實時總線多軸運動控制平臺在交叉鋪網機控制的應用
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隨著國內非織造布市場的飛速發展，非織造布企業日益壯大，各企業對非織造設備的機械性能和生產能力等提出越來越高的要求。交叉鋪網機是針刺、水刺等非織造布生產線關鍵的設備，我國在這兩個領域難以取得突破，其重要原因就是交叉鋪網機速度慢，因此高速鋪網機在非織造布生產線中占有舉足輕重的地位，它直接影響整條生產線的生產效率和產品質量。目前高性能的鋪網機均為國外廠家產品，主要有德國奧特法(AUTEFA)公司的CL2003和CL4000鋪網機,法國阿斯蘭公司(Asselin)的Profile交叉鋪網機，纖網輸入速度已高達90m／min～150m／min[1]。國內企業也有生產類似結構的鋪網機，宣稱速度最高達80-90m/min，但在生產實際應用的并不多。目前國內外高速鋪網機都采用五個伺服電機驅動，其控制系統主要采用PLC（包含運動控制模塊）+觸摸屏或PC+運動控制卡的形式進行控制[2]。前者由于PLC實現復雜的多軸聯動控制算法比較困難，難以實現最佳的復雜控制算法；后者多軸運動控制功能由運動控制卡實現，用戶一般只需開發一個界面將復雜的運動控制關系下載到運動控制卡的存儲介質上，相對較容易，但其功能取決于運動控制卡的功能和底層功能的開放程度，同時運動控制卡必須插在PC插槽內，電器箱與操作臺之間不能分離太遠，給成箱與布線帶來困難。我們采用基于RTSB高速實時現場總線技術，所有的控制算法都在PC上實現，采用高級語言編程，可以實現任意復雜的算法，PC與電機和I/O控制接口之間采用一根網絡線相連，實現高速的數據傳輸（12Mbps），距離可達100米，為鋪網機的高速復雜算法控制提供了可能。目前該鋪網機的最高輸人速度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CV值1.5%，鋪網機長時間不間斷工作運行，設備運行穩定可靠。
1、交叉鋪網機的控制要求
1．1 鋪網機的工作原理
圖1 鋪網機運動原理圖
圖1是鋪網機的運動原理圖。梳理機的出網速度即為交叉鋪網機的入網速度，這個速度在整個運行期間是穩定的，也就是說纖網以恒定的速度源源不斷地鋪到輸出簾上。小車A和補償棍C固定在同步帶上由M1電機拖動一起運動，小車B和補償輥D固定在同步帶上由M2電機拖動一起運動。2個小車在導軌上以高速度做往復運動，把梳理機送來的纖網源源不斷地經過A小車的下出網簾交叉鋪到輸出簾上,輸出簾由電機M5驅動，它的速度與鋪網速度、幅寬和層數有關。卷簾電機M3和M4負責補償小車運動中前后簾的位置。
1．2 小車的運動關系
傳統交叉鋪網機鋪疊的纖網有以下三個弊端[3]:
(1) 由于梳理纖網的張力導致纖網橫向收縮；
(2) 由于理梳機出網速度保持恒定，在鋪網小車翻轉反向減速/加速過程中導致纖網超喂，使纖網兩邊較中間重；
(3) 在后續加固過程中，因牽伸導致產品的橫向收縮，使得產品兩邊重的弊病更甚；
傳統交叉鋪網機生產的纖維網兩邊重中問輕的問題，是由于鋪網小車在鋪網寬度的兩端換向時，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，梳理機輸出的纖網是由鋪網簾恒速輸送的，因而造成鋪疊的纖網兩邊變重，如下圖2。
為了解決傳統鋪網機生產纖網的缺點，國外一些大的無紡設備公司進行了相應的研究，新一代鋪網機上部鋪網小車的翻轉過程滯后于下部鋪網小車的翻轉過程。這樣在下部鋪網小車減速變向的過程中，上部鋪網小車可儲積適當長度的纖網，然后在整個寬度上再將其均勻地釋放出來，為了補償原纖維網在后續加固工序中因牽伸而致橫向收縮產牛的變形，在下部鋪網小車反然而向后的加速階段，控制纖網張力，使得邊網鋪放處于欠喂狀態，如此鋪放的纖網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 電機加減速形式
高速鋪網機運行速度高，運動部件質量大，慣性力大，在往復鋪網過程中，上下小車和前簾驅動電機與后簾驅動電機頻繁起停，為減少兩端換向時的纖網超喂的影響，應盡量縮短加減速時間，在速度為80m/min時，一般加減速時間應控制在400ms以內。但加減速時間短，動態沖擊力大，運行不平穩，這將影響鋪網速度的提高。為減少的沖擊，一是減輕運動部件質量，為此運動輥子采用碳纖維材料；另外從運動控制角度，如何保證在機器運動平穩的前提下，實現以加減速時間最短為目標的最優加減速控制規律，使機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、指數加減速和S曲線加減速，其中S曲線可以實現勻加加速度（加速度的變化率），加減速在任何一點的加速度都是連續變化的，從而避免了沖擊，速度的平滑性很好，運動精度高，但是算法較復雜。本控制系統采用S曲線加減速。
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