摘要
高速经编机因其生产效率高、产品适用领域广而在各种经编装备中占据重要地位。高速经编机的全电脑化进程，也随着多品种小批量高频次的市场需求，及电子与伺服控制技术的飞速发展而被迅速推进，但高速经编机垫纱运动的复杂和高频特性，给导纱梳栉的横移运动控制提出了难度极高的控制要求，使得对高速经编机梳栉横移运动的数字化控制，成为高速经编机全电脑化进程中的一个技术瓶颈。我国拥有全球85%的经编机台，国外采用通用伺服电动机研发的电子横移高速经编机机速已达1400r/min，而我国截至目前还无成熟的同类产品。基于此技术现状，本课题开展对高动态经编机电子横移系统的研究。
首先，通过对高速经编机产品结构的特征分析，得出电子横移产品的优势特征为小提花加大循环，即产品结构生产对电子横移系统所提要求为：更强的灵活变换起花能力和更大的花型信息存储功能；通过对经编梳栉的垫纱运动进行横移与摆动的动作时序分解，得出电子横移系统的基本运动特征为：高频度大加速往复启停、高精度微距离线性定位。为验证高速电子横移系统的动态稳定性，分别建立了电子横移系统中梳栉锁合机构、丝杆传动机构、交流永磁同步伺服电动机及反馈控制环节各自分离的动力学数学模型，分析了梳栉质量与系统等效传递刚度对定位偏差的影响，然后综合各分离模型建立了系统的整体动力学模型，采用simulink进行系统模型模拟并进行阶跃激励仿真，仿真结果表明在一定范围内增加系统增益或改变传递刚度值可以提高系统响应频率，但当增益调整到一定值时，由于系统共振频率接近其自然谐振频率，此时系统稳态误差增大，动态响应效果恶化。
其次，通过对高速凸轮机构简谐运动规律的动力学特性参数的分析比较，选择了适合本课题横移驱动电动机使用的无停留修正梯形加速度策略，以保证导纱梳栉在横移运动时速度、加速度和跃度均连续且拥有较小的驱动电动机功率；通过对不同伺服控制模式响应特性的比较，选择了具备高频加速特性的速度控制模式与精确定位特性的位置控制模式的组合控制策略，以实现大加速启动和高精度定位停车的双目标控制要求；最后推导了利用电子凸轮运动控制算法，来实现无停留修正梯形加速度曲线与工艺曲线进行耦合，获取静态电子凸轮数据表和动态工艺凸轮数据表的算法和步骤。
然后，采用自底向上的顺序，依次构建高速电子横移系统的三层架构。经过优选的高精度滚珠丝杆传动系和超低惯量伺服电动机构成了系统最底层的运动执行层；利用DSP+CPLD组合实现的基于PCI接口的半独立式横移运动控制器，构成了系统的中间运动控制层；在运动管理层，重点设计了超大花高凸轮数据表的动态加载，以及断电断点续编等软件模块，完成了整个高动态响应电子横移运动控制系统的研发与软硬件功能实现。
最后，基于所构建的高速电子横移系统进行了多组对比实验以测试和验证系统的动态响应性能。通过比较不同控制策略下、不同加速策略下电动机动态速度曲线的特征，以及各自之间的差别，验证了所选的无停留修正梯形加速策略与速度/位置的混合控制策略控制下的横移伺服电动机，完成针前E32一针距横移耗时仅为8.3ms，高于其它加速和控制策略，满足系统预期动态响应要求；通过采用声学振动测试仪对横移系统中的机械传动机构进行等效弹性质量体模态分析得出，梳栉机械传动机构有自然谐振频率约为12.5HZ，对应机台转速约为750r/min，即系统虽有共振区但共振区不在工作速度区，因此所选择的丝杆等传动机构能满足系统在1200r/min附近高速正常生产要求；最后在机电一体化动态响应测试中，经在线测得电动机与丝杆传动机构这一组合体的伯德图分析得知其共振频率约为2KHZ，提出利用电子陷波器抑制系统共振并进一步提高系统动态响应性能的措施，通过对其进行软件陷波后可以滤除电动机丝杆螺母啸叫等机械共振，在共振抑制效果较好的情况下可以将系统动态响应再提高至主轴转速1300r/min。
High-speed warp knitting machine occupies an important position among warp knittingequipments, due to its efficient production and widely applicable field. The fullycomputerized process of high-speed warp knitting machine has been pushed with the rapiddevelopment of electronics and servo control technology according to the need for multi-variety and small batch of the production. However, because of the complicated overlapmotion and high frequency, the high level control of shogging movement of guide bar isdifficult. Digital control for shogging movement becomes a bottleneck of the fullycomputerized procedure of high-speed warp knitting machine. China owns85%of the warpknitting machines of the world and the machines in abroad with general electronic shoggingmovement have been speeded up to1400r/min, while there are no kindred mature products inour country. Based on this technology situation, in this subject, the writer focuses on theinvestigation to high dynamic electronic shogging system of warp knitting machine.
