基于STM32F207主控芯片的棉襪機控制系統(tǒng)

唐 迪， 彭來湖,2*， 汝 欣,2， 史偉民

(1.浙江理工大學(xué) 現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)教育部工程研究中心， 浙江 杭州 310018；2.湖北省數(shù)字化紡織裝備重點實驗室， 湖北 武漢 430001)

全自動電腦棉襪機正在向多功能、自動化、高速化和智能化的方向發(fā)展。國外的電腦襪機主要有意大利的圣東尼、羅納地和勝歌等公司的產(chǎn)品[1]；國內(nèi)通過對國外技術(shù)的吸收消化，取得了一些研究成果。浙江理工大學(xué)王紅[2]通過對襪機整機運動分析、功能映射和關(guān)聯(lián)分析等手段，將現(xiàn)代分析方法融入到電腦襪機與性能分析研究中；并深入分析了收放針成型機構(gòu)原理與成形編織工藝技術(shù),首次提出了運用NURBS曲線進行襪跟模型的建模。浙江理工大學(xué)方圓等[3]基于UG NX/Motions建模仿真技術(shù)研究襪機成圈機件的瞬態(tài)力學(xué)模型，通過建模與實驗相結(jié)合的思想做出有限元分析，為電腦橫機的設(shè)計與優(yōu)化提供了一定的理論參考。盡管有些成果，但還是比較缺乏對現(xiàn)場襪機編織工藝的研究分析，同時機器精度、穩(wěn)定性及故障率等方面和國外設(shè)備還存在差距。

課題組通過對棉襪機結(jié)構(gòu)、原理和工藝理論進行了研究，深入分析了棉襪機各主要層級的原理和編織技術(shù)，著重分析襪子各步段走針軌跡。采用CAN總線技術(shù)，嵌入式控制技術(shù)等，設(shè)計了一種棉襪機控制系統(tǒng)。

1 機械結(jié)構(gòu)

1.1 編織層

成圈編織機件是參與襪品編織的主要組件，從上到下依次為織針、沉降片、中間針和提花片。織針分長腳針和短腳針2種，長腳針與短腳針各72枚插在針筒針槽中，長腳針72枚連續(xù)排布，短腳針72枚連續(xù)排布，主要負責(zé)勾取紗線編織成圈；沉降片共144枚，插入沉降片槽內(nèi)，與針筒片槽1隔1排列，配合襪針成圈；中間針與織針直接接觸，輔助織針向上或向下移動；提花片位于中間片下，8個針踵對應(yīng)8刀選針器的8把刀，片齒呈“/”形，用于選針提花。

三角提供織針走針的軌道，通過氣閥控制三角的進出(部分三角分為一級打進、打出或二級打進、打出，是為了針對長腳針和短腳針2種類型的織針)。三角與織針針踵直接接觸并確定其走位，圖1為此棉襪機三角的排布圖。

1.2 選針器層

此棉襪機采用8路喂紗系統(tǒng)，對應(yīng)8路選針器，分別為1路主紗選針器，6路色紗選針器，1路橡筋選針器。選針刀頭打下時即選針器進入工作，此時提花片齒打進針槽，織針勾取色紗，達到提花的目的。選針器如圖2所示，其中，X1為橡筋選針器，C1為主紗選針器，S2～S7為6路色紗選針器。

2 關(guān)鍵編織工藝分析

傳統(tǒng)的襪品按照編織順序分為襪口、襪筒、加固圈、襪跟、襪腳(分為襪面和襪底)和襪頭等幾個主要部分。其中襪口、襪頭和襪跟的編織工藝較為復(fù)雜，而襪跟與襪頭的編織工藝類似，歸為同類考慮，其他部分的編織較為簡單。

2.1 襪口編織工藝

襪口編織主要可以分為起口和扎口2部分，圖3所示為帶有哈夫針的扎口裝置。扎口裝置主要由哈夫針圓盤、哈夫三角和哈夫針組成。

在當(dāng)前編織的襪品中，襪子的起口過程為編織的開始，主紗選針器選針，保證到達成圈位置的織針被勾起；同時襪口部分需要橡筋的編織，使襪口更具彈性，所有橡筋選針器一隔一打動，即奇數(shù)的選針刀頭打上，偶數(shù)的刀頭打下，相應(yīng)的一半提花片針踵被頂進針槽，對應(yīng)的織針一隔一的升起勾取橡筋紗。

