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1.前言
上海二紡機(jī)股份有限公司是專業(yè)從事紡織機(jī)械及紡織器材制造的大型企業(yè)之一，進(jìn)入21世紀(jì)，上海及長三角飛速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)環(huán)境、金融環(huán)境、信息環(huán)境和環(huán)保環(huán)境，為上海二紡機(jī)的持續(xù)發(fā)展提供了絕好的機(jī)遇，同時也面臨著更大的挑戰(zhàn)。在考慮更具競爭力的產(chǎn)品以應(yīng)對日益激烈的國際競爭，2007年底，啟動了EJM158JL型超長車細(xì)紗機(jī)帶集體落紗的產(chǎn)品開發(fā)計劃，設(shè)計國內(nèi)首臺高達(dá)1512錠的超長車設(shè)備，這是一項富有挑戰(zhàn)性的工作。

2.系統(tǒng)概述
細(xì)紗超長車是一個面向未來的機(jī)器設(shè)計，不僅僅是因為它所要實現(xiàn)的高性能技術(shù)指標(biāo)，并且對于人工、占地等投資也會有大量的節(jié)省，就未來實現(xiàn)細(xì)絡(luò)聯(lián)、粗細(xì)聯(lián)來說，自動化程度的提高對于未來機(jī)器的柔性整合至關(guān)重要。

EJM158JL型細(xì)紗機(jī)采用全數(shù)字化電氣控制系統(tǒng)，是集現(xiàn)場總線、PLC通訊控制、光機(jī)電一體化的配集體落紗裝置的新型紡機(jī)。該機(jī)的細(xì)紗錠數(shù)可達(dá)1512錠（標(biāo)準(zhǔn)常規(guī)細(xì)紗機(jī)為480錠/臺），為國內(nèi)錠數(shù)之最，預(yù)計可為用戶節(jié)省15%的生產(chǎn)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(tǒng)的人工落紗環(huán)節(jié)又可使棉紡廠萬錠用工人數(shù)減少25人左右。全機(jī)各傳動機(jī)構(gòu)均采用單獨(dú)電機(jī)驅(qū)動，用電氣閉環(huán)控制代替機(jī)械齒輪傳動，使紡紗品種轉(zhuǎn)換過程全部由計算機(jī)完成，取消了所有機(jī)械變換機(jī)構(gòu)，降低了機(jī)械材料和維護(hù)成本，提高了整機(jī)的產(chǎn)量和穩(wěn)定性。全機(jī)采用了先進(jìn)的電子凸輪技術(shù)代替了傳統(tǒng)的機(jī)械凸輪，運(yùn)用先進(jìn)的位置型伺服與電機(jī)來自動定位，人性化的操作界面可使用戶自行設(shè)定各種變速曲線、工藝參數(shù)和集落定位，具有高效，節(jié)能，方便，精確的性能。

3.控制系統(tǒng)方案簡介
整套控制部分由上位機(jī)、人機(jī)界面、變頻控制器、專用伺服控制器、同步電機(jī)、伺服電機(jī)、Powerlink高速通訊總線等組成，主要控制如下四部分：

3.1  羅拉分段獨(dú)立傳動
分別由ACOPOS multi伺服控制器控制12個羅拉同步電機(jī)傳動前中后中間分段的12根羅拉，取消傳統(tǒng)意義上的由主軸帶動，再通過車頭機(jī)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(yùn)行過程中，尤其是高速中會產(chǎn)生微小的機(jī)械變形，這些微小的變形對于成型紗線的質(zhì)量而言卻有著非常大的影響，為了解決這個問題，設(shè)計了分段獨(dú)立驅(qū)動的羅拉驅(qū)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(jī)單獨(dú)驅(qū)動，多個軸之間不斷的通過編碼器與總線通訊實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)交換，以確保相互之間同步關(guān)系的捆綁，在解決機(jī)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(zhì)量的實現(xiàn)紡紗的需求，保證了紗線生產(chǎn)的一致性。

圖1  羅拉分段傳動

同時，這樣設(shè)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(dá)到的捻度和總牽伸倍數(shù)、后牽伸倍數(shù)等數(shù)據(jù)由人機(jī)界面輸入即可，通過大量的數(shù)字化軟件編程的方法，由程序內(nèi)已編寫好的紡紗曲線和數(shù)學(xué)公式在幾毫秒的時間周期內(nèi)，時刻控制和修正紗線的牽伸及捻度，以達(dá)到不再需要進(jìn)行繁瑣的更換機(jī)械齒輪來變換紗線工藝的目的，達(dá)到機(jī)械上永不磨損，同時還節(jié)省了更換機(jī)械組件所耗費(fèi)的時間。如下圖2

