Yang Shanglu, Dong Xianghuai und Luan Jinsong von der Huazhong University of Science and Technology, Zhang Hu vom Beijing Institute of Technology und Lu Ansheng von Changde Textile Machinery Co., Ltd. haben ein offenes ELS-CNC-System (Electronic Transverse Control) entwickelt. Kern des Steuerungssystems ist ein PMAC-Bewegungsregler, unterstützt wird das System von einem Industrie-PC, und Panasonic-Servomotoren dienen als Antrieb. Zunächst wird der aktuelle Entwicklungsstand von ELS-Systemen beschrieben. Anschließend werden das Funktionsprinzip des Panasonic MINAS-A-AC-Servomotortreibers und der PMAC-Regelalgorithmus detailliert erläutert. Abschließend werden die Hardwarestruktur, das Software-Design und die Systemsimulationsmethoden des elektronischen Quersteuerungssystems ausführlich beschrieben. Herkömmliche Führungsstangen-Quermechanismen weisen zahlreiche Nachteile auf: hohe Kosten für Musterwechsel, geringe Flexibilität, kurze Lebensdauer der mechanischen Struktur und eine durch die mechanische Struktur begrenzte Textilgeschwindigkeit. Dank der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Computersteuerungstechnik und der Integration von Mechatronik modifizieren viele Hersteller die Führungsstangen-Quermechanismen von Kettwirkmaschinen, um ihre Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt zu steigern. Sie ersetzen traditionelle mechanische Mechanismen durch elektronische Traversiermechanismen. Beispielsweise sind die Hochgeschwindigkeits-Kettwirkmaschinen des deutschen Unternehmens LIBA mit den elektronischen Traversier-NC-Systemen ELS, EBC und EAC ausgestattet. Der elektronische Traversiermechanismus der Führungsleiste bietet eine hohe Flexibilität bei Musterwechseln, ermöglicht die Anpassung der Muster an die Marktanforderungen und zeichnet sich durch eine lange Lebensdauer aus. Sein größter Vorteil ist die uneingeschränkte Musterzirkulation. Musterwechsel an der Kettwirkmaschine sind äußerst komfortabel: Durch einfaches Einlegen einer Diskette mit den Prozessparametern lässt sich das Traversiermuster der Führungsleiste ändern. Diese Maschinen können schnell auf Markttrends bei Mustern reagieren. Daher ist der Einsatz von elektronischer numerischer Steuerung (ECM) zur Modernisierung von Kettwirkmaschinen ein unausweichlicher, marktgetriebener Trend. Auch die Kettwirkmaschinenindustrie meines Landes hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt, hinkt aber deutlich hinter den Industrieländern her. Die eingesetzten Maschinen sind hauptsächlich mechanische Traversier-Kettwirkmaschinen, was zu Produkten im unteren Preissegment führt, die vorwiegend für Standardgewebe verwendet werden. Diese Maschinen haben den internationalen Markt noch nicht erreicht, weisen lange Entwicklungszyklen auf und sind wenig wettbewerbsfähig. In den letzten Jahren hat sich die Technologie von Kettwirkmaschinen international rasant weiterentwickelt, und China importiert jährlich fortschrittliche Produkte. Die Einführung fortschrittlicher Computersteuerungstechnik zur Verbesserung der Produktqualität und -klasse wird zukünftig ein unvermeidlicher Trend in der Entwicklung chinesischer Kettwirkmaschinen sein. Abbildung 1 zeigt das Funktionsprinzip des AC-Servomotortreibers der Panasonic MINAS-A-Serie . Ein Servosystem steuert Drehwinkel und Position des geregelten Objekts und ermöglicht so die automatische, kontinuierliche und präzise Umsetzung der