贝加莱新一代伺服驱动器ACOPOSmulti在国内首台1512锭超长细纱机

［编辑简介］：本文主要介绍了贝加莱新一代伺服驱动器ACOPOS multi在国内首台全数控1512锭配集体落纱超长细纱机上的应用。该机型罗拉部分采用了独立的驱动技术，取消了所有的机械变换齿轮，通过伺服传动取代传统机械齿轮的复杂连接，并通过取消钢领板的机械凸轮机构，采用先进的伺服控制技术实现卷绕的电子成形技术。文章详细描述了控制方案的组成及各功能的实现过程。［摘要］：本文主要介绍了贝加莱新一代伺服驱动器ACOPOS multi在国内首台全数控1512锭配集体落纱超长细纱机上的应用。该机型罗拉部分采用了独立的驱动技术，取消了所有的机械变换齿轮，通过伺服传动取代传统机械齿轮的复杂连接，前中后罗拉做到严格同步，实现牵伸倍数和捻度的精密控制，保证高支数纱线的成纱质量；其次通过取消钢领板的机械凸轮机构，采用先进的伺服控制技术实现卷绕的电子成形技术，从而实现了机械结构的简化、生产速度的提高、以及纱线支数和管纱成形的自动调节，使得机器更加具有柔性，全触摸式的人机界面设定，能够适应终端客户对于纺纱工艺不断变化的市场需求。［关键词］：ACOPOS multi伺服驱动 罗拉分段传动 电子凸轮 集体落纱
  
  1.前言
上海二纺机股份有限公司是专业从事纺织机械及纺织器材制造的大型企业之一，进入21世纪，上海及长三角飞速发展的经济环境、金融环境、信息环境和环保环境，为上海二纺机的持续发展提供了绝好的机遇，同时也面临着更大的挑战。在考虑更具竞争力的产品以应对日益激烈的国际竞争，2007年底，启动了EJM158JL型超长车细纱机带集体落纱的产品开发计划，设计国内首台高达1512锭的超长车设备，这是一项富有挑战性的工作。
  2.系统概述
细纱超长车是一个面向未来的机器设计，不仅仅是因为它所要实现的高性能技术指标，并且对于人工、占地等投资也会有大量的节省，就未来实现细络联、粗细联来说，自动化程度的提高对于未来机器的柔性整合至关重要。
  
EJM158JL型细纱机采用全数字化电气控制系统，是集现场总线、PLC通讯控制、光机电一体化的配集体落纱装置的新型纺机。该机的细纱锭数可达1512锭（标准常规细纱机为480锭/台），为国内锭数之最，预计可为用户节省15%的生产成本，减少20%的占地面积。同时全自动化的集体落纱装置取消了传统的人工落纱环节又可使棉纺厂万锭用工人数减少25人左右。全机各传动机构均采用单独电机驱动，用电气闭环控制代替机械齿轮传动，使纺纱品种转换过程全部由计算机完成，取消了所有机械变换机构，降低了机械材料和维护成本，提高了整机的产量和稳定性。全机采用了先进的电子凸轮技术代替了传统的机械凸轮，运用先进的位置型伺服与电机来自动定位，人性化的操作界面可使用户自行设定各种变速曲线、工艺参数和集落定位，具有高效，节能，方便，精确的性能。
  3.控制系统方案简介
整套控制部分由上位机、人机界面、变频控制器、专用伺服控制器、同步电机、伺服电机、Powerlink高速通讯总线等组成，主要控制如下四部分：
  
3.1  罗拉分段独立传动
分别由ACOPOS multi伺服控制器控制12个罗拉同步电机传动前中后中间分段的12根罗拉，取消传统意义上的由主轴带动，再通过车头机械齿轮变换来带动罗拉传动的方法。
对于超长车而言，前、中、后罗拉在运行过程中，尤其是高速中会产生微小的机械变形，这些微小的变形对于成型纱线的质量而言却有着非常大的影响，为了解决这个问题，设计了分段独立驱动的罗拉驱动方案，即前后车头与车尾的罗拉在中间断开，分别由车头与车尾的同步罗拉电机单独驱动，多个轴之间不断的通过编码器与总线通讯实现高速的数据交换，以确保相互之间同步关系的捆绑，在解决机械变形的同时，有效的解决了罗拉分段之后高精度的同步传动，即使在突然断电的时候，各个轴之间依然能够保持同步降速停止，以保证高质量的实现纺纱的需求，保证了纱线生产的一致性。
  
  图1  罗拉分段传动
   
  同时，这样设计的好处还在于：用户在变换工艺时，只需将各罗拉的直径，成纱需要达到的捻度和总牵伸倍数、后牵伸倍数等数据由人机界面输入即可，通过大量的数字化软件编程的方法，由程序内已编写好的纺纱曲线和数学公式在几毫秒的时间周期内，时刻控制和修正纱线的牵伸及捻度，以达到不再需要进行繁琐的更换机械齿轮来变换纱线工艺的目的，达到机械上永不磨损，同时还节省了更换机械组件所耗费的时间。如下图2
  

  
  图2  工艺变换及牵伸倍数的设定
   
  3.2  钢领板传动采用电子凸轮技术
钢领板级升采用具有电子凸轮功能的凸轮型伺服控制器及伺服电机，取代了原来复杂的机械齿轮及凸轮结构组件，以达到电子凸轮成形代替传统的机械凸轮成形，其原理为通过用软件编程的方法控制伺服电机对其拖动的元件进行类似于机械组件一样的不规则的运动，并且同时实现对钢领板传动的准确跟踪。  

