徐久益，惠 晶，傅錫林，秦柔康

(1.江南大學(xué) 輕工過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122；2.無(wú)錫市貓頭鷹紡織器材有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000)

?

?生產(chǎn)實(shí)踐

改進(jìn)型兩軸獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的磨針機(jī)放料控制系統(tǒng)

徐久益1，惠 晶1，傅錫林2，秦柔康2

(1.江南大學(xué) 輕工過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122；2.無(wú)錫市貓頭鷹紡織器材有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000)

為克服傳統(tǒng)彈性針布磨針機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作效率低、靈活性和適應(yīng)性差等缺點(diǎn)，介紹一種錫林軸與料輥軸無(wú)機(jī)械耦合的新型結(jié)構(gòu)與控制模式。改進(jìn)后的磨針機(jī)采用PLC作主控制器，變頻器和異步電機(jī)組成傳動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)機(jī)械解耦和同步驅(qū)動(dòng)保證兩軸的獨(dú)立協(xié)同運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了工藝參數(shù)的柔性化調(diào)整。改進(jìn)型系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果證明：改進(jìn)后磨針機(jī)工作效率高，錫林轉(zhuǎn)速由原來(lái)的4.60 r/min提高到6.08 r/min；控制精度高，間距誤差不大于0.1 mm；適應(yīng)性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)彈性針布規(guī)格變化下的柔性調(diào)整與控制；穩(wěn)定可靠、維護(hù)量小、操作簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)。

磨針機(jī)；放料控制；彈性針布；機(jī)械解耦；兩軸獨(dú)立驅(qū)動(dòng)；柔性

0 引言

紡織器材制造業(yè)是保障并提高紡織工業(yè)的基礎(chǔ)工業(yè)，紡織器材制造裝備水平直接影響紡織產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，在制造業(yè)勞動(dòng)力成本飛升的背景下，對(duì)有效提高紡織行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力作用重大[1]。針布是梳理機(jī)的心臟，對(duì)紡紗生產(chǎn)起關(guān)鍵性作用[2]。在彈性針布的制造工藝流程中，一般需要經(jīng)過(guò)配料、植針、磨針、切條、淬火、刷光、整檢、制夾(尾夾)、上夾、檢驗(yàn)包裝等多道加工工序。其中磨針工序是決定彈性針布質(zhì)量指標(biāo)的最重要工序。以前的磨針工序需要經(jīng)過(guò)“放料—磨針—停機(jī)—測(cè)量—再磨針—收料”的試探性經(jīng)驗(yàn)加工方法[3]，放料裝置依靠錫林主軸機(jī)械傳動(dòng)把彈性針布均勻整齊、松緊適度地包裹在錫林滾筒上面，然后錫林主軸帶動(dòng)導(dǎo)軌上的磨頭往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)彈性針布進(jìn)行磨礪。

目前，國(guó)內(nèi)使用的磨針機(jī)錫林主軸多采用力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，放料輥軸與錫林主軸通過(guò)齒輪箱、鏈條等機(jī)械鏈接傳動(dòng)，在保持放料線速度與錫林滾筒線速度一致的同時(shí)，放料裝置通過(guò)其內(nèi)部的齒輪作用在放料導(dǎo)軌上按一定的速度移動(dòng)。由于針布的規(guī)格品種繁多，每次改變放料針布的品種規(guī)格都要重新調(diào)整齒輪傳動(dòng)比參數(shù)，甚至更換齒輪箱等機(jī)械零件，且存在機(jī)械磨損、維護(hù)量大、噪聲大等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的進(jìn)一步提高，傳統(tǒng)磨針機(jī)已無(wú)法滿足生產(chǎn)工藝要求，僅用一套放料機(jī)構(gòu)無(wú)法同時(shí)滿足對(duì)不同寬度針布的放料需要[4]。

1 磨針機(jī)放料和導(dǎo)軌系統(tǒng)控制原理

1.1 放料系統(tǒng)控制原理

針對(duì)傳統(tǒng)磨針機(jī)存在的缺點(diǎn)，筆者介紹一種兩軸獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的磨針機(jī)放料控制裝置。利用FX2N-80MR型可編程序控制器和變頻器組成的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)，將錫林主軸與料輥軸的傳動(dòng)機(jī)械解耦，兩個(gè)傳動(dòng)軸分別由兩臺(tái)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，通過(guò)軟件編程和數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)錫林主軸與料輥軸的柔性連接。

