無縫內衣機控制系統設計

許少寧，汝 欣

(1.浙江省機械工業情報研究所，杭州 310009；2.浙江省機械工程學會，杭州 310009;3.浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州 310018)

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無縫內衣機控制系統設計

許少寧1，2，汝 欣3

(1.浙江省機械工業情報研究所，杭州 310009；2.浙江省機械工程學會，杭州 310009;3.浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州 310018)

無縫內衣機作為一種典型的圓型緯編針織機械設備，專門用于生產無縫針織服裝。目前高檔無縫針織設備主要依賴進口，國內無縫內衣機起步較晚，電腦控制系統在功能、可靠性及穩定性等方面有待提升。通過對無縫內衣機機械結構、編織工藝及控制需求進行分析，提出無縫內衣機控制系統人機交互層、實時控制層和驅動層的三層結構總體設計方案，闡述了控制系統硬件、軟件的設計思路。實時控制層通過FPGA芯片內部邏輯電路搭建雙口RAM的架構實現人機交互層與實時控制層的數據傳輸。通過對控制系統整體功能的測試分析，驗證了系統設計方案的可行性。測試結果表明，控制系統整體運行可靠、實時性好。

無縫內衣機；控制系統；硬件設計；軟件設計

無縫針織技術是采用專用無縫設備生產一次成形衣物的技術。它可根據服裝造型的需求設計織造過程與進度，以連貫的過程織出服裝所有部位的立體效果，從而得到一件完整的衣服。

無縫針織的概念源于20世紀80年代，生產設備改造自襪機，之后逐步向內衣及其他種類服裝延伸。無縫內衣機采用無縫針織技術，該技術生產的織物僅需簡單的裁剪縫合便能制成成衣，可避免大量的裁剪、縫合工序，能有效節約生產時間、降低生產成本。經過多年的發展，無縫針織設備歷經了半自動、全自動到如今的智能控制的變革[1-2]。國外著名的無縫內衣機生產廠商有意大利Santoni、Sangiacomo等公司，其產品采用全成形編織技術、單面扎口技術、高速選針技術、張力控制技術等高新技術[3-4]，產品在紗線適性、整機功能等方面有很大優勢[5]。國內無縫內衣機廠商也不斷推陳出新，如高騰機電自主開發了GD-NJ08無縫內衣機，浙江日發紡機開發了RFSM10無縫內衣機等。

雖然近年來國內無縫內衣機技術迅猛發展，但由于國內無縫針織技術起步較晚，在各方面仍與國外無縫針織設備存在一定差距，特別是作為無縫內衣機運行的核心——電腦控制系統，不僅在功能上有所欠缺，可靠性及穩定性等方面也有待提升[6]。因此，研發高效、穩定、智能化的無縫內衣機控制系統，提升我國針織工業實力，打破國外無縫內衣機的技術壟斷是當務之急。

1 無縫內衣編織機構及編織工藝分析

一套完整無縫內衣機設備由機械設備、控制系統、制版軟件三部分構成。控制系統根據制版系統生成的花型文件控制機械設備各部件動作，從而完成編織過程。電腦控制系統的設計，依賴于無縫內衣機機械結構和編織工藝分析。通過分析，可以確定無縫內衣機控制系統控制需求，并據此設計總體方案。

電腦無縫內衣機使用電子選針器作為選針裝置，通過選針器刀片的打上/打下實現選針功能。當選針器刀片打上時，對應位置的針被壓入針槽，不能沿三角軌道上升，無法達到編織高度。當選針器刀片打下時對應位置的針與刀片不接觸，選中的針可沿著三角軌道上升，達到編織高度，進行編織。如圖1所示。

