徐久益,惠 晶,傅錫林

(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 214101)

彈性針布磨針機(jī)磨頭伺服位置自動(dòng)控制系統(tǒng)研究

徐久益1,惠 晶1,傅錫林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 214101)

為了解決彈性針布磨針機(jī)磨頭手動(dòng)調(diào)距操作復(fù)雜、定位尺寸精密度低的問(wèn)題，提出應(yīng)用伺服電機(jī)調(diào)距的新型磨頭位置自動(dòng)控制系統(tǒng)，并介紹其結(jié)構(gòu)、工作原理、硬件實(shí)現(xiàn)及軟件設(shè)計(jì)方法。指出：該系統(tǒng)采用PLC作主控制器，伺服傳動(dòng)系統(tǒng)作執(zhí)行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)PLC控制器與人機(jī)界面通信，實(shí)現(xiàn)了彈性針布與磨頭間距的柔性化調(diào)整；新系統(tǒng)定位精度達(dá)到1μm，并具有適應(yīng)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。

彈性針布；磨針機(jī)；PLC；伺服；位置控制

彈性針布是梳理機(jī)用重要的梳理器材，關(guān)乎著梳理機(jī)的高產(chǎn)、高效與優(yōu)質(zhì)[1]，其質(zhì)量一般由其平整度、銳利度、表面粗糙度、耐磨度和清晰度來(lái)評(píng)定，其中平整度和銳利度最為重要[2]。高精度的彈性針布磨針機(jī)是制造高質(zhì)量彈性針布的保證，其磨礪尺寸的控制是生產(chǎn)彈性針布的重要環(huán)節(jié)[3]。

筆者介紹磨頭伺服位置控制系統(tǒng)，由伺服電機(jī)調(diào)節(jié)磨頭與針布間的距離，通過(guò)編寫位置控制算法，實(shí)現(xiàn)了磨頭位置尺寸的自動(dòng)化控制，且系統(tǒng)定位過(guò)程操作簡(jiǎn)單、控制精度高，對(duì)彈性針布有非常理想的磨礪效果，為整個(gè)彈性針布生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制創(chuàng)造了條件，有利于提高針布行業(yè)的整體水平。

1 磨頭位置自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

磨針機(jī)磨頭位置自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用PLC作控制核心，伺服電機(jī)作執(zhí)行元件，脈沖旋轉(zhuǎn)編碼器(PG)作檢測(cè)元件， E-VIEW型觸摸屏為人機(jī)界面，通過(guò)FX2N-485-DB型通訊擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息交流。當(dāng)磨針機(jī)磨頭位置確定時(shí)，由觸摸屏給定位置信號(hào)，PLC計(jì)算并輸出脈沖信號(hào)到伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服電機(jī)可根據(jù)脈沖量和脈沖頻率來(lái)調(diào)節(jié)磨頭的位移量，旋轉(zhuǎn)編碼器反饋當(dāng)前位置信號(hào)到PLC，PLC通過(guò)位置控制算法來(lái)改變其輸出脈沖，從而改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)定位完成時(shí)，伺服電機(jī)停止。

圖1 磨頭位置自動(dòng)控制系統(tǒng)

磨頭位置自動(dòng)控制系統(tǒng)以磨針基準(zhǔn)線為參考線，通過(guò)控制磨頭相對(duì)于基準(zhǔn)線的位移量，精確控制磨頭砂輪和彈性針布之間的距離。錫林滾筒徑向是磨頭與彈性針布調(diào)距的移動(dòng)方向，調(diào)距即磨頭沿導(dǎo)軌上的滾珠絲杠縱向移動(dòng)，磨頭在縱向?qū)к壣系奈恢弥荒茉谝欢ǚ秶鷥?nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，即根據(jù)系統(tǒng)的需要設(shè)定磨頭起點(diǎn)、終點(diǎn)限位。為適應(yīng)不同型號(hào)針布的磨礪加工要求，每次磨針結(jié)束后都需將磨頭手動(dòng)復(fù)位。為避免伺服系統(tǒng)錯(cuò)誤地發(fā)出定位完成信號(hào)，在定位過(guò)程中，PLC需連續(xù)3次讀出定位完成信號(hào)，才能判為定位完成。

1.1 磨頭位置自動(dòng)控制線性跟蹤

伺服系統(tǒng)在數(shù)控指令的控制下輸出位移、角度等運(yùn)動(dòng)信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡。伺服系統(tǒng)將被控對(duì)象的位置與目標(biāo)位置間的距離保持在允許的偏差范圍之內(nèi)，這種控制過(guò)程稱為位置自動(dòng)控制APC[4]。

