一種羅拉車控制系統(tǒng)通用平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳禹伶，王體泮

（綿陽(yáng)市維博電子有限責(zé)任公司 四川 綿陽(yáng) 621000）

在服裝行業(yè)的細(xì)分市場(chǎng)——皮革制品和裝飾工業(yè)中的鎖式線縫需求，占總需求的30%左右。尤其是近幾年來(lái)，隨著人們對(duì)品質(zhì)、款式的追求，對(duì)線縫質(zhì)量的要求越來(lái)越高，靠以前傳統(tǒng)的線縫工藝和控制方法，已經(jīng)無(wú)法滿足這日益擴(kuò)大的需求，不少企業(yè)已經(jīng)在尋求同類的高檔設(shè)備和配套的控制系統(tǒng)，以更加高效地完成高質(zhì)量的鎖式線縫加工。高檔的鎖式線縫設(shè)備及系統(tǒng)成為市場(chǎng)新的爭(zhēng)奪點(diǎn)，誰(shuí)先取得突破技術(shù)難并降低成本，誰(shuí)就先獲益，誰(shuí)也就獲益最大。

對(duì)于目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，完成皮革制品和裝飾工業(yè)中的鎖式線縫的設(shè)備，基本上是進(jìn)口的，其中比較有名的一家就是PFAFF的1571、1591和1574 3種型號(hào)。但由于其它多種原因，這3種型號(hào)的控制系統(tǒng)后期的維護(hù)和發(fā)展仍停留在最初的階段，且操作使用不是方便，又無(wú)中文界面，不能很好地滿足使用需要。

僅管是3種不同的型號(hào)，但控制系統(tǒng)卻基本一樣的，這無(wú)疑上擴(kuò)大了控制系統(tǒng)的使用范圍，開發(fā)很有意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件平臺(tái)采用嵌入式工業(yè)控制機(jī)+高性能運(yùn)動(dòng)控制卡架構(gòu)；軟件平臺(tái)為WINCE實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。這種開放的、模塊化的軟硬件平臺(tái)可作為羅拉車系統(tǒng)的通用平臺(tái)，方便滿足不同用戶的需求，使已有成果得到充分應(yīng)用，降低了開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品對(duì)市場(chǎng)變化的迅速反應(yīng)能力。

1.1 羅拉車工作原理

羅拉車 MAS1571、1591和1574是一種高速的、具有向前和向后送料的送料輪、滾輪壓腳的以及針?biāo)土系目p紉機(jī)。MAS 1571、1591是單柱，1574是雙柱[1]。在工作原理上是相同的。

羅拉車的工作原理比較簡(jiǎn)單：當(dāng)把料放在送料輪上，上滾輪放下，踩腳踏板，機(jī)器開始工作。在縫紉過(guò)程中，當(dāng)針上位時(shí)，擺針與滾輪反向運(yùn)動(dòng)，繼續(xù)送料；而在針下位時(shí)，擺針與滾輪反向運(yùn)動(dòng)，送料繼續(xù)。也就是說(shuō)每一針步過(guò)程中，擺針軸有一個(gè)反向的過(guò)程，而在連續(xù)縫紉過(guò)程中，滾輪軸只在起縫時(shí)和縫紉結(jié)束時(shí)有加減速，而在中間則保持勻速，主軸速度波動(dòng)對(duì)針軌跡影響較大。

在縫紉過(guò)程中，機(jī)針除了上、下運(yùn)動(dòng)外，還需要同步擺動(dòng)；但一個(gè)完整針步的形成，只在上針位區(qū)間內(nèi)就完成：即一個(gè)針步，滾輪軸與擺針由同一點(diǎn)開始反向運(yùn)動(dòng)，各自完成一半針距，從而合成一個(gè)完整的針距；而在下針位時(shí)，滾輪軸與擺針同向運(yùn)動(dòng)，又回到起點(diǎn)，開始下一針距的縫紉。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)羅拉車縫紉原理的分析，本文提出了采用ARM主板和智能運(yùn)動(dòng)控制卡的雙CPU構(gòu)架方式。系統(tǒng)控制軟件分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分[2]。上位機(jī)系統(tǒng)與下位機(jī)系統(tǒng)之間通過(guò)高速串行總線RS232來(lái)完成。上位機(jī)采用嵌入式ARM主板，外接液晶觸摸屏，USB接口。下位機(jī)是智能運(yùn)動(dòng)控制卡，包括DSP，F(xiàn)PGA和主軸伺服控制器，3個(gè)軸的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，I/O接口，系統(tǒng)電源等。系統(tǒng)供電單元為系統(tǒng)提供5 V，32 V，70 V電源。系統(tǒng)總體控制方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體控制方案Fig.1 Whole control system scheme

