五轴驱动织造小样机的控制系统.pdf

《五轴驱动织造小样机的控制系统.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《五轴驱动织造小样机的控制系统.pdf（4页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、第3 0 卷第1 l 期纺织学报 V 0 1 3 0N o 1 l 2 0 0 9 年11 月J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h N o v 2 0 0 9 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 9 ) 1 1 - 0 1 2 5 - 0 4 五轴驱动织造小样机的控制系统 周卫华1 ，刘涵1 2 ，郭吉丰1 2 ，仇兴中1 ( 1 浙江大学电气工程学院，浙江杭州3 1 0 0 2 7 ；2 浙江省现代纺织工业研究院，浙江绍兴3 1 0 0 3 0 ) 摘要针对气动小样机织造速度慢、噪声大的问题，提出一种新型的五轴驱动全电

2、织造小样机系统，其开口、引 纬、打纬、送经和卷取运动分别由独立的电动机驱动，控制系统包括上位机和基于P L C 控制的五轴联动系统。同时 介绍了五轴联动系统的构成、工作原理、工作过程、电动机的控制方式以及硬件和软件设计思想。实际应用表明， 所开发的小样机具有运行稳定、噪声小、织造速度高的特点，打样速度和织物的质量都得到明显提高，这种控制系 统及其小样机具有实际应用价值。 关键词织样系统；小样机；P L C ；电气控制 中图分类号：“ I S1 0 3 7文献标志码：A C o n t r o ls y s t e mo ff i v e a x i sd r i v e ds a m p l

3、ew e a v i n gm a c h i n e Z H O UW e i h u a l ，L I UH a n l ”，G U OJ i f e n 9 1 ”，Q I UX i n g z h o n 9 1 ( 1 C o l l e g eo fE l e c t r i cE n g i n e e r i n g ，Z h e j m n gU n i v e r s i t y ，H a n g z h o u ，z t W j i a n g 3 1 0 0 2 7 ，C h n a ； 2 z b 4 i 8 n gI n s t 矗u t eo fM o d e r

4、 nT e x t i l eI n d u s t r y ，S 乩, m g ，g h e j i a n g3 1 0 0 3 0 ，c A 妇) A b s t r a c tA i m i n ga ts o l v i n gs u c hp r o b l e m s 船l o ws p e e da n db i gn o i s ea s s o c i a t e d 埘t ht h ep n e u m a t i cs a m p l e w e a v i n gl o o m 。t h i sp a p e rp r e s e n t san e wt y p e

5、 o fs a m p l ew e a v i n gm a c h i n ew i t hf i v e - a x i sd r i v i n g ，w h o s e m o v e m e n t so fo p e n i n g ，w e f ti n s e r t i o n ，b e a t i n g ，l e t o f fa n dt a k e - u pa r ed r i v e nb yi n d e p e n d e n tm o t o r s T h e c o n t r o ls y s t e mi n c l u d e sP Ca n d

6、f i v e a x i sl i n k a g es y s t e mb a s e do nt h eP L C T h ef i v e a x i sl i n k a g es y s t e m s s t r u c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l e ，w o r k i n gp r o c e s s ，m o t o rc o n t r o l ，a sw e l la sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g ni d e a s a r ei n t r o d u

7、c e d T h ea p p l i c a t i o ns h o w st h a tt h en e wt y p eo fe l e c t r i c a ls a m p l ew e a v i n gm a c h i n eh a sal o to f a d v a n t a g e ss u c ha ss t a b l eo p e r a t i o n ，l o wn o i s ea n dh i g h - s p e e d ，a n dt h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c e dc l o t hh a sb

8、e e n r e m a r k a b l yi m p r o v e d T h i sc o n t r o ls y s t e ma n dm a c h i n eh a v ep r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u e K e yw o r d ss a m p l ew e a v i n gs y s t e m ；s a m p l ew e a v i n gm a c h i n e ；P L C ；e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m 纺织产业也是创意产业。各种风

