经编机电子横移运动规律的优化分析
摘要：本文介绍了电子横移系统的结构及原理，选取了运动特征良好的无停留修正梯形为横移曲线。通过分析该曲线的特征结合横移运动的特性提出了采用提前横移的方法增大针前横移区间。并以RSE4-1经编机为例通过理论计算得出了采用该横移曲线的提前横移角度为8.4°。对影响提前横移的因素进行了分析，得到提前横移角度可在理论基础上增加7.8°。最后以基于三菱J4型旋转伺服电机、采用无停留修正梯形横移曲线的RSE4-1型经编机为实验平台，测试了主轴速度在1 300 r/min的情况下针前横移角度可提前16°。
关键词：经编机；电子横移；横移曲线；横移优化
中图分类号：TS183.7 文献标志码：A
Optimization and Analysis of Electronic Shogging Motion on Warp-knitting Machine
Abstract： This paper first introduces the structure and principle of electronic shogging system and selects non-stop modified trapezoidal acceleration curve which has good kinetic characteristic as the shogging curve. Then by analyzing this curve and in connection with the characteristics of shogging motion， the paper suggests increase the overlapping interval with pre-shogging. The theoretical calculation reaches the result that the pre-shogging angle is 8.4° on a Model RSE4-1 warp-knitting machine. By analyzing the factors affecting the pre-shogging， it draws the conclusion that the pre-shogging angle can be further increased by 7.8° theoret웃ically. Finally， by carrying out experiment on a RSE4-1 warp-knitting machine which uses Mitsubishi J4 servo motor and non-stop modified trapezoidal acceleration curve， it obtains the result that the pre-shogging angle can be up to 16° when the main shaft operates⌘ at 1 300 r/min.
Key words： warp-knitting machine； electronic shogging motion； curve of shogging motion； optimization of shogging motion
电子横移系统因其具有更换花型简便、花高不受限制等特点，在经编机生产中得到越来越广泛的应用。特别是近年来，随着交流伺服控制技术的不断进步，旋转伺服电机的高速响应性能显著提升，有效地降低了电子横移系统的成本，因而电子横移系统在经编机控制系统中的应用越来越广泛。这也更加促进广大学者对电子横移控制技术的深入研究，孟建军、夏风林等人对高速经编机梳栉横移的运动规律进行了研究，秦文研究了旋转伺服系统的位置、速度、转矩控制模式并给出了相应算法，郑宝平对电子横移系统的控制方式进行了研究。本文在对基于旋转伺服控制的经编机电子横移系统在选取合适的柔性横移曲线的前提下，利用变结构控制下的横移特点，通过理论计算和试验测试方式，寻找增大针前横移区间的方法，以改善电子横移系统的工作性能，提高经编机的生产速度。
1 电子横移系统结构及原理
经编机电子横移系统由于高速度、高精度、高频率的运动特性，因而常采用运动精度高的全闭环式控制系统。因采用的核心控制单元不同，电子横移系统的整体结构也不尽相同。如图 1 所示，这里采用的电子横移系统由主控装置、执行装置、反馈装置和主轴信号采集装置等 4 部分组成。其中主控装置是系统的控制核心部分，包括工控机和具有电子凸轮功能的DSP运动控制器；执行装置包括伺服驱动器和伺服电机，以及将伺服电机的旋转运动转变为梳栉直线运动的滚珠丝杠机构；反馈装置主要是伺服电机内置的旋转编码器，以及伺服驱动器和DSP运动控制器的内部相应的反馈信号接收与处理单元；主轴信号采集装置主要采用与主轴同步转动的旋转编码器。