圖1 電子選針

圖2為無縫內衣機三角裝置展開簡化后的三角系統圖，其黑色標示的三角為可動三角，由電磁閥或步進電機驅動。

1、2.選針器，3、4選針片三角，5、6中間片三角，7-15舌針三角圖2 無縫內衣機三角展開

圖2中1、2為選針器，3、4為選針片三角，當選針片被選中時則沿著固定三角3、4運動。選針三角3比4略低，當選針片運動到3時為集圈高度，運動到4為退圈高度。5、6為中間片三角，其中6為壓針中間片三角，5為頂針中間片三角。當三角5參與工作時，中間片沿其軌道上升，將之前已經運動到集圈高度的舌針繼續頂高到退圈高度。7～15為舌針三角，在選針片不被選中的情況下，它們為舌針運行提供軌道，從而完成相應編織。7為集圈舌針三角；8為退圈舌針三角；10～12為收針舌針三角；14、15為成圈三角也叫密度三角，舌針在14與15三角形成的軌道中下降成圈[7]。

2 無縫內衣機控制系統總體方案設計

對無縫內衣機械機構及編織工藝分析可知，無縫內衣機的控制系統需要實現選針器、步進電機(密度調節以及風向轉換電機)、電磁閥(包括三角氣閥以及剪刀氣閥的控制)、伺服電機(針筒以及哈夫針盤的驅動)、送紗裝置、各類傳感器等裝置的控制。

無縫內衣機控制系統總體方案如圖3所示。系統采用模塊化的設計思路，將整個控制系統分為人機交互層、實時控制層以及驅動層三層。人機交互層與實時控制層之間通過FPGA數字邏輯處理單元實現數據交互，實時控制層使用工業現場總線技術控制驅動層各個單元[8]。

圖3 無縫內衣機控制系統總體方案

2.1 人機交互層

人機交互層主要提供一個圖形化交互平臺，實現用戶與設備間的信息交換。系統的輸入設備為鍵盤、觸摸屏，用戶通過輸入設備操作控制系統。輸出設備為顯示屏，對設備狀態、運行參數等實時顯示，對用戶的操作進行反饋。除最基本的交互功能外，鑒于嵌入式控制系統資源有限，人機交互層需具備存儲功能，能對花型文件、系統參數、編織參數等數據進行存儲，節約實時控制層的系統資源。人機交互層還需與實時控制層進行交互，這就需要與實時控制層之間的數據交互功能。此外，為滿足設備聯網需求，需預留以太網或其他網絡接口。

依據以上功能需求分析，人機交互層硬件采用核心板結構，將處理器、存儲器及引腳整合在一塊板上，通過引腳與底板連接。該結構具備一定的通用性、可互換性，便于系統的開發、維護。人機交互層軟件采用基于定制Windows CE 6.0操作系統的應用程序，配備8.0寸液晶顯示及電阻觸摸屏，操作便捷。采用FPGA數字邏輯處理單元與實時控制層進行數據交換。

2.2 實時控制層

實時控制層是整個無縫內衣機控制系統的核心模塊，該模塊不僅需要對人機交互層發送的花型文件、控制指令進行解析，還需與人機交換層、驅動層進行數據交換。實時控制層最核心的功能是對執行器進行控制，包括針筒伺服電機、密度電機、氣閥等，還需對運行過程中由傳感器采集來的報警信息、開關的輸入信息、人機交互層的操作信息等進行處理。

實時控制層承擔著大量的運算及控制任務，因此配備FPGA、ARM實時控制層的雙核心架構。以ARM為核心的主控制單元來完成運算及其他部分的控制，以FPGA為核心的數字邏輯處理單元主要作為與人機交互層的通訊媒介及承擔部分的控制任務，通過工業現場總線對驅動層發送控制指令。

2.3 驅動層

驅動層包括了選針器控制驅動單元、電磁閥控制驅動單元、密度電機調密驅動單元等。實時控制層通過工業總線對選針器、三角氣閥、剪刀氣閥等執行器件發送控制指令，驅動層將執行狀況反饋至實時控制層。

現階段常用的總線方案有CAN總線、RS485總線、工業以太網總線等。鑒于選針器、電磁閥在內衣機工作過程中對控制頻率的要求較高、控制功能較為單一，選用RS485總線與實時控制層通訊。而密度電機使用頻率較低，控制功能比較復雜，因此選用CAN總線與實時控制層進行通訊。