9、格的面料设计 是重要环节之一，因此面料的小样实现需要自动化。 目前，织样的小样机多采用气动控制，其开口机构和 引纬机构通过气缸实现传动和控制，在多片综框同 时运动的情况下，噪声很大。另外，由于是气缸驱 动，其运行速度较低，最高车速只能达到3 5 纬m i n ， 而且其可织织物的范围有限，织物的纬密也无法满 足高质量的要求。 目前，织机的控制系统主要采用以单片机、 D S P 、分布式计算机等为核心的电气控制系统，可靠 性高，灵活性好H 。3 J 。 为了提高效率，满足小样织物高质量的要求，本 文设计开发出一种新型的全电织造小样机，其开口、 引纬、打纬、送经和卷取机构采用5 个独立的电动机 驱

10、动，具有运行、单步、织1 纬、前找纬、后找纬、暂停 等功能。 本文介绍了全电织造小样机的结构和工作原 理、电控系统的硬件和软件结构。通过对引纬和打 纬电动机的快速定位控制，对送经电动机施行 F u z z y - P I D 控制。新型小样机系统运行快速、精确， 同时能保证高质量的纬密要求。 收稿日期：2 0 0 8 1 2 1 8修回日期：2 0 0 9 0 6 0 8 作者简介：周卫华( 1 9 8 5 一) 男，博士生。主要研究方向为纺织装备的自动化及嵌入式系统等。郭吉丰，通讯作者，E n l a i l ：s i f z j u e d u c n 。 万方数据 PDF Waterma

11、rk Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 2 6 纺织学报 第3 0 卷 1 全电驱动小样机的运动关系 小样机织造过程主要包括开口、引纬、打纬、卷 取和送经5 个运动过程，各运动之间必须相互协调， 才能完成织造过程。5 个运动以主轴的1 周作为运 动周期。本文用回转角度表示各个运动的开始时 间、结束时间以及各运动的相互协调关系。回转角 度处于0 0 一1 2 0 0 之间，开口处于满开位置；从1 2 0 0 开 始，开口逐渐闭合，主轴运动到2 4 0 0 时开口完全闭 合；在2 4 0

12、 0 一3 6 0 。之间，开口又从综平位置运动到满 开位置，具体如图1 所示。在本文设计的五轴驱动 全电织造小样机中，采用剑杆引纬，通过引纬电动机 高速精确定位运动来实现引纬。当开口机构接近于 满开位置( 3 5 0 。) 时，引纬电动机开始运动，到达终点 时，选色电磁铁动作，剑杆勾住纬纱，快速往回拉，当 剑杆返回至起始点时，引纬过程结束H J ，钢筘开始运 动。当开口处于综平位置时( 2 4 0 0 ) ，钢筘完成打纬 运动，然后松纱电磁铁松纱，钢筘往回运动，当钢筘 回到起始点时，打纬结束，引纬开始，至此1 个周期 结束。在整个周期中，卷取机构一直匀速卷布，送经 机构根据织物的张力情况来调

13、整送经的速度。 综框开始闭合 综框满 开状态 3 打纬结束 引纬开始 松纱电磁铁运动 图1 织机五大运动时序关系 F i g 1S e q u e n c er e l a t i o n s h i po fw e a v i n gm a c h i n e B f i v em o v e m e n t s 2 电气控制系统硬件结构 图2 为小样机电气控制系统结构图。主要包括 上位机和基于P L C 控制的五轴联动系统。上位机 和P L C 之间的通信是通过R S 2 3 2 来实现的，P L C 将 数字量信号输送给电动机驱动器。 由于打纬和引纬装置不是同时运动的，所以可 以采用P

