電磁選針器實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)

袁嫣紅， 馬天宇， 項(xiàng)宏年

(浙江理工大學(xué) 浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310018)

電子選針器是圓機(jī)電子提花技術(shù)中的關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)[1-2]，目前主要有電磁式和壓電陶瓷式2種，其選針機(jī)構(gòu)擺動(dòng)方式相同。以電磁式選針器為例，選針機(jī)構(gòu)利用電磁力來驅(qū)動(dòng)選針刀頭，通過在線圈上施加正反向電壓控制驅(qū)動(dòng)選針刀擺動(dòng)到兩極限位置，從而控制提花針是否壓入針槽，達(dá)到選針目的。選針器由選針機(jī)構(gòu)和選針驅(qū)動(dòng)電路2個(gè)部分組成，由選針信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電壓的切換，驅(qū)動(dòng)選針機(jī)構(gòu)中的選針刀頭擺動(dòng)到一側(cè)。若選針狀態(tài)發(fā)生改變，則選針電路將輸出反向驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng)刀頭向另一側(cè)擺動(dòng)，直至到達(dá)極限位置,按此方式實(shí)現(xiàn)選針，最終控制其對(duì)應(yīng)的織針是否進(jìn)入三角實(shí)現(xiàn)提花[3]。

選針器從選中擺動(dòng)到穩(wěn)定在兩極限位置的時(shí)間限定了選針的最高頻率，因此選針擺動(dòng)到位時(shí)間是選針器性能的一個(gè)重要指標(biāo)。同時(shí)圓機(jī)屬于24 h不間斷工作設(shè)備，選針器長時(shí)間工作的可靠性非常重要，其工作性能和頻率等參數(shù)都將直接影響提花機(jī)工作準(zhǔn)確性和可靠性，從而影響整機(jī)的性能，因此對(duì)由選針電路和選針機(jī)構(gòu)組成的選針器，需要檢測其長時(shí)間工作時(shí)的穩(wěn)定性。在實(shí)際工程中經(jīng)常需要對(duì)這類周期短、時(shí)間域長的信號(hào)進(jìn)行檢測，這些長時(shí)間域信號(hào)中包含許多有用信息，可為故障診斷、失效分析等提供理論依據(jù)[4]。

針對(duì)選針器檢測，目前有根據(jù)壓電陶瓷性能設(shè)計(jì)具有電壓反饋功能的驅(qū)動(dòng)電路，以此實(shí)現(xiàn)選針器可靠性檢測[5]；也有利用頻閃成像原理實(shí)現(xiàn)選針器可靠性檢測[6]。第1種方法具有較高檢測準(zhǔn)確率，能夠獲得選針器錯(cuò)誤地址，具有實(shí)時(shí)檢測等優(yōu)勢，屬于在線檢測方法，但是只能用于壓電陶瓷選針器，且檢測的選針頻率受到局限；第2種方法使用簡單，通用性強(qiáng)，可用于大多數(shù)選針器，但是需要人員一直進(jìn)行觀測。上述這2種方法具備錯(cuò)誤判斷功能，但都無法實(shí)現(xiàn)選針過程的測量。

為能夠?qū)崿F(xiàn)選針器性能優(yōu)化分析和標(biāo)定測量，需要精確地測出驅(qū)動(dòng)電壓與選針刀頭擺動(dòng)規(guī)律。由于選針器需要實(shí)時(shí)檢測，而且其選針刀頭擺動(dòng)頻率較高，如果直接保存所有電壓和位移數(shù)據(jù)，每檢測1 min就會(huì)產(chǎn)生數(shù)百萬字節(jié)的數(shù)據(jù)，則長時(shí)間檢測后，會(huì)造成測試獲得的數(shù)據(jù)量過大，因此需要在實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，以減少后期處理的數(shù)據(jù)量。本文通過可重新配置嵌入式測控系統(tǒng)(CRIO)和實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程工作臺(tái)軟件平臺(tái)LabVIEW[7]設(shè)計(jì)檢測系統(tǒng)，對(duì)選針器驅(qū)動(dòng)電壓和位移數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理。并根據(jù)需要，針對(duì)性能分析要求，保存完整的選針過程數(shù)據(jù)；或穩(wěn)定性檢測，保存異常數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)電磁選針器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的長時(shí)間監(jiān)測。

