CN107747161B - 一种无传感器经编张力积极式调控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无传感器经编张力积极式调控系统，属于经编机智能装备控制技术领域。本发明结合经编机横移角度机构属性参数与经编工艺垫纱数码工艺属性参数，在开始生产织造之前即生成经纱张力均衡调控曲线规划数据，属于预先规划的前馈控制系统，从而可以取消纱线张力传感器与张力测试与变送反馈系统，系统架构更加简洁。本发明以经编机的机构属性与经编产品的工艺属性作为调控实施的参数依据，使得这种经纱张力调控系统对于不同的经编机型，以及不同机型的不同经编工艺，都具有更好的自适应性。本发明主动前馈式积极调控，可以使用原机器上通用的弹性张力杆，并可选用普通的伺服电机，系统升级成本进一步下降。

Description

一种无传感器经编张力积极式调控系统

技术领域

本发明涉及一种无传感器经编张力积极式调控系统，属于经编机智能装备控制技术领域。

背景技术

经编技术因其极高的编织效率而成为针织技术的重要分支，经编机在高速编织时，经纱需要维持一定的纱线张力才能正常成圈，但是过大的经纱张力峰值，或者过大的经纱张力波动加速度，都会造成纱线断头或无法成圈，进而影响坯布品质或使生产中断。而在经编机每一个横列的成圈编织过程中，因为纱线输送长度在主轴角度任意区间内的均匀性，以及在主轴角度不同区间内消耗纱线长度的突变性，从原理上决定了在每一个横列的成圈编织过程中，必然会出现经纱张力的波动，每一个成圈编织周期自然也就是经纱张力波动的一个基本周期。而这种周期性经纱张力波动的根源，恰恰是经编机成圈的基本动作，为了弥补经纱张力的这种周期性波动变化，现有技术都是采用张力杆进行补偿。

在送经机构与成圈机构之间增加张力杆，通过纱线与弹性张力杆之间的相互作用，利用张力杆的挠性变形和纱线的弹性伸长来对纱线实现一定量的预存储。当张力突然增大时，经纱拉紧，弹性张力杆受压下降，释放预存量纱线，缓减张力的瞬态增加；当张力突然减小时，经纱放松，弹性张力杆回弹上抬，缓补纱线张力的瞬态下跌，并完成新纱线的暂存，从而减缓经纱张力上升或下降的斜率，并削减张力波动的峰值。这种通过纱线本身传递张力，进而逼迫张力杆产生变形的工作机理，决定了张力杆对经纱张力的均衡调控是一种被动反馈式调整，同时也决定了参与编织的经纱本身必须具备一定的弹性系数和断裂强度，才能配合张力杆的机械挠性进行正常工作。因此，对于弹性差模量高的玻璃纤维、金属丝、蚕丝等经编原料，以及捻度小断裂强度低的天然短纤维类经编原料，生产实践已经证明，采用张力杆的这种被动反馈式经纱张力调控方法，已难以保证低断头率的高速连续经编生产。

在专利CN201710378790.0中公布了一种经编积极式张力补偿装置，该装置的方法特征为：利用电阻应变仪测量经纱张力波动，并在纱线张力异常增大时，将信号传递给编码器，编码器以电信号的形式反馈给控制器，控制器再控制音圈电机调整刚性张力杆的角度。该方法虽然在一定程度上实现了对经纱张力波动的积极式补偿，但由于其补偿的时机以及补偿量完全取决于电阻应变式张力仪的测量反馈值，也即在时序上，仍然要求先有张力波动的产生，然后才有张力波动的补偿，在机理上仍然属于反馈式控制。由于动态张力测量的滤波及张力信号反馈处理的时间性限制，这种方法对于高模量和低强度的经纱原料，仍然难以实现高速化成圈编织时对经纱张力波动的均衡化调控。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述不足，提供一种无传感器经编张力积极式调控系统，在取消张力测量反馈机制的基础上，结合具体机构属性参数与具体工艺属性参数，采用预先规划，提前生成动态调控曲线的控制算法，在有效解决低强度高弹性模量经纱在高速化成圈编织频繁断头问题的同时，进一步精简系统结构，降低成本，并提高调控系统对不同机型与不同工艺的自适应性。