14、L C 的1 个高速脉冲输出口来分别控制打纬 上位机 P C 叩”c 引纬Il 广一打纬 动别l 怄动 铁Il 铁 图2 电气控制系统结构 F i g 2 S t r u c t u r eo fe l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m 电动机和引纬电动机，从而节省成本。脉冲复用板 通过信号的多路选择，来完成打纬和引纬信号的相 互切换。 P L C 系统有4 个数字量输入信号，包含综框满 开信号、剑杆起始位置信号、钢筘起始位置信号、断 纬检测信号。剑杆和钢筘的起始位置信号是为了防 止钢筘和剑杆发生碰撞，保证设备的安全，同时也为 系统初始化时，钢筘和

15、剑杆自动回到起始点提供信 号。当发生断纬时，P L C 根据检测到的断纬信号让 小样机紧急停车。送经机构配有1 个张力传感器， 传感器的模拟信号通过P L C 模拟量扩展模块输入 给P L C 主机。 P L C 输出包括电动机驱动器数字量控制信号、 选色电磁铁和松纱电磁铁的运动控制信号、选色状 态和多臂状态信号。 3 软件架构 P L C 程序主要包含上位机通信程序和控制五轴 协调运动程序。图3 为小样机运动1 个周期的主要 流程图。 P L C 软件设置专门的继电器来表示特定的运动 状态，把小样机的工作状态返回给上位机软件。同 时，软件设计中也包含了引纬和打纬的保护措施，只 有当钢筘处于起

16、始位置时，剑杆才开始运动。同理， 只有当剑杆处于起始位置时，钢筘才开始运动，这样 茜哪荪引鼎 麓勰西 取动驱嚣厂L取堋一 嚣臻垂引掣匐 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第1 l 期周卫华等：五轴驱动织造小样机的控制系统 1 2 7 图3 控制流程图 隐3 C o n t r o lf l o wc h a r t 可保证钢筘和引纬杆不会发生碰撞。 4 电动机的控制策略 引纬装置和打纬装置必须采用快速定位控制。 织造过程中，经轴和卷布辊的直径会发生变

17、化，为了 满足样布高质量的纬密要求，需要实时调整送经的 速度，采用F u z z y P I D 控制方法来调整送经电动机的 运行速度。 4 1 快速定位算法 引纬机构采用剑杆装置，通过伺服电动机的正 反转来拉动剑杆往复运动。织造过程中必须保证松 纱装置能松开剑杆上的纬纱，引纬机构需要快速精 确地定位。凸轮带动钢筘来实现打纬，如果打纬装 置定位精度不高，不仅无法顺利打纬，也会导致钢筘 和引纬杆发生碰撞，损坏设备。 打纬机构和引纬机构都采用伺服电动机驱动， 伺服电动机的运行分为启动一加速一高速运行一减 速一停止5 个阶段，所以设定P L C 的输出频率按梯 形图的方式变化。电动机的驱动频率如图4

18、 所示。 | 五 石 0 图4 伺服电动机的驱动频率 F i g 4 S e r v om o t o rd r i v ef r e q u e n c y P L C 输出高速脉冲频率厂与电动机转速n 的关 系为 珏：6 _ 0 f k( 1 ) ，o 式中：k 为电子齿轮比( 伺服驱动器设置的参数) ； 兀为电动机编码器1 周的脉冲数。 由上可知，电动机速度n 与t 的曲线也是一个 梯形图。图上梯形部分的面积就是电动机轴定位的 距离。 4 2 F u z z y P I D 算法 织机综平时的静态张力是影响织造质量的一个 重要因素【5 “】。影响静态张力最主要的机构是送经 机构和卷取机构

