數控地毯樣機選紗系統研究

于啟保，戴惠良，楊延竹，許新軍

(東華大學機械工程學院，上海201620)

數控地毯樣機選紗系統研究

于啟保，戴惠良*，楊延竹，許新軍

(東華大學機械工程學院，上海201620)

為適應快速化、智能化生產需求，在傳統紡機選紗機構基礎上，提出一種新型數控地毯樣機的選紗系統。該系統上位機采用Visual Basic 6.0進行系統軟件開發，實現地毯圖案花型數據讀取與轉換等功能。下位機綜合運用GALIL運動控制卡、接近開關、電磁閥等部件實現系統運動控制。結果證明，該系統可自動進行紗線選取與漏紗檢測，準確高效，滿足生產要求，提高了樣品質量和生產速度。

數控地毯樣機;選紗系統;Visual Basic 6.0;GALIL運動控制卡;接近開關

中國地毯業起步于20世紀80年代中期，近年來中國旅游業、酒店業和房地產業發展迅猛，地毯市場以每年20%的速度持續增長［1］。阿克明斯特地毯圖案豐富、風格細膩，廣泛用于高級酒店、會議場館，市場需求量持續增長。阿克明斯特地毯生產中使用紗線等長絡筒，為了保證紗線滿足生產的需求，需要對紗線進行超額投料，成本較高［2］。因此，在批量生產地毯之前，常常生產出地毯樣品以供研究設計人員和客戶參考。目前在地毯樣機研究方面:國外如澳大利亞Modra公司開發的Mtuft簇絨地毯樣機技術相對成熟，可在20min內生產出一種地毯樣品［3］;國內尚無單位設計出專門的新型數控地毯打樣設備。

針對阿克明斯特地毯生產工藝以及市場需求，文中設計出一種新型數控地毯樣機選紗系統。選紗系統是數控地毯樣機中的關鍵機構，其性能的優劣將直接影響地毯樣機以及地毯樣品質量。該選紗系統在設計過程中涉及應用虛擬樣機技術［4］、軟件開發技術、數控機床技術和傳感技術等相關技術，且最終研制出實體機構。

1 系統機械結構設計及工作原理簡介

1.1 機械結構設計

在分析、研究國內外先進阿克明斯特地毯織機［5］、簇絨地毯織機［6～7］等織機機構的基礎上，對其選紗機構進行改進和創新設計，具體機械結構見圖1。該機構主要工作部件有紗筒、大帶輪、鳥嘴、小帶輪和氣缸。紗筒共有20個紗線引導孔，最多可供20種不同顏色紗線進行絨織。大、小帶輪分別由步進電機和伺服電機驅動，鳥嘴的開閉由氣缸的伸縮控制完成。

1.2 工作原理簡介

當選紗系統運行時，首先上位機讀取地毯圖像(bmp格式)各像素點顏色RGB值，接著轉化為相應的花型數據，最后發送至下位機。在下位機工作時，步進電機通過大帶輪驅動紗筒按照花型數據轉動到預定位置后停止;此時伺服電機通過小帶輪驅動鳥嘴上升至預定位置時，氣缸收縮，鳥嘴閉合，夾緊紗線，紗線與鳥嘴共同向下運動至預定位置時，氣缸伸長，鳥嘴打開，這樣即可完成選紗工作。通過紗筒的旋轉，可實現不同紗線的選取。完整的提花過程在紗線選取之后還有割紗和針刺等運動，在此不做贅述。

圖1 系統機械結構

2 選紗系統軟件設計

2.1 軟件設計流程

Visual Basic(VB)是一種由微軟公司開發的包含協助開發環境的事件驅動編程語言，她源自于BASIC編程語言。VB的易用性就是它的最大優勢，可以讓經驗豐富的VB程序員或是剛剛懂得程序設計的人都能以自己的方式快速開發程序［8］。本系統在Windows環境中采用Visual Basic 6.0進行軟件系統開發。經研究分析，選紗系統軟件功能應包括地毯圖像的載入、尺寸修改、RGB值讀取和花型數據轉化等，因此軟件設計流程如圖2所示。

圖2 軟件設計流程圖

2.2 花型數據轉換

為自動獲取花型數據，系統軟件采用 Visual Basic中圖片框Point方法［9］讀取地毯圖像各像素點的RGB值，并記:

