嵌入式全自動(dòng)收花機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈娣麗，孟雅俊，陸程，劉敏，明五一，3

(1. 中州大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，河南鄭州450015;2. 廣東省制造裝備數(shù)字化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東東莞523808;3. 鄭州輕工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，河南鄭州450002)

全自動(dòng)收花機(jī)就是針對(duì)家庭作坊用戶市場(chǎng)專門(mén)設(shè)計(jì)的新型電腦橫機(jī)機(jī)型，從編織原理上看，它跟市場(chǎng)上的傳統(tǒng)手搖橫機(jī)的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)非常相似，區(qū)別僅在于增加了機(jī)頭、翻針等關(guān)鍵功能部件。與半自動(dòng)手搖橫機(jī)相比，全自動(dòng)收花機(jī)自動(dòng)化程度明顯提高，效率得到顯著提升，半自動(dòng)手搖橫機(jī)一個(gè)工人最多看兩臺(tái)并且要不停地進(jìn)行手動(dòng)編織，全自動(dòng)收花機(jī)一個(gè)工人可以同時(shí)看6 臺(tái)甚至8 臺(tái)，并且工作量?jī)H限于處理報(bào)警或編程設(shè)置參數(shù)等。與單系統(tǒng)電腦橫機(jī)相比［1－3］，全自動(dòng)收花機(jī)大大簡(jiǎn)化了功能部件，研究了全新的編織工藝，支持用戶直接編程的方式，無(wú)需畫(huà)版系統(tǒng)畫(huà)花，大大降低了使用成本。當(dāng)然，全自動(dòng)收花機(jī)相比單系統(tǒng)電腦橫機(jī)在功能上沒(méi)有后者強(qiáng)大，不支持復(fù)雜花型的編織，如嵌花和絞花工藝。當(dāng)然，這也正是全自動(dòng)收花機(jī)的市場(chǎng)定位。

文中旨在推進(jìn)經(jīng)濟(jì)型電腦橫機(jī)的發(fā)展，面向新的電腦橫機(jī)機(jī)型即全自動(dòng)收花機(jī)，開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的嵌入式全自動(dòng)收花機(jī)控制系統(tǒng)。從全自動(dòng)收花機(jī)的功能需求出發(fā)，研究了全自動(dòng)收花機(jī)的工藝過(guò)程。謝真等人［2］研究了基于ARM 和μCOS-II 的數(shù)碼織機(jī)控制系統(tǒng);王紅凱等［3］研制了基于Linux 嵌入式全自動(dòng)橫機(jī);詹建潮等［4］提出了面向網(wǎng)絡(luò)的全自動(dòng)手套機(jī)控制系統(tǒng);張宇等人［5］提出了基于ARM 的電腦橫機(jī)可視化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相關(guān)方案;陳景波等［6］設(shè)計(jì)了全自動(dòng)電腦橫機(jī)上位機(jī)軟件。從上述文獻(xiàn)中可見(jiàn)，紡織行業(yè)一般都要控制成本并且要求穩(wěn)定性好，因此多采用嵌入式、分布式、網(wǎng)絡(luò)化等技術(shù)。有鑒于此，文中提出了基于嵌入式ARM 的控制系統(tǒng)方案，開(kāi)發(fā)了整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件系統(tǒng)。文中的研究成果也為開(kāi)發(fā)新型的電腦橫機(jī)提供一個(gè)思路，降低電腦橫機(jī)的生產(chǎn)制造成本，進(jìn)一步全面地推動(dòng)全自動(dòng)電腦橫機(jī)的市場(chǎng)普及。

