實(shí)時總線多軸運(yùn)動控制平臺在交叉鋪網(wǎng)機(jī)控制的應(yīng)用
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隨著國內(nèi)非織造布市場的飛速發(fā)展，非織造布企業(yè)日益壯大，各企業(yè)對非織造設(shè)備的機(jī)械性能和生產(chǎn)能力等提出越來越高的要求。交叉鋪網(wǎng)機(jī)是針刺、水刺等非織造布生產(chǎn)線關(guān)鍵的設(shè)備，我國在這兩個領(lǐng)域難以取得突破，其重要原因就是交叉鋪網(wǎng)機(jī)速度慢，因此高速鋪網(wǎng)機(jī)在非織造布生產(chǎn)線中占有舉足輕重的地位，它直接影響整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。目前高性能的鋪網(wǎng)機(jī)均為國外廠家產(chǎn)品，主要有德國奧特法(AUTEFA)公司的CL2003和CL4000鋪網(wǎng)機(jī),法國阿斯蘭公司(Asselin)的Profile交叉鋪網(wǎng)機(jī)，纖網(wǎng)輸入速度已高達(dá)90m／min～150m／min[1]。國內(nèi)企業(yè)也有生產(chǎn)類似結(jié)構(gòu)的鋪網(wǎng)機(jī)，宣稱速度最高達(dá)80-90m/min，但在生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用的并不多。目前國內(nèi)外高速鋪網(wǎng)機(jī)都采用五個伺服電機(jī)驅(qū)動，其控制系統(tǒng)主要采用PLC（包含運(yùn)動控制模塊）+觸摸屏或PC+運(yùn)動控制卡的形式進(jìn)行控制[2]。前者由于PLC實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多軸聯(lián)動控制算法比較困難，難以實(shí)現(xiàn)最佳的復(fù)雜控制算法；后者多軸運(yùn)動控制功能由運(yùn)動控制卡實(shí)現(xiàn)，用戶一般只需開發(fā)一個界面將復(fù)雜的運(yùn)動控制關(guān)系下載到運(yùn)動控制卡的存儲介質(zhì)上，相對較容易，但其功能取決于運(yùn)動控制卡的功能和底層功能的開放程度，同時運(yùn)動控制卡必須插在PC插槽內(nèi)，電器箱與操作臺之間不能分離太遠(yuǎn)，給成箱與布線帶來困難。我們采用基于RTSB高速實(shí)時現(xiàn)場總線技術(shù)，所有的控制算法都在PC上實(shí)現(xiàn)，采用高級語言編程，可以實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜的算法，PC與電機(jī)和I/O控制接口之間采用一根網(wǎng)絡(luò)線相連，實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸（12Mbps），距離可達(dá)100米，為鋪網(wǎng)機(jī)的高速復(fù)雜算法控制提供了可能。目前該鋪網(wǎng)機(jī)的最高輸人速度120m/min，輸出速度0.5-20 m/min，控制尺寸精度0.5mm ，無需切邊處理，輸出纖維網(wǎng)CV值1.5%，鋪網(wǎng)機(jī)長時間不間斷工作運(yùn)行，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。
1、交叉鋪網(wǎng)機(jī)的控制要求
1．1 鋪網(wǎng)機(jī)的工作原理
圖1 鋪網(wǎng)機(jī)運(yùn)動原理圖
