基于PCI总线的新型捻线机传动与控制系统.pdf

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1、第2 8 卷第1 2 期纺织学报 V 0 1 2 8N o 1 2 2 0 0 r 7 年1 2 月 一 J o 啊_ I a l0 fT e x m eR e $ e a r c hD e c 2 0 0 7 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 1 2 0 0 7 ) 1 2 0 1 1 3 0 4 基于P C I 总线的新型捻线机传动与控制系统 魏平俊1 ，蔡丽丽2 ，李铬3 ( 1 中原工学院电子信息学院，河南郑州4 5 0 0 c r 7 ；2 河南广播电视大学，河南郑州4 5 0 0 0 3 ； 3 中原工学院机电学院，河南郑州4 5 0 0 0 7 ) 摘要新型捻线机的控制系

2、统多采用多电机传动系统，目前国内主要采用单片机控制，针对其控制系统的缺点， 设计了基于P c I 总线的新型捻线机传动与控制系统。传动系统采用4 个电动机的多电机传动，运用解析法对新型 捻线机的多电机传动系统进行运动分析，建立适合多电机传动系统的数学模型，综合运用交流伺服技术、变频调速 技术和P c I 局部总线控制技术，结合捻线工艺理论设计出合理的控制系统。通过程序实现锭子转动、筒子卷绕和 导纱杆往复运动控制。结果表明，设计的传动与控制系统能实现新型捻线机的加捻卷绕的工艺目标。 关键词捻线机；传动控制系统；P c I 局部总线；变频调速 中图分类号：1 s 1 2 2 2 3 4文献标识码：

3、A An o v e lt r a 瑚m i s s i o na n dc o n t r o ls y s t e m f o rt 耐s t i n gm a c h i 肿b a s e do nP C Ib 吣 W E IP i n 西u n l ，C A Ih l r ，UG r ( 1 s c l l o o Z o ，同唧庇锄d 均协眦咖n E ，画，聊咖，踟r l g y n ，函祝l 匆巧z 融r 蛐，Z 7 l e ，l g 如础，磊k 蝴4 5 0 0 0 r 7 。m 由m ； 2 胁，I 帆砌砌死切妇n ( 厅妇r l 妙，拗础“，月轨衄 4 5 0 0 0 3 。

4、吼西m ； 3 & _ I l D 甜矿胁，c 口，疵以d 以豇喇哦川E r 咖而皤，z 幻r I g ”埘I 渤咖矿死c ，蝴。纨r l g z b 比，胁，嘲4 5 0 0 0 7 ，醌西m ) A b s 删M o s to ft h ec o n t r o ls y s t e m s0 ft l l el a t e s tt w i s t i n g - n l a c h i n ea d o p tt l l e 砌l t i 一吼o rd r i V es y s t e m H o w e v e r ，a tp r e s e n ti nc h i 岫，t h eu

5、 眈o f8 i n g l ec h i pp r o c e s rf o ri 协c 蚰t m li ss t i up o p u l a r A i I I l i I l ga tt h e s h o n c o l I l i n 伊o ft h ec o n t r o ls y s t e m ，a 耻wt y p et 棚_ I s I I I i s s i a n dc o n t r o ls y s t e mb 鹪e do nP C Ib 岫眦h n o l 0 9 3 ri s d e V e l o p e d ，w h i c hi sa 枷l t i -

6、 m o t o rt 瑚s m i s s i o n8 y s t e mo ff b u rm o t o 玛A n 印p r o p r i a t em a t h e m 砒i cm o d e lh 嬲 b e e nd e v e l o p e d n em n n i r I g0 fs p i n d l e s ，t h e 试n d i n go fb o b b i 聃肌dt l l eI e c i p r o c a t eo fg I l i d i I l g - y a n 坞a r e c o n t r o l l e di np h a b yt I