1 機(jī)床組成及編織工藝

1.1 機(jī)床組成

機(jī)械本體部分是由各個(gè)實(shí)現(xiàn)編織功能的功能部件組成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)就是控制收花機(jī)的機(jī)械本體的各個(gè)功能執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照所輸入的花型相應(yīng)地進(jìn)行一系列的自動(dòng)化動(dòng)作，從而完成由紗線到毛衣袖子、前幅、后幅等毛衣布片的自動(dòng)化過(guò)程。全自動(dòng)收花機(jī)的機(jī)械本體主要有十多個(gè)機(jī)械裝置，按照大類來(lái)說(shuō)，整個(gè)全自動(dòng)收花機(jī)的機(jī)械部分可以分成:整機(jī)機(jī)架、機(jī)頭、趴子及其驅(qū)動(dòng)裝置、前后針床、機(jī)頭運(yùn)動(dòng)平行導(dǎo)軌、羅拉裝置、搖床裝置、引線裝置等，其中收花機(jī)的機(jī)頭花板和趴子裝置是收花機(jī)最為核心的部分，也是整個(gè)收花機(jī)精度要求最高的兩個(gè)裝置。在研發(fā)的過(guò)程中，這兩個(gè)裝置經(jīng)歷了多次的升級(jí)改造，也是同傳統(tǒng)電腦橫機(jī)相比最大的區(qū)別所在。

與傳統(tǒng)的電腦橫機(jī)相比，全自動(dòng)收花機(jī)最大的區(qū)別是在機(jī)頭的花板做了大幅的簡(jiǎn)化，大小基本上只有單系統(tǒng)電腦橫機(jī)機(jī)頭的一半，非常輕便，這也就為全自動(dòng)電腦橫機(jī)高速編織帶來(lái)了可能。在機(jī)頭花板方面，全自動(dòng)收花機(jī)相比傳統(tǒng)電腦橫機(jī)減少了選針器部分，并且三角電磁鐵也做了相應(yīng)的簡(jiǎn)化。另外，在電腦橫機(jī)的基礎(chǔ)上，全自動(dòng)收花機(jī)增加了趴子及其驅(qū)動(dòng)裝置，趴子其實(shí)就代替了之前電腦橫機(jī)花板中的選針器，趴子在全自動(dòng)收花機(jī)中是完成各個(gè)工藝動(dòng)作的最主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以完成選針、翻針、加針等一系列的編織動(dòng)作。全自動(dòng)收花機(jī)及其主要功能部件如圖1 所示。

圖1 全自動(dòng)收花機(jī)及其主要功能部件

1.2 編織工藝

全自動(dòng)收花機(jī)的編織工藝總共可以分為若干組(平搖、普通加針、交叉加針、普通減針、坑條加針、坑條減針、套針、鏟薄、落夾、補(bǔ)針、輔助工藝)，除平搖外，其他組可分為3 種狀態(tài)，加針組可分為先加或者后加;減針組可分為先減或者后減;輔助工藝是不加針也不減針，輔助其他工藝正常完成。比如普通加針可分為同時(shí)先加、同時(shí)后加。標(biāo)記工藝分為假領(lǐng)、扭位和挑孔2 種工藝。機(jī)頭工藝包括起針、吊目、翻針3 種工藝。下面以普通減針工藝為例說(shuō)明其工作流程。

普通減針工藝不分高低針，收針數(shù)量為1 ～n 針，收針工藝第二參數(shù)為M 支邊(n+M 為一次移動(dòng)的總針數(shù))，普通收針工藝分為先減后搖和先搖后減。圖2 和圖3 整體為收2 針、四支邊的工藝流程圖。圖中演示的為收右副針，當(dāng)前針為是右副100 針，完成整個(gè)工藝后，當(dāng)前針位為右副98 針。在前板93、94 針會(huì)有兩次線，這樣紡織后在此處就有一朵“花”的效果，因此普通收針工藝也俗稱“收花”工藝，這也正是全自動(dòng)收花機(jī)命名的由來(lái)。需要注意的是:收針工藝動(dòng)作慢，機(jī)頭此時(shí)需要停止運(yùn)動(dòng)，等待所有流程完成后才可以繼續(xù)工作。

圖2 普通減針示意圖(前針?lè)?

圖3 普通減針示意圖(后針?lè)?

