1  引言

伺服系統(tǒng)是用來精確地跟隨或復現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)，又稱隨動系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位移或移動速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)， 其作用是使輸出的機械位移（或轉(zhuǎn)角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。

貝加萊伺服控制系統(tǒng)由于其優(yōu)越的性能，已被廣泛地應用于紡織、包裝、機器人、塑料、風能、印刷、治金、半導體等行業(yè)。

圖1 貝加萊伺服控制系統(tǒng)

貝加萊伺服驅(qū)動器采用模塊化設(shè)計，支持高速以太網(wǎng)協(xié)議PowerLink，通訊循環(huán)周期僅400us，控制循環(huán)僅50us，適合于高速、高精度的控制場合。

除了簡單的運動控制外，還擁有強大的多軸控制功能，包括電子齒輪、電子凸輪、任意曲線跟隨和CNC。主軸信號可取自編碼器、某些傳感器、數(shù)學模型計算值等。

擁有強大的集成軟件平臺Automation Studio的支持。該平臺集編程、調(diào)試和測試于一體，支持梯形圖、結(jié)構(gòu)化文本、Basic和C語言編程；支持聯(lián)機調(diào)試和仿真調(diào)試；支持在線數(shù)據(jù)采集分析（示波器功能）。

在機械加工過程中，高標準的伺服控制器對于精度、質(zhì)量和動態(tài)性能有著致關(guān)重要的作用，這就意味著控制理念和控制器的設(shè)置將起決定性的作用。

級聯(lián)控制器（或稱串級控制器）概念是貝加萊伺服驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)精髓，位置閉環(huán)控制器、速度閉環(huán)控制器、電流閉環(huán)控制器是級聯(lián)的，按照設(shè)定值工作。因此，在級聯(lián)控制器系統(tǒng)中，較高一級控制器的輸出變量成為了較低一級控制器的設(shè)定值（例如，位置閉環(huán)控制器輸出的設(shè)定速度決定了速度閉環(huán)控制器的設(shè)定值）。

圖2  級聯(lián)控制器結(jié)構(gòu)

2  多軸向鋪緯經(jīng)編設(shè)備概述

經(jīng)編工業(yè)是針織工業(yè)的一個重要組成部分，由于其織物具有獨特的性能以及生產(chǎn)高效率而得到快速發(fā)展。隨著現(xiàn)代自控技術(shù)的發(fā)展，特別是伺服控制技術(shù)的突破，越來越多的自控生產(chǎn)機械擯棄了機械凸輪，采用了無軸化設(shè)計，大大地提高了生產(chǎn)效率?，F(xiàn)代電子經(jīng)編機的設(shè)計也順應了這一時代潮流。

多軸向鋪緯經(jīng)編機作為經(jīng)編機中的高端機型，其復合織物可用于航空航天、兵工、造船、汽車、建筑、風電等行業(yè)，前景非常廣闊。多軸向鋪緯經(jīng)編機機械結(jié)構(gòu)復雜，控制難度高。國外設(shè)備一套售價需要人民幣一千萬元以上，而且由于其織物可用于多種敏感行業(yè)，國外對該設(shè)備出口管控嚴格。

如圖3所示，多軸向經(jīng)編機由電子收卷（EFA）、電子牽拉（EWA）、電子送經(jīng)（EBC）、鋪緯系統(tǒng)等幾大部份組成。該設(shè)備配置了14個軸的伺服控制系統(tǒng)，包括主軸、鏈條軸、托布軸、鋪緯系統(tǒng)(每套有X、Y兩軸組成，共3套6個伺服軸)、送經(jīng)（3軸）、牽拉軸、收卷軸。運動控制技術(shù)用到了電子齒輪、電子跟隨、CNC。該多軸向鋪緯經(jīng)編機的控制系統(tǒng)如圖4所示。下面主要介紹電子送經(jīng)及鋪緯系統(tǒng)的控制原理。

圖3  多軸向鋪緯經(jīng)編機設(shè)備構(gòu)成

圖4   多軸向鋪緯經(jīng)編機控制系統(tǒng)示意圖

2.1  電子送經(jīng)系統(tǒng)

