拉絲機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)對(duì)速度的控制要求高的一種機(jī)械設(shè)備，要求控制系統(tǒng)能夠提供非常精確、平滑的線速度。我們所做的這套系統(tǒng)是用來(lái)拉金絲的，因此系統(tǒng)的各方面要求更高。整個(gè)系統(tǒng)比較復(fù)雜，控制設(shè)備繁多，各個(gè)電機(jī)之間要求很高的協(xié)調(diào)性，該系統(tǒng)采用4套伺服電機(jī)控制，而每套伺服電機(jī)間均有數(shù)據(jù)交換，且數(shù)據(jù)通訊也要求很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，也就是要求系統(tǒng)具有總線通訊能力。這樣就要求伺服驅(qū)動(dòng)器擁有非常強(qiáng)大的功能才能滿足控制要求。而我們的伺服驅(qū)動(dòng)器則能滿足此類系統(tǒng)控制要求，下面是我們驅(qū)動(dòng)器的一些功能特點(diǎn)：

1、全數(shù)字化的速度和位置控制功能，并提供位置、速度和扭矩的控制功能；
2、靈活多變的跟蹤控制方式，提供高靈敏度的跟蹤效果；
3、可編程控制的數(shù)字輸入輸出；
4、可監(jiān)控電機(jī)短路、電壓、溫度、編碼器、位置跟蹤和電流過(guò)高等故障；
5、可通過(guò)RS232、RS485、Profibus、CAN通訊口進(jìn)行參數(shù)設(shè)定；
因此我們的伺服驅(qū)動(dòng)器完全有能力勝任這份工作，下面大致介紹下這套系統(tǒng)：

一、系統(tǒng)框圖

二、 工藝流程
1、未拉的絲通過(guò)一個(gè)阻力裝置（主要是一個(gè)夾板之類的東西，它用來(lái)提供一定的張力，同時(shí)也起到了防止線跳的作用），然后進(jìn)入細(xì)拉槽；
2、進(jìn)入細(xì)拉槽的絲在細(xì)拉塔輪和微拉塔輪的多次拉制后，成為所需要的絲（兩個(gè)塔輪間的隔板安放了一個(gè)磨具，這個(gè)磨具的形狀是“〕”，即一邊孔大一邊孔細(xì)）；
3、拉細(xì)后的絲經(jīng)過(guò)滑差輪，這個(gè)輪的作用主要是保持恒定張力；
4、然后絲在經(jīng)過(guò)測(cè)速論，這個(gè)輪的作用就是測(cè)出當(dāng)前絲的線速度；
5、經(jīng)過(guò)測(cè)速輪的絲再經(jīng)過(guò)一個(gè)中間環(huán)節(jié)，然后通過(guò)擺絲桿，最后把絲繞到卷軸上；


三、系統(tǒng)控制方案


整個(gè)系統(tǒng)要求的控制方案主要有以下4個(gè)：
1、 放絲伺服的恒線速度控制；
2、 調(diào)節(jié)伺服的跟隨控制；
3、 卷繞伺服的恒線速度(恒張力)控制，即要求卷繞伺服在半徑不斷增大的情況下保持與調(diào)節(jié)伺服的線速度相等；
4、 擺絲伺服的位置控制；

因?yàn)樵撓到y(tǒng)要求具有總線通訊能力，因此我們?cè)谶@里選擇了我們公司的K4系列帶CAN總線的PLC,該P(yáng)LC采用了標(biāo)準(zhǔn)的CANopen協(xié)議，能夠傳送和接收PDO、SDO，而我們的伺服驅(qū)動(dòng)器也自帶了CAN接口，也采用了標(biāo)準(zhǔn)的CANopen協(xié)議。這樣該方案就就滿足了系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)通訊數(shù)據(jù)的要求（CAN總線的通訊速率最高可達(dá)1M/S）.我們的驅(qū)動(dòng)器也集成了PROFIBUS接口，但是擁有PROFIBUS的PLC不多，而且價(jià)格也比較昂貴，采用CAN總線即滿足了控制要求，又為客戶節(jié)約了成本。

四、控制方案介紹
1、放絲伺服的恒線速度控制
該伺服電機(jī)的控制采用帶加減速的控制模式（3模式）來(lái)完成。對(duì)于該系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要求主軸放絲電機(jī)能夠最大程度上抗干擾，能夠盡量在一個(gè)穩(wěn)定的速度下運(yùn)行，同時(shí)還要具備平滑的加減速功能。因?yàn)橄到y(tǒng)在啟動(dòng)開(kāi)始時(shí)，要以一個(gè)比較低的速度來(lái)運(yùn)行（60R/MIN）,然后操作人員在HMI上通過(guò)總線把電機(jī)手動(dòng)加速到合適速度（500R/MIN）才開(kāi)始拉絲，同時(shí)在停機(jī)的時(shí)候也要求電機(jī)能夠平滑的把速度降下來(lái)。驅(qū)動(dòng)器工作在3模式下?lián)碛蟹浅７€(wěn)定、精確的速度控制能力，完全能夠滿足上述要求。

小結(jié)：PLC通過(guò)CAN總線傳送速度、加速度命令到拉絲伺服， 從而實(shí)現(xiàn)拉絲電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行；

2、調(diào)節(jié)伺服的跟隨控制
該伺服電機(jī)的控制采用跟隨控制模式（-4模式）來(lái)完成。 對(duì)于該電機(jī)來(lái)說(shuō)，這個(gè)電機(jī)要完全跟隨放絲電機(jī)來(lái)運(yùn)行，如果跟隨時(shí)速度出現(xiàn)了大的偏差，那么絲就會(huì)被拉斷，這樣的結(jié)果是不允許的！同時(shí)該電機(jī)的線速度還要求在放絲電機(jī)線速度的上下波動(dòng)，速度波動(dòng)的范圍要在±5%之間可調(diào)，這樣做的目的是調(diào)節(jié)絲的張力大小，從而調(diào)節(jié)絲繞到卷繞輪的張力大小。而驅(qū)動(dòng)器工作在-4模式下時(shí)，擁有非常精確、靈敏的速度跟隨性，也就是該電機(jī)完全隨著放絲電機(jī)的運(yùn)行，一起相互加減速、勻速運(yùn)行。電機(jī)的運(yùn)行速度隨著從X7輸入脈沖的頻率變化而變化，另外輸入脈沖的頻率經(jīng)過(guò)齒輪比后才得到了真正的電機(jī)實(shí)際要運(yùn)行的頻率，通過(guò)更改齒輪比來(lái)實(shí)現(xiàn)線速度在±5%之間波動(dòng)。
調(diào)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)器直徑接收拉絲伺服電機(jī)高速脈沖的信號(hào)，按一定的電子齒輪比跟隨運(yùn)行，很好的保證了出絲的線速度，同時(shí)與卷繞伺服做到了很好的協(xié)調(diào)，保證系統(tǒng)張力控制的穩(wěn)定性。

小結(jié)：調(diào)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)器直徑接收拉絲伺服電機(jī)高速脈沖的信號(hào)，按一定的電子齒輪比跟隨運(yùn)行，很好的保證了出絲的線速度，同時(shí)與卷繞伺服做到了很好的協(xié)調(diào)，保證系統(tǒng)張力控制的穩(wěn)定性。

