嵌入式全自动收花机的控制系统设计

沈娣丽，孟雅俊，陆程，刘敏，明五一，3

(1. 中州大学工程技术学院，河南郑州450015;2. 广东省制造装备数字化重点实验室，广东东莞523808;3. 郑州轻工业大学机电学院，河南郑州450002)

全自动收花机就是针对家庭作坊用户市场专门设计的新型电脑横机机型，从编织原理上看，它跟市场上的传统手摇横机的机械本体结构非常相似，区别仅在于增加了机头、翻针等关键功能部件。与半自动手摇横机相比，全自动收花机自动化程度明显提高，效率得到显著提升，半自动手摇横机一个工人最多看两台并且要不停地进行手动编织，全自动收花机一个工人可以同时看6 台甚至8 台，并且工作量仅限于处理报警或编程设置参数等。与单系统电脑横机相比［1－3］，全自动收花机大大简化了功能部件，研究了全新的编织工艺，支持用户直接编程的方式，无需画版系统画花，大大降低了使用成本。当然，全自动收花机相比单系统电脑横机在功能上没有后者强大，不支持复杂花型的编织，如嵌花和绞花工艺。当然，这也正是全自动收花机的市场定位。

文中旨在推进经济型电脑横机的发展，面向新的电脑横机机型即全自动收花机，开发了具有自主知识产权的嵌入式全自动收花机控制系统。从全自动收花机的功能需求出发，研究了全自动收花机的工艺过程。谢真等人［2］研究了基于ARM 和μCOS-II 的数码织机控制系统;王红凯等［3］研制了基于Linux 嵌入式全自动横机;詹建潮等［4］提出了面向网络的全自动手套机控制系统;张宇等人［5］提出了基于ARM 的电脑横机可视化数据处理系统相关方案;陈景波等［6］设计了全自动电脑横机上位机软件。从上述文献中可见，纺织行业一般都要控制成本并且要求稳定性好，因此多采用嵌入式、分布式、网络化等技术。有鉴于此，文中提出了基于嵌入式ARM 的控制系统方案，开发了整个控制系统的硬件电路和软件系统。文中的研究成果也为开发新型的电脑横机提供一个思路，降低电脑横机的生产制造成本，进一步全面地推动全自动电脑横机的市场普及。

1 机床组成及编织工艺

1.1 机床组成

机械本体部分是由各个实现编织功能的功能部件组成的执行机构，控制系统就是控制收花机的机械本体的各个功能执行机构按照所输入的花型相应地进行一系列的自动化动作，从而完成由纱线到毛衣袖子、前幅、后幅等毛衣布片的自动化过程。全自动收花机的机械本体主要有十多个机械装置，按照大类来说，整个全自动收花机的机械部分可以分成:整机机架、机头、趴子及其驱动装置、前后针床、机头运动平行导轨、罗拉装置、摇床装置、引线装置等，其中收花机的机头花板和趴子装置是收花机最为核心的部分，也是整个收花机精度要求最高的两个装置。在研发的过程中，这两个装置经历了多次的升级改造，也是同传统电脑横机相比最大的区别所在。

与传统的电脑横机相比，全自动收花机最大的区别是在机头的花板做了大幅的简化，大小基本上只有单系统电脑横机机头的一半，非常轻便，这也就为全自动电脑横机高速编织带来了可能。在机头花板方面，全自动收花机相比传统电脑横机减少了选针器部分，并且三角电磁铁也做了相应的简化。另外，在电脑横机的基础上，全自动收花机增加了趴子及其驱动装置，趴子其实就代替了之前电脑横机花板中的选针器，趴子在全自动收花机中是完成各个工艺动作的最主要的执行机构，可以完成选针、翻针、加针等一系列的编织动作。全自动收花机及其主要功能部件如图1 所示。

图1 全自动收花机及其主要功能部件

1.2 编织工艺

全自动收花机的编织工艺总共可以分为若干组(平摇、普通加针、交叉加针、普通减针、坑条加针、坑条减针、套针、铲薄、落夹、补针、辅助工艺)，除平摇外，其他组可分为3 种状态，加针组可分为先加或者后加;减针组可分为先减或者后减;辅助工艺是不加针也不减针，辅助其他工艺正常完成。比如普通加针可分为同时先加、同时后加。标记工艺分为假领、扭位和挑孔2 种工艺。机头工艺包括起针、吊目、翻针3 种工艺。下面以普通减针工艺为例说明其工作流程。

普通减针工艺不分高低针，收针数量为1 ～n 针，收针工艺第二参数为M 支边(n+M 为一次移动的总针数)，普通收针工艺分为先减后摇和先摇后减。图2 和图3 整体为收2 针、四支边的工艺流程图。图中演示的为收右副针，当前针为是右副100 针，完成整个工艺后，当前针位为右副98 针。在前板93、94 针会有两次线，这样纺织后在此处就有一朵“花”的效果，因此普通收针工艺也俗称“收花”工艺，这也正是全自动收花机命名的由来。需要注意的是:收针工艺动作慢，机头此时需要停止运动，等待所有流程完成后才可以继续工作。

图2 普通减针示意图(前针翻后)

图3 普通减针示意图(后针翻前)

2 控制系统硬件设计

根据上述功能需求，该控制系统采取多层式控制。上层为终端控制系统，主要完成工艺单数据的编辑、解析和下传，工艺参数和工艺文件的管理以及实时显示和警报等功能;下层为实时控制系统和驱动控制系统，主要完成信号采集及处理、控制数据转换、电机驱动及传感器接口等功能。上位机和下位机均采用LM3S 系列的32 位ARM Cortex-M3 处理器芯片，相互之间均采用速度为1 Mb/s 的高速CAN 控制器作数据通信［7－8］。

