由ACOPOS multi構成的分布式伺服驅動系統借助于POWERLINK的通信技術,將機器的整個生產過程及各工藝步驟完美的實現了同步，機器整體性能達到國內領先水平，這是一個非常具有競爭力的產品設計。
參考文獻：
《可編程計算機控制器技術》 電子工業出版社 2005.11 齊蓉，肖維榮
《運動控制系統》 機械工業出版社 陳伯時
《ACOPOS multi User's Manual》
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