彈性針布磨針機(jī)控制系統(tǒng)分為放料部分、錫林滾筒控制部分、上下導(dǎo)軌部分和磨頭控制部分。在磨針工序，磨針機(jī)首先需要操作放料步驟，放料就是把彈性針布均勻張緊地包裹在錫林滾筒上，便于后道磨礪針布，放料操作的效果直接影響針布磨礪的精度，決定產(chǎn)品的質(zhì)量等級(jí)。

傳統(tǒng)放料裝置如圖1所示，放料前先合上連接錫林主軸與傳動(dòng)鏈條的齒輪箱，放料選擇低速開(kāi)啟錫林電機(jī)，放料輥軸與錫林電機(jī)通過(guò)鏈輪、鏈條傳動(dòng)，保持放料線速度與錫林滾筒線速度一致的同時(shí)，放料裝置通過(guò)其內(nèi)部的齒輪作用在放料導(dǎo)軌上按一定的速度移動(dòng)；當(dāng)錫林滾筒旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，放料裝置在導(dǎo)軌上移動(dòng)一條針布寬度的距離；為避免放料重疊，間距應(yīng)保持一致；放料完成后及時(shí)停錫林電機(jī)，把連接錫林滾筒與料輥軸的齒輪箱移開(kāi)以避免發(fā)生誤動(dòng)作，最后束緊并固定好彈性針布。

傳統(tǒng)彈性針布磨針機(jī)放料是機(jī)械傳動(dòng)方式，料輥軸的轉(zhuǎn)速與錫林電機(jī)的轉(zhuǎn)速n1通過(guò)鏈條傳動(dòng)保持比例同步，料輥軸轉(zhuǎn)速為n0，絲杠螺距為p，錫林滾筒轉(zhuǎn)速為：錫林滾筒每旋轉(zhuǎn)一圈，料輥電機(jī)驅(qū)動(dòng)放料裝置在絲杠上面移動(dòng)一條針布寬度d，錫林主軸與料輥軸齒輪傳動(dòng)比為i，滿足公式(1)：

(1)

1.2 放料控制系統(tǒng)的改進(jìn)

為了解決傳統(tǒng)磨針機(jī)機(jī)械耦合方式傳動(dòng)的一系列缺陷[5]，對(duì)磨針機(jī)進(jìn)行局部改進(jìn)，如圖2所示。改進(jìn)后由PLC、變頻器、料輥電機(jī)組成的獨(dú)立控制系統(tǒng)，傳動(dòng)比通過(guò)錫林與料輥?zhàn)冾l器之間的模擬量傳輸實(shí)現(xiàn)。由式(1)可知，由于絲杠螺距p固定不變，所以只需要調(diào)節(jié)傳動(dòng)比i就可以滿足不同寬度針布條的要求，當(dāng)針布條間距過(guò)大時(shí)，會(huì)增加上下導(dǎo)軌往復(fù)行程，針布磨礪有效時(shí)間減少；針布條間距過(guò)小時(shí)，會(huì)發(fā)生邊界重疊并損傷針布；所以，對(duì)于不同寬度的針布條，要保持一定的針布間距，可以調(diào)節(jié)變頻器之間的電位器改變傳動(dòng)比，這樣適用于多種寬度的針布。

彈性針布磨針機(jī)的放料有幾點(diǎn)要求：① 放料速度要快，節(jié)省工作時(shí)間；② 放料時(shí)，彈性針布與錫林滾筒間保持穩(wěn)定的張力，保證針布在錫林滾筒上面包裹得足夠緊，這樣反復(fù)磨礪針布的時(shí)候不會(huì)因移動(dòng)或褶皺影響后面的磨礪精度；③ 錫林電機(jī)與料輥電機(jī)保持同步比例傳動(dòng)，保證放料間距均勻。

通過(guò)對(duì)改進(jìn)后的磨針機(jī)放料系統(tǒng)進(jìn)行多次放料調(diào)試，給出兩種規(guī)格針布條的放料參數(shù)，見(jiàn)表1，放料時(shí)針布條之間要保持一定間距的余量，避免針布重疊而損壞針布。

表1 放料規(guī)格參數(shù)

針布型號(hào)Z-L1Z-L2針布寬度d/mm45.550.5絲杠螺距p/mm66錫林轉(zhuǎn)速n1/(r·min-1)6.086.08料輥轉(zhuǎn)速n0/(r·min-1)5762針布間距l(xiāng)/mm10.7510.68

