基于一種新型自動換底線裝置的電腦刺繡研究

曾穎，謝國波，鄧華軍

（廣東工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

隨著工業(yè)電腦刺繡機迅速的發(fā)展，勞工密集的生產(chǎn)模式得到了一定程度的改善，但是國內(nèi)勞動力成本不斷的提高，無論服裝企業(yè)還是繡花等其它加工廠，都對電腦刺繡機生產(chǎn)效率提出了更為嚴(yán)格的要求。然而，隨著機器轉(zhuǎn)速的不斷提高,會使繡花針的沖擊力增大，刺繡機振動和噪聲也隨之迅速擴(kuò)大。由于傳統(tǒng)的多頭刺繡機機頭和線架均固定在刺繡機的橫梁主軸上，又因為多機頭的電腦刺繡機的機頭針桿機構(gòu)和凸輪挑線機構(gòu)存在偏心質(zhì)量,引起機頭橫梁彎曲振動加劇而產(chǎn)生共振,導(dǎo)致噪音高，不僅嚴(yán)重影響刺繡線跡的質(zhì)量和刺繡機的生產(chǎn)效率，而且大大縮短刺繡機本身的使用壽命[1]。近年來，為了降低橫梁振動的位移幅值，很多研究學(xué)者都以降低刺繡振動為目標(biāo)，將橫梁主軸作為研究對象,運用實驗測試和有限元模擬方法開展電腦刺繡機橫梁減振實驗研究[2]。通過改變橫梁的兩端固定方式，使橫梁振動的固有頻率達(dá)到合理的值。還有部分學(xué)者進(jìn)行了刺繡機刺布機構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的研究，主要考慮以減少刺繡機刺布機構(gòu)的振動出發(fā)點，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以運動學(xué)仿真軟件ADAMS為基礎(chǔ)，建立刺繡機刺布機構(gòu)的參數(shù)化模型[3]。除了機械結(jié)構(gòu)改造，還有關(guān)于工業(yè)刺繡機控制技術(shù)方面的研究，利用軟件算法提升刺繡的效率。本文立足于提高電腦刺繡機的生產(chǎn)效率，選擇合適的直線電機和驅(qū)動控制系統(tǒng)，配以合理的刺繡機機械設(shè)計結(jié)構(gòu)，在不提高機器轉(zhuǎn)速的作業(yè)情況下，把換底線這一耗費時間的操作進(jìn)行了自動化、智能化。

1 主要研究內(nèi)容

1.1 抓取底線旋梭的多自由度機械爪設(shè)計，以及相關(guān)的夾持、移動等裝置的設(shè)計

為了提高工業(yè)電腦刺繡機的自動化水平和生產(chǎn)率，基于傳統(tǒng)和現(xiàn)有刺繡機的機械特點，設(shè)計出一種能夠自動抓取底線旋梭并更換為新旋梭的自動換底線機械裝置。刺繡機原有旋梭的抓取，將會采用多自由度機械爪來完成；多個新旋梭會存放在一個夾持機構(gòu)中，并能夠及時自動旋轉(zhuǎn)；當(dāng)原有旋梭被取下后，將由一個傳動機構(gòu)負(fù)責(zé)將纏滿底線的新旋梭安裝到位。因此整個自動換底線裝置包括傳動結(jié)構(gòu)、抓取機構(gòu)、夾持機構(gòu)等。

1.2 基于直線步進(jìn)電機的自動換底線裝置控制算法設(shè)計

實現(xiàn)高速、精確的抓取旋梭動作，對機械爪的移動、定位精度要求非常高，為了保證此動作的順利完成，既需要保證各機械零件的精密配合，也要從控制的角度提高穩(wěn)定性。本文充分利用直線步進(jìn)電機高速、高精度的特點，在直線電機驅(qū)動以及運動控制算法上加以優(yōu)化，并對機械爪位置、旋梭感應(yīng)等多個傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，保證換取底線整個過程的安全性和穩(wěn)定性。

1.3 基于自動換底線系統(tǒng)的智能監(jiān)控以及故障診斷和管理

針對工業(yè)電腦刺繡機節(jié)點多的特點，設(shè)計一種基于分布式控制的自動換底線監(jiān)控軟件。通過引入CAN總線技術(shù)，利用工業(yè)CAN總線的通信方式將各個節(jié)點與主系統(tǒng)的信息交互，監(jiān)控系統(tǒng)會隨時獲取主控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，利用計算機可靠的控制能力，對換底線操作進(jìn)行智能監(jiān)控，可以反映出該狀態(tài)運行是否穩(wěn)定，并對出現(xiàn)的各種狀態(tài)、錯誤數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷分析處理，及時進(jìn)行故障報警，并將現(xiàn)場實時故障數(shù)據(jù)準(zhǔn)確寫入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行管理。

2 總體研發(fā)思路方案

本文研究致力于研制一種新型自動抓取并更換新底線裝置，首次將直線步進(jìn)電機應(yīng)用在電腦刺繡機自動換底線裝置中，實現(xiàn)高速、高精度的更換新底線，大幅提高電腦刺繡機的生產(chǎn)效率是本研究的最終目標(biāo)。圖1給出了本文研究整體研發(fā)思路的一個概要。

2.1 技術(shù)路線

（1）利用AIP、CAD等計算機輔助設(shè)計軟件建立系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真實驗。主要針對高速運動進(jìn)行模擬及動力學(xué)分析，包括運動曲線的路徑規(guī)劃、運動過程中各部件的受力分析、不同部位磨損和發(fā)熱的情況等等。通過對上述數(shù)速度、加速度、反作用力等數(shù)據(jù)的分析，確定自動換底線的機械結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、所需動力等。