本发明的第一个目的是提供一种无传感器经编张力积极式调控系统，所述调控系统主要包括检测主轴角度信息的一对编码器(1)和(2)、输入参数信息的输入装置(3)、完成曲线规划与实时控制的运动控制器(4)、以及执行机构伺服控制器(5)与伺服电机(6)、齿轮减速箱(7)、张力杆固定转轴(8)和弹性张力杆(9)；所述一对编码器(1)和(2)、输入装置(3)、伺服控制器(5)均通过数字线路直接与运动控制器(4)进行信号联接，伺服控制器(5)与伺服电机(6)通过电源线与编码器信号线相联接，伺服电机(6)通过齿轮减速箱(7)与张力杆固定转轴(8)进行机械连接，利用电机的正反转实现弹性张力杆(9)绕以张力杆固定转轴(8)为轴心转动，进而实现对经纱张力的积极式调控。

在本发明的一种实施方式中，所述检测主轴角度信息的一对编码器(1)和(2)，包括一只绝对值编码器(1)与一只增量式编码器(2)，绝对值编码器(1)用来检测经编机主轴的静态绝对角位置，增量式编码器(2)用来检测经编机主轴的动态角位置、角速度与角加速度。

在本发明的一种实施方式中，所述检测主轴角度信息的绝对值编码器(1)和增量式编码器(2)，均由经编机主轴通过1:1传动比的机械连接同步传动。

在本发明的一种实施方式中，所述输入装置(3)是人机接口触摸屏，用以完成经编机上每把导纱梳栉针背横移结束角度、针前横移开始角度、针前横移结束角度、针背横移开始角度的机械参数输入，还用以完成经编机上每把导纱梳栉的横移垫纱数码的工艺参数输入。

在本发明的一种实施方式中，所述运动控制器(4)在经编机开始生产之前，接收由输入装置输入的正确的机械参数和工艺参数，然后预先规划并生成经纱张力动态调控曲线所对应的凸轮规划数据表。

在本发明的一种实施方式中，所述伺服电机(6)的出轴方向与齿轮减速箱(7)的出轴方向相垂直，便于简化机械安装和维持原机器宽度。

在本发明的一种实施方式中，所述齿轮减速箱(7)是行星齿轮减速箱。

本发明的第二个目的是提供一种上述无传感器经编张力积极式调控系统中凸轮规划数据表生成的方法。

在本发明的一种实施方式中，所述凸轮规划数据表生成的方法是采用电子凸轮控制算法来实现张力均衡调控功能的。

在本发明的一种实施方式中，所述凸轮规划数据表生成的方法的具体步骤为：

步骤一、在针背横移角度区间内，主轴角位移量为：针背横移角度区间宽度值，相对其一个旋转周期360°的比值，再与主轴旋转一周所对应脉冲当量的乘积，主轴角位移方向为正；从轴角位移量为：在本次针背横移动作中纱线的消耗长度，等效成弹性张力杆(9)下降的高度，折算至伺服电机(6)旋转的角度值，相对其电机轴一圈360°的比值，再与电机轴旋转一周所对应脉冲当量的乘积，从轴角位移方向为正；

步骤二、在针背摆往针前的第一摆动过针角度区间内，主轴角位移量为：第一摆动角度区间宽度值，相对其一个旋转周期360°的比值，再与主轴旋转一周所对应脉冲当量的乘积，主轴角位移方向为正；从轴角位移量为：在前一次针背横移动作中纱线的消耗长度，等效成弹性张力杆9回升的高度，折算至伺服电机6旋转的角度值，相对其电机轴一圈360°的比值，再与电机轴旋转一周所对应脉冲当量的乘积，从轴角位移方向为负；

步骤三、在针前横移角度区间内，主轴角位移量为：针前横移角度区间宽度值，相对其一个旋转周期360°的比值，再与主轴旋转一周所对应脉冲当量的乘积，主轴角位移方向为正；从轴角位移量为：在本次针前横移动作中纱线的消耗长度，等效成弹性张力杆(9)下降的高度，折算至伺服电机(6)旋转的角度值，相对其电机轴一圈360°的比值，再与电机轴旋转一周所对应脉冲当量的乘积，从轴角位移方向为正；

