经编机数控系统关键技术其

摘 要 ：经编机作为生产效率最高的织造机械,是国家“数控一代”项目重点发展的纺织装备之一.本文对应用在现代经编机数控系统中的高速总线、电子齿轮、电子凸轮、压电陶瓷快速驱动等关键技术进行了详细描述,并对经编机数控系统的发展现状以及发展趋势进行了系统分析.

关 键 词 ：经编机；数控系统；高速经编机；电子齿轮；电子凸轮；压电陶瓷

中图分类号：TS103.7 文献标志码：A

Development of Key Technologies for Warp-knitting Machine CNC System

Abstract： As the most productive knitting machine, warp knitting machine has bee one focus of the national "NC generation" mechanical product innovation project. This paper gives a detailed description of the high-speed data-bus, electronic gear, electronic cam, piezoelectric ceramic fast driving, which are the key technologies used in modern warp knitting machine CNC system. It also analyses the present situation and developing trend of warp knitting machine numerical control system systematically.

Key words： warp knitting machine； numerical control system； high-speed warp knitting machine； electronic gear； ECAM； piezoelectric ceramics

经编机作为生产速度最快、生产效率最高的织造机械,已成为国家“数控一代”装备创新工程重点发展的纺织装备之一.随着计算机控制技术、现场总线控制技术、伺服驱动控制技术以及特种元件电气控制技术在经编机数控系统中的应用,现代经编机数控系统已逐渐形成与自身工艺要求及控制特征相匹配的系列化数控关键技术.

1 经编数控系统关键技术

1.1 高速总线通信技术

经编机虽然机型种类繁多,但相同的编织原理决定其基本的配置结构不会改变.主轴成圈机构、送经机构、横移机构、牵拉/卷取机构,如果包含提花功能则再加上压纱提花等机构.由于对各功能机构的控制方式不同,且不同机型同一功能机构内受控对象的数量也会不同（比如高速经编机与多梳经编机的电子横移梳栉数量）,因此在现代经编机的数控化进程中,为了避免对每一种机型都要重新进行系统设计,开发人员会试图使用统一的系统架构,将经编机所有机型的不同功能均设计在内,在实际操作时再按具体机型进行功能组合与扩展配置,即模块化组合式开发.而这种统一的系统架构,就是完成各功能单元间高速通信的现场总线信息网络.

作为分布在电气现场的通信总线,各种现场总线技术因其优越的抗干扰性能和数据传输速率而被迅速引入现代经编机的系统设计中.分析图 1 中经编机的数控系统功能框图会发现,经编机的数控系统是一个典型的扁平状分布式运动控制系统,其中不仅包含 4 ～ 8 轴的送经/牵拉/卷取运动控制,4 ～ 95轴的横移运动控制,还包含多达3 640（130〞E28单把贾卡梳）～ 13 440（210〞E32两把贾卡梳）点高速输出,各功能单元均需要与主轴保持稳定可靠的同步,与主控单元进行快速高效的信息交互.可见也只有现场总线技术,才能满足在这种强电磁干扰、大数据吞吐率的工作环境中,进行实时高速数据传输的控制要求.

目前,RS232/RS485、CAN（control area work）总线、MotionNET等总线技术在国产经编机数控系统中应用较多,而像Sercos、Ethercat、Ether等高端现场总线技术在德国卡尔迈耶的经编机上应用较多.图 2 为某国产经编机系统总线架构示意图.

1.2 电子齿轮伺服技术

电子齿轮的工作原理,是以数字的形式修改主动轴与从动轴之间的传动比,可实现从动轴与主动轴之间瞬间、连续、任意的速度比例变化.通过对经编机送经工艺的计算推导,以及对无极变速送经机构FAG工作原理的研究分析,可知随着经编机的持续编织,盘头不断退绕,外周长逐渐减少,如要保持送经量不变,即盘头的送纱线速度不变,主轴与经轴之间的传动比必须持续不断地改变,以保证在主轴速度横定时盘头转速逐渐提升.因此,电子齿轮伺服技术是经编机电子送经控制中的关键技术.