2 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

PLC是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制器，以其處理速度快、抗擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。為了方便實(shí)際控制，本設(shè)計(jì)將放料控制系統(tǒng)的PLC程序加入原有的磨針機(jī)系統(tǒng)PLC總程序中，通過(guò)計(jì)算的實(shí)際輸入量點(diǎn)數(shù)近30個(gè)，為以備其它控制功能，預(yù)留有點(diǎn)數(shù)；因此，系統(tǒng)可選擇三菱系列的FX2N-80MR型PLC[6]。FX2N-80MR型PLC屬于繼電器輸出型，具有邏輯控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)算功能快、編寫(xiě)程序簡(jiǎn)潔等特點(diǎn)，可方便對(duì)電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)、制動(dòng)以及調(diào)速控制，能滿足整套磨針機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。PLC接受現(xiàn)場(chǎng)的操作指令、各種狀態(tài)信號(hào)的反饋，以及接受電位器的實(shí)時(shí)參數(shù)調(diào)節(jié)；全系統(tǒng)PLC的輸入功能接口如圖3所示。

按照系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)要求和輸入點(diǎn)對(duì)應(yīng)的PLC輸出點(diǎn)的功能定義，見(jiàn)表2。

由于交流驅(qū)動(dòng)的發(fā)展日益成熟，有許多其它驅(qū)動(dòng)方式不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)工藝要求，選用安川F7型11kW變頻器[7]作為錫林電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，安川VS-606V7型0.75 kW變頻器[8]作為料輥電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。安川系列變頻器主要特點(diǎn)為：控制模式有電壓/頻率比固定控制、矢量控制；電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；速度控制范圍廣、精度高、響應(yīng)快、應(yīng)用功能多[9]。

表2 PLC輸出點(diǎn)功能定義

類(lèi)型功能變頻器驅(qū)動(dòng)錫林正反轉(zhuǎn),料輥正反轉(zhuǎn),上下導(dǎo)軌正反轉(zhuǎn)常規(guī)驅(qū)動(dòng)上下磨頭轉(zhuǎn)故障報(bào)警變頻器故障,熱繼電器,極限限位開(kāi)關(guān)指示燈運(yùn)行,停止,正轉(zhuǎn),反轉(zhuǎn)

變頻器接線如圖4所示，L1、L2、L3是380 V交流電輸入，QF為斷路器，R、S、T為變頻器輸入源端子，S1～S4為多功能輸入端子；U、V、W是變頻器輸出端子，連接三相電機(jī)。放料時(shí)，本系統(tǒng)變頻器選擇電壓/頻率比固定控制模式，錫林變頻器F7通過(guò)AM多功能模擬量輸出(這里的模擬量AM為0 V～10 V的電壓指令)，傳輸給料輥?zhàn)冾l器V7的主速度頻率指令FR，這樣可以實(shí)現(xiàn)放料時(shí)兩電機(jī)同步比例轉(zhuǎn)動(dòng)，保證放料均勻、避免重疊。變頻器AC、FC端子為模擬量公共接點(diǎn)[8]。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)磨針機(jī)放料工作原理及工藝要求，確定程序的基本結(jié)構(gòu)主要由下面幾部分組成：PLC主控制程序、錫林變頻器與PLC通訊程序、料輥?zhàn)冾l器與PLC通訊程序。這里，僅給出PLC控制程序流程，如圖5所示。

放料線上電后，系統(tǒng)檢測(cè)正常則設(shè)定針布條寬度；否則，轉(zhuǎn)到故障報(bào)警，系統(tǒng)停機(jī)。設(shè)定針布條寬度后，檢測(cè)通信成功與否，不成功則故障報(bào)警，成功則啟動(dòng)錫林電機(jī)。錫林電機(jī)啟動(dòng)后，料輥電機(jī)會(huì)跟著錫林電機(jī)啟動(dòng)，這時(shí)就開(kāi)始自動(dòng)放料。放料運(yùn)行后，程序?qū)崟r(shí)監(jiān)控放料線運(yùn)行情況，出現(xiàn)不正常立即進(jìn)行故障報(bào)警并停機(jī)。當(dāng)放料裝置到達(dá)料輥軸限位時(shí)，放料結(jié)束，程序停止運(yùn)行，放料線自動(dòng)停機(jī)。