步骤四、在针前摆往针背的第二摆动过针角度区间内，主轴角位移量为：第二摆动角度区间宽度值，相对其一个旋转周期360°的比值，再与主轴旋转一周所对应脉冲当量的乘积，主轴角位移方向为正；从轴角位移量为：在前一次针前横移动作中纱线的消耗长度，等效成弹性张力杆(9)回升的高度，折算至伺服电机(6)旋转的角度值，相对其电机轴一圈360°的比值，再与电机轴旋转一周所对应脉冲当量的乘积，从轴角位移方向为负；

步骤五、重复以上步骤一至步骤四总共N次，为花高横列数为N的编织工艺，在确定了针背结束角度、针前横移开始角度、针前横移结束角度、针背横移开始角度的经编机上，预先规划并生成，在一个花高循环生产周期内实施张力均衡调控，而驱动伺服电机(6)所需的完整电子凸轮数据表。

在本发明的一种实施方式中，所述步骤一至步骤四中弹性张力杆(9)下降或回升的高度，是相对弹性张力杆(9)呈水平放置，即张力杆固定转轴(8)的转角为0°时为起点，张力杆(9)下降到最低点后相对起点的垂直距离。

本发明有益效果

1、本发明结合经编机横移角度机构属性参数与经编工艺垫纱数码工艺属性参数，在开始生产织造之前即生成经纱张力均衡调控曲线规划数据，属于预先规划的前馈控制系统，从而可以取消纱线张力传感器与张力测试与变送反馈系统，系统架构更加简洁；由于动态调控量事先已经预知并生成，控制流程更加高效。

2、本发明以经编机的机构属性与经编产品的工艺属性作为调控实施的参数依据，使得这种经纱张力调控系统对于不同的经编机型，以及不同机型的不同经编工艺，都具有更好的自适应性。

3、本发明采用主动前馈式积极调控，可以使用原机器上通用的弹性张力杆，并可选用普通的伺服电机，系统升级成本进一步下降。

附图说明

图1是系统结构图；

1、编码器，2、编码器，3、输入装置，4、运动控制器，5、执行机构伺服控制器，6、伺服电机，7、齿轮减速箱，8、张力杆固定转轴，9、弹性张力杆；

图2是经纱张力调控前后效果示意图；

图3是张力杆转角与纱线位移量示意图。

具体实施方式

本发明的实施目的，即是要实现图2中所示的调控效果。在图2中，a为无调控效果的原始纱线张力曲线，b为弹性张力杆的理论张力补偿曲线，c为原始张力与补偿张力实时叠加均衡后纱线的实际张力曲线，可以看出，通过在梳栉横移垫纱期间张力杆主动下降并同步配合纱线的消耗进程，可以有效削减纱线实际张力最大峰值；同样，在成圈器件结束前一次横移垫纱动作后开始下一次横移垫纱动作前，张力杆主动快速回升拉紧纱线，虽然增大了纱线在此时段的原有张力，但降低了张力最大值与最小值之间的差值，因此从一个完整的成圈周期来看，不仅实现了纱线张力波峰最大峰值的降低，还在一个成圈周期中对纱线张力波动完成了均衡化调控。

实施例1：

本发明的无传感器经编张力积极式调控系统主要包括检测主轴角度信息的一对编码器(1)和(2)、输入参数信息的人机接口触摸屏(3)、完成曲线规划与实时控制的运动控制器(4)、以及执行机构伺服控制器(5)与伺服电机(6)、行星齿轮减速箱(7)、张力杆固定转轴(8)和弹性张力杆(9)；所述一对编码器(1)和(2)、人机接口触摸屏(3)、伺服控制器(5)均通过数字线路直接与运动控制器(4)进行信号联接，伺服控制器(5)与伺服电机(6)通过电源线与编码器信号线相联接，伺服电机(6)通过行星齿轮减速箱(7)与张力杆固定转轴(8)进行机械连接，利用电机的正反转实现弹性张力杆(9)绕以张力杆固定转轴(8)为轴心转动，进而实现对经纱张力的积极式调控。