1 系統(tǒng)框架

選針器實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)由上位機(jī)、實(shí)時(shí)采集與處理系統(tǒng)、激光位移傳感器和電磁選針器組成。電磁選針器為檢測系統(tǒng)提供位移信號(hào)；驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，激光位移傳感器將電磁選針器提供的位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。同時(shí)也要采集選針器的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，因?yàn)檫x針刀頭的運(yùn)動(dòng)受電壓驅(qū)動(dòng)，電壓反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)選針器刀頭向另一極端位置擺動(dòng)，如圖1所示。又因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)和機(jī)構(gòu)慣性等原因，選針動(dòng)作相對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)存在滯后情況，因此控制驅(qū)動(dòng)電壓的信號(hào)也需要進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，用于分析實(shí)際的響應(yīng)滯后時(shí)間。

圖1 電磁選針器刀頭結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of electro-magnetic needle selector

上述2路信號(hào)輸入實(shí)時(shí)采集和處理系統(tǒng)， 實(shí)時(shí)

采集和處理系統(tǒng)采用美國國家儀器公司(NI)的CRIO嵌入式系統(tǒng)。該控制器由嵌入式實(shí)時(shí)處理器、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)和工業(yè)級(jí)輸入/輸出(I/O)3個(gè)模塊組成[8]。I/O模塊對(duì)2路電壓信號(hào)進(jìn)行模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換(A/D)，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送到FPGA中進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，并將整合完成的數(shù)組送入實(shí)時(shí)處理器中。在實(shí)時(shí)處理器中，對(duì)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)、判別等處理。處理后得到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，性能數(shù)據(jù)或故障數(shù)據(jù)會(huì)保存在上位機(jī)中。電磁選針器實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)的總體框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框架Fig.2 Overall framework of system

選針器實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)軟件開發(fā)由上位機(jī)完成。實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)的軟件開發(fā)涉及3個(gè)不同的位置：計(jì)算機(jī)(PC)上的PC.VI，實(shí)時(shí)處理器上的RT.VI和FPGA上的FPGA.VI，其硬件與軟件映射關(guān)系如圖3所示。通過軟硬件相結(jié)合實(shí)現(xiàn)整個(gè)選針器實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)。

圖3 硬件與軟件映射關(guān)系Fig.3 Mapping between hardware and software

2 實(shí)時(shí)采集與處理系統(tǒng)

實(shí)時(shí)采集與處理系統(tǒng)在測量過程中完成信號(hào)的采集和處理。根據(jù)測量要求，選擇選針器性能測試時(shí)，將保存完整的多個(gè)周期的選針過程數(shù)據(jù)；選擇穩(wěn)定性測試時(shí)，將實(shí)時(shí)分析并求出每次選針狀態(tài)變化時(shí)的執(zhí)行時(shí)間。為實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的監(jiān)控，正確的選針刀頭擺動(dòng)到位時(shí)間和選針過程數(shù)據(jù)將會(huì)被丟棄，出現(xiàn)異常的選針刀頭擺動(dòng)到位時(shí)間和對(duì)應(yīng)的選針過程數(shù)據(jù)才會(huì)被完整地記錄。實(shí)時(shí)處理器會(huì)將擺動(dòng)時(shí)間和選針過程數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布共享變量上傳到PC[9]，異常數(shù)據(jù)會(huì)在PC中保存下來。

2.1 硬件組成

2.1.1NICRIO平臺(tái)

NICRIO-9022為嵌入式控制器，通過運(yùn)行LabVIEW Real-Time，以實(shí)現(xiàn)確定性控制、數(shù)據(jù)記錄和分析。CRIO-9116為具有8個(gè)槽位可重構(gòu)的FPGA機(jī)箱，內(nèi)置FPGA芯片，且用于安裝工業(yè)級(jí)I/O模塊，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與嵌入式實(shí)時(shí)控制器的數(shù)據(jù)通信。

2.1.2C系列數(shù)據(jù)I/O模塊

NI-9215為模擬電壓輸入模塊，具有4個(gè)模擬輸入通道、16位分辨率。每條通道有±10 V可編程的輸入范圍。NI-9401為高速雙向數(shù)字I/O模塊，具有8個(gè)數(shù)字通道，支持5 V/TTL(Transistor Transistor Logic Levels)電平，漏極/源極數(shù)字I/O。

2.2 主要軟件介紹和功能實(shí)現(xiàn)

檢測系統(tǒng)使用的激光位移傳感器的采樣頻率為10 kHz，1 min采集的數(shù)據(jù)就會(huì)達(dá)到3.6×106字節(jié)。例如在進(jìn)行選針器穩(wěn)定性測試時(shí)，如果不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，8 h檢測產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量會(huì)達(dá)到1.728×109字節(jié)，其數(shù)據(jù)的保存和處理將會(huì)很困難，因此在數(shù)據(jù)采集的過程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高了后期對(duì)數(shù)據(jù)的處理效率。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備的軟件組成部分如圖4所示。