7、 l ec o n t m ls y s t e m ，w 】1 i c hi sb 嗣l s I e do nt h ei n t e 铲a t i o ft l l eA Cs e n ，ot e c h n o l o 盯，t l l e f 壬e q u e n c yc o n v e 玛i o nt e c h n o l o g ) r ，t | l eP C Il o c a lb 啮t e c h n o l o g ，r 雏dt I et W i s t i n gt h e o r y E 】【p e r i I 鹏n t ss h o wt h a t t l ed e

8、 s i 驴o ft I l et r 叭8 I l l i s s i o n 柚dc 叩t m ls y 8 t e mc 锄a c h i e v et l l ep r o c 鹤so b j e c t i v e so fw i n d i n go ft h el a t e s t t w i s t i n gm a c h i n e K e yw o r 凼t 埘s t i n gn 眦h i n e ；t 咖s l I l i 鹪i o n 姐dc o n 缸D ls y s t e m ；P c Il o c a Jb u s ；g p e e dc o n t m

9、lb yf b q u e n c y c o n v e l _ s i o n 捻线机是对纱线进行后加工处理的一种重要的 纺织机械设备。传统的加捻方法是单捻，国内常见 的环锭捻线机就属于这种。高倍捻线机由于具有较 多优点已成为捻线机发展的重点。 2 0 世纪8 0 年代以后，机电一体化已成为纺织 机械发展的必然趋势。随着电子技术、计算机技术、 变频调速技术和伺服控制技术等的发展，用计算机 控制各类电机，完成新颖的、高性能的控制策略实现 复杂的运动成为可能晗1 。各种先进控制技术在捻线 机控制系统上的应用主要有以下几种：P L C + 变频 器b 1 ；单片机+ 交流伺服系统H ；P C 机

10、+ ( 步进电 机+ 交流伺服传动系统) H 1 ；总线技术的应用b J 。 目前较先进的捻线机的传动系统多为多电机传 动系统，往复导纱系统采用单片机控制步进电机哺o 。 收稿日期：2 0 0 7 0 2 一0 3 修回日期：2 0 0 7 一0 8 2 0 作者简介：魏乎俊( 1 9 6 3 一) ，男，副教授，硕士。研究方向为电子信息与电气控制。E 锄m ：讹i p i t 酒岫 y e a I I n 眦。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 纺

11、织学报 第2 8 卷 单片机控制主要存在以下问题：1 ) 单片机控制系统 维护困难，人机界面操作不便，编写程序较麻烦；2 ) 程序可移植性差；3 ) 控制精度不高，加工高品质纱线 难度较大。 现场总线技术在纺织机械上的应用是一个较新 的研究方向，国外也只有少数设备应用这项技术，主 要应用于织造设备。国内对现场总线在其他纺织机 械上的应用也有研究。本文应用P C I ( p e r i p h e 谳 c o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 局部总线技术实现新型捻线 机控制系统的设计1 。 新型捻线机传动系统的设计 新型捻线机主要由动力部分、高倍捻单

12、元、传动 和控制部分组成。动力部分有4 台电动机( 2 台交 流异步电动机和2 台交流伺服电动机) 。新型捻线 机传动系统如图1 所示。 图l 新型捻线机传动系统示意图 F i g 1T r a n 哪i s 8 i 佣s y s t e mo ft h el a l e s tt w i s t i I l gm a c h i 传动系统的工作过程：交流异步电动机( 主电 机) 通过皮带盘经龙带切向传动左右两侧锭子，依靠 张紧轮和压轮保持龙带对锭盘有一定的压力；卷绕 罗拉单独由1 台交流异步电动机通过同步带传动； 两侧导纱杆各采用l 台交流伺服电动机通过皮带拖 动滚珠丝杆带动导纱杆作往复直线

13、运动。锭子的转 动由交流异步电动机( 主电动机) 通过龙带切向传 动，卷绕回转运动由另一台交流异步电动机( 卷绕电 动机) 通过同步带驱动摩擦滚筒实现，这2 台交流异 步电动机通过变频调速器调速控制；往复导纱运动 分别由2 个交流伺服电动机驱动滚珠丝杠，带动导 纱杆实现往复导纱运动。4 个电动机的运动由微机 协调控制，实现对纱线加捻、卷绕的工艺目标，使所 加工纱线的捻度、卷绕角、卷装成形符合工艺要求。 该系统取消了传统的导纱成形凸轮机构，防叠机构， 捻度变换齿轮机构，防凸边、硬边机构，机械结构简 单。交流伺服电动机使导纱运动灵活、可靠、便于 控制。 2 传动系统数学模型的建立 新型捻线机实现捻

14、线工艺的运动主要有3 个： 主电动机通过龙带带动锭子转动；卷绕电机通过同 步带驱动摩擦滚筒实现卷绕运动；交流伺服电动机 通过齿形带轮传动滚珠丝杆带动导纱杆实现往复导 纱运动。3 个运动由微机通过控制程序统一协调。 2 1 主电动机转速，的计算 根据主电机到锭子的传动路线可以得到主电机 的转速公式旧1 ： l - 芈 ( 1 ) 上，l 式中：虬为锭子转速，r s ，不同规格的纱线其锭子转 速范围不同；D 。为从带轮直径，m ；D 。为主带轮直 径。m 。 2 2 卷绕电机转速：的计算 卷绕电机的速度归1 为： v ：= 等等 ( 2 ) 式中：r 为捻度，捻m ；K 为高倍加捻系数；E 为摩

15、擦滚筒表面的线速度，I I l ，s ；r 为摩擦滚筒半径，m 。 由式( 2 ) 可知，新型捻线机加捻过程中在主电机 速度不变的条件下，捻度确定，卷绕速度也就确定 了，所以加捻过程中卷绕速度不能发生变化，卷绕筒 子采用没有槽形的摩擦滚筒传动。 2 3 伺服电机转速。的计算 导纱运动规律应根据给定的卷装上纱圈形状来 确定，然而纱圈形状多种多样，不同工艺条件下卷装 纱图形状可以不同。根据导纱杆往复运动及防叠防 硬边理论，鉴于等速导纱规律也能满足目前卷绕工 艺要求，本系统仍以等速运动规律为例来分析。为 了运行过程中的平稳性，选用速度控制方式实现对 伺服电机的控制。为防止两端瞬时换向时加速度突 变在

16、换向点产生较大的惯性冲击，在换向点处必须 采用适当的运动规律，以减小换向点的加速度突变， 系统利用伺服电机系统自带的s 曲线控制模型，达 到理想的控制效果。 由于1 个周期内，导纱杆往返各1 次，往返运动 规律基本相同，方向相反，故只研究半个导纱周期内 的运动规律即可。可以推出导纱运动的数学模 型【1 0 3 ：。：， 一= ，c c ，。( 1 ，+ 蛐址悫0 ( 3 ) 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第7 1 2 期魏平俊等：基于P C I

17、总线的新型捻线机传动与控制系统 1 1 5 式中：山。为伺服电动机的旋转角速度，r a d s ；c c ，。为 伺服电动机旋转基本角速度，蒯s ( 等速导纱时伺服 电动机的旋转角速度) ；蠡：、| ，为速度调节系数，参 考经验可取知：= 1 2 0 ，J | ，= 1 1 0 ；死为导纱杆往复在 2 个折返点附近作变速运动的时间间隔，s 。 伺服电机的速度，可由下式求得： 3 = d ，2 丌( 4 ) 从式( 3 ) 、( 4 ) 可知伺服电机在运行时为正弦曲 线。伺服电机速度规律曲线如图2 所示。 o 的 吕 零 瓦 f s 图2 伺服电机运行曲线 F i g 2 肺v ed i a g

18、 r a mo f 0m o t o r 伺服电动机实现图2 所示的曲线运动，即可完 成往复导纱运动。它既能满足交流伺服电动机的特 性要求，也能满足纱线成形卷绕的需要。由于导纱 运动单独由伺服电动机通过程序控制实现，只需修 改控制程序即可改变导纱运动规律，从而得到不同 形状的卷装。 各电动机之间的关系决定了加工纱线的捻度、 卷装成形，控制和协调它们之间的运动关系是保证 纱线符合工艺要求的关键。 3 控制系统的设计 3 1 系统的主要功能 根据对捻线机的加捻和卷绕成形的理论分析， 新型捻线机控制系统的主要功能为：1 ) 根据用户的 不同要求，通过人机界面输入不同的参数，经设计程 序计算，将参数转

19、换为控制信号，驱动电机和执行机 构运动，完成加捻和卷绕成形，得到规定捻度的纱 线，使系统具有很强的灵活性和适应性；2 ) 通过程序 实现防叠、防硬边及捻度变换等功能；3 ) 在线监测实 际运行的工艺参数，如各电机的转速、捻度等；4 ) 产 量自动累计。 3 2 控制方案设计 按照图l 所示传动系统，新型捻线机控制系统 的硬件结构框架如图3 所示。P C 机负责人机交互 界面的管理和实时监控等方面的工作( 例如参数的 输入、系统状态的显示、控制指令的发送等) ；数据采 集卡负责采集所需数据，反馈给P C 机，运动控制卡 通过驱动器驱动交流伺服电机完成导纱杆运动控制 的所有细节( 包括速度和位置的

20、控制) ；变频调速器 调节主电机和卷绕电机的速度。其中，运动控制卡 采用P C I 1 2 4 0 运动控制卡哺1 ，数据采集卡采用P c I 1 7 1 0 数据采集卡，变频调速器采用F R E 5 4 0 和F R E 5 0 0 变频调速器。 图3 新型捻线机控制系统硬件结构框架图 F i g 3 H a r ；d w a r es t m c t u 陀o ft I l el a t e s tt w i s t i n g 4 m c h i n ec o n t ls y s t e m P c 机与变频调速器之间采用R S 4 8 5 串行通信 方式，控制主电机和卷绕电机的速度，

21、通过P c I 1 2 4 0 运动控制卡控制交流伺服电机实现往复导纱运 动“ 】，整个运动过程中的速度、位移等数据的采集由 速度传感器、接近开关传递给P C I 1 7 1 0 数据采集 卡，实现在线监测。 4系统验证 。实验在x Y 3 8 8 型倍捻机( 去掉了机械传动装 置、捻度变换装置等) 上进行。 4 1 参数设置 变频器通信参数的设置。为使变频器和计算机 之间通过R S - 4 8 5 通信，必须对变频器有关通信的参 数预先用变频器面板进行必要的设定。 P C I 板卡安装与设置。当计算机机箱中有2 张 卡片时，必须设置机板代码。P C I 1 7 l O 和P C I 1 2

22、4 0 有1 个内建盼D I P 开关( S W I ) ，是用以定义每张卡片 在公用程序中的机板代码，程序通过机板代码识别 卡片。本文中P c I 一1 7 1 0 数据采集卡的机板代码为 “0 ”，P C I 1 2 4 0 运动控制卡的机板代码为“l ”。 4 2 程序调试 程序的调试分不同的模块进行。 1 ) 通信模块程序凋试。通过调用通信程序模块 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 11 6 纺织学报第2 8 卷 控制变频调速器，从而控制主电

23、机和卷绕电机的 速度。 2 ) 数据采集模块程序调试。调用该程序模块， 检测P C I 1 7 1 0 数据采集情况，包括速度传感器和行 程开关输出情况。 3 ) 运动控制模块程序调试。调用该程序模块， 通过P c I 1 2 4 0 运动控制卡控制交流伺服电机的驱 动器，达到控制交流伺服电机的目的。调试时，以不 同的速度、加速度运行。 4 ) 系统调试。检测整个系统的协调性和预期 功能。 4 3 实验结果 实验时锭速60 0 0r m i n 、卷绕速度3 0 “r n i n 、往 复导纱频率4 0 次m i n ，导纱动程1 5 0m m 。 通过人机界面，在硬件许可范围内可以实现不 同