实际生产中，可通过网络或直接采用U盘将花型文件的横✞移工艺数据输入到工控机，经解码后生成DSP运动控制器所需要的具有一定运动规律的横移指令数据（电子凸轮数据）。当经编机运行时，DSP运动控制器接收到来自主轴信号采集装置的旋转编码器信号，获得经编机主轴的实时角度位置，并以此按生成的电子凸轮数据将运动指令发送至执行装置的伺服驱动器，进而驱动伺服电机运动，通过滚珠丝杠的转换，驱动梳栉作横移垫纱运动。而伺服电机编码器会将伺服电机运动的实时角位移与角速度信号反馈给伺服驱动器，再反馈给DSP运动控制器以检测梳栉的实际位置，并根据实际位置的偏差修正下一控制周期的指令数据。 2 横移运动规划曲线的选择
在高速设备的机电一体化系统设计中，合适的凸轮从动件运动规律可以有效的提高机构的速度。不同的运动规律，其速度、加速度和跃度等特征值有所不同，且通过不同的方式影响机构的运动特性。
从动件质量与加速度的乘积为惯性力。惯性力过大影响运动的稳定性与精确性，它的突变还会造成系统的柔性冲击，故在高速凸轮运动规律设计中，多选择最大加速度Am较小的运动曲线。梳栉最大速度Vm过大会加剧机械磨损，影响横移精度。从稳定性与安全性考虑，在满足运动要求的前提下，应尽量降低最大速度。跃度J反映了从动件系统惯性力的变化率。减小最大跃度Jm，尤其使行程终点的跃度尽量降低，将有利于提高系统工作平稳性。
考虑到伺服电机的选型需兼顾响应性和转矩等的要求，在选择曲线时还需考虑其他的因素。其中，加速度均方根Arms反映了机构受惯性力作用后偏离平均位置的动力扭曲程度。梳栉的高速小位移往复运动特征决定了伺服电机须具备较小的动力扭曲幅度以保证高速状态下定位的精确稳定，因此要选择加速度均方根Arms小的曲线；动载转矩最大值Tm决定了凸轮轴转矩，进而影响伺服电机的功率大小，要满足横移高响应的要求就会限制伺服电机的功率，所以曲线Tm也会受到限制。
表 1 中通过对不同的横移运动规划曲线各特征值的对比发现，无停留修正梯形规划曲线速度最大值较小且加速度最大值在常用的横移规划曲线中最小。另外因舍弃了一般修正梯形的恒加速区段，所以加速度A也连续变化，从而消除了跃度J的突变。且加速度均方根值和动载转矩最大值在各曲线中最小，符合低惯量伺服电机的选型要求，是较理想电子横移曲线。
3 提前横移量的计算
3.1 提前横移策略的提出
在采用花盘凸轮横移的经编机上，花盘外周通过滑块、转子和梳栉撑杆等直接传动梳栉作横移运动，由于花盘外周曲线良好的运动学特性和机械结构的高刚性，可认为花盘凸轮旋转时外周径向的变化量即为梳栉的横移量。而所有的成圈机件和花盘凸轮均是由经编机主轴进行传动的，其动力与信号耦合同步传递，花盘凸轮式横移机构可通过花盘外周曲线实现梳栉横移与前后摆动的精确配合。
以常见的RSE4-1型高速经编机为例，前梳GB1针前横移对应的主轴角度可达到144°（当采用9°横移花盘时），使梳栉在较大的主轴角度内完成横移运动。根据这一原理，经编机电子横移系统也可通过提前开始横移、延后结束横移的方式，达到增加梳栉横移时间的目的。
在电子横移系统中，由于控制系统固有的扫描式执行特性，横移控制器对伺服驱动器等执行装置的指令为非连续式的指令数据，不能实现对梳栉横移量的无间断连续控制，即梳栉的实际运动曲线达不到与指令曲线一致的动力学特性；此外电子系统也难以达到与机械传动一致的高刚性。这就要求电子横移系统在延长横移时间时必须采用与其特点相对应的方式。考虑到在横移结束阶段梳栉由较高的速度锐减至停顿定位存在一定的困难，因此主要通过提前横移的方法来增大针前横移区间。
在电子横移系统中，执行装置的伺服电机按指令的速度和加速度曲线进行转动，并通过滚珠丝杠机构传动梳栉完成横移运动。此过程中，梳栉的横移规律是可通过横移指令曲线计算得出的。在此基础上通过理论计算，并结合上机试验测试，可获得经编机梳栉横移的增加量。
如图 2 所示，无停留修正梯形曲线除了加速度和跃度连续之外，在曲线开始和结束段由于采用简谐运动，其速度和位移量都较小且位移变化最缓慢。如果将梳栉横移提前开始，此时导纱针处于刚摆离或即将摆入织针平面位置，相比于横移运动其他阶段在相同时间内梳栉的横移量最小，对于测量和精确控制梳栉的位移量也最为容易。
3.2 提前横移量计算
