一種羅拉車控制系統(tǒng)通用平臺的設計與實現(xiàn)

陳禹伶，王體泮

（綿陽市維博電子有限責任公司 四川 綿陽 621000）

在服裝行業(yè)的細分市場——皮革制品和裝飾工業(yè)中的鎖式線縫需求，占總需求的30%左右。尤其是近幾年來，隨著人們對品質(zhì)、款式的追求，對線縫質(zhì)量的要求越來越高，靠以前傳統(tǒng)的線縫工藝和控制方法，已經(jīng)無法滿足這日益擴大的需求，不少企業(yè)已經(jīng)在尋求同類的高檔設備和配套的控制系統(tǒng)，以更加高效地完成高質(zhì)量的鎖式線縫加工。高檔的鎖式線縫設備及系統(tǒng)成為市場新的爭奪點，誰先取得突破技術難并降低成本，誰就先獲益，誰也就獲益最大。

對于目前國內(nèi)市場上，完成皮革制品和裝飾工業(yè)中的鎖式線縫的設備，基本上是進口的，其中比較有名的一家就是PFAFF的1571、1591和1574 3種型號。但由于其它多種原因，這3種型號的控制系統(tǒng)后期的維護和發(fā)展仍停留在最初的階段，且操作使用不是方便，又無中文界面，不能很好地滿足使用需要。

僅管是3種不同的型號，但控制系統(tǒng)卻基本一樣的，這無疑上擴大了控制系統(tǒng)的使用范圍，開發(fā)很有意義。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)硬件平臺采用嵌入式工業(yè)控制機+高性能運動控制卡架構；軟件平臺為WINCE實時操作系統(tǒng)。這種開放的、模塊化的軟硬件平臺可作為羅拉車系統(tǒng)的通用平臺，方便滿足不同用戶的需求，使已有成果得到充分應用，降低了開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品對市場變化的迅速反應能力。

1.1 羅拉車工作原理

羅拉車 MAS1571、1591和1574是一種高速的、具有向前和向后送料的送料輪、滾輪壓腳的以及針送料的縫紉機。MAS 1571、1591是單柱，1574是雙柱[1]。在工作原理上是相同的。

羅拉車的工作原理比較簡單：當把料放在送料輪上，上滾輪放下，踩腳踏板，機器開始工作。在縫紉過程中，當針上位時，擺針與滾輪反向運動，繼續(xù)送料；而在針下位時，擺針與滾輪反向運動，送料繼續(xù)。也就是說每一針步過程中，擺針軸有一個反向的過程，而在連續(xù)縫紉過程中，滾輪軸只在起縫時和縫紉結束時有加減速，而在中間則保持勻速，主軸速度波動對針軌跡影響較大。

在縫紉過程中，機針除了上、下運動外，還需要同步擺動；但一個完整針步的形成，只在上針位區(qū)間內(nèi)就完成：即一個針步，滾輪軸與擺針由同一點開始反向運動，各自完成一半針距，從而合成一個完整的針距；而在下針位時，滾輪軸與擺針同向運動，又回到起點，開始下一針距的縫紉。

1.2 系統(tǒng)總體結構

通過對羅拉車縫紉原理的分析，本文提出了采用ARM主板和智能運動控制卡的雙CPU構架方式。系統(tǒng)控制軟件分為上位機和下位機兩部分[2]。上位機系統(tǒng)與下位機系統(tǒng)之間通過高速串行總線RS232來完成。上位機采用嵌入式ARM主板，外接液晶觸摸屏，USB接口。下位機是智能運動控制卡，包括DSP，F(xiàn)PGA和主軸伺服控制器，3個軸的步進驅(qū)動器，I/O接口，系統(tǒng)電源等。系統(tǒng)供電單元為系統(tǒng)提供5 V，32 V，70 V電源。系統(tǒng)總體控制方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體控制方案Fig.1 Whole control system scheme

2 硬件設計

系統(tǒng)的硬件架構采用ARM主板+DSP+FPGA的雙CPU構架方式[3]。這種主從式系統(tǒng)，用ARM作為應用處理器進行多樣化的應用開發(fā)和用戶界面和接口，利用DSP+FPGA進行算法加速，既能夠保持算法的靈活性，又能提供強大的處理能力。縫紉過程控制思路是采用跟隨控制模式，以解決主軸速度波動對針軌跡帶來的影響。上、下滾輪軸、擺針軸的運動均以主軸脈沖作為插補脈沖源，在整個縫紉過程中，此三個軸的運動始終與主軸的轉(zhuǎn)速保持速率同步，而運動方向則與主軸的轉(zhuǎn)速無關。在針距數(shù)據(jù)分割方面，根據(jù)縫紉的過程，每一針需要分成兩步且合并完成：上針位時前半針，擺針軸與滾輪軸反向送料；下針位時后半針，擺針軸與滾輪軸同向送料。在一針的運動過程中，擺針軸需要作一次反向運動。

2.1 開發(fā)式ARM平臺設計

嵌入式ARM主板采用SAMSUNG公司的S3C2440A為核心板。外接液晶觸摸屏，控制顯示。同時具有RS232通訊接口和USB接口。上位機子系統(tǒng)對外接口示意圖如圖2所示。