19、，同时开口和打纬过程中机械的扰 动也会对张力产生较大的干扰。经纱静态张力是由 卷布辊与经轴之间的线速度差产生的，只有保持他 们之间的速度差恒定，才能保证经纱的张力恒定。 工艺中要求送经速度恒定不变，满足张力恒定 的要求，但是，由于织造过程中经轴直径由大变小， 它的时间函数为 = D - 。一焉t ( 2 ) 式中：D 。为满经轴直径；艿为经纱厚度；t 为时间；u 为织造速度。 综上所述，小样机卷取送经系统是非线性时变 系统，由于卷取电动机设计为以恒定的速度运转，所 以需要对送经电动机的转速进行在线实时调整。 在织造过程中，经纱张力波动很大，随机扰动因 素很多，常规P I D 控制必然会导致控制

20、质量下降，甚 至影响系统的正常运转b 】。同时，常规P I D 需要系 统精确的模型，这在实际中很难满足要求。9 】。采 用F u z z y P I D 复合控制，由张力传感器检测张力，并 将检测到的力信号输入到P L C 的模拟量模块，与事 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 2 8 纺织学报第3 0 卷 先设定好的张力值进行比较，偏差层和偏差变化率 E C 通过P L C 内部模糊算法即可得到所需的控制量， 再经P L C 高速脉冲输出口控制

21、送经电动机的转速， 最终达到控制经纱张力的目的。 图5 示出基于P L C 的F u z z y P I D 控制器结构， 图6 为送经电动机的控制框图。张力传感器输入信 号的A E ，A C E 的计算都在P L C 内部的数据寄存器 里完成。模糊推理里的规则、输入量和输出量的论 域是基于长期积累的经验，P L C 把模糊规则、论 域存入P L C 的数据寄存器中，供使用时查询。 图5 送经机构的F u z z y - P I D 控制器结构 F i g 5F u z z y - P I Dc o n t r o ls 1 1 I i c t u r eo f l e t - o f fd

22、e v i c e 电动机驱动器 控制型P L c 图6 送经电动机的控制框图 F i g 6 C o n t r o ls t r u c t u r eo fl e t - o f fm o t o r 。 通过实际的织造过程，表明基于P L C 的F u z z y P I D 控制算法可对送经速度实时控制，能满足织样 高质量的纬密要求。 5 结语 开发的织造小样机车速可达8 0 梭m i n ，引纬为 电动控制单侧剑杆引纬，最大筘幅为5 0 8c m ，采用 步进电动机驱动的积极式电子送经和电子卷取，纬 密范围为4 1 1 8 根c m ，2 0 页电子控制开口装置( 含 2 页绞综)

23、 ，6 8 色电子选纬，可调式电动凸轮打 纬，纱线线密度范围为5 5 0 0t e x 。基于P L C 控制的 五轴驱动全电织造小样机，其织造速度达到了气动 小样机速度的2 倍多，提高了生产效率，具有应用价 值。在织造过程中，P L C 与上位机进行实时通信，方 便用户监控整个织造过程。 参考文献： 钟原静，陈完龙，朱新杰基于D S P 控制的高速剑杆 织机控制系统 J 纺织学报，2 0 0 8 ，2 9 ( 6 ) ：1 0 9 1 1 2 Z H O N GY u a n j i n g ，C H E NW a n l o n g ，Z H UX i n j i e H i g h s

24、p e e dr a p i e rl o o mc o n t r o ls y s t e mb a s e do nD S P J J o u r n a l o fT e x t i l eR e s e a r c h ，2 0 0 8 ，2 9 ( 6 ) ：1 0 9 一1 1 2 何主永，章育明，李志军可编程控制器在剑杆织机 中的应用 J 纺织电气，2 0 0 5 ( 2 ) ：8 7 8 9 H EZ h u y o n g ，Z H A N GY u m i n g ，L IZ h i j u n T h ea p p l i c a t i o n o fP L Ci n

25、h i g I ls p e e dr a p i e rl o o m J T e x t i l eE l e c t r i c a l ， 2 0 0 5 ( 2 ) ：8 7 8 9 张思齐，杜清珍，杨利娟基于多处理器剑杆织机分布 式控制系统设计 J 计算机测量与制造，2 0 0 5 ， 1 3 ( 1 2 ) ：1 3 5 6 1 3 5 8 Z H A N Gs i q i ，D UQ i n g z h e n ，Y A N G 询u 明D e s i g no f d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e mo fr a p i

