摘　要:采用110BF003步進電機對瑞士進口的SAURER400 型織機的機械式送經(jīng)機構(gòu)進行改進,給出了機構(gòu)設(shè)計和電機控制方法. 實驗結(jié)果表明,步進電機送經(jīng)裝置優(yōu)于機械式送經(jīng),對張力波動控制靈敏,稀密路下降,斷頭少,操作方便,成本低,具有推廣價值. 關(guān)鍵詞:步進電機; 電子送經(jīng); SAURER400型織機; 控制方法 Abstract: The mechanical let2off system of the SAURER400 loom is imp roved by 110BF003 stepp ingmotor. An imp roved mechanism system which suits to stepp ingmotor and a waywhich controls stepp ingmotor are p rovided. The ex2 periments indicate that this let2off system with stepp ingmotor p recedes to the mechanism system and is sensitive to the tension fluctuation, and makes the stop mark, heavy streak and broken ends decrease perfectly. This sys2tem is easier to operate and economical. It can be used for reference. Key words: stepp ingmotor; electronic let2off system; SAURER400 loom; controllingmethod 目前,國內(nèi)仍有許多無梭織機采用機械式送經(jīng)結(jié)構(gòu)[sup][ 1 ][/sup] ,其缺點在于:加工誤差和機械磨損較大,控制精度不高;對緯密等織造參數(shù)進行修改時需調(diào)換齒輪,操作不便而且機構(gòu)復(fù)雜;織機高速運轉(zhuǎn)時,動態(tài)響應(yīng)差;經(jīng)紗張力調(diào)節(jié)困難等[sup][ 2, 3 ][/sup] . 因此,許多紡織廠需要對原有的機械式送經(jīng)織機進行改造. 本文采用步進電機對一臺從瑞士進口的采用了機械式送經(jīng)機構(gòu)的SAUR2ER400型剛性劍桿織機進行了電子送經(jīng)機構(gòu)改造. 采用單片機來控制步進電機,通過單片機定時器T1來控制電機頻率;通過定時時間長短改變脈沖寬度;通過使T1初值勻速變化來實現(xiàn)電機的加減速;并通過實驗檢測了該改進機構(gòu)的有效性. 1　步進電機的選用 傳統(tǒng)的電子送經(jīng)系統(tǒng)中,送經(jīng)電機一般采用交直流伺服電機. 直流伺服電機的線性調(diào)速范圍較大,易控制,效率高,但電刷產(chǎn)生的電火花將干擾控制系統(tǒng)的正常工作且有安全隱患;交流伺服電機低速性能好,抗電磁干擾,但機械特性較軟,線性調(diào)速區(qū)小,與之配套的變頻調(diào)速器價格較為昂貴[sup][ 4 ][/sup] . 相比較而言,步進電機具有功能靈活多樣、脈沖輸出準確、實時性強和高頻特性好等特點,通過軟件設(shè)計可以實現(xiàn)多種復(fù)雜的控制,其系統(tǒng)成本較低,但其力矩較小. 在織造過程中,送經(jīng)電機正轉(zhuǎn),使織軸正傳送出經(jīng)紗時,經(jīng)紗張力不是負載阻力,而是驅(qū)動力,步進電機只需要輸出較小的力矩,就能送出經(jīng)紗;當送經(jīng)電機反轉(zhuǎn)張緊經(jīng)紗時,經(jīng)紗張力是負載阻力,步進電機需要輸出較大的驅(qū)動力矩. 此次設(shè)計選用反應(yīng)式步進電機110BF003,起動頻率1 500 Hz,運轉(zhuǎn)頻率7 000 Hz. 其轉(zhuǎn)矩特性如圖1所示. 根據(jù)矩頻特性曲線可知,當電機頻率達到一定時,轉(zhuǎn)矩急劇下降. 在送經(jīng)時,有時間限制,電機頻率要求較高,此時正好電機轉(zhuǎn)矩要求不高;而電機反轉(zhuǎn)張緊經(jīng)紗時,沒有時間限制,可以降低頻率,來達到電機轉(zhuǎn)矩要求. 反應(yīng)式步進電機110BF003能滿足送經(jīng)需要,且電機和驅(qū)動器較便宜,性價比高. 2　織軸驅(qū)動系統(tǒng)改進 2. 1　SAURER400機械式送經(jīng)機構(gòu) SAURER400型織機采用機械式送經(jīng)機構(gòu),動力由主電機通過皮帶和齒輪等傳遞過來. 