上位机驱动LCD 显示屏和指令键盘;下位机的机床主控部分控制机头驱动主电机及其编码器反馈、罗拉电机、摇床电机、4 个趴针定位电机和4 个趴针动作电机、4 个加针电磁铁，以及相应电机的零位、限位检测和断纱、探针、掉布、启停按钮等外围检测;下位机的机头控制部分控制4 个密度电机(又称度目电机)、6 个功能三角电磁铁(又称山版电磁铁)、6 个导纱电磁铁。其控制系统硬件结构框架如图4 所示。

图4 全自动收花机系统硬件结构框图

3 控制系统软件设计

全自动收花机控制系统的软件方案在硬件架构的基础上模块化设计，对各个处理器采用分开编程的模式［5－6］。由上节提出的控制系统硬件方案，整个硬件系统主要采用3 片处理器芯片，分别作为嵌入式全自动收花机的界面模块、机床主控模块和机头控制模块，并通过CAN 总线使各个控制模块之间进行数据交换，达到协调配合。在软件功能方面，各个处理器实现不同的功能，整个控制系统的软件框架如图5 所示。

图5 全自动收花机软件结构框图

全自动收花机控制系统界面模块软件主要完成两方面的功能:(1)实现人机界面功能，提供用户编辑工艺单、修改工艺单、管理工艺单文件、设置系统参数、设置安全参数、进行机器功能测试、进行机床回零、进行编织过程的控制等操作的人机界面;(2)实现工艺单的解析和下发执行，首先将用户输入的工艺单信息解析存储为系统定义格式的工艺单文件;其次，将用户选择运行的工艺单文件解析成系统在上位机与下位机之间共同定义格式的指令，在运行的过程中上位机软件与下位机软件不断地相互发送指令，完成正确的工艺动作过程。

4 其他关键问题

4.1 界面组件

考虑到硬件成本，上位机ARM 处理器没有扩展外围RAM，因此上位机没有采用嵌入式操作系统。其界面的绘制采用类似Window 控件的消息机制来完成。此项目中，界面的主要组件包括静态文本、输入框、功能键、多态分组按钮等，能满足控制系统人机交互的需求。相关组件开发完成后，再按照MFC 设计模式完成人机界面的设计，降低了代码的复杂度，提高了程序的可读性。该界面组件目前已经成功应用到其他项目中，提高了代码的复用度，降低了研发成本。

4.2 抗干扰措施

由于继电器、电磁铁断开动作会对控制电路的直流电源以及信号传输造成干扰，为了提高系统运行的可靠性和时序配合的严密性，通过光电耦合器与电动机驱动器、继电器驱动电路、开关输入等部件进行连接，从而实现电气隔离［9－10］。软件上使用了指令陷阱、指令冗余和看门狗技术，能防止系统受到干扰后出现的失控现象。

5 实验

研发成功后，经过3 个月的整机调试和测试，全自动收花机控制系统各模块功能都得到正确实现，整机的稳定性也得到很好的保证。在东莞大朗本土进行了区域性的销售和推广，目前已销售了近100 台，并得到了客户的积极反馈，同时提出了很多编织过程中的问题和很多建设性的建议，例如:编织间纱较多的问题，当然这是所有不带起底板电脑横机的共同问题［11］，这也是今后需要不断改进的地方。图6 是机器装配、调试、编织过程中的相关照片。

图6 全自动收花机实验

6 结束语

全自动收花机控制系统的开发借鉴了电脑横机控制系统开发的基础和经验。在研究全自动收花机控制功能需求的基础上，开发了具有自主知识产权的嵌入式全自动收花机控制系统。从全自动收花机的功能需求出发，研究了全自动收花机的工艺过程，提出了基于嵌入式ARM 的控制系统方案，开发了整个控制系统的硬件电路和软件系统。

从测试情况来看，系统整体性能可靠、易用性好，具有较强的市场竞争力。该装备的顺利推广，对提高我国纺织设备自动化水平、降低企业成本起到了积极推动作用。

［1］吕建飞，傅建中，刘丹．基于μCOS-II 嵌入式全自动横机控制软件开发［J］．纺织学报，2006，27(1):30－33．

［2］谢真，陈宗农．基于ARM 和μCOS-II 的数码织机控制系统［J］．纺织学报，2008，29(3):105－109．

［3］王红凯，张森林．基于Linux 嵌入式全自动横机软件系统设计［J］．纺织学报，2008，29(2):101－105．

［4］詹建潮，王庆九，陈宗农，等．面向网络的全自动手套机控制系统研制［J］．纺织学报，2004，25(4):110－112．

［5］张宇，韩强，白惊宇．基于ARM 的电脑横机可视化数据处理系统的研制［J］．针织工业，2009(1):33－36．

［6］陈景波，卢达，王玲玲．全自动电脑横机上位机软件的设计［J］．纺织学报，2011，32(2):131－135．

［7］史伟民，肖亮，彭来湖，等．基于CAN 总线的模块化横机机头控制系统设计［J］．纺织学报，2012，33(4):119－123．

［8］戴国骏，张翔，高申勇，等．基于实时性优化的CAN 总线织机分布式控制系统［J］．纺织学报，2008，29(1):114－117．

［9］汪木兰，朱昊，左健民．针织机电气控制系统抗干扰设计［J］．纺织学报，2007，28(4):111－115．

［10］王申银，陈霞．数控机床的抗干扰措施［J］．机械制造，2006，44(3):22－24．

［11］史伟民，陈春松，沈加海，等．电脑横机自动起底控制系统设计［J］．纺织学报，2013，34(3):127－131．