所述检测主轴角度信息的一对编码器(1)和(2)，包括一只绝对值编码器(1)与一只增量式编码器(2)，绝对值编码器(1)用来检测经编机主轴的静态绝对角位置，增量式编码器(2)用来检测经编机主轴的动态角位置、角速度与角加速度。

所述检测主轴角度信息的绝对值编码器(1)和增量式编码器(2)，均由经编机主轴通过1:1传动比的机械连接同步传动。

所述人机接口触摸屏(3)用以完成经编机上每把导纱梳栉针背横移结束角度、针前横移开始角度、针前横移结束角度、针背横移开始角度的机械参数输入，还用以完成经编机上每把导纱梳栉的横移垫纱数码的工艺参数输入。

所述运动控制器(4)在经编机开始生产之前，接收由人机接口触摸屏输入的正确的机械参数和工艺参数，然后预先规划并生成经纱张力动态调控曲线所对应的凸轮规划数据表。

所述伺服电机(6)的出轴方向与行星齿轮减速箱(7)的出轴方向相垂直，便于简化机械安装和维持原机器宽度。

实施例2：

本发明的具体调控步骤，参见如下步骤：通过人机接口触摸屏3输入某把导纱梳栉的4个机构属性参数：针背横移结束角度为θ₁、针前横移起始角度θ₂、针前横移结束角度θ₃、针背横移起始角度θ₄；通过人机接口触摸屏3所输入该梳栉的工艺属性参数：花高横列数为N的产品工艺，其垫纱数码为标准工艺书写格式，且第i横列与第i+1横列的垫纱数码为：/……/d_(i,1)-d_(i,2)/d_(i+1,1)-d_(i+1,2)/……//；由增量式编码器2对主轴一圈360°量化后一周的脉冲当量数为M₁，伺服电机6电机轴旋转一圈360°量化后一周的脉冲当量数为M₂，行星齿轮减速箱7的传动比为P，弹性张力杆9相对张力杆固定转轴8的轴心旋转臂长为R，由图3所示可知，当弹性张力杆9从处于水平放置位置，绕张力杆固定转轴8的轴心转动使得弹性张力杆9下降高度为ΔH时，张力杆固定转轴8转过的角位移量α＝arcsin(ΔH/R)，主轴转速为V转/分钟，经编机号为E(每一英寸25.4mm内的针数)。则可得，针对此特定机构属性参数与工艺属性参数，运动控制器4通过伺服驱动器5和伺服电机6，实施无传感器经编张力均衡调控所需的电子凸轮数据表(经编机主轴与作为从轴的伺服电机6在相同的运动时间t内各自的角位移对照表)的规划生成步骤为：

步骤一：在第i+1横列的针背横移角度区间θ∈[θ₄，360°+θ₁]内，在相同的运动时间t₁内，电子凸轮主轴与从轴分别对应的角位移量(单位：脉冲个数)为：

主/从轴共同运行时间t₁＝(60×1000/V)×(|360-θ₄+θ₁|/360)

主轴角位移量S_主1＝+M₁×(|360-θ₄+θ₁|/360)

从轴角位移量S_从1＝+M₂×(P×arcsin(|d_(i+1,1)-d_(i,2)|×(25.4/E)/R)/360)

步骤二：在第i+1横列的第一摆动过针角度区间θ∈[θ₁，θ₂]内，在相同的运动时间t₂内，电子凸轮主轴与从轴分别对应的角位移量(单位：脉冲个数)为：

主从轴共同运行时间:t₂＝(60×1000/V)×(|θ₂-θ₁|/360)

主轴角位移量:S_主2＝+M₁×(|θ₂-θ₁|/360)

从轴角位移量:S_从2＝-M₂×(P×arcsin(|d_(i+1,1)-d_(i,2)|×(25.4/E)/R)/360)

