摘　要:采用110BF003步進(jìn)電機(jī)對(duì)瑞士進(jìn)口的SAURER400 型織機(jī)的機(jī)械式送經(jīng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),給出了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和電機(jī)控制方法. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,步進(jìn)電機(jī)送經(jīng)裝置優(yōu)于機(jī)械式送經(jīng),對(duì)張力波動(dòng)控制靈敏,稀密路下降,斷頭少,操作方便,成本低,具有推廣價(jià)值. 關(guān)鍵詞:步進(jìn)電機(jī); 電子送經(jīng); SAURER400型織機(jī); 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(guó)內(nèi)仍有許多無(wú)梭織機(jī)采用機(jī)械式送經(jīng)結(jié)構(gòu)[sup][ 1 ][/sup] ,其缺點(diǎn)在于:加工誤差和機(jī)械磨損較大,控制精度不高;對(duì)緯密等織造參數(shù)進(jìn)行修改時(shí)需調(diào)換齒輪,操作不便而且機(jī)構(gòu)復(fù)雜;織機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),動(dòng)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(duì)原有的機(jī)械式送經(jīng)織機(jī)進(jìn)行改造. 本文采用步進(jìn)電機(jī)對(duì)一臺(tái)從瑞士進(jìn)口的采用了機(jī)械式送經(jīng)機(jī)構(gòu)的SAUR2ER400型剛性劍桿織機(jī)進(jìn)行了電子送經(jīng)機(jī)構(gòu)改造. 采用單片機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī),通過(guò)單片機(jī)定時(shí)器T1來(lái)控制電機(jī)頻率;通過(guò)定時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短改變脈沖寬度;通過(guò)使T1初值勻速變化來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的加減速;并通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)了該改進(jìn)機(jī)構(gòu)的有效性. 1　步進(jìn)電機(jī)的選用 傳統(tǒng)的電子送經(jīng)系統(tǒng)中,送經(jīng)電機(jī)一般采用交直流伺服電機(jī). 直流伺服電機(jī)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(jī)低速性能好,抗電磁干擾,但機(jī)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(jià)格較為昂貴[sup][ 4 ][/sup] . 相比較而言,步進(jìn)電機(jī)具有功能靈活多樣、脈沖輸出準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和高頻特性好等特點(diǎn),通過(guò)軟件設(shè)計(jì)可以實(shí)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(guò)程中,送經(jīng)電機(jī)正轉(zhuǎn),使織軸正傳送出經(jīng)紗時(shí),經(jīng)紗張力不是負(fù)載阻力,而是驅(qū)動(dòng)力,步進(jìn)電機(jī)只需要輸出較小的力矩,就能送出經(jīng)紗;當(dāng)送經(jīng)電機(jī)反轉(zhuǎn)張緊經(jīng)紗時(shí),經(jīng)紗張力是負(fù)載阻力,步進(jìn)電機(jī)需要輸出較大的驅(qū)動(dòng)力矩. 此次設(shè)計(jì)選用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)110BF003,起動(dòng)頻率1 500 Hz,運(yùn)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(dāng)電機(jī)頻率達(dá)到一定時(shí),轉(zhuǎn)矩急劇下降. 在送經(jīng)時(shí),有時(shí)間限制,電機(jī)頻率要求較高,此時(shí)正好電機(jī)轉(zhuǎn)矩要求不高;而電機(jī)反轉(zhuǎn)張緊經(jīng)紗時(shí),沒(méi)有時(shí)間限制,可以降低頻率,來(lái)達(dá)到電機(jī)轉(zhuǎn)矩要求. 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)110BF003能滿足送經(jīng)需要,且電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器較便宜,性價(jià)比高. 2　織軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn) 2. 1　SAURER400機(jī)械式送經(jīng)機(jī)構(gòu) SAURER400型織機(jī)采用機(jī)械式送經(jīng)機(jī)構(gòu),動(dòng)力由主電機(jī)通過(guò)皮帶和齒輪等傳遞過(guò)來(lái). 其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示. 當(dāng)筘座腳經(jīng)傳動(dòng)帶動(dòng)擺桿上下擺動(dòng)時(shí),超越離合器的套圈也隨之?dāng)[動(dòng),因而使超越離合器的內(nèi)外環(huán)共同轉(zhuǎn)動(dòng). 