在彈性針布磨針機(jī)控制系統(tǒng)中，磨頭縱向的位置控制主要是通過(guò)精確控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。作者是按照梯形速度圖來(lái)實(shí)現(xiàn)速度控制的，如圖2所示。在理想情況下，反饋速度完全跟蹤命令速度，位置偏差量幾乎為零。在實(shí)際控制中，由于傳動(dòng)裝置響應(yīng)滯后等因素的影響，系統(tǒng)反饋速度會(huì)滯后于命令速度，導(dǎo)致位置偏差量增大；因此，在磨頭位置控制中加入速度前饋校正環(huán)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)速度前饋系數(shù)來(lái)減小跟蹤誤差。圖2為速度前饋校正前后速度曲線對(duì)比。

a) 未加入速度前饋校正環(huán)節(jié)

b) 加入速度前饋校正環(huán)節(jié)

1.2 磨頭位置自動(dòng)控制理想模型

磨頭位置自動(dòng)控制系統(tǒng)中，理想定位的要求是在最短時(shí)間內(nèi)完成符合精度要求的定位動(dòng)作。在磨針工序中要將精密度放在首位，即要求在最短的時(shí)間內(nèi)完成最大控制精度的定位動(dòng)作。

磨頭位置自動(dòng)控制系統(tǒng)理想定位過(guò)程如圖3所示。設(shè)定位置偏差為S，初始位置偏差為S0,伺服電機(jī)最大加速度為amax，最大速度為vmax。為了使磨頭裝置能夠盡快到達(dá)設(shè)定的位置，要盡量使磨頭裝置處于最大速度狀態(tài)。為了保證調(diào)節(jié)時(shí)間盡量短，執(zhí)行電機(jī)以最大加速度啟動(dòng)，并以最大負(fù)加速度停機(jī)，從而使磨頭恰好停在目標(biāo)位置。

圖3 磨頭位置自動(dòng)控制系統(tǒng)理想定位過(guò)程

理想定位情況下，加速階段的速度為：

v=amaxt

(1)

加速階段的位置偏差為：

(2)

伺服電機(jī)達(dá)到最大速度時(shí)的實(shí)際加速時(shí)間為：

t1=vmax/amax

(3)

由式(1)和式(2)可得，此時(shí)其位置偏差值為：

S1=S0-vmax2/2amax

(4)

如果此時(shí)還未達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的位置，則電機(jī)還需以速度vmax繼續(xù)移動(dòng)。磨頭定位需要的精度高且時(shí)間短，因此確定電機(jī)開始減速的時(shí)間是非常重要的。系統(tǒng)中設(shè)定最大加速度等于最大負(fù)加速度，因此加速運(yùn)行距離等于減速運(yùn)行距離，所以減速的距離為：

(5)

理想的位置控制系統(tǒng)，整個(gè)減速過(guò)程速度為：

(6)

從S2這個(gè)位置以最大負(fù)加速度amax開始減速，那么速度減為零時(shí)，恰好完成定位動(dòng)作。由式(6)可知，位置偏差S為S2～0，v=f(S)的關(guān)系曲線是拋物線，那么在位置偏差很小的時(shí)候，減速過(guò)程很難控制在允許誤差范圍之內(nèi)，一般是通過(guò)整定出合適的速度曲線關(guān)系的方法來(lái)解決該問(wèn)題。

1.3 新型位置控制算法

新型磨頭位置的控制要求定位精度高且不出現(xiàn)超調(diào)，系統(tǒng)可采用“分段減速控制”的方法實(shí)現(xiàn)該要求。在位置控制系統(tǒng)中，APC算法可簡(jiǎn)單表示為：

v=f(S)

(7)

式中：

v——控制算法的給定輸出速度；

S——位置偏差。

如圖4所示，從減速點(diǎn)S3開始，偏差越小、速度越慢，加速度越大。實(shí)際上，調(diào)距過(guò)程中的一個(gè)重要內(nèi)容就是整定減速點(diǎn)和減速點(diǎn)開始的減速曲線。在整定過(guò)程中，可根據(jù)磨削工藝要求的尺寸精度，定出控制的死區(qū)，即在達(dá)到死區(qū)的范圍時(shí)，輸出速度為零，使被控對(duì)象在慣性的情況下滑到精度區(qū)S1，并在精度區(qū)的范圍內(nèi)停下來(lái)，則S1即系統(tǒng)規(guī)定的磨頭定位精度。通常這個(gè)工作需要結(jié)合實(shí)際自動(dòng)位置控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及控制機(jī)構(gòu)來(lái)完成。從圖4中可以看出，控制的關(guān)鍵在于2個(gè)減速點(diǎn)(S2，S3)和精度區(qū)S1的選取。