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件架構(gòu)采用ARM主板+DSP+FPGA的雙CPU構(gòu)架方式[3]。這種主從式系統(tǒng)，用ARM作為應(yīng)用處理器進(jìn)行多樣化的應(yīng)用開發(fā)和用戶界面和接口，利用DSP+FPGA進(jìn)行算法加速，既能夠保持算法的靈活性，又能提供強(qiáng)大的處理能力?？p紉過(guò)程控制思路是采用跟隨控制模式，以解決主軸速度波動(dòng)對(duì)針軌跡帶來(lái)的影響。上、下滾輪軸、擺針軸的運(yùn)動(dòng)均以主軸脈沖作為插補(bǔ)脈沖源，在整個(gè)縫紉過(guò)程中，此三個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)始終與主軸的轉(zhuǎn)速保持速率同步，而運(yùn)動(dòng)方向則與主軸的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。在針距數(shù)據(jù)分割方面，根據(jù)縫紉的過(guò)程，每一針需要分成兩步且合并完成：上針位時(shí)前半針，擺針軸與滾輪軸反向送料；下針位時(shí)后半針，擺針軸與滾輪軸同向送料。在一針的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，擺針軸需要作一次反向運(yùn)動(dòng)。

2.1 開發(fā)式ARM平臺(tái)設(shè)計(jì)

嵌入式ARM主板采用SAMSUNG公司的S3C2440A為核心板。外接液晶觸摸屏，控制顯示。同時(shí)具有RS232通訊接口和USB接口。上位機(jī)子系統(tǒng)對(duì)外接口示意圖如圖2所示。

圖2 上位機(jī)子系統(tǒng)對(duì)外接口示意圖Fig.2 Host machine system interface

2.2 基于DSP+FPGA架構(gòu)的多軸智能運(yùn)動(dòng)控制單元設(shè)計(jì)

從機(jī)控制卡采用DSP＋FPGA架構(gòu)，DSP芯片采用 TI公司的TMS320LF2407A[4]，F(xiàn)PGA芯片采用Actel公司的A3P400 PQ208。下位機(jī)子系統(tǒng)對(duì)外的接口主要有：RS232通訊接口，電氣接口和軸驅(qū)動(dòng)控制接口。如圖3所示。

圖3 下位機(jī)子系統(tǒng)外部接口示意圖Fig.3 Slave machine system interface

DSP+FPGA[5]系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)靈活，具有較強(qiáng)的通用性，適合于模塊化設(shè)計(jì)，從而能夠提高算法效率。具有開發(fā)周期短，系統(tǒng)容易維護(hù)和擴(kuò)展，特別適用于實(shí)時(shí)信號(hào)處理。

運(yùn)動(dòng)控制板可以控制3個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給軸，分別是軸X：上送料滾輪，軸Y：下送料滾輪，軸3：擺針軸，1個(gè)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主軸。具有10個(gè)光電隔離的輸入，10個(gè)光電隔離的輸出，5個(gè)電流閉環(huán)的電磁鐵輸出，1個(gè)PWM調(diào)節(jié)的LED燈驅(qū)動(dòng)輸出。

FPGA作為DSP的一個(gè)通過(guò)存儲(chǔ)器擴(kuò)展的外設(shè)，DSP訪問(wèn)之與訪問(wèn)一般的存儲(chǔ)器相似。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面交互，功能設(shè)置，對(duì)主軸和3個(gè)步進(jìn)軸實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)的控制以及系統(tǒng)自診斷功能。主要分為上位機(jī)（ARM主板）和下位機(jī)（智能運(yùn)動(dòng)控制卡）兩部分軟件。