目前,应用在现代经编机数控系统中的电子齿轮伺服技术分为内部电子齿轮和外部电子齿轮两种.所谓内部电子齿轮,即利用伺服驱动器本身提供的电子齿能,其控制流程如图 3（a）所示.系统内经编机主轴转速信号被直接送至经轴电机的伺服驱动器,上位机结合盘头参数进行计算后,以循环通讯的方式反复修改驱动器内部的电子齿轮比,从而实现输出的从轴转速指令满足恒定送经的要求.

所谓外部电子齿轮,即不利用伺服驱动器内部的电子齿能,而是利于外部运动控制器提供的电子齿能,其控制流程如图 3（b）所示.系统内经编机主轴转速信号被送至运动控制器,运动控制器根据主轴转速、送经量以及盘头的当前参数进行计算,直接输出给伺服驱动器经轴电机的速度指令.因伺服驱动器内部的电子齿能只能用在位置控制模式,当主轴在高速运行时若经轴需要EBC变速送经,此时内部电子齿轮会表现出较大的响应滞后,因此在具备高速EBC变速送经的经编数控系统中,一般都会采用外部电子齿轮,并对伺服驱动采取模拟量速度控制.

1.3 电子凸轮伺服技术

电子凸轮起源于机械凸轮,机械凸轮是通过凸轮轮廓线实现非线性的加工轨迹,而电子凸轮是直接将轮廓线的轨迹点输入到控制器内,通过内设的加速方式进行运动控制,实现和机械凸轮相同的加工效果.相对于机械凸轮,电子凸轮可根据需要,方便快速地更换加工轨迹,不存在凸轮加工、机械磨损和长度受限的问题.

传统经编机的梳栉就是依靠凸轮花盘,或滚筒链块的推动来实现横移垫纱的,因此在修改或更换花型工艺时,则需要重新订做花盘,或重新编排链块,翻改周期长,加工成本高,且大花高工艺难以生产.电子凸轮伺服技术在现代经编机数控系统中的应用,从根本上缩短了经编新工艺的上机周期,并彻底消除了横移花高对工艺生产的限制.

电子凸轮之所以成为现代经编机数控系统中实施电子横移控制的关键技术,不仅是因为其长轨迹大容量和可随时更换的便利特征（应用在多梳机的花梳横移上）,更是因为电子凸轮轨迹曲线可以被无限拉伸和随意压缩的软特性（应用在高速机的梳栉横移上）.电子凸轮的实施分为 3步：首先确定经编机主轴为凸轮主轴,各梳栉横移驱动电机为凸轮从轴；然后,拟定各凸轮从轴跟随主轴的凸轮曲线；最后,启动并实现电子凸轮运动.

其中,凸轮曲线的实现方法通常有函数法和数据表法两种.在现代经编机数控系统中,要么是凸轮从轴数特别多（多梳机横移）,要么是凸轮从轴响应速度要求特别高（高速机横移）,因此为尽量节省主控制器运算资源而大多采用数据表法.其实现步骤为：利用凸轮曲线生成软件ProCam（图 4）,选择动力学特性优良的加速度曲线（如无停留修正梯形）后生成凸轮曲线原型数据表,将此数据表存入主控制器掉电存储区,实际运行中在每次开始横移前,在由垫纱数码转换来的线性横移位移上,将此数据表进行线性拉伸,将完成比例运算后的轨迹点存入电子凸轮控制器的FIFO内,随着主轴的转动,各凸轮从轴即会推动梳栉安装特定加速度曲线完成指定针距的横移垫纱运动.图 4 中上半部分为无停留修正梯形的位移曲线,下半部分对应的V为速度曲线、A为加速度曲线,J为跃度曲线.

1.4 压电陶瓷快速驱动技术

现代经编机数控系统中采用的提花器件都是Piezo贾卡导纱针块,其关键技术就是对压电陶瓷材料的快速驱动.其工作原理,是通过对导纱针根部压电陶瓷材料分别施以极性相反的直流180 V电压,使其发生压电逆效应产生物理变形从而带动导纱针左偏或右偏,每一枚贾卡针上直流电压的施加与否,都对应一个独立的数字量输出点进行控制.