（2）通過CNC設(shè)備進(jìn)行樣品制造并同時進(jìn)行驗證。充分利用自身優(yōu)勢等特點，使用CNC設(shè)備快速形成各機械部件的樣品，并針對設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行功能性的的試驗驗證與分析。

（3）疲勞、老化測試以及小批量用戶測試。在功能設(shè)計完成之后，對其進(jìn)行抗磨損、發(fā)熱等的疲勞和老化測試，并小批量生產(chǎn)樣機送往客戶現(xiàn)場進(jìn)行用戶級測試，充分驗證設(shè)計的可行性和可靠性。

圖1 整體研發(fā)思路概要流程圖

2.2 多節(jié)點之間的通信

模糊控制作為一種新技術(shù),在實際的生產(chǎn)實踐中得到了大量的應(yīng)用和發(fā)展。如今模糊控制在各個行業(yè)取得了長足的發(fā)展和令人矚目的成就。解決了傳統(tǒng)控制方法在工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的難題，成為廣大學(xué)者研究的熱點。

模糊控制的本質(zhì)就是用非精確的數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)自適應(yīng)控制，主要是從行為上模擬人們的思維方式，將人對控制系統(tǒng)的經(jīng)驗用自然語言表達(dá)出來，對人們控制的經(jīng)驗和知識進(jìn)行加工分析，然后提煉總結(jié)出控制規(guī)則，從而建立一種能夠被人們理解和接受，且適用于計算機處理的輸入和輸出模型[4]。從控制技術(shù)的角度來看，模糊控制實際上是一種非線性特征域控制器，不管被控對象是時變還是非時變系統(tǒng)，模糊控制都適用。體現(xiàn)出良好的適應(yīng)性和魯棒性、穩(wěn)健性。此外，由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性適應(yīng)信息處理能力，解決了傳統(tǒng)人工智能方法在各領(lǐng)域的難題，逐漸成為人工智能領(lǐng)域興起的研究熱點。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從信息處理角度將類似于大腦神經(jīng)突觸聯(lián)接的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽象，從而建立數(shù)學(xué)模型，通過不同的連接方式組成不同的網(wǎng)絡(luò)。

本文在傳感器融合和數(shù)據(jù)通信方面，主要采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制方法，為保證通信數(shù)據(jù)的完整性以及可靠性，采用工業(yè)CAN總線來實現(xiàn)多節(jié)點之間的通信。

2.3 電機驅(qū)動及運動控制算法

自適應(yīng)控制是現(xiàn)代控制理論的一個重要組成部分，它作為一門研究課題至少已有60多年了。所謂自適應(yīng)控制是指在周圍環(huán)境存發(fā)生變化的情況下通過改變自身控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整來保持良好工作性能的自動控制，無論外界環(huán)境發(fā)生多大變化或系統(tǒng)存在不確定性，控制系統(tǒng)能夠?qū)刂茀?shù)的自適應(yīng)，使系統(tǒng)仍能按某一性能指標(biāo)處于在最佳工作狀態(tài)[5]。在電機驅(qū)動方面，本文采用自適應(yīng)控制方案，實時辨識自動換底線裝置當(dāng)前的位置，使得系統(tǒng)的抓取動作不僅快速高效，而且精確可靠。

2.4 基于專家系統(tǒng)的自動換底線系統(tǒng)的智能監(jiān)控以及故障診斷

所謂專家系統(tǒng)是一個在特定領(lǐng)域內(nèi)具有專家水平解決問題能力的智能計算機程序系統(tǒng)。其核心部件是知識庫,能夠利用人類專家的知識處理現(xiàn)實世界中復(fù)雜的問題。它被廣泛應(yīng)用人工智能技術(shù)和計算機技術(shù)中，尤其在故障診斷領(lǐng)域，得到了高度的認(rèn)可[6]。專家系統(tǒng)根據(jù)某領(lǐng)域一個或多個專家提供的知識和經(jīng)驗，模仿人類專家解決的思維過程和推理方式，然后進(jìn)行推理和判斷，解決現(xiàn)實世界中需要人類決策的復(fù)雜問題[7]。

通過提取并建立系統(tǒng)的專家知識庫，知識庫內(nèi)包含系統(tǒng)故障原因、特征和后果，以及故障發(fā)生后的解決策略等專家知識，實現(xiàn)自動換底線系統(tǒng)的智能監(jiān)控以及故障診斷，引入專家系統(tǒng)使得該套系統(tǒng)的設(shè)計方案能夠方便地實現(xiàn)擴(kuò)展和升級，同時也保證知識管理系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

3 研究的創(chuàng)新之處

（1）本文研究首次將直線步進(jìn)電機應(yīng)用在電腦刺繡機高速、高精度自動換底線裝置中。

（2）基于與直線步進(jìn)電機相配合的底線旋梭自動抓取、傳送、夾持等機械裝置的設(shè)計。

（3）基于分布式控制的智能程控軟件設(shè)計及算法優(yōu)化。

4 結(jié)語

本文提出了一種新型電腦刺繡機的自動換底線設(shè)備裝置,是基于直線步進(jìn)電機的自動抓取裝置，用以替代人手逐一地去更換底線而引致的停機時間，大幅提高了刺繡機生產(chǎn)效率和降低了刺繡機斷線率，帶動了電腦刺繡產(chǎn)業(yè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和結(jié)構(gòu)升級，同時也推動了技術(shù)的進(jìn)步，具有良好的社會效益。

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