3 無縫內衣機控制系統硬件設計

3.1 人機交互層硬件設計

人機交互層的硬件設計仍然采用模塊化的設計思路，整個硬件電路由核心板(包括CPU、存儲器及引腳整合)、外圍電路(通訊接口等)和輸入輸出(液晶屏、液晶電源、液晶背光、觸摸屏)三大模塊構成。硬件部分整體結構如圖4所示。

圖4 人機交互層硬件設計方案

3.2 實時控制層硬件設計

采用雙核心結構的實時控制層硬件框圖如圖5所示。以FPGA為核心的部分除負責實時控制層與人機交互層之間的通訊外，還處理傳感器、輸入信號并通知以ARM為核心的控制單元。ARM芯片負責花型解析，同時實現一路伺服電機的控制、多路傳感器信號的處理、按鈕和指示燈的處理以及對驅動層的控制等任務。

圖5 實時控制層硬件設計方案

核心ARM芯片選擇意法半導體公司的STM32F407ZET6，具備ARM公司設計的Cortex-M4核心，內建浮點運算單元(FPU)以提供中低階DSP應用所需，且芯片運行頻率能夠達到168MHz，可以滿足花型文件的運算以及大量需要極高實時性任務的需求。

FPGA主要作為人機交互層與實時控制層的通訊媒介，其控制功能僅是對輸入的傳感器信號進行判斷并將其發送至STM32F407芯片，而考慮到系統整體成本等問題，選用Altera公司的最小規模FPGA芯片EP4CE6。

4 無縫內衣機控制系統軟件開發

4.1 人機交互應用程序開發

人機交互層應用程序主要需實現監控、測試、設置、交互四大功能，如圖6。

圖6 人機交互層應用程序結構

監控功能包括設備運行數據、報警信息的實時監控。設備運行數據包括針筒轉速、當前針位、當前編織花型等。報警信息包括斷紗、漏針、撞針報警等。

測試功能包括電機、選針器、電磁閥、其他I/O測試。測試功能一般在新機裝機完成、執行部件進行更換等需要對執行部件進行測試的情況下使用。

設置功能分為設備編織參數、系統參數設置兩部分。編織參數包含設備編織過程中需要明確的所有參數，包括運行速度、點動速度、選針器起始角度等。系統參數是電腦控制系統的參數，包括系統時間、用戶密碼等。

交互功能包括與操作者的交互功能及與實時控制系統的交互功能。系統通過液晶顯示、觸摸屏、USB接口等輸入輸出設備實現與用戶交互，通過FPGA的RAM作為共享內存與實時控制層進行數據交互，包括花型文件及控制、報警等指令的傳輸。

系統中的監控、設置與測試三個功能在無縫內衣機運行過程中不會同時使用，是互斥的關系。而交互功能與其他三個功能息息相關，在監控、設置與測試的各自運行中都存在交互過程。交互過程中，由用戶操作而人機交互層發送指令、數據，為主動方式，可在各界面中等待用戶操作后發送指令、數據。人機交互層接收數據為被動方式，需監聽實時控制層發送到人機交互層的數據和指令，因此需在人機交互層單獨建立一個實時層數據接收線程。

綜上，人機交互應用程序至少需建立人機界面、實時控制數據接收兩個線程。人機界面線程負責各界面的顯示以及控制數據、參數、花型文件等數據的發送，并對接收線程中接收到的數據進行顯示等處理。實時控制數據接收線程通過不停掃描實時控制層交互協議中的接收仲裁位判斷是否有數據，當有數據時，對數據進行協議解析等處理并發送消息至人機界面線程進行顯示。

4.2 實時控制層控制程序開發

鑒于無縫內衣機高實時性、高精度的控制要求，實時控制層程序不使用操作系統，采用基本的前后臺系統：即后臺程序為While(1)死循環函數，函數中順序執行各個任務；前臺程序為各類中斷函數。圖7為實時控制后臺程序流程圖，程序通過伺服電機編碼器采集的數據計算出內衣機當前針位，將花型文件中當前針位的各個部件的動作轉換為各驅動單元的控制數據，通過總線中斷形式發送至各驅動單元，同時將編碼器、當前針位、針筒轉速等信息發送至人機交互層顯示。

