0. 前言
很多漂亮的鞋子、婚紗、旅行包的面料都是采用經(jīng)編機(jī)編織出來的，還有玻璃纖維的高速公路隔離柵材料、游艇、沖浪板的材料、飛機(jī)的外殼、風(fēng)力發(fā)電的葉片、集裝箱、摩托車頭盔、甚至到潛艇、航空飛機(jī)很多領(lǐng)域都使用由經(jīng)編機(jī)編織的材料，經(jīng)編機(jī)的種類非常多，針對(duì)不同的工藝有拉舍爾和特里科兩種經(jīng)編機(jī)，又按照襯緯與否可分為帶襯緯的經(jīng)編機(jī)等等，有雙針床、單針床等。以下主要介紹采用B&R工控產(chǎn)品的高速特里科經(jīng)編機(jī)控制系統(tǒng)。
1.特里科經(jīng)編機(jī)工藝及對(duì)控制系統(tǒng)的要求
1.1 經(jīng)編機(jī)的構(gòu)成和工藝簡(jiǎn)介
經(jīng)編機(jī)的外觀如圖1所示，由送經(jīng)、成圈機(jī)構(gòu)、牽拉、卷取幾個(gè)單元構(gòu)成，經(jīng)線通過盤頭放卷為成圈機(jī)構(gòu)提供穩(wěn)定的送紗量，針床的成圈機(jī)構(gòu)通過退圈、墊紗、帶紗、閉口、套圈等一系列動(dòng)作完成對(duì)材料的編織，牽引單元將織好的材料隨著每個(gè)橫列的完成向前牽引，而卷取單元?jiǎng)t將完成的材料卷成整卷。
傳統(tǒng)的經(jīng)編機(jī)是通過機(jī)械的方式進(jìn)行連接，即渦輪蝸桿進(jìn)行傳動(dòng)的變化組合，而這些對(duì)于變化的需求來說就非常不靈活，而現(xiàn)代伺服技術(shù)提供了更靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。經(jīng)編機(jī)的送經(jīng)量控制是關(guān)鍵，對(duì)于在每個(gè)周期里沒有變化的送經(jīng)而言，采用變頻器即可，這種送經(jīng)單元稱為EBA。
而對(duì)于每個(gè)周期送經(jīng)量有最大64種變化的編織圖案設(shè)計(jì)而言，則送紗量要通過伺服進(jìn)行可靠的輸送，在主軸的每個(gè)旋轉(zhuǎn)周期里，按照經(jīng)編工藝的要求，送經(jīng)量的變化可能最大達(dá)到64種，伺服需要據(jù)此進(jìn)行速度的調(diào)整以適應(yīng)經(jīng)編工藝對(duì)送紗量的精確需求。另一個(gè)控制維度在于隨著送經(jīng)的變化盤頭的周長(zhǎng)不斷減小，需要不斷的加快盤頭角速度，以保證送經(jīng)量的穩(wěn)定輸出，這就是所謂的EBC單元，對(duì)于僅僅是簡(jiǎn)單的變化而言，EBA即可實(shí)現(xiàn)，但是，對(duì)于變化復(fù)雜的花樣而言，則EBC就非常的有必要了。
圖1 特里科經(jīng)編機(jī)的外觀
1.2 對(duì)控制系統(tǒng)的要求
（1）性能要求
客戶對(duì)這臺(tái)機(jī)器提出了3000RPM的設(shè)計(jì)目標(biāo)（針距E32，密度最小2C/cm），這是一臺(tái)真正意義的高速經(jīng)編機(jī)，目前國內(nèi)經(jīng)編機(jī)大多為主機(jī)轉(zhuǎn)速在800～1200RPM的速度，效率較低，并且多設(shè)計(jì)為固定的EBA系統(tǒng)，而該客戶設(shè)計(jì)的起點(diǎn)較高，設(shè)計(jì)為3000RPM的高速經(jīng)編機(jī)，這對(duì)機(jī)器的伺服系統(tǒng)的響應(yīng)能力提出了較高的要求，采用國際先進(jìn)的EBC設(shè)計(jì)使得對(duì)于控制算法的設(shè)計(jì)也提出了要求，最大支持64橫列（Courses）的送經(jīng)量變化，考慮到極端情況，運(yùn)行在3000RPM的機(jī)器對(duì)于64橫列變化送經(jīng)量的支持，需要控制系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)擁有非常高速的運(yùn)算和處理能力及通訊能力。