Firstly, according to the production structure analysis of high-speed warp knittingmachine, the superiority characteristic of the products was defined as mini jacquard and
big circulation. Therefore, the more flexible changing of tissues and larger storage ofpattern information are required to feed the need of product structure. Through the motiondecomposition of the shogging and swing of guide bar, the shogging features and controldemands obtaines----high frequency, high accelerometer reciprocating start-stop and highprecision, micro distance linear positioning. To verify the dynamic stability of the system, theguide closure mechanism, lead screw transmission mechanism, AC permanent magnetsynchronous servo motor and feedback control links were modeled separately. The influenceonto positioning deviation given by mass of bar and the equivalent stiffness of system were aswell as analyzed. Then the integral dynamical model was established based on the separatedmodels mentioned above. Meanwhile, simulink was employed to simulate the system modeland step excitation. The results showed that increasing the system gain in a certain range orchanging the transmission stiffness value would lift the response frequency of system.However, when the gain value was adjusted to a certain degree, the system steady-state errorincreased and dynamic response results went worse since the system resonance frequency wasclose to its natural resonance frequency.
Secondly, through the analysis and comparison of the dynamics parameters of simpleharmonic motion characteristic of high-speed cam mechanism, no stay modified trapezoidalacceleration strategy was chosen to guarantee, the speed, acceleration and jerk of motor wereunder lower motor capacity. After the comparison of response features of the different controlmodes, the one with high frequency acceleration and accurate positioning features was chosento achieving bi-target requirement with bigger acceleration start and high precision locating.Then electronic cam motion control algorithm was deduced to realize the coupling betweenno stay modified trapezoidal acceleration curves and process curves. Moreover, the algorithmand steps of static and dynamic electronic cam data tables were obtained.
Afterwards, three-tier architecture from the bottom to the top was established by using bottom-up order. The optimized lowest exercise executive level was composed by highprecision ball screw transmission system and low inertia servo motor. The medium movementexecutive level was constituted by semidetached movement controller based on PCI withutilizing DSP+CPLD. In the movement management level, the software modules aboutdynamic loading of oversized tissue height and blackout-breakpoint continuation were the keyof designs. Then the research and development as well as function realization of the wholehigh dynamic response electronic shogging movement control system was achieved.
Finally, the contrast experiments were implemented based on the established high-speedelectronic shogging system to test and verified the response performance. No stay modifiedtrapezoidal acceleration strategy and speed/position hybrid control strategy was verified. Onthe machine of E32type, to achieving overlap with one gauge just cost8.3ms could satisfythe requirement of expected dynamic responses, which was speeder than other accelerationand control strategies. By utilizing acoustic vibration tester to implement the equivalentelastic quality body modal analysis on the mechanical transmission mechanism, the naturalresonant frequency of bar transmission mechanism was12.5HZ, and the correspondingrevolving speed of the main shaft was750r/min. That was to say, the resonance region existed,but it was not in workspace. Thus, the selected transmission mechanism, like lead screw, metthe requirements of production speed as1200r/min. At last, through the on-line Byrd figureanalysis of motors and lead screw transmission mechanism, it was can be known that theresonant frequency was about2KHZ. Utilizing electronic notch filter to restrain systemresonance and improving system dynamic response performance were proposed. Themechanical resonance, like noise of screw nut, has been filtered by employing notch filter.Under the condition with wonderful resonance suppression, the dynamic response of thesystem has been elevated again to match the main shaft speed of1300r/min.
引文
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