襪口編織到一定長度之后，扎口針上的線圈轉(zhuǎn)移到襪針針鉤內(nèi)，將所織襪口長度對折成雙層，這個過程稱為扎口。此時，哈夫針經(jīng)過攔進三角向里縮回，哈夫針上的線圈轉(zhuǎn)移到織針上。奇數(shù)針舊線圈退圈形成正常的線圈，偶數(shù)針除了套有原來的舊線圈，還有從哈夫針上轉(zhuǎn)移過來的懸弧，在編織過程中，線圈和懸弧一起脫落到新線圈上，將襪口對折連接形成扎口[4]。襪口關(guān)鍵織針針踵軌跡如圖4所示。

2.2 襪筒及襪面襪腳編織工藝

襪面關(guān)鍵織針針踵軌跡如圖5所示。

當(dāng)襪口步段結(jié)束時，哈夫盤停止工作，橡筋選針器停止工作即不再輸送橡筋紗，主紗選針器依舊保持選針狀態(tài)，提起經(jīng)過主口沙嘴的織針勾取主紗。此外，由于襪筒襪面都會添加圖案，選針會進入提花狀態(tài)，色紗選針器對應(yīng)勾取設(shè)計提花圖案需要的色紗成圈。

2.3 襪跟編織工藝

襪跟的編織相較于其他部分的編織更為復(fù)雜，其特點如下：

1) 色紗選針器全部停止工作，即退出提花編織；

2) 針筒由順轉(zhuǎn)切換為正反轉(zhuǎn)；

3) 前半襪跟挑針器工作，后半襪跟挑針器與撳針器一起工作；

4) 針筒轉(zhuǎn)動速度下降約50%。

襪跟應(yīng)該編織成袋狀，尺寸需符合人腳的大小才能穿著舒適。從織針角度看，編織襪跟只需要一部分織針參與工作，這部分織針進行握持線圈收放針，當(dāng)襪跟編織完畢，其余織針下降繼續(xù)參與編織。襪跟又分為前半襪跟(g-a-b-d-c-h)和后半襪跟(i-e-b-d-f-j),如圖6所示。

如圖6所示，g，h以上步段為編織襪面。進入襪跟前半襪跟編織階段，ga，ch的織針由于起針三角打進，這部分織針沿背部上升到最高位置退出編織即無法勾取到主紗。參與編織的織針每倒轉(zhuǎn)一次，尾針被挑針器挑起，退出編織；順轉(zhuǎn)一次，頭針被挑起，退出編織，直至只有bd長度的織針參與編織，前半襪跟編織結(jié)束。

后半襪跟的編織需要挑針器與撳針器同時作用，撳針器把連續(xù)2枚退出編織的織針下拉，使其進入編織勾取主紗，在此同時，挑針器把另一邊的1枚織針挑起退出編織，即收2放1的方式進行后半襪跟的編織，如圖中b-d-f-e。襪跟針踵軌跡如圖7所示。

3 控制方案總體設(shè)計

總結(jié)上述的工藝編織要求，得到棉襪機控制系統(tǒng)的控制要求表，如表1所示。

表1 棉襪機控制要求

根據(jù)棉襪機的控制要求，基于模塊化的設(shè)計思想，提出一種基于ARM微控制器的分層式棉襪機控制系統(tǒng)方案，此控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)對氣閥、電機和選針器的控制，如圖8所示。

控制系統(tǒng)分為3層，分別為人機交互層、控制單元層和執(zhí)行層。主控制單元為該系統(tǒng)的核心，向上與人機交互模塊傳輸數(shù)據(jù)，向下接收發(fā)送處理執(zhí)行器板的數(shù)據(jù)。主控制模塊上集成了雙口RAM、花型存儲器、編碼器接口、伺服電機接口以及CAN通信接口等。雙口RAM的作用是當(dāng)人機交互模塊有花型數(shù)據(jù)下發(fā)時，讀取到該花型數(shù)據(jù)并存儲，等待主控函數(shù)解析。外接編碼器發(fā)送脈沖(一圈約6 000脈沖)，主控的編碼器采集端口捕捉脈沖數(shù)變化，由此針筒每一針對應(yīng)若干脈沖，通過對脈沖的捕捉確定當(dāng)前的針位，主控函數(shù)提取花型數(shù)據(jù)和動作信息。

驅(qū)動模塊執(zhí)行層包括了氣閥、電機和選針器3部分。氣閥控制紗嘴和三角等；5路步進電機如表1所示；8路選針器分別為1路主紗選針器，1路橡筋選針器和6路色紗選針器。主控制單元采用CAN總線的形式與執(zhí)行器驅(qū)動板進行通信，有利于驅(qū)動板的統(tǒng)一化設(shè)計[5]。選針器對信號接收穩(wěn)定性要求高，故單獨用1路CAN2總線，氣閥和電機共用CAN1總線。