成圈过程中导纱针的运动是由横移和摆动复合而成，图 3 为导纱针围绕织针运动的示意图。
3.3 提前横移角度的计算
采用无停留修正梯形运动规律为横移曲线的梳栉在横移运动中位移量用组合位移方程表示为：
由表 2 可得GB1理论针前横移区间为50°。为了增大GB1针前横移区间，提前横移角度θ，则采取提前横移策略下实际横移区间Φ=50°+θ；由于主要研究针前横移且针前横移仅为 1 针，则m=1；位移量S为提前横移量δ。将Φ=50°+θ、S=0.041 mm代入方程得到：
采用图解法解得θ=8.4°。
3.4 提前横移的影响因素分析
3.4.1 DSP运动控制器
控制单元作为电子横移系统的核心，对经编机主轴角度、电子凸轮数据、横移反馈信号等各种数据需高速、实时地处理与控制，以保证高速状态下梳栉横移运动的精确控制，因此需要选择运算性能强的控制器作为电子横移系统的核心。
目前电子横移系统的控制器多选用高速DSP运动控制器，其性能直接决定了电子横移系统的快速响应性。使用的DSP运动控制器运算能力越强，控制器向横移执行伺服发出运动指令的周期越短，对于同样的横移伺服系统的条件下，电子横移系统的响应性能也越高，提前横移的时间也会减小。但是为了达到电子横移系统在高速下高精度的要求，在选择的时候会优先考虑数据处理能力强的DSP运动控制器。
3.4.2 伺服系统
为了获得更好的响应速度和定位精度可以采用速度和位置混合控制模式。在混合控制模式下，在横移运动伊始加速阶段为了获得较好的响应性也是采用位置开环，伺服电机实际速度仍一定程度上滞后于规划速度。
为了准确得到在混合控制模式下伺服电机对速度指令的跟随情况，在基于三菱伺服系统（包括MR-J4-70A驱动器和HG-MR73电机）实验平台上，通过三菱MR-Configurator2测试软件，实时跟踪测试了指令速度与伺服电机实际速度情况，实验平台组成见图 4。
由图 5 可知，伺服电机实际速度整体滞后于规划曲线。指令速度在 6 ms处发出，6.6 ms时伺服电机开始加速，7 ms之后伺服电机实际速度曲♥线形状接近规划曲线。约8.5 ms左右伺服电机指令速度加速度减小、曲线趋于平缓。伺服电机在初始加速阶段从运动指令发出到伺服电机跟随指令并达到一定速度加速运动约需要 1 ms的时间，根据对应的主轴转速可以算出 1 ms内对应主轴转过的角度为7.8°。
3.4.3 滚珠丝杠及其传动
在采用旋转伺服电机的电子横移系统中，电机的旋转运动需经过滚珠丝杠才能转化为直线运动。滚珠丝杠的精度对电子横移系统的运转精度影响很大，对横移的提前量也有影响。
就整个横移运动而言，滚珠丝杠的精度不高会造成横移不到位的情况。而对于这里研究的提前横移策略而言，滚珠丝杠的精度不高使得在每次横移变向运动的初始阶段，电机在该精度误差距离内未能有效地驱动梳栉进行横移运动。梳栉的实际运动曲线滞后于电机的横移曲线，在不考虑其他影响因素的情况下两者的偏差量即丝杠的精度误差量。梳栉从横移开始到完成的提前横移位移量δ所对应的时间变长，这样一来反而有利于提前横移角度的增加。
4 验证试验
根据以上分析，利用伺服电机加速曲线特点和响应滞后得到在主轴转速为1 300 r/min时针前横移开始时间可提前16°。为了验证这一推论，设计了以下实验。
提前横移策略验证实验平台与伺服电机加速滞后实验平台相同，数据采集则交由LMS Test振动测试系统。通过管理层软件中横移参数设置每把梳栉的横移区间所对应的主轴角度来控制横移时间。实验将在经编机原来横移角度的基础上将GB1针前横移角度提前16°，即GB1针前横移开始时间对应主轴角度141°，其它横移区间仍采用原横移区间。
加速度传感器可以将采集到的梳栉在横移方向上的位移、速度、加速度等信息交由与之相连的PC端软件LMS Test.Lab分析处理。测试系统中LMS Test.Lab Angle Domain Processing add-in for Signature软件的角度域分析计算功能可以直接得出主轴角度与梳栉横移方向位移的对应曲线。
℃ 从图 6 可以看出，梳栉的针前部分位移曲线平滑无位移突变，与无停留修正梯形位移曲线吻合。虽然加速指令在141°时已经发出，但在最初的5°梳栉位移量基本为零。加速开始后位移量变化非常缓慢。特别地当主轴角度为156°时梳栉位移量为3.9×10-5 m，小于 4.1×10-5 m，说明导纱针此时未与织针接触。实际上，当经编机运转速度达到1 300 r/min时运转良好，未出现擦针现象。这也进一步验证了前面的推论是成立的。
5 结论
参考文献
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