ACOPOS伺服驅(qū)動(dòng)器配合Ethernet POWERLINK實(shí)時(shí)以太網(wǎng)提供了最快400uS的數(shù)據(jù)刷新周期，因此，B&R的ACOPOS和EPL在方案交流階段即得到了認(rèn)可。
（2）功能要求
客戶除了對(duì)性能提出了嚴(yán)格的要求，對(duì)于功能設(shè)計(jì)也提出了很多要求，例如：EBC的設(shè)置算法設(shè)計(jì)、電子牽拉和電子卷?。ㄖ行木砣》绞剑?、打印機(jī)功能、遠(yuǎn)程監(jiān)控功能設(shè)計(jì)、掉電停車功能、人機(jī)操作的科學(xué)和實(shí)用性設(shè)計(jì)等。
2.系統(tǒng)配置
2.1伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)
配置了6個(gè)B&R高性能的ACOPOS伺服驅(qū)動(dòng)器，提供了送經(jīng)和卷繞的高速響應(yīng)能力。其中主軸運(yùn)行為異步伺服模式，ACOPOS驅(qū)動(dòng)器采用模塊化設(shè)計(jì)，在其插槽上插入外接編碼器模塊使得每個(gè)軸可以直接計(jì)算送經(jīng)羅拉的編碼器反饋值，并高速運(yùn)算。
2.2控制顯示
500MHz的處理器，128MB的SDRAM。B&R Power Panel 400系列不僅僅是一個(gè)人機(jī)界面，同時(shí)它也是一款高性能的CPU，支持高達(dá)200uS的循環(huán)周期，EBC的復(fù)雜算法與科學(xué)的人機(jī)設(shè)計(jì)均由其獨(dú)立完成。
2.3現(xiàn)場(chǎng)總線
Ethernet POWERLINK實(shí)時(shí)通信技術(shù)提供的高達(dá)400uS的實(shí)時(shí)通信刷新速率，100Mbps的傳輸速度，確保了整機(jī)控制的數(shù)據(jù)交換通暢。
該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3.系統(tǒng)功能及其實(shí)現(xiàn)
該系統(tǒng)的功能很多，包括電子送經(jīng)EBC單元設(shè)計(jì)、電子牽拉和電子卷?。ㄖ行木砣》绞剑MI操作功能、打印機(jī)功能、遠(yuǎn)程監(jiān)控功能、掉電停車功能、人機(jī)操作的科學(xué)和實(shí)用性設(shè)計(jì)等。其中某些功能具有一定的前瞻性，具體分為以下幾個(gè)單元：
3.1電子送經(jīng)EBC單元設(shè)計(jì)(Electric Beam Control)
圖3 EBC單元原理圖
EBC原理，如圖3中，測(cè)速羅拉（roller）能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量到盤頭的送經(jīng)速度及周長(zhǎng)變化，編碼器數(shù)據(jù)通過編碼器模塊反饋到控制器（PCC）中處理，X20的編碼器模塊X20DC1196支持高速的采樣。PCC綜合主軸編碼器位置變化、每橫列設(shè)定的送經(jīng)量和現(xiàn)時(shí)各送經(jīng)軸盤頭的周長(zhǎng)變化不斷地優(yōu)化計(jì)算出送經(jīng)軸的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。對(duì)于花色變化不大的編織而言，在主軸的一個(gè)循環(huán)周期里，送經(jīng)的變化并不頻繁，但是，當(dāng)花色需要在一個(gè)循環(huán)周期里提供16段、32段或者更多的橫移動(dòng)作的話，那么，在一個(gè)循環(huán)周期中不同段的送經(jīng)量的變化將會(huì)需要伺服電機(jī)不斷地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)參數(shù)調(diào)整來實(shí)現(xiàn)，這對(duì)伺服響應(yīng)能力提出了嚴(yán)格的要求。