4 系統(tǒng)核心硬件設(shè)計

4.1 主控模塊電路設(shè)計

主控模塊電路如圖9所示。

主控模塊采用STM32F207Z作為核心處理器，處理器依靠工作頻率高達120 MHz的高性能ARM Coetex-M3 32位RISC內(nèi)核。Flash存儲器為1 MiB，系統(tǒng)SRAM容量為128 KiB[6]，程序可以實現(xiàn)相當(dāng)于零等待的運行性能，綜上可以滿足棉襪機的實時性控制要求。

STM32F207作為系統(tǒng)的主控制器，分別完成系統(tǒng)花型數(shù)據(jù)存儲解析與實時發(fā)送、系統(tǒng)信號的檢測與實時處理(系統(tǒng)信號主要包括系統(tǒng)啟停、各種報警等)，主伺服及哈夫盤電機的控制以及2路CAN總線與驅(qū)動電路板的數(shù)據(jù)通信。

系統(tǒng)以STM32F207為核心，采用分布式架構(gòu)和CAN總線與下位機進行通信傳輸數(shù)據(jù)，其高達1 Mbit/s的傳輸能力可以保證通信高速穩(wěn)定。伺服電機驅(qū)動則在主控制器內(nèi)集成伺服編碼器接口及伺服脈沖接口，接收外接編碼器的脈沖數(shù)，經(jīng)過計算得到當(dāng)前的針位，以及需要電機轉(zhuǎn)動的角度。信號均采用光耦隔離的設(shè)計方式，目的是為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

4.2 驅(qū)動電路設(shè)計

如上所述，執(zhí)行器驅(qū)動板分為3類，包括8塊選針器板，6塊氣閥板和2塊電機板。主控模塊通過2路CAN通信總線對執(zhí)行器板進行實時控制。3類選針器板的ARM處理器均采用Freescale的KE06芯片，該芯片有64根引腳，內(nèi)部具有64 KiB的Flash存儲器和8 KiB的SRAM。

針筒旋轉(zhuǎn)由盤式電機(主電機)驅(qū)動，盤式電機的驅(qū)動主要由3部分組成：外接編碼器、外接驅(qū)動器和對應(yīng)驅(qū)動電路。編碼器發(fā)送伺服脈沖信號，信號采集電路捕獲編碼信號，主控模塊根據(jù)此信號計算出針筒的轉(zhuǎn)速以及位置。當(dāng)前機器中，編碼器發(fā)送6 000個脈沖，盤式電機及針筒轉(zhuǎn)動一圈。

5路步進電機采用DRV8818PWPR驅(qū)動芯片，芯片功能包括確定步進模式，在此設(shè)計中，步進模式設(shè)定為8細分；步進方向選擇，對應(yīng)方向引腳高電平保持，低電平反向；時鐘信號，上升沿觸發(fā)分度器走一步；芯片2組引腳對應(yīng)外接步進電機的AB相，規(guī)定正向和反向電流方向。

8刀選針器驅(qū)動輸出方式基于CMOS反相器的原理[7]。設(shè)計將選針器線圈分為奇偶2組，以“控制端+信號端+奇偶公共端”的形式進行驅(qū)動控制。控制端根據(jù)解析控制端口的高低電平，當(dāng)線圈2端的信號端與公共端構(gòu)成電勢差，即產(chǎn)生電流，決定了刀頭的打上打下狀態(tài)。如橡筋選針器，在襪頭編織的時候一直處于工作狀態(tài)，選針器對應(yīng)刀頭打下從而將對應(yīng)的織針頂起勾取橡筋完成編織。

氣閥是單電控型的電磁閥，氣流通過閥門促使紗嘴、三角等裝置運動到指定的位置。采用達林頓管(采用ULN2803芯片)作為驅(qū)動氣閥芯片在其公共端串聯(lián)采樣電阻，選用LM358N放大芯片用于采樣電壓信號放大，保證采樣精度。ULN2308每一路能提供的驅(qū)動電流最大為500 mA,驅(qū)動電壓為50 V，可以滿足氣閥驅(qū)動需求。