26、 e r - l o o mb a s e do nm u l t i - m i c r o c o mp u t e r J C o m p u t e rM e a s u r e m e n t C o n t r o l ， 2 0 0 5 ，1 3 ( 1 2 ) ：1 3 5 6 1 3 5 8 周琪跫，沈世德新型机织小样机引纬机构设计 J 纺织学报，2 0 0 7 ，2 8 ( 2 ) ：1 1 2 一1 1 4 Z H O UQ i s u ，S H E NS h i d e D e s i g no ft h em a g n e t i cw e f t - i n s

27、e r t i n gm e c h a n i s mf o ran e wt y p es a m p l ew e a v i n g m a c h i n e J J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h ，2 0 0 7 ，2 8 ( 2 ) ： 1 1 2 一1 1 4 杨建成，蒋秀明，周国庆，等F u z z y - P I D 复合控制在电 子送经中的应用 J 纺织学报，2 0 0 8 ，2 9 ( 4 ) ：1 1 5 1 1 8 Y A N GJ i a n e h e n g ，J I A N GX i u m i n g

28、 ，Z H O UG u o q i n g ，e ta 1 A p p l i c a t i o no ff u z z y - P I Dc o m p o u n dc o n t r o l o nl o o m e l e c t r o n i cl e t - o f fa n dt a k e - u p J J o u r n a lo fT e x t i l e R e s e a r c h ，2 0 0 8 ，2 9 ( 4 ) ：1 1 5 1 1 8 李革，贾元武，张建新，等基于模糊神经网络的P I D 张力控制系统 J 纺织学报，2 0 0 8 ，2 9 (

29、6 ) ：1 0 9 1 1 2 L IG e ，J I AY u a n w u ，Z H A N GJ i a n x i n ，e ta 1 T e n s i o n c o n t r o ls y s t e mb a s e do nf u r y - h e m a ln e t w o r kP I D J J o u r n a lo f T e x t i l eR e s e a r c h ，2 0 0 8 ，2 9 ( 6 ) ：1 0 9 1 1 2 王立新模糊系统与模糊控制教程 M 北京：清华大 学出版社，2 0 0 6 W A N GL i x i n AC

30、o u r s ei nF u z z yS y s t e m C o n t r o l M B e i j i n g ：T s i n g h u aU n i v e r s i t yP I H m 2 0 0 6 G R A H A MAM ，E T E Z A D I A M O L I M D e s i 驴， i m p l e m e n t a t i o n ，a n ds i m u l a t i o no faP L Cb a s e ds p e e d c o n t r o l l e ru s i n g 缸珂l o g i c C W a s h i

31、n g t o n ：I E E EP o w e r E n g i n e e r i n gS o c i e t yS u m m e rM e e t i n g ，2 0 0 0 ：2 4 7 5 2 4 8 0 陶永华新型P I D 控制及其应用 M 北京：机械工业 出版社。2 0 0 2 ：1 0 1 T A OY o n g h u a N e wP I DC o n t r o la n dA p p l i c a t i o n M B e i j i n g ：M a c h i n e r yI n d u s t r yP r e s s ，2 0 0 2 ：1

32、0 1 W O OZ h i w e i ，C H U N GH u n g y u a n ，L I NJ i n j y e AP I Dt y p e f I I ，呵c o n t r o l l e rw i t hs e l f - t u n i n gs e a l i n gf a e t o m J F u z z y S e t sa n dS y s t e m s ，2 0 0 0 ，1 1 5 ( 3 ) ：3 2 1 3 2 6 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J 1_1J l 2 3 4 5 6 7 8 9 m r L r L r L r L r L r L r L r L r L r L 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark