【毕业学位论文】基于PC控制的电脑横机控制系统的研究与开发

分类号 校 代 码 10495 621 学 号 091513012武汉纺织大学武汉纺织大学武汉纺织大学武汉纺织大学硕士学位论硕士学位论硕士学位论硕士学位论文文文文基 于 基 于 基 于 基 于 的 电 脑 横 机 控 制 系 统 的 研 究 与 开 发 控 制 的 电 脑 横 机 控 制 系 统 的 研 究 与 开 发 控 制 的 电 脑 横 机 控 制 系 统 的 研 究 与 开 发 控 制 的 电 脑 横 机 控 制 系 统 的 研 究 与 开 发作者姓名：作者姓名：作者姓名：作者姓名：杨杨杨杨祎敏敏敏敏指导教师：指导教师：指导教师：指导教师：吴晓光吴晓光吴晓光吴晓光教授教授教授教授学科门类：学科门类：学科门类：学科门类：工工工工学学学学专专专专业：业：业：业：机械电子工程机械电子工程机械电子工程机械电子工程研究方向：研究方向：研究方向：研究方向：纺织机电一体化纺织机电一体化纺织机电一体化纺织机电一体化完成日期：完成日期：完成日期：完成日期： K K 郑 重声 明 ： 所 呈交 的学 位论 文 ， 是 本人 在导 师的 指导 下 ， 独 立进 行研 究工 作所 取得 的成 果 。除 文中 已经 注明 引用 的内 容外 ，本 论文 不包 含任 何其 他个 人或 集体 已经 发表 或撰 写过 的作 品成 果。对 本文 的研 究作 出重 要贡 献的 个人 和集 体， 均已 在文 中以 明确 方式 标明 。本 人完 全意 识到 本声 明的法 律结 果由 本人 承担 。 学 位论 文作 者签 名： 签 字日 期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本 学位 论文 作者 完全 了解武汉纺织大学武汉纺织大学武汉纺织大学武汉纺织大学有 关保 留 、 使 用学 位论 文的 规定 。 特 授权武汉纺织大武汉纺织大武汉纺织大武汉纺织大学学学学可 以将 学位 论文 的全 部或 部分 内容 编入 有关 数据 库进 行检 索 ， 并 采用 影印 、 缩 印或 扫描 等复 制手段 保存 、汇 编以 供查 阅和 借阅 。同 意学 校向 国家 有关 部门 或机 构送 交论 文的 复印 件和 磁盘 。（ 保密 的学 位论 文在 解密 后适 用本 授权 说明 ） 学 位论 文作 者签 名： 导 师签 名：签 字日 期： 年 月 日 签 字日 期： 年 月 日论文题目： 基于 械电子工程 硕士生：杨祎敏 指导老师：吴晓光 教授摘要 电脑横机是一种自动化和智能化程度较高的机电产品 ， 集机械设计 、 针织工艺及计算机软件控制为一体 。 电脑横机控制器是电脑横机最为关键的一部分 ， 主要负责整个电脑横机的控制与数据显示 ， 它的功能是否强大直接决定着电脑横机的质量水平 。 目前高端的电脑横机主要依赖于进口 ， 其原因是国产电脑横机控制器在一些核心技术上无法突破 ， 且现阶段的国产电脑横机还存在着稳定性不好 、 操作复杂等缺点 。 所以本课题重点研究电脑横机的控制软件设计，提出一种基于 文的研究工作是在对电脑横机的操作与结构原理进行深入理解的基础上开展的 。课题首先介绍了电脑横机基本组成结构的功能及其工作原理 ， 研究了电脑横机的选针原理和编织工作原理 ， 在此基础上分析了电脑横机软件控制的关键技术所在 。 通过分析电脑横机的工作流程，确定了控制系统的总体框架结构。 本文重点研究了电脑横机的文件结构 ， 以 采用 开 发了 一款 控制 软件 ，在 对 横机 运行 的数 据进 行可 视化 操作 与处 理。 该软 件通过 以实现控制的实时性和准确性 。此软件与原先的控制软件相比 ， 界面更加简洁 ， 操作更方便 。 对于软件设计的关键模块 ，给出了具体的算法或流程图，对于部分界面的程序进行了算法优化。 最 后 通 过 一 款 适 配 器 ， 实 现 了 和 的 互 连 。在制定了横机机头和 根据此款适配器提供的开发库编写出了通讯模块的程序。 经过多种花型的长时间测试表明 ， 该系统能较好的满足电脑横机的控制要求 ， 系统运行稳定 、 实时性较好 。 且本系统使控制界面变得非常直观 ， 简化了电脑横机控制软件的操作，具有较高的实用价值和应用前景。关键词： 电脑横机； 型文件解析研究类型： 应用研究m K ： ： ： ： ： ： 1绪论 .引言 .国内外电脑横机现况与发展趋势 .课题背景及研究的意义 .本课题研究的内容及论文组织结构 .电脑横机控制系统的基本结构 .电脑横机的选针器及其选针原理 . .电脑横机编织的工作原理 .本章小结 .电脑横机软件控制基础 .电脑横机的工作流程 .具体方案的确定 .本章小结 .控制软件的结构设计 .花型文件管理模块的设计 .参数模块的设计 .编译模块的实现 .本章小结 .通讯模块总体实现 .通讯模块上位机程序设计 .通信模块下位机程序设计 .基于 .本章小结 .结论 .展望 . . 本人在攻读学位期间所发表的论文及获奖 . 每年依赖于纺织业所实现的产业利润达数万亿人民币。 2011年 1润总额达到 48072亿元 ， 其中出口金额 2262亿美元 ， 同比去年增长 1。 纺织业每年吸收的劳动力达数千万人 ， 为我国的经济稳定增长和就业环境提供了良好的保障 。 然而就总体而言，我国的纺织行业依然是一个劳动密集型产业，过分的依赖于廉价劳动力 ， 生产技术水平和织造装备与发达国家相比还有很大的差距 。 因此 ， 最近出台的纺织工业 “ 十二五 ” 规划明确指出 ， 我国的纺织行业将以关键技术创新 、 先进技术产业化运用 、 自主品牌建设等八个方向为重要突破点 2。电脑横机属于针织机械 ， 是一种集电子技术 、 计算机控制技术以及机械设计理论为一体的自动化与智能化程度极高的织造机械 。 电脑横机从手摇横机发展而来 ， 编织原理与手摇横机类似 。 手摇横机生产效率低下 ， 需要大量工人集中精力操作才能保证编织物的产量和质量；与手摇横机相比，电脑横机可以使企业的人工成本减少到 1/8，工人不必集中过多的精力去进行设备操作 ， 效率更是高出数倍 ； 因此 ， 电脑横机在我国拥有大量的需求空间 。 据相关报道 ： 2008年我国总共销售各式各样的电脑横机达 2009年销售数量上涨 2010年相比 2009年又上涨约 2011年与 2010年相比，涨幅更大，电脑横机销售量达 前我国还有很多中小型针织企业依然在使用手摇横机作为生产设备 ， 随着人力资源成本的进一步提高 ， 这些企业必定会面临招工难的形势 ； 从 2010年到 2011年 ， 在广东 、 深圳等沿海地区企业频繁出现的 “ 人工荒 ” 就是此种趋势的最好例证3。为了免于 “ 人工荒 ” 的影响，原先使用手摇横机的厂家必定会大规模采用电脑横机为生产设备 。 据纺织协会预测 ， 在 “ 十二五 ” 期间的今 后4年内我国的电脑横机需求数量大致如图 手摇横机诞生于德国 ， 并在之后的很长一段时间内处于针织行业的主导地位。从上个世纪 70年代开始，随着电子计算机技术的不断突破，各种新的技术不断应用到横机中来 ， 使得横机控制技术得到了很大的发展 ； 从刚开始的半自动手摇横机一直1绪 论2到后来出现的全自动电脑横机，横机已经实现了编织的全自动化。02468101214161820201 2012 2013 2014 .“ 十 二五 ” 期 间我 国电 脑横 机市 场需 求 4然而 ， 我国电脑横机发展起步较晚 ， 长久以来落后于国际先进的制造水平 ， 国内的中高端电脑横机主要依赖于进口 。 进口横机价格昂贵 ， 从一定程度上提高了我国纺织企业的生产成本 ， 限制了企业的利润空间 ， 所以提高国产电脑横机的技术水平有助于提升我国纺织企业的国际竞争力。 电脑横机发展迅速 。 在国内的市场上 ， 我国的针织企业引进了不少发达国家的先进电脑横机 ， 其中比较著名的有德国 日本岛精公司的 意大利普罗迪 (司的电脑横机 ， 以及瑞士斯坦格公司的电脑横机 。 这些发达国家对电脑横机的研究起步较早 、 技术相对成熟 ， 其生产的高端电脑横机功能齐全 、 运行稳定 ； 但成本和维修保养费也极其昂贵 ， 一般的中高端电脑横机也至少需要 40万方可购买 ， 这对于国内的纺织企业来说是一笔不可忽略的开支 。以下以德国 介绍这两家代表着世界上最尖端电脑横机的先进技术和其在技术上的特点：(1)德国 德国 其生产的 织可穿 ” 技术和 “ 多针距 ” 技术 。 “ 织可穿 ” 技术具有代表性的一款机型是 传统的横机织出来的成品是衣片 ， 衣片需要手动的缝合方可成衣，不但增加了人力资源，缝合不可避免的缝耗还会造成了资源的浪费 。 “ 织可穿 ”技术则是能直接在横机上直接织出整件衣物 ， 编织的织物不需要缝合或只需要少量的缝1绪 论3合即可成衣，减少了缝耗，且编织出的衣物更加美观、舒适 5。“ 多针距 ” 技术具有代表性的机型是 通的电脑横机只有一种固定不变的针距 ， 在生产中只能编织特定粗细的纱线 。 利用 “ 多针距 ” 技术 ， 一台电脑横机在衣物上可以编织出不同的针距，采用这种技术的电脑横机可以编织不同的粗细纱线 ，织物会达到一些特别的美观效果 ， 特别是编织的粗针距产品可以在视觉上非常接近手工编织产品，可以编织一些个性化产品 6。(2)日本岛精公司的 进口量排名第二 。 它推出有 “ 全成衣 ” 机型 ， 与 织可穿 ” 技术是同一类型产品 ， 可以一次成衣。但是，岛精公司最具代表性的一款机型是一种无机头的电脑横机7，普通的电脑横机是由机头在针床上左右运动 ， 由织针来配合三角装置来完成编织的 。 这款电脑横机没有常规意义上的机头，每一枚织针都由一个微型的线性电机直接推动完成编织 。 由于没有机头 ， 它采用了虚拟机头的概念 ， 走针轨迹可以任意设计 、 可以任意组合和改变 ，没有普通电脑横机的轨迹约束等 。 它的往复动作反应非常快速和灵敏 ， 可以编织出常规电脑横机无法编织出的花型。 国产电脑横机随着国内横机技术的提升在国际市场上所占的比重逐渐提升 。 其中比较有名的国产电脑横机有 ： 浙江慈星公司的 慈顺公司的 常熟市的金龙机械公司的 以及台湾的国花和飞虎电脑横机 。 国内电脑横机相对于 功能和性能相对欠缺 ； 主要原因在于国内电脑横机的技术研发起步较晚 ， 而且对于其核心部分的设计 ， 即控制系统上 ， 很多厂家是通过模仿或借助国外电脑横机的技术和工艺而起步的。从技术起源来看，国产电脑横机可以分为仿德 (仿日 (岛精 )两大类。国内电脑横机的生产技术在源头上就相对薄弱，对于一些国外垄断的关键技术以及核心技术无法突破，在工艺上就与国外有一定差距 8。但国产电脑横机的价格比较便宜 ， 中高端的电脑横机也仅需要十几万即可购买 ， 对于只需要进行普通编织的企业，国产横机是最好的选择。 最近 ， 国内电脑横机厂家开始意识到开发具有自主知识产权产品的重要性 ， 纷纷走上了自主研发的道路。例如，最近 南通天元就开发出了一种全自动嵌花横机9，它将嵌花技术与普通的电脑横机技术结合起来 ， 既可以像普通电脑横机一样编织 ， 需要编织图形时还可以结合使用嵌花技术，从一定程度上提高了国产电脑横机的编织能力。1绪 针织行业是纺织业的重要组成部分 ， 电脑横机是针织业不可替代的一部分 。 随着各种高新科技逐渐应用到电脑横机之中 ， 电脑横机必有更大的发展，以下是电脑横机发展的几个先进方向：(1)花型设计的简明化：传统的电脑横机花型设计不但需要设计者在花型 还要求设计者指定每行花型的编织工艺数据 ， 如纱嘴选择 、度目编号等参数 10， 对设计者的专业水平有很高的要求 ， 且极容易出错 。 为解决这种困境，有的公司推出了自己的花型文件库供用户参考，例如前面所述的 有的厂家开始尝试着设计一种扫描装置来完成花型的设计 ， 在这套系统中设计者只需要通过美工设计花型，然后通过扫描仪即可得到花型文件。 (2)快速折返 ： 在 2011年的第十五届上海纺织工业展上 ， 德国的 快速折返 ” 的概念 ， 即电脑横机的机头可以以更高的速度行驶 。 为了达到这一目标， 推出了 “ 系列电脑横机的效率升级包 。 这些技术的应用使电脑横机的工作效率提高了 15% 20%左右 。 岛精公司随后也推出了自己的 “ 急速回转 ” 机头系统，与 “ 快速折返 ” 是同一种概念。随着技术的发展 ，电脑横机以后的生产效率一定会越来越高。 (3)特殊功能性： 前面提到的 南通天元开发的全自动嵌花横机也使国产横机的功能越来越强大 。 但市场上对电脑横机还有着不同的需求 ， 根据需求来设计电脑横机的特殊功能是一个很重要的发展趋势。 针织服装及其装备的数字化关键技术研究 ”（编号 ： 2007及华中数控有限公司 电脑横机编程及控制系统开发 ， 课题研究的电脑横机机械部分以宁波慈顺公司生产的 人民的生活水平的提高 ， 人们对服装个性化的要求也越来越强 ， 对针织衣物的花型要求也越来越复杂 ， 这对电脑横机的编织工艺形成了新的考1绪 论5验 。 电脑横机的编织工艺比较复杂 ， 国产电脑横机往往由于控制系统的功能较弱不能满足复杂花型的编织 11，现阶段的国产电脑横机也存在着操作复杂、系统稳定性不强 、 实时性差、开放性程度不高导致系统不便于升级等缺点。 本课题以现阶段国产电脑横机的控制系统为研究方向 ， 旨在通过研究电脑横机的工作原理 ， 设计一款操作简单 、 稳定性强 、 开放性程度较高的控制系统 。 本文将从电脑横机的结构上分析影响控制系统的各个因素 ， 研究电脑横机的编织工作原理 ， 大量阅读国内外先进技术资料 。 在分析电脑横机结构与编织工作原理的基础上 ， 编写一款电脑横机的上位机控制软件 ， 通过一定的通讯技术实现上位机与下位机的互连通讯 ， 使得电脑横机能实时反馈系统运行的情况，改善系统的运行性能。 需要对电脑横机的结构与工作原理有较强的认识 ， 对电脑横机编织工艺有全面的分析 ， 熟悉现场总线的概念和各种总线接口的知识 ， 还需要有一定的软件开发功底。本课题的研究内容按章节划分为以下几个方面： 第 1章 绪 论 ： 绪 论 部 分 简 单 介 绍 了 我 国 纺 织 业 发 展 现 状 及 电 脑 横 机 在 纺 织 业 中 的地位 ； 研究了国内外电脑横机的技术现状及最新的技术进展 ， 以及课题的研究在现实应用中的意义。 第 2章 电 脑 横 机 的 结 构 及 编 织 原 理 ： 本 章 详 细 介 绍 了 电 脑 横 机 的 基 本 组 成 部 分 ，以及机头部分的结构 、 工作原理及其作用 。 研究了电脑横机几种选针器的工作原理及其优缺点 。 重点研究了电脑横机的编织原理 ， 介绍了不编织 、 成圈 、 集圈 、 移圈和接圈的编织工艺原理。在此基础上，确定了控制软件程序设计的方向。第 3章 控 制 系 统 总 体 方 案 设 计 ： 本 章 概 要 介 绍 了 电 脑 横 机 花 型 准 备 系 统 的 设 计 与文件原理 ， 确定了上位机与下位机的连接方式 。 