(i，j)代表像素點在圖像中的位置，但該值不能作為控制下位機運動數據。在讀取圖像每個像素點RGB值后，將RGB值存入ppoint數組中進行數據轉換處理。將顏色進行分類編號并將圖像中每個位置像素點顏色對應的編號標定出來。具體花型數據轉換算法如圖3所示。

圖3 花型數據轉換算法

算法中color_amount(k)記錄顏色編號;color_kind記錄顏色種類;color_place(i，j)記錄圖像(i，j)位置像素點顏色編號。花型數據轉換運行實例如圖4所示。

圖4 花型數據轉換運行實例

圖4中顯示了地毯圖像第10號顏色編號信息，顏色編號即代表該種顏色紗線在紗筒中的位置。為方便工作人員穿引紗線，還需顯示出各編號顏色具體信息，運行實例結果如圖5所示。

圖5 圖像顏色信息運行實例

工作人員可按照圖5在紗筒1號～20號紗孔中穿入相應顏色紗線。例如可在1號孔穿入淺棕色紗線，在2號孔中穿入深褐色紗線等，沒有對應顏色的顯示黑色。

3 硬件控制系統設計及功能實現原理

3.1 控制系統及功能

本文設計的選紗系統控制系統及功能圖如圖6所示。

圖6中運動控制卡選用DMC-21X3系列galil運動控制卡，該卡具有運動控制—反饋接口和I/O信號接口等，并通過工業以太網與PC機實現通訊。紗筒接近開關、鳥嘴磁性開關、中間繼電器、漏紗檢測端口與24VDC電流串聯接入運動控制卡I/O端口，步進電機驅動器、伺服電機驅動器接入運動控制—反饋接口。紗筒接近開關選用圓形電容式接近開關，氣缸選用磁性氣缸，并選用相應的鳥嘴磁性開關，其他控制部件選型不做贅述。

3.2 系統功能實現原理

3.2.1 紗筒原點檢測原理

為確保選紗系統能夠正常工作，正確選取紗線，因此在系統運行之前，必須準定位紗筒轉動原點位置，系統將1號紗線孔位置作為紗筒轉動原點位置。系統紗筒原點檢測原理如圖7所示。

圖7 紗筒原點檢測原理

系統檢測原點位置時，紗筒在步進電機驅動下開始轉動。當紗筒1號紗孔中心位置旋轉至接近開關(常開型)前方，由于1號紗孔中心位置相對其他紗筒位置相對高出，觸發接近開關電路轉換為低電平。galil運動控制卡檢測到接近開關輸入口為低電平，隨即觸發步進電機停止轉動指令，從而檢測出紗筒原點位置。

3.2.2 紗筒旋轉原理

紗線在紗筒的位置相對固定不變，在選紗過程中，步進電機旋轉將指定紗線轉動到鳥嘴夾紗位置。為提高選紗工作效率，系統采用增量方式控制電機轉動并規定順時針方向為正。為避免紗線塑料管纏繞在一起，規定紗筒旋轉不超過180°。求算步進電機旋轉增量算法如圖8所示。

圖8 電機旋轉增量算法

算法中k(i，j)表示地毯圖像(i，j)位置像素點顏色編號，pic_height表示圖像高度即行數，pic_ width表示圖像寬度即列數，increment表示圖片中每個位置后一個像素點顏色編號相對前者的增量。

具體的旋轉方法如圖9所示。

圖9 紗筒旋轉方法

假設連續3種紗線分別是1號-20號-6號，按照上述增量算法得其增量分別為1，-6，因此從一號紗孔到20號紗孔順時針旋轉1格，從20號紗孔到6號紗孔逆時針旋轉6格即可將相應紗線轉送至鳥嘴夾持位置。