圖4 速度整定曲線

2 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制器PLC是整個(gè)磨頭控制系統(tǒng)的核心，其控制功能強(qiáng)、可靠性高、配置靈活、體積小、質(zhì)量輕，而且使用方便，在我國(guó)已廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)化控制的各個(gè)領(lǐng)域。

PLC接收現(xiàn)場(chǎng)各類操作指令、各種狀態(tài)信號(hào)的反饋以及人機(jī)界面E-VIEW的實(shí)時(shí)參數(shù)設(shè)定。PLC上電時(shí)，其內(nèi)部寄存器數(shù)值與特殊寄存器的功能進(jìn)行初始化，將人機(jī)界面 E-VIEW面板中設(shè)置的數(shù)據(jù)，通過(guò) RS-485 串口通訊改變 PLC 內(nèi)部寄存器值；再經(jīng)PLC內(nèi)部計(jì)算處理、通過(guò)RS-485總線輸出給伺服驅(qū)動(dòng)器；同時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器也將電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)經(jīng)RS-485總線傳遞給PLC?？刂葡到y(tǒng)電氣原理如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)電氣原理

通過(guò)計(jì)算，實(shí)際的輸入輸出量I/O點(diǎn)數(shù)不超過(guò)32點(diǎn)，因此可以選擇三菱系列的FX2N-32MT型PLC。FX2N-32MT型PLC屬于晶體管輸出型，它除具有一般邏輯控制與運(yùn)算功能外，還具有高速脈沖計(jì)數(shù)輸入功能，PLSY高速脈沖串直接輸出(Y0、Y1口)、RAMP電機(jī)變頻軟啟動(dòng)/軟制動(dòng)及其它特殊處理功能，可以對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行位置控制[5]。PLC輸入端外部接線，如圖6所示。

圖6 PLC輸入端外部接線示意

通過(guò)分析可知，PLC的輸入需要占用12個(gè)輸入端子，端子分類及其功能定義，見表1。

磨頭裝置由高精度的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，新型系統(tǒng)選用安川公司制造的SJDE-04APA型伺服驅(qū)動(dòng)器及其相應(yīng)的SJME-04AMA型伺服電機(jī)作為執(zhí)行電機(jī)[6]。伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為“位置控制”方式，指令脈沖輸入方式采用“SIGN+PLUS”脈沖信號(hào)形式，在控制方式上加入命令跟蹤控制與前饋校正控制，可以提高對(duì)輸入脈沖命令的響應(yīng)速度，對(duì)輸入命令最大程度跟蹤，減小了位置偏差量。如果將電機(jī)軸與負(fù)載側(cè)的機(jī)械減速比設(shè)為m/n，則可由下式求出電子齒數(shù)比的設(shè)定值：

表1 PLC輸入端子功能定義

類型功能轉(zhuǎn)換開關(guān)自動(dòng)/手動(dòng)故障信號(hào)伺服故障,故障復(fù)位各類按鈕電機(jī)運(yùn)行、停止(自)、點(diǎn)動(dòng)(手),磨頭復(fù)位控制信號(hào)脈沖輸入,伺服準(zhǔn)備,起點(diǎn)限位,終點(diǎn)限位,定位完成

B/A=(4×PG×m)/(n×PB)=Pn202/Pn203

(8)

式(8)中，PG為編碼器脈沖數(shù)，PB為負(fù)載軸旋轉(zhuǎn)一圈的移動(dòng)量，即滾珠絲杠節(jié)距。表2為新型位置控制系統(tǒng)電子齒數(shù)比的相關(guān)參數(shù)。

表2 電子齒數(shù)比的設(shè)定

內(nèi)容滾珠絲杠確認(rèn)機(jī)械構(gòu)成絲杠節(jié)距:6mm減速比1∶1編碼器確認(rèn)脈沖數(shù)13位:2048P/R決定指令單位1指令單位:0.001mm負(fù)載軸旋轉(zhuǎn)1圈移動(dòng)量6mm/0.001mm=6000計(jì)算電子齒數(shù)比B/A=2048×4/6000