上位機(jī)子系統(tǒng)ARM主板硬件載體，運(yùn)行于WCE操作系統(tǒng)下，完成本數(shù)控系統(tǒng)所有的人機(jī)交互功能，且駐留在主板載存儲(chǔ)器上。軟件運(yùn)行于WCE操作系統(tǒng)下，源代碼以EVC為開發(fā)環(huán)境，CC++編程[6-7]，并形成最終的EXE文件作為上位機(jī)控制程序。在WCE操作系統(tǒng)啟動(dòng)后，自動(dòng)運(yùn)行該應(yīng)用程序。上位機(jī)子系統(tǒng)的主要功能包括：觸摸屏、軟鍵盤功能；參數(shù)管理功能；花樣文件管理功能；手動(dòng)縫紉功能；編程縫紉功能；狀態(tài)、信息顯示功能和花樣編輯功能。

下位機(jī)子系統(tǒng)以DSP TMS320F2407A為載體 （專用的FPGA為DSP存儲(chǔ)器外設(shè)），沒(méi)有專門的操作系統(tǒng)，完成縫紉過(guò)程的具體運(yùn)動(dòng)控制，并隨時(shí)響應(yīng)上位機(jī)下發(fā)的各種命令。下位機(jī)系統(tǒng)軟件的源代碼以 CCS3.1或CCS3.3（Code Composer Studio 3.3）為開發(fā)環(huán)境，采用C語(yǔ)言和DSP匯編語(yǔ)言編程，形成最終的目標(biāo)代碼.out或.hex形式的文件直接固化在DSP的片上FLASH中，上電后則可自行啟動(dòng)運(yùn)行。

下位機(jī)子系統(tǒng)軟件則是駐留在DSP中FLASH中的目標(biāo)代碼和駐留在板卡FRAM中重要參數(shù)內(nèi)容。下位機(jī)子系統(tǒng)的主要功能包括：報(bào)警、運(yùn)行狀態(tài)采集功能；參數(shù)應(yīng)用控制；速度、位置控制；自動(dòng)縫紉過(guò)程控制；手動(dòng)縫紉過(guò)程控制；輔助功能（電機(jī)試運(yùn)行、A/D采樣顯示、試機(jī)運(yùn)行等）。

系統(tǒng)主流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主流程框圖Fig.4 System block diagram

羅拉車在縫制過(guò)程中，分為手動(dòng)縫紉和編程縫紉兩種方式。手動(dòng)縫紉中，需要生成專用于手動(dòng)縫紉下的針跡工藝控制數(shù)據(jù)文件，只有一個(gè)線縫段，包含所有的縫紉控制信息，但沒(méi)有針跡數(shù)控制要求。編程線縫流程與手動(dòng)線縫類似，區(qū)別就在于正常針軌跡的縫紉過(guò)程，而起始套結(jié)與終點(diǎn)套結(jié)的縫紉過(guò)程是一樣的。在正常針軌跡的縫紉過(guò)程中，當(dāng)前段縫紉完成后，需要繼續(xù)取下一段的線縫數(shù)據(jù)，從而開始下一段的縫紉過(guò)程。手動(dòng)線縫流程框圖如圖5所示。

4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

目前市面上的羅拉車系統(tǒng)都采用按鍵屏的方式，操作不便。在本文中，采用640x480的液晶觸摸屏。界面設(shè)計(jì)沿用了按鍵屏的圖標(biāo)，減少用戶的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，保持界面的一致性，滿足了非專業(yè)用戶的需求。

通過(guò)操作系統(tǒng)界面，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)縫紉，編程縫紉模式切換。不同用戶可以根據(jù)自身的需求進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，然后發(fā)送指令給下位機(jī)進(jìn)行縫紉。同時(shí)該操作系統(tǒng)具有自診斷功能，通過(guò)報(bào)警頁(yè)面的顯示，使用者能快速有效的找到報(bào)警原因。部分界面如圖7～9所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，該系統(tǒng)已與百福工業(yè)機(jī)械（太倉(cāng)）有限公司進(jìn)行配套。經(jīng)過(guò)試用，該系統(tǒng)功能與技術(shù)指標(biāo)與原有系統(tǒng)相當(dāng)，個(gè)別指標(biāo)已經(jīng)超過(guò)了原有系統(tǒng)，但在價(jià)格上與其相比具有很大的優(yōu)勢(shì)，它已經(jīng)成為了極具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。

圖5 手動(dòng)線縫流程圖Fig.5 Manual sewing flow chart

圖6 系統(tǒng)界面流程圖Fig.6 System interface flow chart

圖7 手動(dòng)縫紉界面Fig.7 Manual sewing interface

圖8 編程縫紉界面Fig.8 Program sewing interface

圖9 參數(shù)設(shè)置界面Fig.9 System parameters setting interface

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