本系統(tǒng)PLC與變頻器通過(guò)RS-422總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，安川V7和F7系列變頻器內(nèi)置RS-422通信接口，可以通過(guò)R+、R-端子通信輸入，通過(guò)S+、S-端子通信輸出和PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，傳遞控制命令和接受實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)；利用FX系列PLC自帶的外部設(shè)備命令及一些特殊的輔助繼電器和數(shù)據(jù)寄存器，可以方便地實(shí)現(xiàn)PLC與外部設(shè)備的通訊。本設(shè)計(jì)選用的通訊數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8位，偶校驗(yàn)，停止位：1位固定，通訊速度為19 200 bit/s。

改裝完成后的磨針機(jī)實(shí)物如圖6所示。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)磨針機(jī)放料系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，利用PLC、變頻器和電機(jī)構(gòu)成的交流驅(qū)動(dòng)磨針機(jī)放料控制系統(tǒng)，具有傳統(tǒng)機(jī)械耦合式放料系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，克服了機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、噪聲大、磨損嚴(yán)重、放料速度慢等問(wèn)題。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，改進(jìn)后磨針機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：① 實(shí)現(xiàn)彈性針布規(guī)格變化時(shí)的柔性調(diào)整與控制，各種規(guī)格彈性針布等間距、整齊、均勻、緊密地包裹在錫林滾筒表面，間距誤差不大于0.1 mm；② 放料兩軸獨(dú)立電氣傳動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)機(jī)械解耦，改善了機(jī)械結(jié)構(gòu)，工作噪聲小、磨損小，錫林轉(zhuǎn)速由4.60 r/min提高到6.08 r/min；③ 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，維護(hù)量小，自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單等。

[1] 中國(guó)紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì).“十三五”紡織工業(yè)著力結(jié)構(gòu)優(yōu)化創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)[N].中國(guó)工業(yè)報(bào)，2015-07-29 (B01).

[2] 許鑑良.梳理機(jī)用針布的發(fā)展[J].紡織器材，2014，41(1)：12-18.

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[4] 張國(guó)梁.國(guó)內(nèi)外針布制造設(shè)備現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].紡織器材，2011，38(1)：48-51.

[5] 彭俊，惠晶.新型鋼絲圈基片卷繞成型機(jī)的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)[J].電氣傳動(dòng)，2012，42(6)：54-58.

[6] 吳啟紅.可編程序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：17-32.

[7] 日本安川電機(jī)株式會(huì)社.YASKAWA F7用戶手冊(cè)[Z].2005.

[8] 日本安川電機(jī)株式會(huì)社.VS-606V7變頻器使用說(shuō)明書(shū)[Z].

[9] 李春來(lái).PLC控制電機(jī)變頻調(diào)速試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].黑龍江科技信息，2015(12)：58.

The Improved Feeding Control System with Isolated Driven Two Shafts for the Needle Grinder

XU Jiuyi1,HUI Jing1,FU Xilin2,QIN Roukang2

(1.The Key Laboratory Attached to the Education Ministry of Advanced Controlled light Industry Process Jiangnan University,Wuxi 214122,China;2.Wuxi Owl Textile Accessories Co.,Ltd.,Wuxi 214000,China)

With regard to the problems such as complex structure,low efficiency,poor flexibility and adaptability and other shortcomings with the traditional grinder for the wire fillet clothing,a new structural control mode is introduced with a cylinder shaft coupled with the shaft of the feed roller without mechanics.The improved grinder is equipped with PLC as the main controller,and the inverter and induction motor as transmission control system.The mechanical decoupling and synchronous drive ensure a coordinated motion of the two isolated driven shafts,gaining the flexible adjustment of the process parameters.The improved product proves that it is of high efficiency with cylinder speed increase from 4.60 r/min to 6.08 r/min;high control precision with pitch error less than 0.1 mm.It is of wide application with flexible adjustment and control with the change of the specifications of the wire fillet clothing.It is stable and reliable,of little maintenance,simple operation and long service life.

grinder;feeding control;wire fillet clothing;mechanical decoupling;isolated duo-shaft driving;flexibility

2016-03-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405198)

徐久益(1991—)，男，江蘇鹽城人，在讀碩士研究生，主要從事電力電子與電力傳動(dòng)方面的研究。

時(shí)間：2016-04-29 16∶42

TS103.82+1

A

1001-9634(2016)05-0011-04

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1131.TS.20160429.1642.002.html