圖1是鋪網(wǎng)機(jī)的運(yùn)動原理圖。梳理機(jī)的出網(wǎng)速度即為交叉鋪網(wǎng)機(jī)的入網(wǎng)速度，這個速度在整個運(yùn)行期間是穩(wěn)定的，也就是說纖網(wǎng)以恒定的速度源源不斷地鋪到輸出簾上。小車A和補(bǔ)償棍C固定在同步帶上由M1電機(jī)拖動一起運(yùn)動，小車B和補(bǔ)償輥D固定在同步帶上由M2電機(jī)拖動一起運(yùn)動。2個小車在導(dǎo)軌上以高速度做往復(fù)運(yùn)動，把梳理機(jī)送來的纖網(wǎng)源源不斷地經(jīng)過A小車的下出網(wǎng)簾交叉鋪到輸出簾上,輸出簾由電機(jī)M5驅(qū)動，它的速度與鋪網(wǎng)速度、幅寬和層數(shù)有關(guān)。卷簾電機(jī)M3和M4負(fù)責(zé)補(bǔ)償小車運(yùn)動中前后簾的位置。
1．2 小車的運(yùn)動關(guān)系
傳統(tǒng)交叉鋪網(wǎng)機(jī)鋪疊的纖網(wǎng)有以下三個弊端[3]:
(1) 由于梳理纖網(wǎng)的張力導(dǎo)致纖網(wǎng)橫向收縮；
(2) 由于理梳機(jī)出網(wǎng)速度保持恒定，在鋪網(wǎng)小車翻轉(zhuǎn)反向減速/加速過程中導(dǎo)致纖網(wǎng)超喂，使纖網(wǎng)兩邊較中間重；
(3) 在后續(xù)加固過程中，因牽伸導(dǎo)致產(chǎn)品的橫向收縮，使得產(chǎn)品兩邊重的弊病更甚；
傳統(tǒng)交叉鋪網(wǎng)機(jī)生產(chǎn)的纖維網(wǎng)兩邊重中問輕的問題，是由于鋪網(wǎng)小車在鋪網(wǎng)寬度的兩端換向時，小車的速度必須減至零，然后反向并重新加速，在小車減速/加速過程中，梳理機(jī)輸出的纖網(wǎng)是由鋪網(wǎng)簾恒速輸送的，因而造成鋪疊的纖網(wǎng)兩邊變重，如下圖2。
為了解決傳統(tǒng)鋪網(wǎng)機(jī)生產(chǎn)纖網(wǎng)的缺點(diǎn)，國外一些大的無紡設(shè)備公司進(jìn)行了相應(yīng)的研究，新一代鋪網(wǎng)機(jī)上部鋪網(wǎng)小車的翻轉(zhuǎn)過程滯后于下部鋪網(wǎng)小車的翻轉(zhuǎn)過程。這樣在下部鋪網(wǎng)小車減速變向的過程中，上部鋪網(wǎng)小車可儲積適當(dāng)長度的纖網(wǎng)，然后在整個寬度上再將其均勻地釋放出來，為了補(bǔ)償原纖維網(wǎng)在后續(xù)加固工序中因牽伸而致橫向收縮產(chǎn)牛的變形，在下部鋪網(wǎng)小車反然而向后的加速階段，控制纖網(wǎng)張力，使得邊網(wǎng)鋪放處于欠喂?fàn)顟B(tài)，如此鋪放的纖網(wǎng)橫截面類似正弦曲線的波峰狀，即中間厚、兩邊薄。如下圖3。
1．3 電機(jī)加減速形式
高速鋪網(wǎng)機(jī)運(yùn)行速度高，運(yùn)動部件質(zhì)量大，慣性力大，在往復(fù)鋪網(wǎng)過程中，上下小車和前簾驅(qū)動電機(jī)與后簾驅(qū)動電機(jī)頻繁起停，為減少兩端換向時的纖網(wǎng)超喂的影響，應(yīng)盡量縮短加減速時間，在速度為80m/min時，一般加減速時間應(yīng)控制在400ms以內(nèi)。但加減速時間短，動態(tài)沖擊力大，運(yùn)行不平穩(wěn)，這將影響鋪網(wǎng)速度的提高。為減少的沖擊，一是減輕運(yùn)動部件質(zhì)量，為此運(yùn)動輥?zhàn)硬捎锰祭w維材料；另外從運(yùn)動控制角度，如何保證在機(jī)器運(yùn)動平穩(wěn)的前提下，實(shí)現(xiàn)以加減速時間最短為目標(biāo)的最優(yōu)加減速控制規(guī)律，使機(jī)器具有滿足高速加工要求的加減速特性。常見的加減速方式有：直線加減速、指數(shù)加減速和S曲線加減速，其中S曲線可以實(shí)現(xiàn)勻加加速度（加速度的變化率），加減速在任何一點(diǎn)的加速度都是連續(xù)變化的，從而避免了沖擊，速度的平滑性很好，運(yùn)動精度高，但是算法較復(fù)雜。本控制系統(tǒng)采用S曲線加減速。
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