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

（廣東工業大學計算機學院，廣州 510006）

0 引言

隨著工業電腦刺繡機迅速的發展，勞工密集的生產模式得到了一定程度的改善，但是國內勞動力成本不斷的提高，無論服裝企業還是繡花等其它加工廠，都對電腦刺繡機生產效率提出了更為嚴格的要求。然而，隨著機器轉速的不斷提高,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大。由于傳統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和凸輪挑線機構存在偏心質量,引起機頭橫梁彎曲振動加劇而產生共振,導致噪音高，不僅嚴重影響刺繡線跡的質量和刺繡機的生產效率，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，很多研究學者都以降低刺繡振動為目標，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到合理的值。還有部分學者進行了刺繡機刺布機構結構優化設計的研究，主要考慮以減少刺繡機刺布機構的振動出發點，對其結構進行優化，以運動學仿真軟件ADAMS為基礎，建立刺繡機刺布機構的參數化模型[3]。除了機械結構改造，還有關于工業刺繡機控制技術方面的研究，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效率，選擇合適的直線電機和驅動控制系統，配以合理的刺繡機機械設計結構，在不提高機器轉速的作業情況下，把換底線這一耗費時間的操作進行了自動化、智能化。

1 主要研究內容

1.1 抓取底線旋梭的多自由度機械爪設計，以及相關的夾持、移動等裝置的設計

為了提高工業電腦刺繡機的自動化水平和生產率，基于傳統和現有刺繡機的機械特點，設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中，并能夠及時自動旋轉；當原有旋梭被取下后，將由一個傳動機構負責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構、抓取機構、夾持機構等。

1.2 基于直線步進電機的自動換底線裝置控制算法設計

實現高速、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定性。本文充分利用直線步進電機高速、高精度的特點，在直線電機驅動以及運動控制算法上加以優化，并對機械爪位置、旋梭感應等多個傳感器進行數據融合，保證換取底線整個過程的安全性和穩定性。

1.3 基于自動換底線系統的智能監控以及故障診斷和管理

針對工業電腦刺繡機節點多的特點，設計一種基于分布式控制的自動換底線監控軟件。通過引入CAN總線技術，利用工業CAN總線的通信方式將各個節點與主系統的信息交互，監控系統會隨時獲取主控系統的數據和狀態，利用計算機可靠的控制能力，對換底線操作進行智能監控，可以反映出該狀態運行是否穩定，并對出現的各種狀態、錯誤數據進行故障診斷分析處理，及時進行故障報警，并將現場實時故障數據準確寫入數據庫系統進行管理。

2 總體研發思路方案

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，首次將直線步進電機應用在電腦刺繡機自動換底線裝置中，實現高速、高精度的更換新底線，大幅提高電腦刺繡機的生產效率是本研究的最終目標。圖1給出了本文研究整體研發思路的一個概要。

2.1 技術路線

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

（2）通過CNC設備進行樣品制造并同時進行驗證。充分利用自身優勢等特點，使用CNC設備快速形成各機械部件的樣品，并針對設計指標進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。在功能設計完成之后，對其進行抗磨損、發熱等的疲勞和老化測試，并小批量生產樣機送往客戶現場進行用戶級測試，充分驗證設計的可行性和可靠性。

圖1 整體研發思路概要流程圖

2.2 多節點之間的通信

模糊控制作為一種新技術,在實際的生產實踐中得到了大量的應用和發展。如今模糊控制在各個行業取得了長足的發展和令人矚目的成就。解決了傳統控制方法在工業生產等領域的難題，成為廣大學者研究的熱點。

模糊控制的本質就是用非精確的數學模型實現自適應控制，主要是從行為上模擬人們的思維方式，將人對控制系統的經驗用自然語言表達出來，對人們控制的經驗和知識進行加工分析，然后提煉總結出控制規則，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，模糊控制都適用。體現出良好的適應性和魯棒性、穩健性。此外，由于人工神經網絡具有非線性適應信息處理能力，解決了傳統人工智能方法在各領域的難題，逐漸成為人工智能領域興起的研究熱點。人工神經網絡從信息處理角度將類似于大腦神經突觸聯接的結構進行抽象，從而建立數學模型，通過不同的連接方式組成不同的網絡。

本文在傳感器融合和數據通信方面，主要采用神經網絡和模糊控制方法，為保證通信數據的完整性以及可靠性，采用工業CAN總線來實現多節點之間的通信。

2.3 電機驅動及運動控制算法

自適應控制是現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。所謂自適應控制是指在周圍環境存發生變化的情況下通過改變自身控制參數進行調整來保持良好工作性能的自動控制，無論外界環境發生多大變化或系統存在不確定性，控制系統能夠對控制參數的自適應，使系統仍能按某一性能指標處于在最佳工作狀態[5]。在電機驅動方面，本文采用自適應控制方案，實時辨識自動換底線裝置當前的位置，使得系統的抓取動作不僅快速高效，而且精確可靠。

2.4 基于專家系統的自動換底線系統的智能監控以及故障診斷

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

通過提取并建立系統的專家知識庫，知識庫內包含系統故障原因、特征和后果，以及故障發生后的解決策略等專家知識，實現自動換底線系統的智能監控以及故障診斷，引入專家系統使得該套系統的設計方案能夠方便地實現擴展和升級，同時也保證知識管理系統的可持續發展。

3 研究的創新之處

（1）本文研究首次將直線步進電機應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計。

（3）基于分布式控制的智能程控軟件設計及算法優化。

4 結語

本文提出了一種新型電腦刺繡機的自動換底線設備裝置,是基于直線步進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效率和降低了刺繡機斷線率，帶動了電腦刺繡產業和相關產業鏈的發展和結構升級，同時也推動了技術的進步，具有良好的社會效益。

參考文獻：

[1]林建龍,傅程,門桂香.電腦刺繡機橫梁彎曲振動仿真分析[J].計算機仿真,2004,21(11):71-73.

[2]白皛,趙罘,林建龍,等.雙機頭刺繡機橫梁的優化設計[J].噪聲與振動控制,2010,30(3):71-73.

[3]劉良寶,王新,趙罘,等.電腦刺繡機刺布機構結構優化設計[J].紡織學報,2011,32(5):126-129.

[4]何德鋒.分組網絡化控制系統的建模、分析與設計[D].廣東工業大學,2014.

[5]夏天俊.基于自適應神經網絡的BDI預測研究[D].大連海事大學,2011.

[6]周利,余愚.機械故障診斷中人工智能的應用[J].可編程控制器與工廠自動化,2007(7):36-36.

[7]陳建勝.專家系統在巖土工程中的應用綜述[J].工程地質計算機應用,2007,11(2):27-29.