步骤三：在第i+1横列的针前横移角度区间θ∈[θ₂，θ₃]内，在相同的运动时间内t₃，电子凸轮主轴与从轴分别对应的角位移量(单位：脉冲个数)为：

主从轴共同运行时间:t₃＝(60×1000/V)×(|θ₃-θ₂|/360)

主轴角位移量:S_主3＝+M₁×(|θ₃-θ₂|/360)

从轴角位移量:S_从3＝+M₂×(P×arcsin(|d_(i+1,2)-d_(i+1,1)|×(25.4/E)/R)/360)

步骤四：在第i+1横列的针前横移角度区间θ∈[θ₃，θ₄]内，在相同的运动时间内t₄，电子凸轮主轴与从轴分别对应的角位移量(单位：脉冲个数)为：

主从轴共同运行时间:t₄＝(60×1000/V)×(|θ₄-θ₃|/360)

主轴角位移量:S_主4＝+M₁×(|θ₄-θ₃|/360)

从轴角位移量:S_从4＝-M₂×(P×arcsin(|d_(i+1,2)-d_(i+1,1)|×(25.4/E)/R)/360)

步骤五：重复步骤一至步骤四共N遍，当前横列序号i∈[1，N](当i＝N时，i+1＝1)，即可生成花高循环数目为N的完整调控用凸轮数据表。

在图3中，当弹性张力杆9从处于水平放置，绕张力杆固定转轴8的轴心旋转使得弹性张力杆9下降高度为ΔH时，为了简化计算，将纱线在张力杆9主动转动过程中送出的长度，即在某次横移垫纱运动中的垫纱长度(＝Δn×(25.4/E)，Δn为该次横移针距数，垫纱长度单位：mm)，近似等效为ΔH，因此张力杆固定转轴8转过的角位移量与某次垫纱长度之间的关系为：α＝arcsin((Δn×(25.4/E))//R)。

待运动控制器4生成完整的调控用凸轮数据表后，运动控制器4会通过绝对值编码器1采集经编机主轴的当前角度位置，并将此角度转换为增量式编码器2在系统内计数器的初始值，同时启动伺服驱动器5和伺服电机6，转动行星齿轮减速箱7和张力杆固定转轴8，将弹性张力杆9旋转至当前主轴角度所对应的电子凸轮从轴所对应的角度位置上，完成软件系统在凸轮数据表生成后，硬件系统(主轴实际角度位置与弹性张力杆9的实际角度位置)角度位置的同步耦合；此后机器的操作人员通过经轴的正转或者反转将经纱张力调整到手感合适，便可启动经编机快速生产。在机器的高速生产过程中，本发明所述无传感器经编张力积极式调控系统，严格实时跟随主轴角度变化，按照预先生成的凸轮数据表，精确控制伺服电机6的输出转角位移量、角速度与角加速度，即可实现对高速生产过程中纱线张力的周期性主动积极式均衡调控。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种无传感器经编张力积极式调控系统，其特征在于，所述调控系统主要包括检测主轴角度信息的一对编码器、输入参数信息的输入装置(3)、完成曲线规划与实时控制的运动控制器(4)、以及执行机构伺服控制器(5)与伺服电机(6)、齿轮减速箱(7)、张力杆固定转轴(8)和弹性张力杆(9)；所述一对编码器、输入装置(3)、伺服控制器(5)均通过数字线路直接与运动控制器(4)进行信号联接，伺服控制器(5)与伺服电机(6)通过电源线与编码器信号线相联接，伺服电机(6)通过齿轮减速箱(7)与张力杆固定转轴(8)进行机械连接，利用电机的正反转实现弹性张力杆(9)绕以张力杆固定转轴(8)为轴心转动，进而实现对经纱张力的积极式调控。

2.根据权利要求1所述的无传感器经编张力积极式调控系统，其特征在于，所述检测主轴角度信息的一对编码器，包括一只绝对值编码器(1)与一只增量式编码器(2)，绝对值编码器(1)用来检测经编机主轴的静态绝对角位置，增量式编码器(2)用来检测经编机主轴的动态角位置、角速度与角加速度。