24、捻度纱线的加工和不同卷绕角的卷绕成形。卷装 元重叠、硬边、凸边现象。实验结果表明，设计的传 动与控制系统能实现新型捻线机的加捻卷绕的工艺 目标。 5结语 本文应用P C I 局部总线、技术设计的新型捻线 机控制系统，将高倍加捻方法应用于捻线设备，简化 传统捻线机复杂的机械传动系统，用多电机传动系 统取代机械传动系统，通过计算机来控制多电机协 调运动，实现捻线机的锭子回转、筒子卷绕、导纱杆 往复导纱运动，得到不同捻度和捻向的纱线。其突 出优点是：加捻效率高；控制更方便，更适合小批量、 多品种生产；机械结构简单，有利于维护与保养；传 动路线缩短，功耗减少，而且故障率低。软件系统维 护简单，人机界面

25、操作方便，程序移植性好。总线技 术与捻线机控制系统有机地结合可提高捻线机的技 术含量、附加值和市场竞争力。燃臻 参考文献： 1 曹红梅，沈晓飞。任学勤，等C H F 导入式倍捻锭 子 J 纺织学报，2 0 0 6 ，2 7 ( 3 ) ：7 7 7 8 2 徐海黎基于c c u I l k 的并条生产系统的研究 J 纺 织学报，2 0 0 3 ，2 4 ( 5 ) ：5 6 5 7 3 】王应铃国外倍捻机的优势及我国的发展对策 J 丝 绸技术，1 9 9 5 ( 2 ) ：4 0 一4 2 4 丁小命电动机的单片机控制 M 北京：北京航空航 天大学出版社，2 0 0 2 5 7 r a j 删

26、s i m u n i i c ，L n c aB e n i I I iG i o v 龃描D eM i 曲e l i e t a l S o u r c ec o d eo p t i m i z a t i o n 肌dp r o f i l i n go fe n e r 盱c o 璐u m p t i o n i ne m b e d d e d8 y s t e 鹏 C ，P r o c e e d i n 伊0 fI E E EI n t e m a t i o n a l S y m p i u m 帆S y s t e mS y n t h e s i s M a 摘d ：

27、s n ，2 0 0 0 ： 1 9 3 一1 9 8 6 】梅顺齐，张智明，尤洪松基于成形步进控制的往复导 纱系统的研究 J 机电产品开发与创新，2 0 0 3 ( 4 ) ： 6 4 6 5 7 王磊P c I 总线电机控制卡的w D M 设备驱动程序设 计 J 】自动化技术与应用，2 0 0 3 ( 6 ) ：5 2 5 4 “ 8 张文赛。陈铭右加捻过程基本原理 M 北京：纺织 工业出版社，1 9 8 0 9 王小勇现代工业控制领域的主力军变频调速 器 J 青海电力，1 9 9 4 ( 2 ) ：6 9 7 0 1 0 冀森彪，高志毅，宋立平电子控制的往复导丝系 统 J 纺织机械，2

28、0 0 2 ( 4 ) ：4 5 4 6 ( 上接第1 0 9 页) 【2 】陆再生棉纺设备 M 北京：中国纺织出版社，1 9 9 5 。影响【J 纺织学报，2 0 0 6 ，2 7 ( 4 ) ：7 0 一7 3 3 李伟。王维拉细羊毛及其混纺毛条的加工性能 J 5 刘辉，郁崇文苎麻牵切纺纱的牵切工艺探讨 J 中 纺织学报，2 0 0 4 ，2 5 ( 4 ) ：3 4 3 5 国麻业，2 0 0 5 ，2 7 ( 5 ) ：2 6 5 2 6 8 4 王光，孙鹏子给棉板与刺辊隔距对纤维长度分布的 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark