基于網(wǎng)絡(luò)的智能化劍桿織機(jī)設(shè)計(jì)

俞寶福 俞 凌 何勤奮 周 泓

（1.紹興紡織機(jī)械集團(tuán)有限公司，浙江 紹興312065；2.紹興市職教中心，浙江 紹興312000；3.紹興縣永樂紡織機(jī)械有限公司，浙江 紹興312065；4.浙江大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)系，浙江 杭州310027）

1 劍桿織機(jī)的研發(fā)現(xiàn)狀

劍桿織機(jī)作為無梭織機(jī)中的一種，具有性價(jià)比高、適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，在生產(chǎn)高檔服裝面料等紡織品領(lǐng)域有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在現(xiàn)代紡織工業(yè)中，劍桿織機(jī)已成為無梭織機(jī)中適用性最強(qiáng)、成本較低的一種織機(jī)，得到了廣泛的應(yīng)用。

近幾年，國內(nèi)織機(jī)生產(chǎn)廠家經(jīng)過不斷努力，對(duì)劍桿織機(jī)的生產(chǎn)原理與工藝進(jìn)行了提升，在消化吸收國外先進(jìn)織機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上改造和優(yōu)化了自己的劍桿織機(jī)機(jī)構(gòu)，使其性能趨于穩(wěn)定可靠。雖然目前國產(chǎn)劍桿織機(jī)的自動(dòng)化控制水平有了很大提高，但與國外先進(jìn)織機(jī)相比，在網(wǎng)絡(luò)化、智能化方面還存在一定差距。因此，加強(qiáng)新技術(shù)應(yīng)用，提高國產(chǎn)劍桿織機(jī)的智能化、高速化、自動(dòng)化水平，對(duì)于劍桿織機(jī)研制和生產(chǎn)趕上世界先進(jìn)水平具有十分重要的意義。

2 智能化高速劍桿織機(jī)的設(shè)計(jì)方案

2.1 電氣控制系統(tǒng)實(shí)施方案

劍桿織機(jī)是一種周期性循環(huán)工作的織造機(jī)械，每次工作循環(huán)中，開口、引緯、打緯、送經(jīng)和卷取五大運(yùn)動(dòng)所對(duì)應(yīng)的各個(gè)機(jī)構(gòu)按規(guī)律循環(huán)動(dòng)作一次。根據(jù)劍桿織機(jī)的控制要求，整個(gè)織機(jī)電氣控制系統(tǒng)按功能采用模塊化設(shè)計(jì)，將控制系統(tǒng)劃分為多個(gè)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)既需完成各自獨(dú)立的功能，又要相互配合與補(bǔ)充，以保證織機(jī)整體按要求運(yùn)作，完成整個(gè)織造過程。本設(shè)計(jì)中將劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)劃分為核心控制模塊、信號(hào)檢測(cè)模塊、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路模塊、人機(jī)交互模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和電源模塊等部分。

電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本方案采用基于ARM的嵌入式電氣控制系統(tǒng)，核心控制模塊采用32位高速CPU控制芯片，首先通過對(duì)系統(tǒng)資源的分析為劍桿織機(jī)各部件分配系統(tǒng)資源；然后為劍桿織機(jī)自動(dòng)控制的各種操作創(chuàng)建任務(wù)線程；通過傳感器采集的信號(hào)，對(duì)劍桿織機(jī)的工作情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)織機(jī)信息資源的共享與統(tǒng)一管理。

本方案采用的智能化電氣控制系統(tǒng)具有以下功能：實(shí)時(shí)監(jiān)控織機(jī)的運(yùn)行情況和各項(xiàng)工藝參數(shù)，主要包括電子卷取、電子送經(jīng)、電子選緯、電子提花、緯紗斷頭自動(dòng)修補(bǔ)、儲(chǔ)緯器自動(dòng)切換和緯紗張力自動(dòng)控制等；實(shí)現(xiàn)織機(jī)故障的自我診斷，能方便維修人員快捷查找、發(fā)現(xiàn)并解決問題；能通過網(wǎng)絡(luò)化接口實(shí)現(xiàn)織機(jī)的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控和管理。人機(jī)界面配備彩色液晶大顯示屏，功能鍵盤作為織機(jī)操作界面，能實(shí)時(shí)監(jiān)控織機(jī)的運(yùn)行情況和各項(xiàng)工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)織機(jī)的高可靠性、智能化控制。