其機構(gòu)簡圖如圖2所示. 當筘座腳經(jīng)傳動帶動擺桿上下擺動時,超越離合器的套圈也隨之擺動,因而使超越離合器的內(nèi)外環(huán)共同轉(zhuǎn)動. 由于棘輪與離合器用螺釘連接在一起,此時棘爪帶動棘輪使之與離合器做同方向的轉(zhuǎn)動;由同軸的蝸桿帶動蝸輪,與蝸輪同軸的送經(jīng)齒輪再與織軸邊盤齒輪嚙合,最后帶動織軸轉(zhuǎn)動,送出相應(yīng)長度的經(jīng)紗. 2. 2　改進機構(gòu) 改進后的電子送經(jīng)機構(gòu)簡圖如圖3所示.在機械式傳動連桿處將其斷開,改用單獨的步進電機作為送經(jīng)電機來驅(qū)動此送經(jīng)裝置. 由簡圖可看出,電機通過減速器帶動設(shè)計齒輪3與齒輪2嚙合,然后直接傳到與齒輪2同軸的蝸桿、蝸輪,之后傳到送經(jīng)齒輪與織軸邊盤齒輪嚙合,最后帶動織軸轉(zhuǎn)動以達到送經(jīng)的目的. 其中的減速器、齒輪2、齒輪3和蝸輪、蝸桿都為電機起到了減速作用. 3　步進電機的速度控制 3. 1　步進電機轉(zhuǎn)速計算 設(shè)經(jīng)紗直徑為D, 織物規(guī)格中緯密為Pw ,則要求每緯的送經(jīng)量為[sup][ 5 ][/sup] : 主軸每轉(zhuǎn)一周,電機需運轉(zhuǎn)步數(shù)為: 式中, n1[sub]max[/sub]為電機最大脈沖個數(shù); n1[sub]min[/sub]為電機最小脈沖個數(shù). 此時電機頻率很大,大于啟動頻率,不能直接采用勻速運行,存在加減速問題. 3. 2　電機加減速控制 電機加減速控制是指步進電機每次運行經(jīng)歷啟動、加速、恒速、減速和停止幾個過程. 因此,步進電機的工作頻率是不停變化的. 在啟動加速過程中,步進電機的工作頻率逐漸升高至運行頻率. 需要注意的是,若升頻過快,前一拍驅(qū)動脈沖未能使電機轉(zhuǎn)子進入下拍的動態(tài)穩(wěn)定區(qū),電機就會出現(xiàn)失步現(xiàn)象;但升頻過慢,電機升速時間過長也不能滿足某些工藝的要求. 目前國內(nèi)外步進電機加減速控制方法,主要有直線型加減速速度曲線和指數(shù)型加減速速度曲線[sup][ 6 ][/sup] . 本次設(shè)計采用單片機內(nèi)部的定時器來實現(xiàn)步進電機脈沖的發(fā)送,在每次進入定時中斷后,改變定時常數(shù),從而升速時使脈沖頻率逐漸增大,減速時使脈沖頻率逐漸減小. 若采用指數(shù)型加減速曲線來控制加減速,需要事先做好單片機定時器初值表,計算量較大,較麻煩. 因此本次實驗采用單片機初值直線加減速,介于直線型加減速和指數(shù)型加減速兩者之間,如圖4所示,圖中f[sub]o[/sub] 為起始頻率, f[sub]h[/sub] 為勻速時頻率, t[sub]h[/sub] 為每周期運轉(zhuǎn)終止時間. 由于單片機計數(shù)器是加計數(shù),步進電機速度是曲線變化,接近曲線型,此方法編程簡單,效果優(yōu)于直線型加減速控制. 設(shè)計中采用定時器T1來產(chǎn)生電機脈沖,定時器定時到一次,從單片機P1. 0口發(fā)出一個脈沖,電機運行一步,加減速時每個臺階運行4步,相鄰兩個臺階間定時器初值差16. 其流程圖如圖5所示. 3. 3　脈沖數(shù)調(diào)整 本設(shè)計采用增量式的PID控制,但電機運轉(zhuǎn)是以步數(shù)為單位的, PID運算所得數(shù)據(jù)不能直接來調(diào)整電機運轉(zhuǎn)步數(shù),需要進行一定的比較判斷. 在織機運轉(zhuǎn)一周內(nèi),A /D對張力值進行8次采樣,由單片機取得這些數(shù)據(jù)進行平均計算,所得值作為本周張力值. 將本值與所設(shè)定的標準張力值進行比較,差值通過PID 運算,得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過一定比較判斷,可得到下周電機需運轉(zhuǎn)的步數(shù).計算下周電機需送脈沖數(shù)的程序流程圖如圖6所示. [align=center] 圖5　T1中斷流程圖[/align] 同樣脈沖個數(shù)n次后, 將這脈沖個數(shù)調(diào)整為脈沖基數(shù),在這個基數(shù)上對脈沖數(shù)進行調(diào)整. n記為調(diào)整次數(shù),所調(diào)整的脈沖個數(shù)記為調(diào)整數(shù). 先設(shè)定調(diào)整次數(shù)為10, P ID計算所得數(shù)據(jù)放在兩個字節(jié)中. 