3.根据权利要求2所述的无传感器经编张力积极式调控系统，其特征在于，所述检测主轴角度信息的绝对值编码器(1)和增量式编码器(2)，均由经编机主轴通过1:1传动比的机械连接同步传动。

4.根据权利要求1所述的无传感器经编张力积极式调控系统，其特征在于，所述输入装置(3)为人机接口触摸屏，用以完成经编机上每把导纱梳栉针背横移结束角度、针前横移开始角度、针前横移结束角度、针背横移开始角度的机械参数输入，还用以完成经编机上每把导纱梳栉的横移垫纱数码的工艺参数输入。

5.根据权利要求1所述的无传感器经编张力积极式调控系统，其特征在于，所述运动控制器(4)在经编机开始生产之前，接收由输入装置(3)输入的正确的机械参数和工艺参数，然后预先规划并生成经纱张力动态调控曲线所对应的凸轮规划数据表。

6.根据权利要求1所述的无传感器经编张力积极式调控系统，其特征在于，所述伺服电机(6)的出轴方向与齿轮减速箱(7)的出轴方向相垂直。

7.一种权利要求5所述的无传感器经编张力积极式调控系统中凸轮规划数据表生成的方法。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述凸轮规划数据表生成的方法是采用电子凸轮控制算法来实现张力均衡调控功能的。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述凸轮规划数据表生成的方法的具体步骤为：

步骤一、在针背横移角度区间内，主轴角位移量为：针背横移角度区间宽度值，相对其一个旋转周期360°的比值，再与主轴旋转一周所对应脉冲当量的乘积，主轴角位移方向为正；从轴角位移量为：在本次针背横移动作中纱线的消耗长度，等效成弹性张力杆(9)下降的高度，折算至伺服电机(6)旋转的角度值，相对其电机轴一圈360°的比值，再与电机轴旋转一周所对应脉冲当量的乘积，从轴角位移方向为正；

步骤二、在针背摆往针前的第一摆动过针角度区间内，主轴角位移量为：第一摆动角度区间宽度值，相对其一个旋转周期360°的比值，再与主轴旋转一周所对应脉冲当量的乘积，主轴角位移方向为正；从轴角位移量为：在前一次针背横移动作中纱线的消耗长度，等效成弹性张力杆(9)回升的高度，折算至伺服电机(6)旋转的角度值，相对其电机轴一圈360°的比值，再与电机轴旋转一周所对应脉冲当量的乘积，从轴角位移方向为负；

步骤三、在针前横移角度区间内，主轴角位移量为：针前横移角度区间宽度值，相对其一个旋转周期360°的比值，再与主轴旋转一周所对应脉冲当量的乘积，主轴角位移方向为正；从轴角位移量为：在本次针前横移动作中纱线的消耗长度，等效成弹性张力杆(9)下降的高度，折算至伺服电机(6)旋转的角度值，相对其电机轴一圈360°的比值，再与电机轴旋转一周所对应脉冲当量的乘积，从轴角位移方向为正；

步骤四、在针前摆往针背的第二摆动过针角度区间内，主轴角位移量为：第二摆动角度区间宽度值，相对其一个旋转周期360°的比值，再与主轴旋转一周所对应脉冲当量的乘积，主轴角位移方向为正；从轴角位移量为：在前一次针前横移动作中纱线的消耗长度，等效成弹性张力杆(9)回升的高度，折算至伺服电机(6)旋转的角度值，相对其电机轴一圈360°的比值，再与电机轴旋转一周所对应脉冲当量的乘积，从轴角位移方向为负；

步骤五、重复以上步骤一至步骤四总共N次，为花高横列数为N的编织工艺，在确定了针背结束角度、针前横移开始角度、针前横移结束角度、针背横移开始角度的经编机上，预先规划并生成，在一个花高循环生产周期内实施张力均衡调控，而驱动伺服电机(6)所需的完整电子凸轮数据表。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤一至步骤四中弹性张力杆(9)下降或回升的高度，是相对弹性张力杆(9)呈水平放置，即张力杆固定转轴(8)的转角为0°时为起点，张力杆(9)下降到最低点后相对起点的垂直距离。