3、卷繞伺服的恒線速度(恒張力)控制
該電機(jī)的控制是整個(gè)系統(tǒng)的重中之重，要想繞出來(lái)的線平滑、不塌邊，那么就要求卷繞電機(jī)的線速度與調(diào)節(jié)電機(jī)的線速度相等。而要實(shí)現(xiàn)恒線速度控制，必須通過(guò)一個(gè)反饋回路來(lái)檢測(cè)實(shí)際的繞線輪的線速度，以前的系統(tǒng)是通過(guò)張力桿來(lái)完成的，張力桿反饋回去的是個(gè)張力信號(hào)，而且張力桿還有個(gè)中間過(guò)度環(huán)節(jié)，如果卷繞電機(jī)的線速度與調(diào)節(jié)電機(jī)的線速度相差比較大時(shí)，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)先行補(bǔ)償，然后再加上電氣補(bǔ)償，這就相當(dāng)于兩個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，減小了斷線的機(jī)率。這樣的系統(tǒng)在目前很多拉絲機(jī)中使用。而當(dāng)前這臺(tái)拉絲機(jī)是專門用來(lái)拉金絲的，金絲要求很高的潔凈度，需要盡量減少中間過(guò)度環(huán)節(jié)，所以客戶取消了張力桿，而直接采用了測(cè)速輪來(lái)作為反饋回路。這樣就增加了控制難道。
而測(cè)速輪是通過(guò)光電開(kāi)關(guān)來(lái)采集每轉(zhuǎn)一周的時(shí)間，這樣來(lái)算出測(cè)速輪的線速度，然后再把這個(gè)線速度與調(diào)節(jié)輪的線速度進(jìn)行比較，得到一個(gè)誤差，在這個(gè)誤差的基礎(chǔ)上再通過(guò)PID計(jì)算，再把最后的得到的結(jié)果補(bǔ)償?shù)疆?dāng)前卷繞輪速度上去。
卷繞電機(jī)也不是完全跟隨著調(diào)節(jié)輪旋轉(zhuǎn)，因?yàn)殡S著絲的繞制，卷繞電機(jī)的半徑會(huì)不段增大，而這個(gè)時(shí)候調(diào)節(jié)輪的線速度是個(gè)比較恒定的值（因?yàn)榉沤z電機(jī)以恒速度拉絲），那么就要求卷繞電機(jī)的轉(zhuǎn)速變小，這樣才能保證與調(diào)節(jié)輪的線速度相近。在這里又出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，即怎么樣計(jì)算當(dāng)前卷繞輪應(yīng)該轉(zhuǎn)的大致轉(zhuǎn)速呢？如果不計(jì)算這個(gè)大致轉(zhuǎn)速，直接通過(guò)采集回來(lái)的誤差進(jìn)行PID計(jì)算能不能滿足要求呢？答案是如果不計(jì)算大致轉(zhuǎn)速，直接通過(guò)PID計(jì)算來(lái)補(bǔ)償線速度的誤差是不可以的，這樣卷繞輪就會(huì)一直跟隨著調(diào)節(jié)輪運(yùn)行，當(dāng)半徑變大時(shí)，采集到誤差值就非常大。如果先通過(guò)層數(shù)來(lái)大致計(jì)算下繞線輪的半徑，然后再得到大致的卷繞電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最后再加上PID誤差計(jì)算結(jié)果，這樣得到的線速度才是比較精確，也就是線速度差才最小。而層數(shù)的來(lái)源是通過(guò)CAN總線從擺線伺服得到的。

小結(jié)：PLC具有高速脈沖計(jì)數(shù)能力，能夠采集通過(guò)電眼傳過(guò)來(lái)的高速脈沖信號(hào)，從而計(jì)算出金絲線速度，然后通過(guò)PDO傳送給收卷伺服驅(qū)動(dòng)器，該伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)此轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)自身轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制線張力的目的；

4、擺絲伺服的位置控制；
擺絲伺服的控制主要是保證繞制出來(lái)的線均勻的排列在線軸上，下圖是要求的排絲效果圖：


這個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制的難點(diǎn)就在于換向部分，為了在換向處平滑過(guò)度，而不出現(xiàn)螺紋，電機(jī)在換向的時(shí)候要滿足在最后一圈時(shí)，要進(jìn)行每層最后半圈的絕對(duì)定位，而這個(gè)圈數(shù)是可以算出來(lái)的，計(jì)算過(guò)程如下：
設(shè)最下層繞線的長(zhǎng)度為S0(這個(gè)長(zhǎng)度在按復(fù)位鍵后，電機(jī)自動(dòng)回到原點(diǎn)，然后再?gòu)倪@個(gè)原點(diǎn)開(kāi)始，以HMI上輸入有的長(zhǎng)度作為第一層排線寬度S0來(lái)開(kāi)始排線，那么繞線的圈數(shù)就等于R1=S0/（D+W），這里的W是指兩線邊緣距離。
當(dāng)繞第2層時(shí)，繞線的長(zhǎng)度為S1，S1=S0-2*1/3*D*L；L=1　1/3*D為絲上一層與下一層的邊緣距離
當(dāng)繞第3層時(shí)，繞線的長(zhǎng)度為S1，S1=S0-2*1/3*D*L；L=2
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當(dāng)繞第N層時(shí)，繞線的長(zhǎng)度為S1，S1=S0-2*1/3*D*L；L=N-1
那么就可以算出第N層應(yīng)該繞的圈數(shù)= [S0-2*1/3*D*（N-1）]/（D+W）；
圈數(shù)= [S0-2*△L *（N-1）]/（D+W）


如果以XY軸的交點(diǎn)為原點(diǎn)，那么在剛開(kāi)始運(yùn)行的時(shí)候以跟隨來(lái)運(yùn)行，電子齒輪比=（D+W）/P；當(dāng)?shù)阶詈笠蝗r(shí)，要進(jìn)行絕對(duì)定位，而這個(gè)其始位置可以通過(guò)如下的方法得出：
不管轉(zhuǎn)速有多快，那么轉(zhuǎn)一圈排線電機(jī)應(yīng)該走的距離是D+W；所以半圈就是（D+W）/2，那么這個(gè)其始位置就是：
S左：Xn1+（D+W）/2
S右：Xn2-（D+W）/2
也就是可以通過(guò)一個(gè)比較當(dāng)前的位置與要求的位置的差是否小于（D+W）/2來(lái)實(shí)現(xiàn)模式的切換；在絕對(duì)定位完成后，要立即跟隨上主軸的速度才可以。該伺服就采用了在跟隨和絕對(duì)定位兩種模式，伺服在這兩種模式間交替工作即可繞制出符合規(guī)定的線型。

小結(jié)：排繞伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)自身內(nèi)部算法自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前每層應(yīng)該繞的圈數(shù)，然后把當(dāng)前圈數(shù)自動(dòng)通過(guò)PDO傳送給卷繞伺服驅(qū)動(dòng)器，卷繞伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)這個(gè)參數(shù)通過(guò)內(nèi)部算法自動(dòng)得到電機(jī)應(yīng)該運(yùn)行的轉(zhuǎn)速，從而到達(dá)精確控制張力的目的；

五、結(jié)語(yǔ)
1、 該系統(tǒng)為用戶帶來(lái)了效率（拉絲速度）、質(zhì)量（拉絲直徑）的提高，同時(shí)也降低了系統(tǒng)綜合成本；
2、 伺服內(nèi)部算法自動(dòng)計(jì)算自身轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)響應(yīng)及時(shí)，張力控制得當(dāng)，即使拉3絲的金絲也不會(huì)出現(xiàn)踏邊的現(xiàn)象；
3、 系統(tǒng)采用CAN總線通訊，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力；
4、 該系統(tǒng)已經(jīng)安全運(yùn)行一年的時(shí)間，未出現(xiàn)任何故障，拉制出來(lái)的成品絲已經(jīng)達(dá)到了3絲，在拉制3絲時(shí)的轉(zhuǎn)速達(dá)到了400R/MIN，比普通使用張力桿做反饋回路的機(jī)械提高了7個(gè)絲，速度快了近70R/MIN，且拉制出的絲表面平整光滑，完全符合客戶要求。