嵌入式全自動收花機的控制系統設計

沈娣麗，孟雅俊，陸程，劉敏，明五一，3

(1. 中州大學工程技術學院，河南鄭州450015;2. 廣東省制造裝備數字化重點實驗室，廣東東莞523808;3. 鄭州輕工業大學機電學院，河南鄭州450002)

全自動收花機就是針對家庭作坊用戶市場專門設計的新型電腦橫機機型，從編織原理上看，它跟市場上的傳統手搖橫機的機械本體結構非常相似，區別僅在于增加了機頭、翻針等關鍵功能部件。與半自動手搖橫機相比，全自動收花機自動化程度明顯提高，效率得到顯著提升，半自動手搖橫機一個工人最多看兩臺并且要不停地進行手動編織，全自動收花機一個工人可以同時看6 臺甚至8 臺，并且工作量僅限于處理報警或編程設置參數等。與單系統電腦橫機相比［1－3］，全自動收花機大大簡化了功能部件，研究了全新的編織工藝，支持用戶直接編程的方式，無需畫版系統畫花，大大降低了使用成本。當然，全自動收花機相比單系統電腦橫機在功能上沒有后者強大，不支持復雜花型的編織，如嵌花和絞花工藝。當然，這也正是全自動收花機的市場定位。

文中旨在推進經濟型電腦橫機的發展，面向新的電腦橫機機型即全自動收花機，開發了具有自主知識產權的嵌入式全自動收花機控制系統。從全自動收花機的功能需求出發，研究了全自動收花機的工藝過程。謝真等人［2］研究了基于ARM 和μCOS-II 的數碼織機控制系統;王紅凱等［3］研制了基于Linux 嵌入式全自動橫機;詹建潮等［4］提出了面向網絡的全自動手套機控制系統;張宇等人［5］提出了基于ARM 的電腦橫機可視化數據處理系統相關方案;陳景波等［6］設計了全自動電腦橫機上位機軟件。從上述文獻中可見，紡織行業一般都要控制成本并且要求穩定性好，因此多采用嵌入式、分布式、網絡化等技術。有鑒于此，文中提出了基于嵌入式ARM 的控制系統方案，開發了整個控制系統的硬件電路和軟件系統。文中的研究成果也為開發新型的電腦橫機提供一個思路，降低電腦橫機的生產制造成本，進一步全面地推動全自動電腦橫機的市場普及。

1 機床組成及編織工藝

1.1 機床組成

機械本體部分是由各個實現編織功能的功能部件組成的執行機構，控制系統就是控制收花機的機械本體的各個功能執行機構按照所輸入的花型相應地進行一系列的自動化動作，從而完成由紗線到毛衣袖子、前幅、后幅等毛衣布片的自動化過程。全自動收花機的機械本體主要有十多個機械裝置，按照大類來說，整個全自動收花機的機械部分可以分成:整機機架、機頭、趴子及其驅動裝置、前后針床、機頭運動平行導軌、羅拉裝置、搖床裝置、引線裝置等，其中收花機的機頭花板和趴子裝置是收花機最為核心的部分，也是整個收花機精度要求最高的兩個裝置。在研發的過程中，這兩個裝置經歷了多次的升級改造，也是同傳統電腦橫機相比最大的區別所在。

與傳統的電腦橫機相比，全自動收花機最大的區別是在機頭的花板做了大幅的簡化，大小基本上只有單系統電腦橫機機頭的一半，非常輕便，這也就為全自動電腦橫機高速編織帶來了可能。在機頭花板方面，全自動收花機相比傳統電腦橫機減少了選針器部分，并且三角電磁鐵也做了相應的簡化。另外，在電腦橫機的基礎上，全自動收花機增加了趴子及其驅動裝置，趴子其實就代替了之前電腦橫機花板中的選針器，趴子在全自動收花機中是完成各個工藝動作的最主要的執行機構，可以完成選針、翻針、加針等一系列的編織動作。全自動收花機及其主要功能部件如圖1 所示。

圖1 全自動收花機及其主要功能部件

1.2 編織工藝

全自動收花機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、補針、輔助工藝)，除平搖外，其他組可分為3 種狀態，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先加、同時后加。標記工藝分為假領、扭位和挑孔2 種工藝。機頭工藝包括起針、吊目、翻針3 種工藝。下面以普通減針工藝為例說明其工作流程。

普通減針工藝不分高低針，收針數量為1 ～n 針，收針工藝第二參數為M 支邊(n+M 為一次移動的總針數)，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，當前針為是右副100 針，完成整個工藝后，當前針位為右副98 針。在前板93、94 針會有兩次線，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，這也正是全自動收花機命名的由來。需要注意的是:收針工藝動作慢，機頭此時需要停止運動，等待所有流程完成后才可以繼續工作。

圖2 普通減針示意圖(前針翻后)

圖3 普通減針示意圖(后針翻前)

2 控制系統硬件設計

根據上述功能需求，該控制系統采取多層式控制。上層為終端控制系統，主要完成工藝單數據的編輯、解析和下傳，工藝參數和工藝文件的管理以及實時顯示和警報等功能;下層為實時控制系統和驅動控制系統，主要完成信號采集及處理、控制數據轉換、電機驅動及傳感器接口等功能。上位機和下位機均采用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 控制器作數據通信［7－8］。