  
  图3  钢领板升降传动
   
  细纱的管纱分管顶、管身和管底三个部分，卷绕形式采用圆锥形交叉卷绕形式(又称短动程升降卷绕)，同一层纱各处的卷绕直径不同，以实现退绕时纱可从管顶抽出而管体不转动，适应高速退绕的目的。
因此，在细纱的电子成形控制中，采用伺服系统控制钢领板电子凸轮功能，根据前罗拉的出线速度和纱线的粗细度设定卷绕节距和成形高度，计算出纱线在管身和管底卷绕所须的钢领板升降速度；通过编码器发出信号反馈给伺服系统，实现细纱的电子成形。
  

  
  图4  电子凸轮运动曲线图
   
  电子凸轮技术的应用使得纱线成型变得简单，与传统的机械凸轮机构相比，它消除了机械磨损所带来的机器维护成本的上升，并且，最重要的是，采用伺服驱动后，通过数学模型和经典凸轮成型公式的应用，整个成型工艺变得更加灵活，它无需对机械组件进行重新的变化，而仅仅只需通过积升参数的设置，伺服自行运行不同的CAM曲线来实现不同纺纱过程对于传动的要求，以达到更好的成型效果。
  


  
  图5  电子凸轮级升与动程参数的设定

  3.3  主电机控制锭子传动
锭子部分由主电机带动主轴传动，如下图：
  
  图6  锭子由主轴传动

  该部分由主变频器、锭子传动部分和主电机构成，其作用是上位机依据用户在人机界面内设定的控制十点曲线的速度，由变频器控制锭子转动的速度曲线，自动调整锭子运行，以提高纱线质量和产量。
  
  图7  十点曲线的长度与速度的设定
   
  3.4  位置型伺服控制集体落纱的升降
集体落纱功能的实现对于提高棉纺厂的劳动生产率，降低工人劳动强度，保证成纱品质，实现无人生产十分重要，因此集体落纱装置的稳定性和可靠性在细纱机控制的设计中占有重要地位。
集体落纱部分由位置型伺服控制器和伺服电机采用脉冲精确定位的方式控制。该部分由伺服控制器、升降传动部分和集落电机构成，集体落纱传动数字通讯分为人字臂上升、下降、暂停和伺服复位四个功能，通过在上位机内设定的13个集落位置脉冲来达到自动插拔管的精确定位，落纱时间被缩短到小于3分钟，整个1512锭的走管时间则控制在55分钟以内，而留头率则在98％以上，同时省去了空管纱的整理工作，并且节省了大量人工，这对于终端客户来说意味着巨大的成本节省，也显示了带集体落纱设备的竞争力。
  

  
  图8  集体落纱升降传动

  
整套控制方案的实现如下图：
  
  图9  控制系统方案
   
  4.驱动器散热问题的解决
虽然，自动化程度和独立驱动很重要，但是，纺织机械行业有很多特殊的要求必须首先被考虑，例如：散热方式，因为纺织厂高温高湿的生产环境，造成了毛纱及漂浮物会累积到电气柜子里，对柜子的散热性造成了很大的影响，甚至出现了散热风扇堵转的情况，这可能直接会导致驱动器的损坏，因此，通常这些机器都要求散热装置安装于机柜的外面，以便整个电气柜的密封性和驱动器的持续散热得到保证，而本机中的ACOPOS multi驱动器采用大冷板穿墙式的安装方式极好适应了这一特殊的环境需求，在实际的试验中，驱动器的散热得到了有力保证。
   
  5.节能降耗与降低成本
由于纺织机械是一个竞争非常激烈的领域，因此成本也必须考虑在内，一方面是整体的硬件投资成本，另一方面是系统的运行成本。全机伺服驱动器的逆变单元具有双轴驱动能力，14个轴只需要7个逆变单元，这将大大的节省成本，同时整个驱动器部分采用了共直流母线技术，每个逆变单元无需再增加DC模块的成本,从而使得整体的价格得到下降，而且共直流母线有较大范围的电源支持能力，从230VAC～480VAC宽广的电压适应范围使得即使在电源不稳定的情况下，也能提供稳定的驱动电流输出，确保了机器的可靠运行。
驱动器本身通过内部的节能设计，分别处于运行和制动状态的电机相互之间进行了很好的能量平衡，直流母线将那些制动的电能进行了重新的分配，而不是通过热能的形式散发掉。高功率因素设计也保障了能量被充分的利用，这在一定程度上也大大的节省了运行中的能量，降低了能耗。
  
  图10  纺机展览会样机
   

  6. 结束语
随着纺机设备技术进步和更新换代的速度越来越快，超长细纱机作为一款面向未来的机型，对于新增的投资或者技术的改造而言，不仅仅是减少了车头和车尾的排列，节省了占地面积和对厂房的投资，更重要的在于质量的提升，和对客户整体的生产效率的提高，由ACOPOS multi构成的分布式伺服驱动系统借助于POWERLINK的通信技术,将机器的整个生产过程及各工艺步骤完美的实现了同步，机器整体性能达到国内领先水平，这是一个非常具有竞争力的产品设计。
  参考文献
[1]  齐蓉，肖维荣.《可编程计算机控制器技术》. 电子工业出版社,2005.11 .
[2]  陈伯时.《运动控制系统》. 机械工业出版社.
[3] 《ACOPOS multi User's Manual》.
作者简介
陆贺卿  男，上海二纺机股份有限公司电气设计部主任。