Eingangsbefehle. Die Positionsregelung vergleicht den vom CNC-Gerät interpolierten momentanen Positionsvorgabewert Pc mit dem im Positionskomparator erfassten Istwert Pf. Daraus ergibt sich eine Positionsabweichung ΔP, die anschließend in eine momentane Drehzahlvorgabespannung UP* umgewandelt wird. Die Eingabe von Befehlen in den Positionskomparator erfolgt über Impulsfolgen und numerische Befehle. Die Positionsregelung mit numerischer Eingabe wird durch eine Kombination aus Hardware und Software realisiert. Die Software berechnet die Abweichung und die Vorschubgeschwindigkeitsbefehle, während die Hardware die Vorschubbefehlsdaten empfängt, die D/A-Wandlung durchführt und die Steuerspannung an die Drehzahlregelung zur Ansteuerung des Motors liefert. Das Prinzipblockdiagramm ist in Abbildung 1 dargestellt. Digitale Servosysteme, die Hardware und Software kombinieren, sind heutzutage weit verbreitet. Servosysteme verfügen zudem über zwei Eingangsmethoden. Der AC-Servomotortreiber der Serie MINAS-A von Panasonic (Japan) kann wahlweise mit Impuls- oder numerischer Befehlseingabe arbeiten. Das Prinzipblockdiagramm ist in Abbildung 2 dargestellt. 2. PMAC-Regelalgorithmus: PMAC ist ein Bewegungscontroller von Delta Tau Digital Systems, Inc. (USA). Mit dem digitalen Signalprozessor DSP 56001 von Motorola kann der PMAC-Bewegungssteuerungsprozessor 1 bis 8 Achsen gleichzeitig ansteuern. Jede Achse ist vollständig unabhängig; ein PMAC kann 8 Einzelachsen von 8 verschiedenen Maschinen, 8 Achsen derselben Maschine in vollständig koordinierter Verbindung oder eine beliebige Kombination aus beidem steuern. Abbildung 2 zeigt den PMAC-Bewegungscontroller mit PID- und Schrittreglern für die Positionsregelung. Zwei weitere Komponenten dienen der Reduzierung von Bahnfehlern im Servosystem: Drehzahl- und Beschleunigungsvorsteuerung. Die Drehzahlvorsteuerung reduziert Nachführfehler, die durch differentielle Verstärkung oder Dämpfung des Tachogenerators verursacht werden. Nachführfehler aufgrund von Trägheit sind proportional zur Beschleunigung und können daher durch Beschleunigungsvorsteuerung kompensiert werden. Da eine ideale Kopplung zwischen Antrieb (Motor) und Last schwer zu erreichen ist, verfügt der PMAC-Bewegungsregler über mehrere fortschrittliche Funktionen zur Behebung praktischer Probleme wie Hysterese, statischer Reibung, Wicklung und Umkehrspiel. Diese Probleme können sich zu mechanischer Resonanz im System kombinieren und dessen Leistung erheblich beeinträchtigen. Der digitale Filter und die Dual-Feedback-Option des PMAC-Bewegungsreglers, die gleichzeitig die Position von Antrieb und Last messen und differentielle Bewegungen im Servoregelkreis kompensieren, können das Problem der mechanischen Resonanz lösen. Das Schaltbild des PMAC-PID+Notch-Servofilters ist in Abbildung 3 dargestellt. Vorteile der Polkonfiguration des PID-Servofilters: ① Größere Flexibilität bei der Polkonfiguration (Einstellung der dynamischen Eigenschaften des Systems); ② Höhere Robustheit zur Vermeidung von Änderungen der dynamischen Systemeigenschaften; ③ Stärkere Störungsunterdrückung; ④ Minimierung des Einflusses von Messrauschen; ⑤ Bessere Kontrolle der Systemresonanz; ⑥ Verbesserte Fähigkeit zur Behandlung nichtlinearer Effekte wie Reibung. Tatsächlicher PID-Algorithmus. Die tatsächliche Formel für den PID-Algorithmus zur Berechnung des Stellsignals für Motor x lautet wie folgt: Hinweis: DACout(n) ist die 16-Bit-Servozyklus-Ausgabeanweisung (32768 bis +32767). Sie wird in einen Ausgang von -10 bis +10 V umgewandelt. Der Wert von DACout(n) wird durch Ix69 definiert. Ix08 ist ein interner Positionsverstärkungsfaktor für Motor x (üblicherweise auf 96 eingestellt). Ix09 ist ein interner Verstärkungsfaktor für den Drehzahlregelkreis von Motor x. FE(n) ist der Fehler innerhalb des Servozyklus n, die Differenz zwischen Soll- und Ist-Position [CP(n) - AP(n)]. AV(n) ist die Ist-Geschwindigkeit innerhalb des Servozyklus n, die Differenz zwischen den letzten beiden Ist-Positionen jedes Servozyklus [AP(n) - AP(n-1)]. CV(n) ist die Soll-Geschwindigkeit innerhalb des Servozyklus n, die Differenz zwischen den letzten beiden Soll-Positionen jedes Servozyklus [CP(n) - CP(n-1)]. CA(n) ist die Soll-Beschleunigung innerhalb des Servozyklus n, die Differenz zwischen den letzten beiden Soll-Geschwindigkeiten jedes Servozyklus [CV(n) - CV(n-1)]. IE(n) ist das Integral des Fehlers innerhalb des Servozyklus n mit folgendem Betrag: Das Integral wirkt sich über alle Servozyklen aus. Wenn CV ungleich 0 ist, schaltet Ix34=1 lediglich den Eingang des Integrators ab, nicht aber dessen Ausgang. PMAC kann zur Konfiguration eines Kerbfilters verwendet werden. Ein Kerbfilter ist ein Antiresonanzfilter (Bandsperrfilter), der Resonanzeffekte eliminiert. Das PMAC-Kerbfiltersystem hat folgende Form: Der Zähler N(z) repräsentiert den Bandsperrfilter, der Nenner D(z) den Bandpassfilter. PMAC verwendet vier Variablen zur Spezifizierung des gesamten Kerbfiltersystems: Ix36[N1] und Ix37[N2] sind die Parameter des Bandsperrfilters, Ix38[D1] und Ix39[D2] die Parameter des Bandpassfilters. Diese I-Variablen repräsentieren die tatsächlichen Parameter der Kerbfilterformel. Sie reichen von -2, 0 bis +2, 0 und sind 24-Bit-Werte mit einem Vorzeichenbit, zwei Ganzzahlbits und 21 Nachkommastellenbits. 3 Elektronisches Horizontalbewegungssystem 3.1 Systemanalyse Während des Strickprozesses muss die Führungsschiene pro Umdrehung der Hauptwelle eine horizontale Vorwärtsbewegung der Nadel, eine horizontale Rückwärtsbewegung der Nadel sowie zwei Nadeldurchgänge ausführen. Die Führungsschiene bewegt sich während des Nadeldurchgangs nicht. Verschiedene Maschinenmodelle weisen unterschiedliche Nadelteilungen auf, z. B. E28: Nadelteilung = 25,4/28 (0,9071). Die Positioniergenauigkeit der Führungsschienenbewegung erfordert, dass der Abstand zwischen Führungsnadel und Nutnadel während des Nadeldurchgangs minimal ist, während die Maschine mit hoher Geschwindigkeit arbeitet und häufige Bewegungs-Stopp-Aktionen durchführt. Das Steuerungssystem kann nicht nur die Bewegung einer einzelnen Führungsschiene, sondern auch die koordinierte Bewegung von vier Führungsschienen realisieren. Um den ordnungsgemäßen Betrieb der Kettwirkmaschine zu gewährleisten, muss der elektronische Traversiermechanismus eine hohe Positioniergenauigkeit, eine schnelle Reaktionszeit und eine gute Systemstabilität aufweisen sowie über eine benutzerfreundliche Mensch-Maschine-Schnittstelle verfügen. 