上位機驅動LCD 顯示屏和指令鍵盤;下位機的機床主控部分控制機頭驅動主電機及其編碼器反饋、羅拉電機、搖床電機、4 個趴針定位電機和4 個趴針動作電機、4 個加針電磁鐵，以及相應電機的零位、限位檢測和斷紗、探針、掉布、啟停按鈕等外圍檢測;下位機的機頭控制部分控制4 個密度電機(又稱度目電機)、6 個功能三角電磁鐵(又稱山版電磁鐵)、6 個導紗電磁鐵。其控制系統硬件結構框架如圖4 所示。

圖4 全自動收花機系統硬件結構框圖

3 控制系統軟件設計

全自動收花機控制系統的軟件方案在硬件架構的基礎上模塊化設計，對各個處理器采用分開編程的模式［5－6］。由上節提出的控制系統硬件方案，整個硬件系統主要采用3 片處理器芯片，分別作為嵌入式全自動收花機的界面模塊、機床主控模塊和機頭控制模塊，并通過CAN 總線使各個控制模塊之間進行數據交換，達到協調配合。在軟件功能方面，各個處理器實現不同的功能，整個控制系統的軟件框架如圖5 所示。

圖5 全自動收花機軟件結構框圖

全自動收花機控制系統界面模塊軟件主要完成兩方面的功能:(1)實現人機界面功能，提供用戶編輯工藝單、修改工藝單、管理工藝單文件、設置系統參數、設置安全參數、進行機器功能測試、進行機床回零、進行編織過程的控制等操作的人機界面;(2)實現工藝單的解析和下發執行，首先將用戶輸入的工藝單信息解析存儲為系統定義格式的工藝單文件;其次，將用戶選擇運行的工藝單文件解析成系統在上位機與下位機之間共同定義格式的指令，在運行的過程中上位機軟件與下位機軟件不斷地相互發送指令，完成正確的工藝動作過程。

4 其他關鍵問題

4.1 界面組件

考慮到硬件成本，上位機ARM 處理器沒有擴展外圍RAM，因此上位機沒有采用嵌入式操作系統。其界面的繪制采用類似Window 控件的消息機制來完成。此項目中，界面的主要組件包括靜態文本、輸入框、功能鍵、多態分組按鈕等，能滿足控制系統人機交互的需求。相關組件開發完成后，再按照MFC 設計模式完成人機界面的設計，降低了代碼的復雜度，提高了程序的可讀性。該界面組件目前已經成功應用到其他項目中，提高了代碼的復用度，降低了研發成本。

4.2 抗干擾措施

由于繼電器、電磁鐵斷開動作會對控制電路的直流電源以及信號傳輸造成干擾，為了提高系統運行的可靠性和時序配合的嚴密性，通過光電耦合器與電動機驅動器、繼電器驅動電路、開關輸入等部件進行連接，從而實現電氣隔離［9－10］。軟件上使用了指令陷阱、指令冗余和看門狗技術，能防止系統受到干擾后出現的失控現象。

5 實驗

研發成功后，經過3 個月的整機調試和測試，全自動收花機控制系統各模塊功能都得到正確實現，整機的穩定性也得到很好的保證。在東莞大朗本土進行了區域性的銷售和推廣，目前已銷售了近100 臺，并得到了客戶的積極反饋，同時提出了很多編織過程中的問題和很多建設性的建議，例如:編織間紗較多的問題，當然這是所有不帶起底板電腦橫機的共同問題［11］，這也是今后需要不斷改進的地方。圖6 是機器裝配、調試、編織過程中的相關照片。

圖6 全自動收花機實驗

6 結束語

全自動收花機控制系統的開發借鑒了電腦橫機控制系統開發的基礎和經驗。在研究全自動收花機控制功能需求的基礎上，開發了具有自主知識產權的嵌入式全自動收花機控制系統。從全自動收花機的功能需求出發，研究了全自動收花機的工藝過程，提出了基于嵌入式ARM 的控制系統方案，開發了整個控制系統的硬件電路和軟件系統。

從測試情況來看，系統整體性能可靠、易用性好，具有較強的市場競爭力。該裝備的順利推廣，對提高我國紡織設備自動化水平、降低企業成本起到了積極推動作用。

［1］呂建飛，傅建中，劉丹．基于μCOS-II 嵌入式全自動橫機控制軟件開發［J］．紡織學報，2006，27(1):30－33．

［2］謝真，陳宗農．基于ARM 和μCOS-II 的數碼織機控制系統［J］．紡織學報，2008，29(3):105－109．

［3］王紅凱，張森林．基于Linux 嵌入式全自動橫機軟件系統設計［J］．紡織學報，2008，29(2):101－105．

［4］詹建潮，王慶九，陳宗農，等．面向網絡的全自動手套機控制系統研制［J］．紡織學報，2004，25(4):110－112．

［5］張宇，韓強，白驚宇．基于ARM 的電腦橫機可視化數據處理系統的研制［J］．針織工業，2009(1):33－36．

［6］陳景波，盧達，王玲玲．全自動電腦橫機上位機軟件的設計［J］．紡織學報，2011，32(2):131－135．

［7］史偉民，肖亮，彭來湖，等．基于CAN 總線的模塊化橫機機頭控制系統設計［J］．紡織學報，2012，33(4):119－123．

［8］戴國駿，張翔，高申勇，等．基于實時性優化的CAN 總線織機分布式控制系統［J］．紡織學報，2008，29(1):114－117．

［9］汪木蘭，朱昊，左健民．針織機電氣控制系統抗干擾設計［J］．紡織學報，2007，28(4):111－115．

［10］王申銀，陳霞．數控機床的抗干擾措施［J］．機械制造，2006，44(3):22－24．

［11］史偉民，陳春松，沈加海，等．電腦橫機自動起底控制系統設計［J］．紡織學報，2013，34(3):127－131．