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2021年7月28日

集成式仿真模型通过可靠的送料技术生产无捻带子纱

TwinCAT 3、Simulink® 建模和数字双胞胎技术助力实现织机的现代化改造

Vandewiele 公司的 Zero Twist Feeder 织物送料机可以无扭曲地将带子纱运送到织机上。这款设备基于比利时专家 Vintecc 提供的一款应用范围广泛的仿真模型,该模型已通过 TwinCAT 3 Target for Simulink® 深度集成到倍福控制软件中,让纺织纱管的速度与夹持器运动精确同步。

总部位于乌尔里瑟港市(哥德堡东部)的 Vandewiele 公司在全球织物送料机市场占据超过 60% 的份额,公司研发部门负责人 Pär Josefsson 介绍说道:“我们是这个小细分市场中的一家规模较大的供应商。我们非常重视创新,这一点可以从我们的一百多个有效专利中看出。”然而,对于 Zero Twist Feeder 的开发,Vandewiele 公司希望通过将仿真技术整合到设备控制器中实现新的突破,因此他们开始寻求专业的外部支持。最终他们找到了专业从事基于模型的软件开发的比利时 Vintecc 公司,其总部位于鲁瑟拉勒,靠近 Vandewiele 母公司总部。这两家开发合作伙伴还一致认为,安装有 TwinCAT 3 软件的倍福 PC 控制系统是满足该应用严苛要求的最佳解决方案。

使用 Zero Twist Feeder 喂入的无捻纱线,可以织出完美的纺织面料
使用 Zero Twist Feeder 喂入的无捻纱线,可以织出完美的纺织面料

目标是实现无瑕疵纺织面料

在将碳纤维、玻璃纤维或塑料纤维织成带子纱时,面料的最大问题之一是供应的纱线扭曲或起球,造成面料出现瑕疵。 Pär Josefsson 认为,传统的进线导丝装置无法解决这个问题。“在这类设备中,必须以恒定的速度引导丝线。但织机在高速运转时,往往会以非常不规则的间隔时间拉动纺织纱管。”

因此,Vandewiele 团队从头开始开发了一款设备。其想法是使用碳纤维机械臂作为络筒机和夹持器之间的缓冲装置。Pär Josefsson 解释说道:“络筒机匀速输送纱线。然后,缓冲臂缓冲纱线,纱线连续地从络筒机上松开,并使其始终处于张紧状态。必须确保纱线张力保持完美平衡,张力既要足够强才能避免纱线松垂,又要有足够的弹性以防止纱线断裂。然后,缓冲臂以合适的速度将适量的纱线送到织机上。”

仿真模型直接集成入控制器中

Vintecc 在相应的 Simulink® 模型中实施了其丰富的建模专业知识,给这个工艺过程创建了一个控制器。项目经理 Brecht Vermeulen 解释说道:“首先,我们创建了一个设备数字双胞胎模型,其中所有软件都是使用 Simulink® 编写。该模型包含多个子模型,每个模型代表设备设计的一个方面,如参数、安全、报警和 HMI。”他认为,Simulink® 与 TwinCAT 控制软件的结合可以带来特殊优势:“无需单独的 PLC 代码,而是使用 TwinCAT 3 Target for Simulink® 无缝集成、可视化和直接调整模型,并自动无缝连接 I/O 和驱动器。无论是在模型中、在 TwinCAT 中还是在硬件中,参数的修改都会被立即输送到一个非易失性存储模块中。所有参数都以这种方式安全、可靠地存储。这种深度集成只有通过倍福平台才能实现。”

TwinCAT 软件和一个 Simulink® 模型用于高精度控制 AM8000 伺服电机
TwinCAT 软件和一个 Simulink® 模型用于高精度控制 AM8000 伺服电机

实施成功的决定性因素是所需的高精度。缓冲臂长约 650 毫米,必须具有 ±1.5 毫米的高精度,才能不断实现完美的角度控制。在实际应用中,速度可以达到 850 米/分钟。“因此,在生产开始之前,设备必须根据 Simulink® 模型以慢速运动执行两个校准步骤,即校准络筒机直径和缓冲臂运动。这个步骤通过计算进料曲线以及进料装置所需的实际速度和张力来实现。在整个插入周期中,模型还能够根据两个传感器的数据对络筒机直径的变化和机械臂的张力进行补偿。”Brecht Vermeulen 解释说道。通过 TwinCAT HMI 可以方便地可视化和分析整个过程和设备的性能。

据 Brecht Vermeulen 介绍,倍福工业 PC、高动态驱动技术以及性能强大的 EtherCAT 通信系统和 I/O 端子模块与Zero Twist Feeder 尤为相得益彰:“AX8000 多轴伺服系统与 AM8000 伺服电机和 EtherCAT 是满足所需短周期时间的最佳组合。另一个重要因素是精确的驱动器增益调整,无论是在比利时还是瑞典,我们都可以仰赖倍福的支持完成这项工作。安全功能通过 TwinSAFE 直接集成在驱动器中,因此无需使用单独的安全 PLC,这样也可以提高设备的灵活性,节约成本。这个应用的优势在于:将 Simulink® 模型深度集成到 TwinCAT 中可以进一步增强标准硬件的功能,无需使用额外的硬件。”

虚拟调试

在瑞典 Vandewiele 公司的真实硬件上测试这些算法之前,Vintecc 在比利时进行了各种仿真测试。他们使用 TwinCAT Scope 软件示波器上显示的测量值对每台样机进行分析,以优化 Zero Twist Feeder 的机械结构。Pär Josefsson 总结说道:“我们与 Vintecc 和倍福的合作非常顺利。Vintecc 拥有很高的建模知识水平,而且和他们沟通起来也非常简单高效,因此我们能够快速推进 Zero Twist Feeder 的开发工作。倍福瑞典分公司也给予了我们团队大力支持。这是我们第一次直接在设备控制器中实施仿真,而这也是达到预期效果的唯一途径。目前,第一台 Zero Twist Feeder 已经交付并证明了其价值 — 既有带一个缓冲臂的单通道设备版本,也有带两个缓冲臂的纬线混合版本。”