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述功能需求，該控制系統(tǒng)采取多層式控制。上層為終端控制系統(tǒng)，主要完成工藝單數(shù)據(jù)的編輯、解析和下傳，工藝參數(shù)和工藝文件的管理以及實(shí)時(shí)顯示和警報(bào)等功能;下層為實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，主要完成信號(hào)采集及處理、控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及傳感器接口等功能。上位機(jī)和下位機(jī)均采用LM3S 系列的32 位ARM Cortex-M3 處理器芯片，相互之間均采用速度為1 Mb/s 的高速CAN 控制器作數(shù)據(jù)通信［7－8］。

上位機(jī)驅(qū)動(dòng)LCD 顯示屏和指令鍵盤(pán);下位機(jī)的機(jī)床主控部分控制機(jī)頭驅(qū)動(dòng)主電機(jī)及其編碼器反饋、羅拉電機(jī)、搖床電機(jī)、4 個(gè)趴針定位電機(jī)和4 個(gè)趴針動(dòng)作電機(jī)、4 個(gè)加針電磁鐵，以及相應(yīng)電機(jī)的零位、限位檢測(cè)和斷紗、探針、掉布、啟停按鈕等外圍檢測(cè);下位機(jī)的機(jī)頭控制部分控制4 個(gè)密度電機(jī)(又稱度目電機(jī))、6 個(gè)功能三角電磁鐵(又稱山版電磁鐵)、6 個(gè)導(dǎo)紗電磁鐵。其控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架如圖4 所示。

圖4 全自動(dòng)收花機(jī)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

全自動(dòng)收花機(jī)控制系統(tǒng)的軟件方案在硬件架構(gòu)的基礎(chǔ)上模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)各個(gè)處理器采用分開(kāi)編程的模式［5－6］。由上節(jié)提出的控制系統(tǒng)硬件方案，整個(gè)硬件系統(tǒng)主要采用3 片處理器芯片，分別作為嵌入式全自動(dòng)收花機(jī)的界面模塊、機(jī)床主控模塊和機(jī)頭控制模塊，并通過(guò)CAN 總線使各個(gè)控制模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，達(dá)到協(xié)調(diào)配合。在軟件功能方面，各個(gè)處理器實(shí)現(xiàn)不同的功能，整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件框架如圖5 所示。

圖5 全自動(dòng)收花機(jī)軟件結(jié)構(gòu)框圖

全自動(dòng)收花機(jī)控制系統(tǒng)界面模塊軟件主要完成兩方面的功能:(1)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面功能，提供用戶編輯工藝單、修改工藝單、管理工藝單文件、設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)、設(shè)置安全參數(shù)、進(jìn)行機(jī)器功能測(cè)試、進(jìn)行機(jī)床回零、進(jìn)行編織過(guò)程的控制等操作的人機(jī)界面;(2)實(shí)現(xiàn)工藝單的解析和下發(fā)執(zhí)行，首先將用戶輸入的工藝單信息解析存儲(chǔ)為系統(tǒng)定義格式的工藝單文件;其次，將用戶選擇運(yùn)行的工藝單文件解析成系統(tǒng)在上位機(jī)與下位機(jī)之間共同定義格式的指令，在運(yùn)行的過(guò)程中上位機(jī)軟件與下位機(jī)軟件不斷地相互發(fā)送指令，完成正確的工藝動(dòng)作過(guò)程。

4 其他關(guān)鍵問(wèn)題

4.1 界面組件

考慮到硬件成本，上位機(jī)ARM 處理器沒(méi)有擴(kuò)展外圍RAM，因此上位機(jī)沒(méi)有采用嵌入式操作系統(tǒng)。其界面的繪制采用類似Window 控件的消息機(jī)制來(lái)完成。此項(xiàng)目中，界面的主要組件包括靜態(tài)文本、輸入框、功能鍵、多態(tài)分組按鈕等，能滿足控制系統(tǒng)人機(jī)交互的需求。相關(guān)組件開(kāi)發(fā)完成后，再按照MFC 設(shè)計(jì)模式完成人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，降低了代碼的復(fù)雜度，提高了程序的可讀性。該界面組件目前已經(jīng)成功應(yīng)用到其他項(xiàng)目中，提高了代碼的復(fù)用度，降低了研發(fā)成本。