根据电脑横机的控制流程 ， 确定了控制系统的结构，以及控制软件所需要具备的功能。 第 4章 上 位 机 软 件 结 构 设 计 ： 本 章 实 现 了 电 脑 横 机 控 制 软 件 的 结 构 划 分 。 完 成 了软件的界面设计及部分功能的实现。重点解析了电脑横机控制所需要的 二 进 制 文 件 ， 对 于 比 较 复 杂 的 程 序 进 行 了 算 法 优 化 。 最 后 完 成 了 软 件 编 译 模 块的程序设计，介绍了详细的算法。 第 5章 通讯模块的设计 ： 本章研究了数据通讯的基本性能指标 ， 及 征 。根 据电 脑横 机机 头的 控制 特点 设计 出了 机头 与 的 通讯 协议 。详 细说明了 及上位机和下位机通讯程序的实现。第 6章 系统的测试与维护：介绍了本系统测试的方法与过程。第 7章 总结与展望：总结课题研究内容，指出本系统优化方向。2电 脑横 机控 制系 统的 基本 结构 及编 织工 艺原 双系统和多系统之分 ： 单系统只有一个机头 ， 机头走一行织一行 ， 效率低下 ， 适合做简单的花型 ； 双系统是把 2个机头并在一起 ， 机头走一行织 2行 ，效率是单系统电脑横机的 2倍 ， 适合做相对复杂的花型 ； 依次类推 ， 多系统即有多个机头 ， 目前最多有 8个系统的电脑横机 ； 但多系统存在着稳定性差的缺点 ， 且织物平整度明显不如单双系统 ， 所以市场上主流的国产中高端电脑横机都是采用双系统 ， 国外开始采用三系统。本文研究的慈顺公司的 照电脑横机各个部分的功能，可以将其结构划分为：横机机架、机头、针床 、 传动机构 、 牵拉机构 、 针床横移机构 、 给纱机构和检测自停装置等几个模块 12。 其实物图如图 2 3板 4器 5台 6器 轨道 7 8杆 9板图 公 司的 统 全自 动电 脑横 机(1)横机机架：横机机架主要由铸铁铸造而成，起支撑的作用，还能使横机的工作部件合理的配合。 (2)机 头 ： 机 头 是 电 脑 横 机 在 执 行 编 织 过 程 中 最 重 要 的 机 构 ， 其 结 构 图 如 图 头由导纱器和三角系统组成，机头在针床的上方，靠机头导轨支撑。 导纱器固定在机头的顶部 ， 其功能是选择需要工作的纱嘴 。 一台电脑横机左右各 有2电 脑横 机控 制系 统的 基本 结构 及编 织工 艺原 理78把纱嘴，共 16把纱嘴，一般情况下最多只用到其中的 4 5把，其余拆除不用 。纱嘴安放在导纱器轨道上 ， 系统共有 4根导纱器轨道 ， 纱嘴按需求停靠在轨道的 2侧 。 导纱器 内部 共有 16个 导梭 机构 ，左 右各 8个 ，这 8对 导梭 机构 分别 对应 着轨 道上 的 8个 纱嘴位置，以控制对应的沙嘴是否需要使用，导梭机构的结构图如图 嘴的顶部有凹槽，弹簧 2始终有把换梭顶杆 1往下压的趋势，在纱嘴不需要工作时，电磁铁 5的磁芯 4处于伸出状态，在杠杆 3的作用下，换梭顶杆 1被抬起来而不与纱嘴接触 ， 机头在行驶中便用不到这把纱嘴；当需要使用某把纱嘴时，相应的电磁铁铁芯 4便缩回 ，在弹簧 2的作用下 ， 换梭顶杆 1便伸出到纱嘴的凹槽中 ， 纱嘴被带动工作 ， 随着机头的运动而运动。图 结 构图 图 机 构结 构图三角系统是电脑横机运行过程中执行编织的核心机构 ， 其作用是完成选针 、 调节织物密度、配合织针完成编织。三角系统的结构图如图 2345678 9 101三 角 2三 角 3三 角 4三 角 5三 角 6三 角 7三 角8三 角 9器 10压 片图 系 统结 构图2电 脑横 机控 制系 统的 基本 结构 及编 织工 艺原 理8三角系统作为电脑横