2.2 經(jīng)紗張力控制技術(shù)的應(yīng)用

所有織物均是由經(jīng)紗和緯紗垂直交織而成的，在劍桿織機(jī)織造過程中經(jīng)紗張力的波動(dòng)是影響織物布面效果的重要因素，對(duì)經(jīng)紗張力進(jìn)行控制對(duì)于紡織品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的提高尤為重要。

經(jīng)紗張力的大小主要受開口、打緯、緯密、經(jīng)軸直徑、織機(jī)速度以及張力設(shè)定值等工藝參數(shù)的影響。此外，經(jīng)紗的粗細(xì)、上漿質(zhì)量、經(jīng)紗密度、排列均勻度、經(jīng)位置線、織物布面花型等因素均會(huì)對(duì)經(jīng)紗張力產(chǎn)生影響。因此，整個(gè)織機(jī)經(jīng)紗張力系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的多因子非線性時(shí)變系統(tǒng)，具有非線性、時(shí)變性以及模型不確定性等特點(diǎn)，將傳統(tǒng)的PID控制策略直接應(yīng)用于經(jīng)紗張力控制，效果并不理想。

本方案結(jié)合PID控制響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)誤差小和模糊控制器超調(diào)量小、調(diào)整時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，研發(fā)模糊PID控制器，可以較好地響應(yīng)經(jīng)紗張力變化，減小或消除經(jīng)紗張力產(chǎn)生的靜態(tài)誤差，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)紗張力穩(wěn)定控制。

2.3 基于專家知識(shí)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，建立過程參數(shù)在線監(jiān)測(cè)、故障診斷和優(yōu)化控制系統(tǒng)

以歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)（包括正常工況數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)）為基礎(chǔ)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論，建立過程參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷系統(tǒng)，提前預(yù)報(bào)可能出現(xiàn)的過程故障，輔助制定相應(yīng)的檢修方案，減少維修時(shí)間。

為了快速排除設(shè)備故障，提高劍桿織機(jī)運(yùn)行的可靠性，本設(shè)計(jì)根據(jù)劍桿織機(jī)工藝要求，研發(fā)基于多模塊合成的智能故障診斷系統(tǒng)，利用多傳感器信息融合技術(shù)，先對(duì)劍桿織機(jī)每一關(guān)鍵部件建立故障診斷模型，然后根據(jù)加工過程中每道工序之間信息傳遞的層次性和相關(guān)性，增加一個(gè)融合診斷網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成一個(gè)完整的故障診斷系統(tǒng)，從而確保故障診斷的準(zhǔn)確性。

2.4 網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)

一個(gè)紡織企業(yè)通過企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)可對(duì)所屬的所有織機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)控，可通過網(wǎng)絡(luò)下達(dá)生產(chǎn)任務(wù)，并采集實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)繪制成報(bào)表。一旦紡機(jī)出現(xiàn)故障，將通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)報(bào)警并進(jìn)行故障自動(dòng)記錄。該故障信息還可通過企業(yè)外網(wǎng)直接提供給織機(jī)制造企業(yè)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷或提供技術(shù)支持等。圖2展示了基于物聯(lián)網(wǎng)的劍桿織機(jī)網(wǎng)絡(luò)圖。