3.2.3 鳥嘴開閉原理

鳥嘴開閉原理示意圖如圖10所示。

圖10 鳥嘴開閉原理

在系統正常運行之前，需要調整磁性開關在氣缸上的安裝位置，應保證鳥嘴夾片運動至最高點時，氣缸內磁環接近磁性開關感應區，磁性開關導通。具體工作原理為:鳥嘴與氣缸共同做上升運動，此時氣缸下方氣口進氣，上方氣口排氣，活塞桿伸長，鳥嘴處于張開狀態。當鳥嘴夾片運動至最高點時，磁性開關導通，galil運動控制卡檢測到磁性開關輸入口為高電平，隨即觸發打開中間繼電器指令，電磁閥得電。電磁閥得電后，氣缸上方氣口進氣，下方氣口排氣，活塞桿收縮，鳥嘴閉合，閉合一定時間后，鳥嘴再次打開，循環運動實現鳥嘴開閉功能。鳥嘴的閉合時間需根據系統的實際工作情況調試設定。

3.2.4 漏紗檢測原理

為避免地毯樣品由于漏紗問題產生瑕疵，本選紗系統設計了漏紗檢測機構，其檢測原理如圖11所示。

鳥嘴旋轉夾片與鳥嘴固定夾片通過塑料套筒、橡膠墊片實現兩者絕緣，galil運動控制卡輸出端口串聯24V直流電源，并連接固定在鳥嘴兩夾片上。當鳥嘴閉合時，若鳥嘴夾住紗線則鳥嘴兩夾片之間不導通，輸出端口為低電平;若鳥嘴間沒有夾住紗線，此時鳥嘴兩夾片之間導通，輸出端口為高電平，隨即觸發停機檢查指令。

圖11 漏紗檢測原理

4 結語

本文設計的數控地毯樣機選紗系統針對阿克明斯特地毯生產工藝，結合數控機床技術、傳感技術等技術，在機械結構、花型數據轉換和系統控制方面進行了創新性設計和研究。事實證明，本選紗系統準確高效，故障率低，滿足了數控化設備的性能要求及生產需求。

［1］ 李琳.淺談現代地毯的應用于發展［J］.輕紡工業與技術，2011，40(2):57-59.

［2］ 劉劍，石廣成，李康.降低阿克明斯特地毯紗線損耗的探討［J］.輕紡工業與技術，2010，39(5):31-32.

［3］ 李剛.Modra技術公司新型簇絨地毯小樣機［J］.國際紡織導報，2007，20(4):35-36.

［4］ 雷良玉，周曉軍.基于虛擬樣機技術的汽車平順性仿真分析［J］.傳感技術學報，2006，19(6):2646-2649.

［5］ 孟晶，戴惠良，潘慧.地毯打樣機的夾絨與割絨機構設計［J］.機床與液壓，2012，40(18):29-30.

［6］ 賀斌，李文斌，馮行磊.基于PC的小型簇絨機數控系統研究與開發［J］.機械工程與自動化，2009，6(3):126-128.

［7］ 程杭杭.地毯簇絨機簇絨針傳動機構動力學分析［J］.制造業自動化，2012，34(6):117-119.

［8］ 隋麗娜，遲劍，郭立峰.Visual Basic范例開發大全［M］.北京:清華大學出版社，2010:6-8.

［9］ 明日科技.Visual Basic從入門到精通［M］.北京:清華大學出版社，2012:1-10.

于啟保(1986- )，男，漢族，江蘇宿遷人，東華大學碩士研究生，主要研究方向為數控機床技術、數字圖像處理與識別，yqb_email@126.com;

戴惠良(1963- )，男，漢族，東華大學機械學院副教授，碩士生導師，主要研究方向為計算機集成制造技術(CIMS)，CAD/CAM、現代紡織數字化制造裝備，daihl@dhu.edu.cn。

Research on Yarn Selection System of NC Carpet Sampling Machine

YU Qibao，DAI Huiliang*，YANG Yanzhu，XU Xinjun
(College of Mechanical Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China)

In order to adapt to the quick，intelligent production demand，this paper presents a new kind of yarn selection system for NC(Numerical Control)carpet sampling machine based on traditional structure.PC system software is developed based on Visual Basic 6.0 to read and convert carpet pattern data.The lower-computer control yarn selection system motion by using GALIL motion control card，proximity switches，solenoid valve and other components.The results prove that this system can automatically select the yarn and check those missing yarn.This system works accurately and efficiently to meet production requirements，improving the sample quality and production rate.

NC carpet sampling machine;yarn selection system;Visual Basic 6.0;GALIL motion control card; proximity switches

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.034

TP271.4

A

1005－9490(2014)02－0328－04

2013-06-12修改日期:2013-07-13

EEACC:7200;1265F