根据经编机幅宽、机号、以及贾卡梳栉数的不同,数控系统内可能包含的贾卡针数目为3 640 ～ 13 440枚,每一枚贾卡针都对应着数控系统内一个独立的数字量输出点,由于贾卡工艺的要求,所有贾卡导纱针都必须在同一个时刻动作,即要求系统内高达几千甚至上万点数字量同时输出,这给数控系统提出了一个难题.

为了解决这个难题,在现代经编机数控系统中采用了具备纳秒级处理速度的信号处理器DSP来单独实施贾卡导纱针的快速驱动,其技术策略是在每个偏针周期（主轴一个横列,约60 ms）内,以串行通信的方式,将下一个横列内所有贾卡针的偏转状态值写入每一个针块驱动板的FIFO区,待主轴进入该横列时启动全局输出指令,以并行输出的方式保证同一时刻动作,然后立即开始串行装填下一个横列各枚针的偏转状态.

2 发展现状

在对比分析了国内外各大型经编装备制造企业的数控系统后发现,目前国产经编机数控系统普遍具有如下特征.

（1）多数据总线并存,总线结构设计欠佳.图 2 为国内某大型经编机制造企业的数控系统结构图,虽然其中包含了RS232、RS485、CAN等 3 种数据总线,但系统内总线结构设计极不合理,出现贾卡和横移的花型数据不得不先转成RS232格式,再转成RS485格式,最后转成CAN格式才得以分别传送到贾卡主控制器和横移控制器上,从而导致该机型加载花高8 000横列的贾卡数据需要30 ～ 40 min,大大降低了数控系统处理数据的效率.

图 5 所示为德国生产目前世界上最先进经编机的数控系统结构,虽然其内部也使用到Ether、Sercos等多种总线,但其系统内网络结构设计合理,各总线使用区域相对独立,不存在大量需要相互转换的不同格式的数据.

（2）采用通用控制平台,知识产权风险高.目前国产经编机数控系统控制平台大多使用较低的通用型PLC和简易版工控机,这使得控制系统的运算速度难以满足不断提升的控制要求,而且存在控制软件被解密的可能,知识产权风险高.

（3）采用通用伺服驱动,成本难降性能难升.目前所有国产经编机的数控系统中,所有采用的伺服驱动器和电机均为通用型产品.这使得即使是每年消耗伺服上万套的大型经编机制造厂家,也因选择通用型产品而无法缩减自身的成本.同时由于通用型产品的各项性能指标均衡,而无法在经编数控的具体应用中发挥出更高的性能.据报道世界经编机生产巨头德国卡尔迈耶公司就购写了Bamller电机公司的一条生产线,用以生产经编机电子横移专用的伺服电机和驱动器,并精简了伺服驱动器内部与横移控制无关的内容,从而将伺服周期由通用型的125 μs降到专用型的62.5 μs,性能提升了 1 倍.

3 未来趋势

纵向分析世界最先进经编机制造厂家数控系统的技术发展路线,横向比较国内外经编机数控系统间的技术差别,对未来经编机数控系统的技术发展趋势给出如下几点预测：

（1）系统结构更加简洁,内部总线设计更为合理,单一、或尽量少的高速总线类型,即可网括系统内所有功能单元；

（2）会出现经编机数控系统专用控制平台,并逐渐形成标准产品,类似于数控机床控制平台的发展；

（3）伺服驱动向专用写作化方向发展,部分经编机专用控制算法会下放到伺服驱动器内部,从而进一步推动伺服驱动向驱控一体化、网络化方向发展；

（4）借助各种新型传感器,系统智能化程度进一步加强,产品的开发和生产会变得更简单和安全.

随着各种高新技术在现代经编机数控系统中的应用,经编装备的数控化和信息化水平会不断进步,经编机的生产效率会大大提升,劳动用工会进一步减少,将率先在针织行业通过技术革新的途径,扭转在与其他国家竞争时处于成本劣势的局面.