工藝員根據(jù)花盤設(shè)定循環(huán)周期內(nèi)每段所需的送經(jīng)量，系統(tǒng)將實(shí)時(shí)根據(jù)當(dāng)前經(jīng)軸架的盤頭周長(zhǎng)變化來計(jì)算下一個(gè)循環(huán)周期里每段送經(jīng)量的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。采用B&R ACOPOS伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置的CyclicCom（循環(huán)讀寫）功能，PCC依據(jù)對(duì)主軸單圈絕對(duì)值編碼器位置的變化，將下一個(gè)橫列對(duì)應(yīng)的送經(jīng)量的運(yùn)動(dòng)參數(shù)寫入伺服控制器，這樣，伺服將會(huì)從一個(gè)橫列的送經(jīng)量平滑的切換到另一個(gè)橫列的送經(jīng)量。在每一個(gè)循環(huán)周期里，我們的系統(tǒng)預(yù)留了最多64個(gè)橫列送經(jīng)量的變化，而由于以上的巧妙設(shè)計(jì)及我們高性能的PCC和伺服系統(tǒng)提供的硬件保障，其實(shí)每一個(gè)送經(jīng)軸只使用了1個(gè)CAM狀態(tài)就實(shí)現(xiàn)了任意多個(gè)橫列作為一個(gè)循環(huán)周期的不同送經(jīng)量的高速無縫切換。
參考以上的敘述，EBC考慮的并非僅僅是橫列變化時(shí)所需的送經(jīng)量變化帶來的伺服運(yùn)動(dòng)參數(shù)的調(diào)整，還有一個(gè)維度即：盤頭的直徑是不斷減小的，這要求不斷的根據(jù)盤頭周長(zhǎng)的變化修正盤頭的角速度來保證每個(gè)循環(huán)周期的相應(yīng)橫列的送經(jīng)穩(wěn)定不變。
ACOPOS伺服驅(qū)動(dòng)器提供了多個(gè)編碼器接口的設(shè)計(jì)，因此，檢測(cè)速度可由X20分布式IO來提供反饋，也可以通過直接接入到伺服驅(qū)動(dòng)器的編碼器卡槽位上反饋，而且ACOPOS伺服驅(qū)動(dòng)器可以設(shè)置為變頻模式支持異步電機(jī)，它即保證了很好的調(diào)速特性也能夠降低成本，并且ACOPOS與其它軸之間的總線通信保證了軸與軸之間的實(shí)時(shí)性。
3.2電子卷取單元（EWA）
圖4 電子卷取單元示意圖
如圖4所示，卷取采用中心收卷方式，并非想象的那么簡(jiǎn)單，因?yàn)?，要保證材料的收卷均勻可靠，必須依賴于與主軸的同步，以及在不同階段的力矩變化控制。在啟始、加速、減速時(shí)，由于橫列的花樣變化帶來的位置變化都將被考慮在其中，因此，卷取軸與牽拉軸同步并且在不斷進(jìn)行力矩輸出控制計(jì)算。
接近開關(guān)兩次觸發(fā)間的計(jì)時(shí)與電機(jī)的速度相乘得到已走過的距離，與設(shè)定的最大距離相除即得到百分比，再以最大扭矩與最小扭矩線性化成100%的區(qū)間，在每個(gè)區(qū)間里伺服提供可靠的力矩輸出來獲得對(duì)卷取的穩(wěn)定控制，事實(shí)上，它是用交流伺服來模擬出直流伺服電機(jī)所需的良好線性機(jī)械特性曲線，要對(duì)卷取材料的在卷取過程中的縮放進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)，使得更加穩(wěn)定而柔和的實(shí)現(xiàn)卷取。
3.3 HMI操作設(shè)計(jì)
如圖5所示，將整個(gè)屏設(shè)計(jì)為三個(gè)部分，最上面的日常狀態(tài)顯示，它可以顯示客戶公司的LOGO、批號(hào)、時(shí)間和畫面的頁面名稱，在中間部分顯示狀態(tài)頁、參數(shù)設(shè)置頁內(nèi)容，底部區(qū)域設(shè)計(jì)為頁面切換的鍵，采用了Windows風(fēng)格的操作圖標(biāo)。