4.2 抗干擾措施

由于繼電器、電磁鐵斷開(kāi)動(dòng)作會(huì)對(duì)控制電路的直流電源以及信號(hào)傳輸造成干擾，為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和時(shí)序配合的嚴(yán)密性，通過(guò)光電耦合器與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、開(kāi)關(guān)輸入等部件進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)電氣隔離［9－10］。軟件上使用了指令陷阱、指令冗余和看門(mén)狗技術(shù)，能防止系統(tǒng)受到干擾后出現(xiàn)的失控現(xiàn)象。

5 實(shí)驗(yàn)

研發(fā)成功后，經(jīng)過(guò)3 個(gè)月的整機(jī)調(diào)試和測(cè)試，全自動(dòng)收花機(jī)控制系統(tǒng)各模塊功能都得到正確實(shí)現(xiàn)，整機(jī)的穩(wěn)定性也得到很好的保證。在東莞大朗本土進(jìn)行了區(qū)域性的銷售和推廣，目前已銷售了近100 臺(tái)，并得到了客戶的積極反饋，同時(shí)提出了很多編織過(guò)程中的問(wèn)題和很多建設(shè)性的建議，例如:編織間紗較多的問(wèn)題，當(dāng)然這是所有不帶起底板電腦橫機(jī)的共同問(wèn)題［11］，這也是今后需要不斷改進(jìn)的地方。圖6 是機(jī)器裝配、調(diào)試、編織過(guò)程中的相關(guān)照片。

圖6 全自動(dòng)收花機(jī)實(shí)驗(yàn)

6 結(jié)束語(yǔ)

全自動(dòng)收花機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)借鑒了電腦橫機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)。在研究全自動(dòng)收花機(jī)控制功能需求的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的嵌入式全自動(dòng)收花機(jī)控制系統(tǒng)。從全自動(dòng)收花機(jī)的功能需求出發(fā)，研究了全自動(dòng)收花機(jī)的工藝過(guò)程，提出了基于嵌入式ARM 的控制系統(tǒng)方案，開(kāi)發(fā)了整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件系統(tǒng)。

從測(cè)試情況來(lái)看，系統(tǒng)整體性能可靠、易用性好，具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。該裝備的順利推廣，對(duì)提高我國(guó)紡織設(shè)備自動(dòng)化水平、降低企業(yè)成本起到了積極推動(dòng)作用。

［1］呂建飛，傅建中，劉丹．基于μCOS-II 嵌入式全自動(dòng)橫機(jī)控制軟件開(kāi)發(fā)［J］．紡織學(xué)報(bào)，2006，27(1):30－33．

［2］謝真，陳宗農(nóng)．基于ARM 和μCOS-II 的數(shù)碼織機(jī)控制系統(tǒng)［J］．紡織學(xué)報(bào)，2008，29(3):105－109．

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［4］詹建潮，王慶九，陳宗農(nóng)，等．面向網(wǎng)絡(luò)的全自動(dòng)手套機(jī)控制系統(tǒng)研制［J］．紡織學(xué)報(bào)，2004，25(4):110－112．

［5］張宇，韓強(qiáng)，白驚宇．基于ARM 的電腦橫機(jī)可視化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的研制［J］．針織工業(yè)，2009(1):33－36．

［6］陳景波，盧達(dá)，王玲玲．全自動(dòng)電腦橫機(jī)上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)［J］．紡織學(xué)報(bào)，2011，32(2):131－135．

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［8］戴國(guó)駿，張翔，高申勇，等．基于實(shí)時(shí)性優(yōu)化的CAN 總線織機(jī)分布式控制系統(tǒng)［J］．紡織學(xué)報(bào)，2008，29(1):114－117．

［9］汪木蘭，朱昊，左健民．針織機(jī)電氣控制系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)［J］．紡織學(xué)報(bào)，2007，28(4):111－115．

［10］王申銀，陳霞．?dāng)?shù)控機(jī)床的抗干擾措施［J］．機(jī)械制造，2006，44(3):22－24．

［11］史偉民，陳春松，沈加海，等．電腦橫機(jī)自動(dòng)起底控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．紡織學(xué)報(bào)，2013，34(3):127－131．