5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

5.1 主控程序設(shè)計

主控程序由初始化函數(shù)和一個無限循環(huán)函數(shù)組成。初始化函數(shù)包括I/O口配置、定時器配置、CAN初始化配置及系統(tǒng)功能參數(shù)配置等。循環(huán)體首先包括獲取人機指令狀態(tài)的函數(shù)，用來獲取人機指令，其包括提花、參數(shù)設(shè)置、機器測試和程序升級等，編織時進入提花程序。主控提花程序設(shè)計思路如圖10所示。

主控程序通過搭建外接增量式編碼器信號采集電路計算當(dāng)前針位，增量型編碼器有AB兩相，電路上分為A+，A-和B+，B-的2對電平，采用M611高速光耦對差分脈沖信號進行電平轉(zhuǎn)換，采用TLP352對零位信號進行電平轉(zhuǎn)換。

根據(jù)當(dāng)前針位，從Flash中獲取花型數(shù)據(jù)進行解析和轉(zhuǎn)化，當(dāng)數(shù)據(jù)解析完畢后，將最終的控制指令通過CAN總線傳給執(zhí)行器驅(qū)動板接收，根據(jù)協(xié)議執(zhí)行對應(yīng)的動作。傳輸完畢之后，將針筒轉(zhuǎn)速、針位、當(dāng)前圈數(shù)和步段信息傳輸?shù)缴衔粰C[8]。

5.2 花型文件傳輸程序設(shè)計

執(zhí)行器的執(zhí)行指令由主控解析下發(fā)，其最初原型為花型文件。花型文件中主要包括文件名、機器參數(shù)、速度指令、循環(huán)指令、電機紗嘴以及氣閥的動作指令、報警功能、歸零指令和選針指令等。花型文件拷入上位機，同時向主控發(fā)送CO文件傳輸請求，主控掃描雙口RAM上的地址信息，提取文件信息，主控解析完文件信息之后向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)傳遞請求，接收數(shù)據(jù)存入NAND FLASH[9]。雙口RAM上的數(shù)據(jù)與Flash中的數(shù)據(jù)需要進行數(shù)據(jù)匹配校驗，當(dāng)匹配不成功，主控申請上位機重新下發(fā)數(shù)據(jù)，直到所有襪機文件信息傳輸完畢。花型文件傳輸程序如圖11所示。

5.3 襪跟正反轉(zhuǎn)程序設(shè)計

根據(jù)上文的編織工藝描述，編織襪跟需要盤式伺服電機進行正反轉(zhuǎn)，以達到收放針的目的。主控讀取當(dāng)前步數(shù)和編織圈數(shù)，如在此機器中第65步開始進行襪跟的編織；主控讀取參數(shù)，結(jié)合讀取到編碼器累計的脈沖值，計算出當(dāng)前的針位。定義伺服電機的方向改變函數(shù)void Servo Motorx Dir(MtrDirection eDirection)。正反轉(zhuǎn)程序如圖12所示。

6 系統(tǒng)測試

以RUMI WELLKNIT的AOTU RSD機型為機械本體，針筒內(nèi)共計144枚織針(連續(xù)72枚短腳針和72枚長腳針)，分布于針筒零位點2側(cè)，筒徑為255.6 mm。以正常編織15 r/min的轉(zhuǎn)速下進行襪品的編織，CAN控制系統(tǒng)總線采用1 M的波特率。

實驗結(jié)果表明：控制系統(tǒng)實時性滿足預(yù)期要求，機器運行基本穩(wěn)定，襪品表面花型連接順暢，無錯花和松散等現(xiàn)象。現(xiàn)場調(diào)試及襪子成品如圖13所示。

7 結(jié)語

現(xiàn)場生產(chǎn)實踐表明，基于STM32F207的分層式主控制系統(tǒng)采用高性能的ARM處理器，在CAN總線協(xié)議下，高精度的編碼器可以捕獲到針位的實時位置，加上高動態(tài)響應(yīng)的伺服電機、選針器和氣閥的配合，工作精準，可以滿足棉襪機織襪時的實時性和穩(wěn)定性要求。RUMI WELLKNIT的AOTU RSD機型棉襪機安裝此系統(tǒng)后工作穩(wěn)定，襪品花型圖案連接錯亂、襪品脫邊和松散等現(xiàn)象的概率從原來的8%降低到1%。

該技術(shù)對于提高棉襪機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性具有重大意義。課題今后的研究方向是如何提高針筒與哈夫盤電機同步旋轉(zhuǎn)精度，該技術(shù)在國內(nèi)還未得到解決，與國外成熟技術(shù)間有不小差距，通過控制系統(tǒng)的設(shè)計對該方向的突破應(yīng)有重要幫助。