圖4 總體軟件設(shè)計(jì)Fig.4 Overall software design

FPGA層的程序用來采集激光位移傳感器的電壓信號(hào)和選針器驅(qū)動(dòng)板的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；實(shí)時(shí)處理器層的程序用于對(duì)采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理；PC層的程序?qū)⒈４孢x針刀頭選針過程數(shù)據(jù)或選針刀頭運(yùn)動(dòng)出錯(cuò)部分的數(shù)據(jù)。在Windows操作系統(tǒng)下利用LabVIEW軟件平臺(tái)進(jìn)行編程。

2.2.1實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集部分是在FPGA和工業(yè)級(jí)I/O模塊上實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)采集部分程序主要是通過一個(gè)定時(shí)循環(huán)，每100 μs從NI 9215和NI 9401讀取數(shù)據(jù)，并將采集到的激光位移傳感器的電壓信號(hào)和選針器驅(qū)動(dòng)板的驅(qū)動(dòng)信號(hào)依次傳入CRIO-9116內(nèi)的先入先出隊(duì)列(FIFO)緩沖區(qū)域中，位移電壓信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)在FIFO緩沖區(qū)域內(nèi)交替排列儲(chǔ)存。

2.2.2實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理部分的程序在嵌入式實(shí)時(shí)控制器中運(yùn)行，是電磁選針器實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)主要部分。

第1步，建立數(shù)據(jù)采集程序的引用句柄，調(diào)用LabVIEW軟件平臺(tái)的屬性節(jié)點(diǎn)和調(diào)用節(jié)點(diǎn)[10]，前者用來設(shè)置數(shù)據(jù)采集程序的采樣周期和控制數(shù)據(jù)采集程序是否停止；后者用來控制數(shù)據(jù)采集程序的運(yùn)行、FIFO緩沖區(qū)域的深度以及從FIFO讀出數(shù)據(jù)量的大小。

第2步，循環(huán)地從FIFO中提取出一定數(shù)據(jù)，對(duì)FIFO中提取出的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，將交替儲(chǔ)存的位移電壓信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)拆分，形成2個(gè)分別由位移電壓信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)組成的數(shù)組。

針對(duì)選針器性能測試，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理部分后進(jìn)行的工作是將每次循環(huán)獲得的位移電壓信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)數(shù)組與之前獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，然后每次循環(huán)檢測這2個(gè)疊加后數(shù)組的大小。當(dāng)數(shù)組內(nèi)的數(shù)據(jù)量大于設(shè)定的數(shù)值時(shí)，將2個(gè)數(shù)組的值通過網(wǎng)絡(luò)共享變量上傳到PC端，然后將這2個(gè)數(shù)組清空再儲(chǔ)存后面提取出的數(shù)據(jù)。

針對(duì)選針器穩(wěn)定性測試，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理部分后對(duì)初步處理得到的數(shù)據(jù)按驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解。圖5示出分解得到的選針時(shí)間為20 ms的電磁選針器選針過程曲線。

圖5 選針過程曲線Fig.5 Needle selection process curve

對(duì)分解后數(shù)據(jù)進(jìn)行的處理主要是計(jì)算出4個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)：第1個(gè)是刀頭開始向最高點(diǎn)擺動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)t0；第2個(gè)是刀頭從最低點(diǎn)擺動(dòng)到最高點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)t1；第3個(gè)是開始向最低點(diǎn)擺動(dòng)的時(shí)間點(diǎn)t2；第4個(gè)是從最高點(diǎn)擺動(dòng)到最低點(diǎn)的時(shí)間點(diǎn)t3。

首先計(jì)算出時(shí)間點(diǎn)t1與t3，這2個(gè)時(shí)間點(diǎn)判斷方法類似(以選針時(shí)間為20 ms的電磁選針器為例，位移數(shù)據(jù)為Ai)。以時(shí)間點(diǎn)t1為例，從圖5可得t1時(shí)刻刀頭第1次到達(dá)最高點(diǎn)且過了時(shí)間點(diǎn)t1后位移會(huì)有明顯的下降過程，因此判斷該點(diǎn)條件有2個(gè)：1)位移數(shù)據(jù)是否到達(dá)最高點(diǎn)的浮動(dòng)范圍內(nèi)，位移在最高點(diǎn)的浮動(dòng)區(qū)間在0.15左右,取值0.5可保證包含所有在最高點(diǎn)附近的位移數(shù)據(jù)，因此此處取最高點(diǎn)的浮動(dòng)范圍為Amax-0.5Ai，其程序流程如圖6所示。再計(jì)算出時(shí)間點(diǎn)t0和時(shí)間點(diǎn)t2，這2個(gè)時(shí)間點(diǎn)判斷方法類似，其程序流程圖如圖7所示。

圖6 時(shí)間點(diǎn)t1的程序流程圖Fig.6 Flow chart of program for time point t1

圖7 時(shí)間點(diǎn)t0的程序流程圖Fig.7 Flow chart of program for t0

然后創(chuàng)建數(shù)組用于保存前15個(gè)周期的刀頭上升時(shí)間，同時(shí)創(chuàng)建數(shù)組保存對(duì)應(yīng)的15個(gè)周期的選針過程數(shù)據(jù)，將后面得到的上升時(shí)間與這15個(gè)上升時(shí)間進(jìn)行比較。如果大于這15個(gè)上升時(shí)間，將上升時(shí)間數(shù)組中的最小元素和最小元素對(duì)應(yīng)的選針過程數(shù)據(jù)刪除，并將后面得到的上升時(shí)間和上升時(shí)間對(duì)應(yīng)的選針過程數(shù)據(jù)插入數(shù)組末尾。測試結(jié)束后可以得到測試時(shí)間內(nèi)最大的15個(gè)刀頭上升時(shí)間以及對(duì)應(yīng)的位移和標(biāo)志位數(shù)據(jù)。以同樣的方法可以獲得15個(gè)最大的刀頭下降時(shí)間。程序結(jié)束時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)共享變量將上述數(shù)據(jù)上傳到PC端。

將上述得到的數(shù)據(jù)與選針器性能測量獲得的正確數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，判斷出電磁選針器在長時(shí)間運(yùn)行過程中是否有誤，即可檢測出選針器的穩(wěn)定性。

2.2.3數(shù)據(jù)保存

數(shù)據(jù)保存是在PC上實(shí)現(xiàn)的。將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理程序得到的數(shù)據(jù)，通過基于以太網(wǎng)通信的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布共享變量，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C上，利用LabVIEW的寫入文本文件控件，將擺動(dòng)時(shí)間和選針過程數(shù)據(jù)保存到PC上指定的文件夾中。

3 實(shí)驗(yàn)測試

利用一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)正確的電磁選針器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，首先進(jìn)行選針器性能測量，進(jìn)行0.5 h左右結(jié)束測試，通過保存的數(shù)據(jù)去還原選針過程曲線，結(jié)果見圖5。說明可完整地獲得選針過程曲線，測試過程中選針過程數(shù)據(jù)都被采集到，測試系統(tǒng)的測試結(jié)果符合預(yù)期。然后進(jìn)行選針器穩(wěn)定性測試，在測試中人為制造錯(cuò)誤情況，在2個(gè)時(shí)間測試過程中隨機(jī)挑選2個(gè)30 s，在這2個(gè)30 s期間給選針器上升階段增加阻力，測試結(jié)束后分析保存的數(shù)據(jù)可得到圖8所示曲線。選針器刀頭上升階段會(huì)因?yàn)樽枇Χ鴮?dǎo)致上升階段時(shí)間變長，測試結(jié)果和設(shè)計(jì)的預(yù)期結(jié)果相吻合。由此證明，該檢測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)選針器的刀頭故障有效檢測并將出錯(cuò)部分位移數(shù)據(jù)完整保存。該檢測系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。

圖8 異常的選針過程曲線Fig.8 Abnormal needle selection process curve

4 結(jié)束語

為解決現(xiàn)有電磁選針器檢測系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計(jì)一種電磁選針器的實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由CRIO嵌入式硬件、激光位移傳感器和電磁選針器等組成。CRIO嵌入式硬件的FPGA模塊負(fù)責(zé)采集激光位移傳感器的電壓信號(hào)和電磁選針器驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，CRIO嵌入式硬件的實(shí)時(shí)處理器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理且計(jì)算得出每個(gè)周期電磁選針器刀頭上升和下降時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了選針刀擺動(dòng)響應(yīng)時(shí)間的性能測試，再通過比對(duì)每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期選針器上升和下降時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了電磁選針器的故障檢測。

與現(xiàn)有選針器的檢測方法相比，本文開發(fā)的系統(tǒng)其特點(diǎn)包括:1)以選針信號(hào)發(fā)出時(shí)刻為基準(zhǔn)，完整記錄選針刀頭的擺動(dòng)過程，可實(shí)現(xiàn)選針器最高選針頻率的分析計(jì)算；2)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測選針器長時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定性，并可記錄不正常運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

通過對(duì)實(shí)際工作選針器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了測量系統(tǒng)的有效性，表明了本文電磁選針器實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)可以有效地完成電磁選針器性能標(biāo)定，也可以檢測出刀頭故障，并為故障原因的分析提供電磁選針器運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

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