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)的劍桿織機(jī)網(wǎng)絡(luò)圖

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模塊主要由3部分組成：有線網(wǎng)絡(luò)、WiFi網(wǎng)絡(luò)和3G網(wǎng)絡(luò)。有線網(wǎng)絡(luò)主要是為了方便開發(fā)調(diào)試使用，WiFi網(wǎng)絡(luò)是為了給用戶提供WiFi熱點(diǎn)，3G網(wǎng)絡(luò)能真正實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入。采用DM9000作為有線網(wǎng)絡(luò)控制器，DM9000為100M以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制器，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)平臺(tái)；無線網(wǎng)絡(luò)控制器采用 WM－G－MR－09；3G模塊采用 MF210。其中，將DM9000映射到系統(tǒng)內(nèi)存空間，通過地址直接讀寫該模塊實(shí)現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)；WiFi模塊通過SDIO與CPU連接；3G模塊采用USB控制器與CPU連接。

3 智能化高速劍桿織機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

本智能化高速劍桿織機(jī)具有以下設(shè)計(jì)特點(diǎn)：

（1）研發(fā)基于嵌入式系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)織機(jī)的高度智能化控制。采用32位高速CPU控制芯片實(shí)現(xiàn)模塊化控制，采用彩色液晶圖像顯示屏，功能鍵盤作為織機(jī)操作界面，能實(shí)時(shí)監(jiān)控織機(jī)的運(yùn)行情況和各項(xiàng)工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電子卷取、電子送經(jīng)、電子選緯、電子絞邊、電子多臂、電子提花、緯紗斷頭自動(dòng)修補(bǔ)、儲(chǔ)緯器自動(dòng)切換、自動(dòng)對(duì)織口、自動(dòng)防開車檔和緯紗張力自動(dòng)控制等功能，并實(shí)現(xiàn)織機(jī)故障的自我診斷，從而方便維修人員快捷查找、發(fā)現(xiàn)并解決問題。

（2）研究劍桿織機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其高速適應(yīng)性。采用動(dòng)態(tài)模擬軟件建立劍桿織機(jī)虛擬樣機(jī)，根據(jù)實(shí)際工況對(duì)劍桿織機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行全面的仿真試驗(yàn)，研究不同轉(zhuǎn)速和各種運(yùn)行工況下劍桿織機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，獲得劍桿織機(jī)在各種運(yùn)行工況和不同結(jié)構(gòu)尺寸下的大量動(dòng)態(tài)仿真數(shù)據(jù)，通過對(duì)劍桿織機(jī)各高速旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬分析，消除不合理的設(shè)計(jì)及加工缺陷，提高零件的加工精度，從而進(jìn)一步提升劍桿織機(jī)高速運(yùn)行的品質(zhì)。

（3）研究經(jīng)紗張力的智能模糊PID雙?？刂萍夹g(shù)。在主軸回轉(zhuǎn)周期內(nèi)多次檢測(cè)經(jīng)紗張力，并在分析經(jīng)紗張力影響因素的基礎(chǔ)上，采用模糊控制算法和PID控制算法并聯(lián)對(duì)送經(jīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，通過引進(jìn)補(bǔ)償系數(shù)，消除經(jīng)紗張力靜態(tài)誤差，以保持經(jīng)紗張力的穩(wěn)定。

（4）研發(fā)劍桿織機(jī)物聯(lián)網(wǎng)接口功能，實(shí)現(xiàn)織機(jī)信息資源的共享與網(wǎng)絡(luò)化管理。通過局域網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)一個(gè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)多臺(tái)織機(jī)的聯(lián)網(wǎng)工作，實(shí)現(xiàn)任務(wù)集中調(diào)度與網(wǎng)絡(luò)下傳以及多臺(tái)織機(jī)的工作狀況與故障信息上傳；通過廣域網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)織機(jī)生產(chǎn)廠家對(duì)應(yīng)用于各個(gè)紡織企業(yè)的織機(jī)的遠(yuǎn)程維護(hù)。

4 結(jié)語

在本企業(yè)研究院牽頭下，設(shè)計(jì)與開發(fā)了本文所述智能化高速劍桿織機(jī)，融合了流動(dòng)理論、織機(jī)原理、控制理論、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)等。到目前為止，研發(fā)工作已全部完成，樣機(jī)已得到了實(shí)際測(cè)試與應(yīng)用，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了很好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

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