圖2  工藝變換及牽伸倍數(shù)的設(shè)定

3.2  鋼領(lǐng)板傳動采用電子凸輪技術(shù)
鋼領(lǐng)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(jī)，取代了原來復(fù)雜的機(jī)械齒輪及凸輪結(jié)構(gòu)組件，以達(dá)到電子凸輪成形代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)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(jī)對其拖動的元件進(jìn)行類似于機(jī)械組件一樣的不規(guī)則的運(yùn)動，并且同時實現(xiàn)對鋼領(lǐng)板傳動的準(zhǔn)確跟蹤。 

圖3  鋼領(lǐng)板升降傳動

細(xì)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(xiàn)退繞時紗可從管頂抽出而管體不轉(zhuǎn)動，適應(yīng)高速退繞的目的。
因此，在細(xì)紗的電子成形控制中，采用伺服系統(tǒng)控制鋼領(lǐng)板電子凸輪功能，根據(jù)前羅拉的出線速度和紗線的粗細(xì)度設(shè)定卷繞節(jié)距和成形高度，計算出紗線在管身和管底卷繞所須的鋼領(lǐng)板升降速度；通過編碼器發(fā)出信號反饋給伺服系統(tǒng)，實現(xiàn)細(xì)紗的電子成形。

圖4  電子凸輪運(yùn)動曲線圖

電子凸輪技術(shù)的應(yīng)用使得紗線成型變得簡單，與傳統(tǒng)的機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)相比，它消除了機(jī)械磨損所帶來的機(jī)器維護(hù)成本的上升，并且，最重要的是，采用伺服驅(qū)動后，通過數(shù)學(xué)模型和經(jīng)典凸輪成型公式的應(yīng)用，整個成型工藝變得更加靈活，它無需對機(jī)械組件進(jìn)行重新的變化，而僅僅只需通過積升參數(shù)的設(shè)置，伺服自行運(yùn)行不同的CAM曲線來實現(xiàn)不同紡紗過程對于傳動的要求，以達(dá)到更好的成型效果。

圖5  電子凸輪級升與動程參數(shù)的設(shè)定

3.3  主電機(jī)控制錠子傳動
錠子部分由主電機(jī)帶動主軸傳動，如下圖：

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(jī)構(gòu)成，其作用是上位機(jī)依據(jù)用戶在人機(jī)界面內(nèi)設(shè)定的控制十點(diǎn)曲線的速度，由變頻器控制錠子轉(zhuǎn)動的速度曲線，自動調(diào)整錠子運(yùn)行，以提高紗線質(zhì)量和產(chǎn)量。

圖7  十點(diǎn)曲線的長度與速度的設(shè)定

3.4  位置型伺服控制集體落紗的升降
集體落紗功能的實現(xiàn)對于提高棉紡廠的勞動生產(chǎn)率，降低工人勞動強(qiáng)度，保證成紗品質(zhì)，實現(xiàn)無人生產(chǎn)十分重要，因此集體落紗裝置的穩(wěn)定性和可靠性在細(xì)紗機(jī)控制的設(shè)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(jī)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(jī)構(gòu)成，集體落紗傳動數(shù)字通訊分為人字臂上升、下降、暫停和伺服復(fù)位四個功能，通過在上位機(jī)內(nèi)設(shè)定的13個集落位置脈沖來達(dá)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(nèi)，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(jié)省了大量人工，這對于終端客戶來說意味著巨大的成本節(jié)省，也顯示了帶集體落紗設(shè)備的競爭力。

圖8  集體落紗升降傳動

整套控制方案的實現(xiàn)如下圖：

圖9  控制系統(tǒng)方案

4.驅(qū)動器散熱問題的解決
雖然，自動化程度和獨(dú)立驅(qū)動很重要，但是，紡織機(jī)械行業(yè)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(chǎn)環(huán)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(xiàn)了散熱風(fēng)扇堵轉(zhuǎn)的情況，這可能直接會導(dǎo)致驅(qū)動器的損壞，因此，通常這些機(jī)器都要求散熱裝置安裝于機(jī)柜的外面，以便整個電氣柜的密封性和驅(qū)動器的持續(xù)散熱得到保證，而本機(jī)中的ACOPOS multi驅(qū)動器采用大冷板穿墻式的安裝方式極好適應(yīng)了這一特殊的環(huán)境需求，在實際的試驗中，驅(qū)動器的散熱得到了有力保證。

5.節(jié)能降耗與降低成本
由于紡織機(jī)械是一個競爭非常激烈的領(lǐng)域，因此成本也必須考慮在內(nèi)，一方面是整體的硬件投資成本，另一方面是系統(tǒng)的運(yùn)行成本。全機(jī)伺服驅(qū)動器的逆變單元具有雙軸驅(qū)動能力，14個軸只需要7個逆變