圖7 主控后臺程序流程

前臺系統包括各類傳感器中斷、總線發送接收中斷、定時器中斷等中斷函數。中斷函數處理實時性較高的事件。如斷紗傳感器中斷，當紗線斷開時，斷紗傳感器發送信號到實時控制層，實時控制層接收到信息并中產生中斷，立即停止無縫內衣機的運行并產生報警，同時將斷紗信息發送至人機交互層顯示。

5 結 語

本文通過對無縫內衣機機械結構、編織工藝的研究，提出無縫內衣機電腦控制系統的控制需求。根據此控制需求，設計了一種無縫內衣機控制系統。該控制系統采用人機交互層、實時控制層和驅動層的三層模塊化設計。通過FPGA搭建形成RAM功能作為共享內存，形成雙口RAM架構，實現人機交互層和實時控制層數據快速穩定交互。本文硬件設計采用模塊化設計思想，使得系統可根據客戶不同內衣機的機械控制需求，對各驅動單元進行定制，縮短了開發周期。同時，該設計方式也提高了系統的可擴展性、便于后期維護。經測試，本文設計的無縫內衣機控制系統可以滿足無縫內衣機的生產需求，具有實時性強，效率高，穩定性好等優點。此外，該系統留有網絡接口，可根據客戶需求進行聯網監控，實現機聯網系統，符合行業發展需求。

[1] 孟振華,李津.無縫內衣的發展及應用[J].天津紡織科技,2006(3):50-53.

[2] 許蘭杰,郭昕.電腦無縫針織工藝的發展與應用[J].現代紡織技術,2008,16(2):53-56.

[3] 方國平.內衣的科技創新：科學運用好新原料、新設備、新技術、新工藝[J].針織工藝,2008(3):67-68.

[4] 曹斌.無縫針織內衣機成圈機構原理與工藝的研究與分析[D].杭州：浙江理工大學,2011.

[5] 高華斌.國產無縫內衣機：銷路已打開電控是軟肋[N].中國紡織報,2010-10-20(8).

[6] 稚輝.三大紡機市場看好:經編設備、電腦橫機與無縫內衣機[J].中國纖檢,2010(12):68.

[7] 魏春霞,王琳.針織概論[M].北京:化學工業出版社,2014.

[8] 林樂,沈毅.基于FPGA的無縫內衣圓機控制系統設計[J].針織工業,2008(4):12-16.

(責任編輯：陳和榜)

Control System Design of Seamless Underwear Machine

XUShaoning1,2,RUXin3

(1.Zhejiang Information Institute of Machinery Industry, Hangzhou 310009; 2.Zhejiang Mechanical Engineering Society, Hangzhou 310009; 3.Faculty of Mechanical Engineering & Automation, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018)

As a typical circular weft knitting machine, seamless underwear machine was designed to produce seamless knitwear. Currently, high-grade seamless knitting equipment is mainly imported. Domestic research of seamless knitting technology started late. The computer control system remains improving in terms of function and reliability. Through the analysis of mechanical structure, knitting technology and control requirements of seamless underwear machine, this paper puts forward a design scheme for three-layer structure of seamless underwear machine, i.e. human-computer interaction layer, real-time control layer and driving layer. Besides, the design thought of hardware and software of control system is described. The real-time control layer achieves data transmission between the human-computer interaction layer and the real-time control layer through dual-port RAM circuit which is built by internal logic circuit of FPGA chip. The test and analysis of overall functions of control system verify the feasibility of this deisgn scheme. The test result indicates that the overall control system is reliable and real-time.

seamless underwear machine; control system; hardware design; software design

2016-06-14

許少寧(1957-)，男，杭州人，本科，高極工程師，主要從事智能制造、數控技術及信息方面的研究。

TS183.92

B

1009-265X(2016)06-0051-05