先對高字節(jié)進行比較,如高字節(jié)大于零,調(diào)整次數(shù)改為3,同時若本周張力超出范圍,調(diào)整數(shù)定為4,反之則定為8;若高字節(jié)小于零,對低字節(jié)進行比較,若大于BAH,調(diào)整數(shù)定為4,若小于BAH大于46H,調(diào)整數(shù)定為2. P ID計算結(jié)果,若為正則脈沖基數(shù)加上調(diào)整數(shù),即為下周電機脈沖數(shù);若為負則減. 若本周張力超出范圍,則減緩脈沖變換速率,即調(diào)整次數(shù)變?yōu)?. 根據(jù)調(diào)整次數(shù)來判斷是否應(yīng)改變脈沖基數(shù). [align=center] 圖6　電機脈沖數(shù)調(diào)整流程圖[/align] 4　實驗結(jié)果 針對改進機構(gòu)做了大量實驗. 由于受到織機的5大運動影響,一個周期內(nèi),張力有一波動范圍. 張力值通過傳感器測量,經(jīng)放大器放大,輸出0～5 V電壓,此電壓和壓力值成正比,經(jīng)過A /D采樣,送到單片機,單片機對此數(shù)據(jù)進行一定處理,計算得出電機需送脈沖數(shù). 實驗時首先讓織機仍采用機械式送經(jīng)機構(gòu),對張力值進行采樣,將所得張力值作為本次織物的張力標準值. 實驗初始電機運轉(zhuǎn)步數(shù)根據(jù)前面理論計算得出,在此基礎(chǔ)上通過張力來調(diào)整實際電機需運轉(zhuǎn)的步數(shù).實驗所得電機需運轉(zhuǎn)步數(shù)基數(shù)同理論計算所得值差別不大. 理論值和改進機構(gòu)送經(jīng)基數(shù)對比如表1所示. 電機運轉(zhuǎn)步數(shù)由脈沖數(shù)決定,一個脈沖對應(yīng)電機運轉(zhuǎn)一步,脈沖數(shù)只能取整數(shù). 實驗證明,改進機構(gòu)能夠使織機正?？棽?能保證張力在343～378 N內(nèi)波動. 改進機構(gòu)張力值為490 N時電機都可以倒轉(zhuǎn),調(diào)整時間可控制在8周期內(nèi). [align=center]表1　改進機構(gòu)送經(jīng)基數(shù)理論值和實驗值對比 [/align] 　在溫度28 ℃、濕度650 /0 ,主軸轉(zhuǎn)速為390 r /min,織物品種為58. 3 ×58. 3 tex、200 ×200根/10 cm、160 cm毛滌平布條件下,分別采用機械式送經(jīng)和此次改進系 統(tǒng)來試驗,測試結(jié)果如表2所示. [align=center]表2　兩種送經(jīng)方式比較 [/align] 5　結(jié)論 （1）步進電機能在SAURER400織機電子送經(jīng)改造中應(yīng)用,并能很好地發(fā)揮步進電機優(yōu)點,轉(zhuǎn)速控制方便,實時性好,成本低. （2）只對原機械式送經(jīng)機構(gòu)做一些變動,就能使步進電機驅(qū)動織軸轉(zhuǎn)動,變?yōu)殡娮邮剿徒?jīng). 此方法比之機械式更簡單,適應(yīng)性更強. 更換織物時,只需設(shè)置參數(shù),程序可以自動調(diào)整,不需要變動機械結(jié)構(gòu). （3）經(jīng)改進后的電子送經(jīng)裝置對張力控制較靈敏,稀密路控制好,斷頭率較少. （4）實驗表明,該系統(tǒng)操作方便,成本低,具有老機改造和新機配套的推廣價值. 參考文獻: [ 1 ] 　毛新華. 紡織工藝與設(shè)備[M〗. 北京:中國紡織出版社,2004. [ 2 ] 　周駿彥,肖　強. 基于單片機的電子送經(jīng)卷取控制系統(tǒng)設(shè)計[ J ]. 計算機測量與控制, 2005, 13 （7） : 698 - 700. [ 3 ] 　周其洪,何永義,郭　帥. 基于DSP的智能電子送經(jīng)控制系統(tǒng)[ J ]1機電一體化, 2003, （6） : 59 - 62. [ 4 ] 　陳　革,毛立民,林　申. 電子送經(jīng)織軸驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計[ J ]. 東華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2005, 31 （6） : 66 - 69. [ 5 ] 　楊建成,蔣秀明. SAURER400型織機送經(jīng)機構(gòu)改進設(shè)計[ J ]1天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2006, 25 （5） : 55 - 57. [ 6 ] 　劉向東,王述東,王桂蓮. 沖床步進電機加減速運動的研究[J ]1佳木斯大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2005, 23 （4） : 577 - 578.