圖2 上位機子系統(tǒng)對外接口示意圖Fig.2 Host machine system interface

2.2 基于DSP+FPGA架構的多軸智能運動控制單元設計

從機控制卡采用DSP＋FPGA架構，DSP芯片采用 TI公司的TMS320LF2407A[4]，F(xiàn)PGA芯片采用Actel公司的A3P400 PQ208。下位機子系統(tǒng)對外的接口主要有：RS232通訊接口，電氣接口和軸驅(qū)動控制接口。如圖3所示。

圖3 下位機子系統(tǒng)外部接口示意圖Fig.3 Slave machine system interface

DSP+FPGA[5]系統(tǒng)最大的優(yōu)點是結構靈活，具有較強的通用性，適合于模塊化設計，從而能夠提高算法效率。具有開發(fā)周期短，系統(tǒng)容易維護和擴展，特別適用于實時信號處理。

運動控制板可以控制3個步進電機驅(qū)動的進給軸，分別是軸X：上送料滾輪，軸Y：下送料滾輪，軸3：擺針軸，1個交流伺服電機驅(qū)動的主軸。具有10個光電隔離的輸入，10個光電隔離的輸出，5個電流閉環(huán)的電磁鐵輸出，1個PWM調(diào)節(jié)的LED燈驅(qū)動輸出。

FPGA作為DSP的一個通過存儲器擴展的外設，DSP訪問之與訪問一般的存儲器相似。

3 軟件設計

系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)人機界面交互，功能設置，對主軸和3個步進軸實時運動的控制以及系統(tǒng)自診斷功能。主要分為上位機（ARM主板）和下位機（智能運動控制卡）兩部分軟件。

上位機子系統(tǒng)ARM主板硬件載體，運行于WCE操作系統(tǒng)下，完成本數(shù)控系統(tǒng)所有的人機交互功能，且駐留在主板載存儲器上。軟件運行于WCE操作系統(tǒng)下，源代碼以EVC為開發(fā)環(huán)境，CC++編程[6-7]，并形成最終的EXE文件作為上位機控制程序。在WCE操作系統(tǒng)啟動后，自動運行該應用程序。上位機子系統(tǒng)的主要功能包括：觸摸屏、軟鍵盤功能；參數(shù)管理功能；花樣文件管理功能；手動縫紉功能；編程縫紉功能；狀態(tài)、信息顯示功能和花樣編輯功能。

下位機子系統(tǒng)以DSP TMS320F2407A為載體 （專用的FPGA為DSP存儲器外設），沒有專門的操作系統(tǒng)，完成縫紉過程的具體運動控制，并隨時響應上位機下發(fā)的各種命令。下位機系統(tǒng)軟件的源代碼以 CCS3.1或CCS3.3（Code Composer Studio 3.3）為開發(fā)環(huán)境，采用C語言和DSP匯編語言編程，形成最終的目標代碼.out或.hex形式的文件直接固化在DSP的片上FLASH中，上電后則可自行啟動運行。

下位機子系統(tǒng)軟件則是駐留在DSP中FLASH中的目標代碼和駐留在板卡FRAM中重要參數(shù)內(nèi)容。下位機子系統(tǒng)的主要功能包括：報警、運行狀態(tài)采集功能；參數(shù)應用控制；速度、位置控制；自動縫紉過程控制；手動縫紉過程控制；輔助功能（電機試運行、A/D采樣顯示、試機運行等）。

系統(tǒng)主流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主流程框圖Fig.4 System block diagram

羅拉車在縫制過程中，分為手動縫紉和編程縫紉兩種方式。手動縫紉中，需要生成專用于手動縫紉下的針跡工藝控制數(shù)據(jù)文件，只有一個線縫段，包含所有的縫紉控制信息，但沒有針跡數(shù)控制要求。編程線縫流程與手動線縫類似，區(qū)別就在于正常針軌跡的縫紉過程，而起始套結與終點套結的縫紉過程是一樣的。在正常針軌跡的縫紉過程中，當前段縫紉完成后，需要繼續(xù)取下一段的線縫數(shù)據(jù)，從而開始下一段的縫紉過程。手動線縫流程框圖如圖5所示。

4 人機界面設計

目前市面上的羅拉車系統(tǒng)都采用按鍵屏的方式，操作不便。在本文中，采用640x480的液晶觸摸屏。界面設計沿用了按鍵屏的圖標，減少用戶的認知負擔，保持界面的一致性，滿足了非專業(yè)用戶的需求。

通過操作系統(tǒng)界面，可以實現(xiàn)手動縫紉，編程縫紉模式切換。不同用戶可以根據(jù)自身的需求進行參數(shù)設置，然后發(fā)送指令給下位機進行縫紉。同時該操作系統(tǒng)具有自診斷功能，通過報警頁面的顯示，使用者能快速有效的找到報警原因。部分界面如圖7～9所示。

5 結束語

目前，該系統(tǒng)已與百福工業(yè)機械（太倉）有限公司進行配套。經(jīng)過試用，該系統(tǒng)功能與技術指標與原有系統(tǒng)相當，個別指標已經(jīng)超過了原有系統(tǒng)，但在價格上與其相比具有很大的優(yōu)勢，它已經(jīng)成為了極具市場競爭力的產(chǎn)品。

圖5 手動線縫流程圖Fig.5 Manual sewing flow chart

圖6 系統(tǒng)界面流程圖Fig.6 System interface flow chart

圖7 手動縫紉界面Fig.7 Manual sewing interface

圖8 編程縫紉界面Fig.8 Program sewing interface

圖9 參數(shù)設置界面Fig.9 System parameters setting interface

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