由于棘輪與離合器用螺釘連接在一起,此時(shí)棘爪帶動(dòng)棘輪使之與離合器做同方向的轉(zhuǎn)動(dòng);由同軸的蝸桿帶動(dòng)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(dòng)織軸轉(zhuǎn)動(dòng),送出相應(yīng)長(zhǎng)度的經(jīng)紗. 2. 2　改進(jìn)機(jī)構(gòu) 改進(jìn)后的電子送經(jīng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示.在機(jī)械式傳動(dòng)連桿處將其斷開(kāi),改用單獨(dú)的步進(jìn)電機(jī)作為送經(jīng)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)此送經(jīng)裝置. 由簡(jiǎn)圖可看出,電機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)設(shè)計(jì)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(dòng)織軸轉(zhuǎn)動(dòng)以達(dá)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(jī)起到了減速作用. 3　步進(jìn)電機(jī)的速度控制 3. 1　步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)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(jī)需運(yùn)轉(zhuǎn)步數(shù)為: 式中, n1[sub]max[/sub]為電機(jī)最大脈沖個(gè)數(shù); n1[sub]min[/sub]為電機(jī)最小脈沖個(gè)數(shù). 此時(shí)電機(jī)頻率很大,大于啟動(dòng)頻率,不能直接采用勻速運(yùn)行,存在加減速問(wèn)題. 3. 2　電機(jī)加減速控制 電機(jī)加減速控制是指步進(jìn)電機(jī)每次運(yùn)行經(jīng)歷啟動(dòng)、加速、恒速、減速和停止幾個(gè)過(guò)程. 因此,步進(jìn)電機(jī)的工作頻率是不停變化的. 在啟動(dòng)加速過(guò)程中,步進(jìn)電機(jī)的工作頻率逐漸升高至運(yùn)行頻率. 需要注意的是,若升頻過(guò)快,前一拍驅(qū)動(dòng)脈沖未能使電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)入下拍的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū),電機(jī)就會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象;但升頻過(guò)慢,電機(jī)升速時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也不能滿足某些工藝的要求. 目前國(guó)內(nèi)外步進(jìn)電機(jī)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(jì)采用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)脈沖的發(fā)送,在每次進(jìn)入定時(shí)中斷后,改變定時(shí)常數(shù),從而升速時(shí)使脈沖頻率逐漸增大,減速時(shí)使脈沖頻率逐漸減小. 若采用指數(shù)型加減速曲線來(lái)控制加減速,需要事先做好單片機(jī)定時(shí)器初值表,計(jì)算量較大,較麻煩. 因此本次實(shí)驗(yàn)采用單片機(jī)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(shí)頻率, t[sub]h[/sub] 為每周期運(yùn)轉(zhuǎn)終止時(shí)間. 由于單片機(jī)計(jì)數(shù)器是加計(jì)數(shù),步進(jìn)電機(jī)速度是曲線變化,接近曲線型,此方法編程簡(jiǎn)單,效果優(yōu)于直線型加減速控制. 設(shè)計(jì)中采用定時(shí)器T1來(lái)產(chǎn)生電機(jī)脈沖,定時(shí)器定時(shí)到一次,從單片機(jī)P1. 0口發(fā)出一個(gè)脈沖,電機(jī)運(yùn)行一步,加減速時(shí)每個(gè)臺(tái)階運(yùn)行4步,相鄰兩個(gè)臺(tái)階間定時(shí)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(jì)采用增量式的PID控制,但電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)是以步數(shù)為單位的, PID運(yùn)算所得數(shù)據(jù)不能直接來(lái)調(diào)整電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)步數(shù),需要進(jìn)行一定的比較判斷. 在織機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一周內(nèi),A /D對(duì)張力值進(jìn)行8次采樣,由單片機(jī)取得這些數(shù)據(jù)進(jìn)行平均計(jì)算,所得值作為本周張力值. 將本值與所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)張力值進(jìn)行比較,差值通過(guò)PID 運(yùn)算,得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一定比較判斷,可得到下周電機(jī)需運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù).計(jì)算下周電機(jī)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(gè)數(shù)n次后, 將這脈沖個(gè)數(shù)調(diào)整為脈沖基數(shù),在這個(gè)基數(shù)上對(duì)脈沖數(shù)進(jìn)行調(diào)整. n記為調(diào)整次數(shù),所調(diào)整的脈沖個(gè)數(shù)記為調(diào)整數(shù). 先設(shè)定調(diào)整次數(shù)為10, P ID計(jì)算所得數(shù)據(jù)放在兩個(gè)字節(jié)中. 先對(duì)高字節(jié)進(jìn)行比較,如高字節(jié)大于零,調(diào)整次數(shù)改為3,同時(shí)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(duì)低字節(jié)進(jìn)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(jì)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(jī)脈沖數(shù);若為負(fù)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(lái)判斷是否應(yīng)改變脈沖基數(shù). [align=center] 圖6　電機(jī)脈沖數(shù)調(diào)整流程圖[/align] 4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果 針對(duì)改進(jìn)機(jī)構(gòu)做了大量實(shí)驗(yàn). 由于受到織機(jī)的5大運(yùn)動(dòng)影響,一個(gè)周期內(nèi),張力有一波動(dòng)范圍. 張力值通過(guò)傳感器測(cè)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(guò)A /D采樣,送到單片機(jī),單片機(jī)對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行一定處理,計(jì)算得出電機(jī)需送脈沖數(shù). 實(shí)驗(yàn)時(shí)首先讓織機(jī)仍采用機(jī)械式送經(jīng)機(jī)構(gòu),對(duì)張力值進(jìn)行采樣,將所得張力值作為本次織物的張力標(biāo)準(zhǔn)值. 實(shí)驗(yàn)初始電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)步數(shù)根據(jù)前面理論計(jì)算得出,在此基礎(chǔ)上通過(guò)張力來(lái)調(diào)整實(shí)際電機(jī)需運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù).實(shí)驗(yàn)所得電機(jī)需運(yùn)轉(zhuǎn)步數(shù)基數(shù)同理論計(jì)算所得值差別不大. 理論值和改進(jìn)機(jī)構(gòu)送經(jīng)基數(shù)對(duì)比如表1所示. 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)步數(shù)由脈沖數(shù)決定,一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一步,脈沖數(shù)只能取整數(shù). 實(shí)驗(yàn)證明,改進(jìn)機(jī)構(gòu)能夠使織機(jī)正常織布,能保證張力在343～378 N內(nèi)波動(dòng). 改進(jìn)機(jī)構(gòu)張力值為490 N時(shí)電機(jī)都可以倒轉(zhuǎn),調(diào)整時(shí)間可控制在8周期內(nèi). [align=center]表1　改進(jìn)機(jī)構(gòu)送經(jīng)基數(shù)理論值和實(shí)驗(yàn)值對(duì)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(jī)械式送經(jīng)和此次改進(jìn)系 統(tǒng)來(lái)試驗(yàn),測(cè)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(jìn)電機(jī)能在SAURER400織機(jī)電子送經(jīng)改造中應(yīng)用,并能很好地發(fā)揮步進(jìn)電機(jī)優(yōu)點(diǎn),轉(zhuǎn)速控制方便,實(shí)時(shí)性好,成本低. （2）只對(duì)原機(jī)械式送經(jīng)機(jī)構(gòu)做一些變動(dòng),就能使步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)織軸轉(zhuǎn)動(dòng),變?yōu)殡娮邮剿徒?jīng). 此方法比之機(jī)械式更簡(jiǎn)單,適應(yīng)性更強(qiáng). 更換織物時(shí),只需設(shè)置參數(shù),程序可以自動(dòng)調(diào)整,不需要變動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu). （3）經(jīng)改進(jìn)后的電子送經(jīng)裝置對(duì)張力控制較靈敏,稀密路控制好,斷頭率較少. （4）實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)操作方便,成本低,具有老機(jī)改造和新機(jī)配套的推廣價(jià)值. 參考文獻(xiàn): [ 1 ] 　毛新華. 紡織工藝與設(shè)備[M〗. 北京:中國(guó)紡織出版社,2004. [ 2 ] 　周駿彥,肖　強(qiáng). 基于單片機(jī)的電子送經(jīng)卷取控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[ J ]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2005, 13 （7） : 698 - 700. 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