電子送經(jīng)機構(gòu)作為現(xiàn)代高速經(jīng)編機重要部分之一，具有操作方便、精度高、重現(xiàn)性好、噪聲低、機速快等優(yōu)點。電子送經(jīng)需要配合主軸的成圈機構(gòu)精確、穩(wěn)定地送出所需紗量，完成對鋪設(shè)好的緯紗進行縫紉。由于盤頭退繞造成直徑不斷減小，為保證送紗線速度不變，需要可靠地計算當前的角速度，并且要在高速送紗的過程中，實時變更控制參數(shù)，否則就會造成崩紗。這就對運動控制系統(tǒng)的響應時間提出了較高要求。這里使用了貝加萊的從軸跟隨技術(shù)。

圖5  電子送經(jīng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成

如圖5所示，電子送經(jīng)系統(tǒng)主要包括以下環(huán)節(jié)：

① 測長羅拉；

② 伺服驅(qū)動器；

③ 伺服電機；

④、⑤  傳動裝置。

通過對送經(jīng)原理的分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)控制算法的自變量不是時間，而是經(jīng)軸紗線卷繞外徑，也即外周長的變化。

所采用的算法基于以下原則：在一定的主軸速度下需要消耗的經(jīng)紗長度與相應的經(jīng)軸送經(jīng)速度下的繞紗長度相等。間接計算法則假設(shè)紗線均勻地逐層纏繞在經(jīng)軸上，而經(jīng)軸當前紗繞外周長與經(jīng)軸退繞圈數(shù)成線性關(guān)系。

由分析得出：利用新經(jīng)軸上機時輸入的經(jīng)軸滿卷時紗繞外周長Cmax、經(jīng)軸空繞時外周長Cmin、經(jīng)軸滿卷時紗繞總?cè)?shù)W等參數(shù)和每一周期內(nèi)經(jīng)軸的退繞總?cè)?shù)Zi，按照一定公式可實現(xiàn)對經(jīng)軸電機當前轉(zhuǎn)速設(shè)定值Nbmi的計算，而其中的Cmax和W值則可直接從整經(jīng)工藝中獲得。2.2  鋪緯系統(tǒng)

2.2.1 鋪緯工藝簡介

鋪緯系統(tǒng)是多軸向鋪緯經(jīng)編機的核心系統(tǒng)，也是整機的控制難點所在。設(shè)計要求是每組鋪緯器要分別在運行的軌道上動態(tài)地完成不同角度（三組鋪緯器可分別設(shè)置從±45度到90度的角度）的緯紗鋪設(shè)，如圖6所示。鋪好的緯紗輸送至機頭完成縫紉。這里使用了CNC數(shù)控技術(shù)。

圖6  多軸向鋪緯&經(jīng)編示意圖

2.2.2  鋪緯運動軌跡概述

完成一次鋪緯動作稱一個鋪緯周期，在左、右二個導軌的鋪緯使用的時間相同，但鋪緯軌跡不同，因此二個鋪緯周期稱為一個鋪緯循環(huán)。

在一個鋪緯周期中，有不同方向的機械運動，也有停等時刻，它們所需時間可以合理分配時鐘脈沖數(shù)來度量，如壓紗板抬起的動作，若分配的時鐘脈沖少了，那未壓紗板還未抬起，小車就移動了，這樣壓紗板會打壞緯紗鉤；若分配的時鐘脈沖太多，因為一個鋪緯周期的時鐘數(shù)是固定的，其他動作分配的時間就少了，影響其他動作，因此必須統(tǒng)籌分配。

一個鋪緯周期的時鐘脈沖數(shù)隨密度、鋪緯寬度而變化，如極限條件T=2865.12脈沖/周期；常規(guī)條件T=8595.36脈沖/周期。為了使控制模型簡化，一般在極限條件下盡可能地合理分配各動作的時鐘脈沖數(shù)，使其能基本正常工作，并將它折算成百分比，對于不同鋪緯周期的時鐘脈沖數(shù)，按此比例來進行分配。

3  結(jié)束語

該設(shè)備投產(chǎn)后，經(jīng)實踐檢驗，各方面技術(shù)指標均達到了設(shè)計要求，并通過了部級科技成果鑒定。有關(guān)認證結(jié)論為：該經(jīng)編機的研制成功，填補了國內(nèi)高速幅寬多軸向經(jīng)編機的空白，整機性能達到國際先進水平。該成果獲得中國紡織工業(yè)協(xié)會科技進步二等獎、江蘇省科技進步三等獎、常州市科技進步一等獎。