通過(guò)人機(jī)界面E-VIEW，可利用FX-PCS-DU 和WIN-C組態(tài)軟件設(shè)計(jì)主畫面、參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)信息、報(bào)警信息和幫助等畫面。通過(guò)RS-422與PLC通信，可對(duì)磨頭位置參數(shù)在線修改，當(dāng)彈性針布尺寸規(guī)格改變時(shí)，通過(guò)觸摸屏就能調(diào)整不同針布對(duì)應(yīng)的磨頭位置，而不需要調(diào)節(jié)任何機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和精密度。

2.2 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制軟件由3部分組成，即PLC控制程序、觸摸屏——PLC通訊程序和觸摸屏組態(tài)軟件。因篇幅所限，在此僅給出PLC控制系統(tǒng)流程圖，根據(jù)新型控制算法和磨頭位置控制系統(tǒng)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)的磨頭自動(dòng)定位控制系統(tǒng)流程，如圖7所示。

PLC上電后，先初始化系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)變量，然后進(jìn)入主循環(huán)。在自動(dòng)運(yùn)行條件下，若檢測(cè)系統(tǒng)處于就緒狀態(tài)，則根據(jù)觸摸屏設(shè)定的位置值計(jì)算出所需的脈沖數(shù)，再通過(guò)編碼器反饋的信號(hào)讀出已運(yùn)行的脈沖數(shù)，而PLC內(nèi)部則計(jì)算出系統(tǒng)剩余的脈沖數(shù)。當(dāng)下壓裝置尚未處于定位位置附近時(shí)，根據(jù)剩余脈沖數(shù)來(lái)判斷系統(tǒng)是處于勻速段、第一減速段還是第二減速段，PLC則根據(jù)相應(yīng)階段，發(fā)出相應(yīng)頻率的脈沖；當(dāng)處于定位位置附近時(shí)，為保證定位準(zhǔn)確，系統(tǒng)需連續(xù)3次讀出定位完成信號(hào)，才能判為定位完成，然后系統(tǒng)清除偏移脈沖，程序停止運(yùn)行。

圖7 磨頭自動(dòng)定位控制系統(tǒng)流程

3 結(jié)論

新型磨頭位置自動(dòng)控制系統(tǒng)，代替手動(dòng)調(diào)節(jié)磨頭橫移裝置來(lái)設(shè)定磨削間距的傳統(tǒng)模式，采用高性能PLC及相關(guān)用戶軟件程序、高精度伺服電機(jī)位置控制，顯著提高了位置尺寸控制的精密度，并實(shí)現(xiàn)了磨削間距的柔性化調(diào)整。新系統(tǒng)的尺寸控制精密度可達(dá)1 μm，能夠滿足各尺寸規(guī)格彈性針布齒條的生產(chǎn)要求。

[1] 許鑑良.梳理機(jī)用針布的發(fā)展[J].紡織器材,2014,41(3Z):12-18.

[2] 蔣少軍.毛紡彈性針布的使用與發(fā)展趨勢(shì)的探討[J].國(guó)際紡織導(dǎo)報(bào),2011(1)：24-28.

[3] 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.

[4] 江瓊,曾攀.精軋電動(dòng)壓下自動(dòng)位置控制[J].冶金自動(dòng)化,2014(2Z):362-364.

[5] 王阿根.電氣可編程控制原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.

[6] 日本安川電機(jī)株式會(huì)社.安川伺服驅(qū)動(dòng)說(shuō)明書[Z].

Study of the Automatic Servo Control System of the Grinding Head Position on the Grinding Machine for Flexible Clothing

XU Jiuyi1,HUI Jing1,FU Xilin2

(1.Key Laboratory of the Education Ministry on Advanced Process Control of Light Industry Jiangnan University,Wuxi 214122,China;2.Wuxi Owl Textile Accessories Co.,Ltd.,Wuxi 214101,China)

To solve the problem with the flexible clothing grinding machine such as compelx manual adjustment of the pitch of the head,poor positioning,a new automatic servo control system of grinding head position with motor pitch adjustment is introduced with the structure,work-how and the hardware plus software.It is pointed out that the system uses PLC as the main controller,the servo drive mechanism as execution transmission system,through the PLC controller and the man-machine interface communication,the flexible adjustment of the pitch between the flexible clothing and grinding head.The new system is of precision positioning of 1 μm,high adaptability,simple operation,and high product quality.

flexible clothing;grinding machine;PLC;servo;position control

2016-06-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405198)；江蘇省自然科學(xué)基金(BK2013159)

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

TS103.82+

A

1001-9634(2017)01-0011-04