实时总线多轴运动控制平台在交叉铺网机控制的应用
随着国内非织造布市场的飞速发展，非织造布企业日益壮大，各企业对非织造设备的机械性能和生产能力等提出越来越高的要求。交叉铺网机是针刺、水刺等非织造布生产线关键的设备，我国在这两个领域难以取得突破，其重要原因就是交叉铺网机速度慢，因此高速铺网机在非织造布生产线中占有举足轻重的地位，它直接影响整条生产线的生产效率和产品质量。目前高性能的铺网机均为国外厂家产品，主要有德国奥特法(AUTEFA)公司的CL2003和CL4000铺网机,法国阿斯兰公司(Asselin)的Profile交叉铺网机，纤网输入速度已高达90m／min～150m／min[1]。国内企业也有生产类似结构的铺网机，宣称速度最高达80-90m/min，但在生产实际应用的并不多。目前国内外高速铺网机都采用五个伺服电机驱动，其控制系统主要采用PLC（包含运动控制模块）+触摸屏或PC+运动控制卡的形式进行控制[2]。前者由于PLC实现复杂的多轴联动控制算法比较困难，难以实现最佳的复杂控制算法；后者多轴运动控制功能由运动控制卡实现，用户一般只需开发一个界面将复杂的运动控制关系下载到运动控制卡的存储介质上，相对较容易，但其功能取决于运动控制卡的功能和底层功能的开放程度，同时运动控制卡必须插在PC插槽内，电器箱与操作台之间不能分离太远，给成箱与布线带来困难。我们采用基于RTSB高速实时现场总线技术，所有的控制算法都在PC上实现，采用高级语言编程，可以实现任意复杂的算法，PC与电机和I/O控制接口之间采用一根网络线相连，实现高速的数据传输（12Mbps），距离可达100米，为铺网机的高速复杂算法控制提供了可能。目前该铺网机的最高输人速度120m/min，输出速度0.5-20 m/min，控制尺寸精度0.5mm ，无需切边处理，输出纤维网CV值1.5%，铺网机长时间不间断工作运行，设备运行稳定可靠。
1、交叉铺网机的控制要求
1．1 铺网机的工作原理
图1 铺网机运动原理图
图1是铺网机的运动原理图。梳理机的出网速度即为交叉铺网机的入网速度，这个速度在整个运行期间是稳定的，也就是说纤网以恒定的速度源源不断地铺到输出帘上。小车A和补偿棍C固定在同步带上由M1电机拖动一起运动，小车B和补偿辊D固定在同步带上由M2电机拖动一起运动。2个小车在导轨上以高速度做往复运动，把梳理机送来的纤网源源不断地经过A小车的下出网帘交叉铺到输出帘上,输出帘由电机M5驱动，它的速度与铺网速度、幅宽和层数有关。卷帘电机M3和M4负责补偿小车运动中前后帘的位置。
1．2 小车的运动关系
传统交叉铺网机铺叠的纤网有以下三个弊端[3]:
(1) 由于梳理纤网的张力导致纤网横向收缩；
(2) 由于理梳机出网速度保持恒定，在铺网小车翻转反向减速/加速过程中导致纤网超喂，使纤网两边较中间重；
(3) 在后续加固过程中，因牵伸导致产品的横向收缩，使得产品两边重的弊病更甚；
传统交叉铺网机生产的纤维网两边重中问轻的问题，是由于铺网小车在铺网宽度的两端换向时，小车的速度必须减至零，然后反向并重新加速，在小车减速/加速过程中，梳理机输出的纤网是由铺网帘恒速输送的，因而造成铺叠的纤网两边变重，如下图2。
为了解决传统铺网机生产纤网的缺点，国外一些大的无纺设备公司进行了相应的研究，新一代铺网机上部铺网小车的翻转过程滞后于下部铺网小车的翻转过程。这样在下部铺网小车减速变向的过程中，上部铺网小车可储积适当长度的纤网，然后在整个宽度上再将其均匀地释放出来，为了补偿原纤维网在后续加固工序中因牵伸而致横向收缩产牛的变形，在下部铺网小车反然而向后的加速阶段，控制纤网张力，使得边网铺放处于欠喂状态，如此铺放的纤网横截面类似正弦曲线的波峰状，即中间厚、两边薄。如下图3。
1．3 电机加减速形式
高速铺网机运行速度高，运动部件质量大，惯性力大，在往复铺网过程中，上下小车和前帘驱动电机与后帘驱动电机频繁起停，为减少两端换向时的纤网超喂的影响，应尽量缩短加减速时间，在速度为80m/min时，一般加减速时间应控制在400ms以内。但加减速时间短，动态冲击力大，运行不平稳，这将影响铺网速度的提高。为减少的冲击，一是减轻运动部件质量，为此运动辊子采用碳纤维材料；另外从运动控制角度，如何保证在机器运动平稳的前提下，实现以加减速时间最短为目标的最优加减速控制规律，使机器具有满足高速加工要求的加减速特性。常见的加减速方式有：直线加减速、指数加减速和S曲线加减速，其中S曲线可以实现匀加加速度（加速度的变化率），加减速在任何一点的加速度都是连续变化的，从而避免了冲击，速度的平滑性很好，运动精度高，但是算法较复杂。本控制系统采用S曲线加减速。
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