3.2 Systemhardwarestruktur Die Hardwarestruktur des elektronischen Traversiermechanismus ist in Abbildung 4 dargestellt. Das Gesamtsystem besteht im Wesentlichen aus drei Teilen: (1) Einem Softwaresystem zur Generierung von Mustersteuerungselementen. Dieses System wandelt Kammmuster-Organisationscodes wie L1, 1-0/1-2//; L2, 2-3/2-1/1-2/1-0/1-2/2-1//; L3, 1-0/1-2/2-1/2-3/2-1/1-2// (wobei L1, L2 und L3 unterschiedliche Kämme darstellen) in NC- und G-Code um, die vom PMAC erkannt werden können. Der Schlüssel für dieses System liegt in der Verwendung einer bestimmten Datenstruktur. (2) Einem CNC-System mit Schrittmotor-Hydraulikzylinder. (3) Einem Hochdruck-Ölversorgungssystem mit Schrittmotor. Abbildung 3 Abbildung 4 3.3 Entwicklung der Steuerungssoftware Das elektronische Querverfahr-CNC-System basiert auf der Windows 2000-Plattform und verwendet eine Kommunikation zwischen Ober- und Unterrechner. Der obere Rechner des elektronischen Quer-CNC-Systems nutzt das weit verbreitete Visual C++ 6.0 zur Systemverwaltung, während die Programmierung des unteren Rechners in PMAC mit den PMAC-Entwicklungswerkzeugen erfolgt. PMAC stellt DLLs und VxDs für die Kommunikation bereit. Das Programmablaufdiagramm ist in Abbildung 5 dargestellt. Die Softwareentwicklung des elektronischen Quer-CNC-Systems gliedert sich in zwei Teile: die PMAC-Echtzeitsteuerungssoftware und die Systemverwaltungssoftware. Die Echtzeitsteuerungssoftware ist in Abbildung 6 dargestellt. Das Interpolationsmodul umfasst lineare, kreisförmige und Spline-Interpolation. Das Überwachungsmodul bezieht sich hauptsächlich auf die SPS-Überwachung auf der PMAC-Karte. Diese umfasst im Wesentlichen eine Watchdog-SPS, eine Power-On-SPS, eine Haupt-SPS, SPS für die Anzeigeverwaltung und eine Power-Off-SPS. Der Zähler der Watchdog-SPS ermöglicht eine Fehlerschutz-Abschaltfunktion, um die Sicherheit bei CPU-Fehlfunktionen zu gewährleisten. Die Haupt-SPS dient der Überwachung des Bedienfelds und der Ein-/Ausgänge. Das Datenerfassungsmodul erfasst die Drehzahl des Servomotors und des Spindelmotors und steuert so die Querbewegung präzise. Die Systemverwaltungssoftware basiert auf IPC und ist unter Windows hauptsächlich für die Systemkommunikation, Anzeige, Diagnose, Eingabe von Mustersoftware und die Verwaltung der Mensch-Maschine-Schnittstelle zuständig. Die zugehörige Verwaltungssoftware ist in Abbildung 7 dargestellt. Das Parametereinstellungsmodul dient primär der Einstellung der Spindeldrehzahl, der Auswahl der Musterstruktur und der elektronischen Verfahrzeit. Das Fehlerdiagnosemodul überwacht und diagnostiziert den gesamten Betriebszustand des Systems online. Das Systemplanungsmodul steuert die Kommunikation zwischen verschiedenen Aufgaben. Das Kommunikationsmodul stellt die Kommunikation zwischen dem PMAC und dem Host-Computer her. Über ein Host-Kommunikationsprogramm kommunizieren Host-Computer und PMAC miteinander und realisieren so die Bewegungssteuerung des elektronischen Verfahrmechanismus. Die Kommunikation zwischen IPC und PMAC dieses CNC-Systems wurde mithilfe der dynamischen Linkbibliothek Pcomm32 und der von DehaTau bereitgestellten PTALKDT-Steuerung realisiert. Pcomm32 umfasst alle Kommunikationsmethoden mit dem PMAC, und seine Hauptfunktionen sind klassifiziert und in der ActiveX-Steuerung PTALKDTt gekapselt. Das fertige Kommunikationsprogramm ermöglicht Kommunikationsfunktionen wie das Herunterladen von Bewegungsprogrammen, SPS-Programmen, die Übertragung von IPC-Befehlen an PMAC und die Statusrückmeldung von PMAC an IPC. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle, einschließlich Parametereinstellung, CNC-Programmbearbeitung, Fehlerdiagnose und Parametereingabe, wurde mit Visual C++ 6.0 entwickelt. Durch die Nutzung der umfangreichen GUI-Funktionen und der 32-Bit-Verarbeitung von Windows wird eine benutzerfreundliche Oberfläche realisiert. Die Systemmanagement- und Echtzeitsteuerungssoftware steuert die seitliche Bewegung, erfasst Daten und überwacht den Systemstatus. Dies gewährleistet einen stabilen und zuverlässigen Systembetrieb gemäß den Designanforderungen. 4. Systemsimulation Die meisten Systemprobleme lassen sich durch die Anpassung der Parameter des PID-Reglers und des Drehzahl-/Beschleunigungs-Vorsteuerungsreglers mithilfe der von PMAC bereitgestellten PEWIN-Software beheben. Die PEWIN-Software bewertet die Systemcharakteristika durch Analyse der Impuls- und Sinusantwort. Abbildung 8 zeigt die PID-Einstellschnittstelle in PEWIN. In der oberen linken Ecke der Schnittstelle befinden sich zwei von der PEWIN-Software bereitgestellte Signalquellen (Impuls- und Sinussignale), deren Eigenschaften (Signalamplitude und -dauer) angepasst werden können. Nachfolgend sind systembezogene Parameter aufgeführt, mit denen Benutzer die Systemeigenschaften anpassen können. Nach der Parameteränderung kann die Impuls- oder Sinusantwortanalyse durchgeführt werden. Die Impulsantwortanalyse dient hauptsächlich der Anpassung der P-, I- und D-Parameter des Systems, während die Sinusantwortanalyse vorwiegend zur Anpassung der dynamischen Systemeigenschaften, insbesondere der Vorsteuerungsparameter für Drehzahl und Beschleunigung, verwendet wird. Der anzupassende Motor wird mit den Tasten „Bild auf“ und „Bild ab“ ausgewählt. Hinweis: Die PID-Regelung des Systems stoppt zunächst alle laufenden Bewegungs- und SPS-Programme, lädt dann einen kleinen Abschnitt des eigenen Programms herunter, dreht den Motor, erfasst Echtzeitdaten und erstellt Impuls- und Sinusantwortkurven. Anhand dieser Kurven werden die Systemeigenschaften beurteilt. Abbildung 9 und 10 zeigen die Impuls- bzw. Sinusantwortkurve. Abbildung 6: PMAC Echtzeit-Steuerungssoftware; Abbildung 7: Systemverwaltungssoftware; Abbildung 8: Impulsantwortkurve; Abbildung 9: Sinusantwortkurve. Abbildung 10: Sinuswellen-Antwortkurve. 5. Fazit. Diese Arbeit analysiert das Funktionsprinzip des AC-Servomotortreibers der Panasonic MINAS-A-Serie und den PMAC-Regelalgorithmus. Gleichzeitig werden Systemsimulation und -analyse der elektronischen Querbewegung durchgeführt. Für die Textilindustrie ist der Ersatz traditioneller mechanischer Strukturen durch elektronische Querbewegung, die moderne Mikrocomputer-Steuerungstechnik und Mechatronik vollständig integriert, ein unaufhaltsamer Trend in der technologischen Entwicklung. Der Einsatz elektronischer Querbewegungsanlagen anstelle traditioneller mechanischer Strukturen kann nicht nur die Produktionseffizienz erheblich steigern, sondern auch die Herstellung hochwertiger Produkte ermöglichen. Das Betriebssystem Windows 2000, die IPC+ISA/PCI-Funktionssteuerkarte und die weit verbreitete Programmiersprache Visual C++ 6.0 bieten eine Hardware- und Softwareplattform sowie eine Softwareentwicklungssprache für die Entwicklung des elektronischen Quersteuerungssystems. Dies gewährleistet nicht nur, dass das Produkt dem Entwicklungstrend von Kettwirkmaschinen in meinem Land entspricht und die Wettbewerbsfähigkeit der Kettwirkmaschinen auf dem Markt stärkt, sondern verleiht dem System auch eine hervorragende Skalierbarkeit und Portabilität und bietet somit viel Raum für zukünftige Entwicklungen.