（控制理论与控制工程专业论文）电脑绣花机换色剪线控制器的设计与实现.pdf

硕士论文 电脑绣花机换色剪线控制器的设计与实现 摘要 目前，国产电脑绣花机自动换色和自动剪线控制装置与国外同类产品之间存在着一 定的差距，在国际电脑绣花机高端市场竞争中处于劣势。要提高国产电脑绣花机的竞争 力，必须提高其控制性能，因此，研制电脑绣花机换色剪线控制器具有重要的现实意义。 本文的工作是针对电脑绣花机换色剪线控制器的设计与实现这一课题展开的，所做 的工作可以概括为以下几个方面： ( 1 ) 对换色剪线控制器总体方案进行设计。介绍了电脑绣花机的工作原理和工作过 程，分析了电脑绣花机电控系统以及外围接口控制模块结构；并根据换色剪线接口控制 模块的功能，确定了换色剪线控制器的输入输出信号，设计了换色剪线控制器硬件以及 软件总体方案。 ( 2 ) 对换色剪线控制器硬件电路进行设计。根据换色剪线控制器硬件电路设计要求， 选择相应的元器件及转换模块，对扣线电磁铁控制电路、机头电磁铁控制电路、换色电 机控制电路、剪线电机控制电路以及勾线电机控制电路进行设计。 ( 3 ) 对换色剪线控制器软件进行设计。在对软件开发与运行环境以及信号处理机制 研究的基础上，对自动换色控制模块与自动剪线控制模块进行软件设计。 ( 4 ) 对换色剪线控制器进行调试与测试。测试结果表明本控制器具有良好的可靠性， 大大提高了自动换色和自动剪线的效率。 电脑绣花机换色剪线控制器的成功研制，为科学合理的控制自动换色和自动剪线提 供了平台，同时，也为后续研究打下了坚实的基础。 关键词：自动换色，自动剪线，控制器，可靠性 硕士论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ea u t o m a t i cc o l o r - c h a n g i n ga n da u t o m a t i ct h r e a d t r i m m i n gc o n t r o ld e v i c e o fe m b r o i d e r ym a c h i n ed o m e s t i cc a n tm a t c ht h a to f f o r e i g ne m b r o i d e r ym a c h i n e ，a n da r ea ta d i s a d v a n t a g ei nt h ei n t e r n a t i o n a lh i g h - e n dm a r k e t i ft h ed o m e s t i cp r o d u c t sw a n tt oi n c r e a s e t h ec o m p e t i t i v ep o w e r , w em u s ti m p r o v et h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo ft h e m s oi ti s v e r y s i g n i f i c a n tt od e v e l o pc o n t r o l l e ro fc o l o r - c h a n g i n ga n dt h r e a d - t r i m m i n g t h ed i s s e r a t i o ni sf o c u s e do nt h ec o n t r o l l e ro fc o l o r - c h a n g i n ga n dt h r e a d t r i m m i n g , t h e m a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eg e n e r a lp l a no fc o n t r o l l e ro fc o l o r - c h a n g i n ga n dt h r e a d - t r i m m i n gw a sd e s i g n e d t h e o p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dt h ew o r k i n gp r o c e s so ft h ee m b r o i d e r ym a c h i n ew e r ei n t r o d u c e d ； t h ea r c h i t e c t u r eo fe l e c t r i cc o n t r o ls y s t e ma n dp e r i p h e r a li n t e r f a c e sw e r ea n a l y z e d ；t h ei o s i g n a l sw e r ed e f m e da n dt h eg e n e r a lp l a n so fh a r d w a r ea n ds o r w a r ew e r ed e s i g n e db a s e do n t h ef u n c t i o no ft h ep e r i p h e r a li n t e r f a c e s ( 2 ) t h eh a r d w a r eo fc o n t r o l l e ro fc o l o r - c h a n g i n ga n dt h r e a d - t r i m m i n gw a sd e s i g n e d t h e p e r t i n e n tc o m p o n e n t sa n dm o d u l a rc o n v e r t e rw e r es e l e c t e d ，a n dt h ec o n t r o lc i r c u i to ft h e t h r e a d - h o l d i n ge l e c t r o m a g n e t , n o s ee l e c t r o m a g n e t , c o l o r - c h a n g i n gm o t o r , t h r e a d t r i m m i n g m o t o ra n dt h r e a d - h o o k i n gm o t o rw e r ed e s i g n e d ，a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h e c o n t r o l l e ro f c o l o r - c h a n g i n ga n dt h r e a d - t r i m m i n g ( 3 ) t h es o r w a r eo fc o n t r o l l e ro fc o l o r - c h a n g i n ga n dt h r e a d t r i m m i n gw a sd e s i g n e d t h e s o f t w a r eo ft h ea u t o m a t i cc o l o r - c h a n g i n ga n dt h r e a d - t r i m m i n gc o n t r o ld e v i c ew e r ed e s i g n e d ， b a s e do nr e s e a r c h i n gd e v e l o p m e n ta n d r t m n i n ge n v i r o n m e n ta n ds i g n a lp r o c e s s i n gp r i n c i p l e ( 4 ) t h ec o n t r o l l e ro fc o l o r - c h a n g i n ga n dt h r e a d - t r i m m i n gw a sd e b u g g e da n dt e s t e d t h e r e s u l to ft e s tp r o f e s s e dt h a tt h ec o n t r o l l e rh a dg o o dr e l i a b i l i t y , a n dt h ee f f i c i e n c yo f c o l o r - c h a n g i n ga n dt h r e a d - t r i m m i n gw e r ei n c r e a s i n g t h i sc o n t r o l l e ri ss u c c e s s f u ld e v e l o p e d ，w h i c hp r o v i d i n gag o o dp l a t f o r mf o rc o n t r o l l i n g t h ec o l o r - c h a n g i n ga n dt h r e a d - t r i m m i n g m e a n w h i l e ，a st h eb a s ef o r t h es u c c e s s i v er e s e a r c h k e y w o r d s ：a u t o m a t i cc o l o r - c h a n g i n g , a u t o m a t i ct h r e a d - t r i m m i n g ，c o n t r o ld e v i c e , r e l i a b i l i 够 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：垫 1 年占月汕 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 差蠡 妒1 年月和日 硕士论文 电脑绣花机换色剪线控制器的设计与实现 1 绪论 1 1 引言 现代社会经济高速发展，人们生活水平不断提高，人们对物质消费品的质量和档次 要求越来越高，特别是对服装的品味要求大大提高，这就造就了服装纺织行业的蓬勃发 展。而刺绣行业作为支撑服装纺织产业的支柱行业，从古到今，一直是服装纺织产品质 量好坏的直接决定因素。从古代传统的手工制作，发展到近代的机械缝纫机，直到现代 的电脑绣花机，刺绣行业经历了无数的变革，从而促使服装纺织产品的质量和数量得到 前所未有的发展【1 1 。 起初由于电子技术与计算机技术不成熟、电气控制技术和机械加工技术结合性差， 绣花机控制系统没有外围的辅助模块，只能进行一些简单的刺绣工作，产品只能停留在 低端【2 1 。发展到今天，绣花机不仅仅是某一个领域里的专利，而是把计算机技术、电子 技术、电气控制技术以及机械加工技术完美地结合在一起的高端产品电脑绣花机p 】。 电脑刺绣是指在计算机上运用打版软件制作成计算机可以识别的花样文件，然后， 将花样文件输入到电脑绣花机的主控制器中进行刺绣【4 】。电脑绣花机适用在各种面料上 刺绣，绣品平滑美观【5 】。 随着计算机技术、电子技术以及机电一体化技术的发展，要提高电脑绣花机的工作 效率与工作性能，不仅依靠主控制系统的性能提高，而且也要依靠外围的辅助控制模块 控制性能的提高。当今，电脑绣花机电控系统外围辅助模块的发展是决定电脑绣花机控 制系统发展水平的重要因素。 1 2 国内外电脑绣花机发展与现状 刺绣技术在我国一直是蓬勃发展的工艺技术，是我国的传统工艺，在世界刺绣史上 占有很重要的地位。在古代中国，人们便可以在棉布、丝绸上绣花草虫鱼。进入近代社 会以后，特别是有了对外贸易以后，刺绣产品的需求量越来越大，手工刺绣方式慢慢淡 出历史舞台。随着电气技术以及机械加工技术的发展，特别是西方工业革命的推进，改 变了传统的手工刺绣方式。 1 8 2 8 年，第一台手摇绣花机的问世，宣告了传统的手工刺绣方式开始退出主导地位 1 6 。1 8 6 4 年，g r o e b l i 在瑞士开发了第一台飞梭绣花机。1 8 9 0 年，第一台自动机械飞梭 绣花机投入运行，此时并没有打版系统。 进入二十世纪六十年代，1 9 6 4 年，日本开始生产“田岛”牌多头自动绣花机。1 9 7 7 年，日本百灵达公司制成第一台全电脑多头绣花机。次年，百灵达公司推出其第一套电 1 绪论硕士论文 脑绣花打版系统。同时，在7 0 年代晚期，自动换色、自动剪线技术也开始进入研究阶 段。 1 9 8 2 年，帕尔斯公司在亚特兰大市，开发了世界上第一套花样存档软件、网络管理 软件和数据采集软件。1 9 8 8 年，美高公司把电控系统从绣花机控制系统中独立出来，并 研制出自己的第一个电控系统【7 1 。 从此以后，对绣花机的电控系统的研发进入了迅速发展时期。从最初的8 0 5 1 或者 i n t e l1 6 位单片机为核心的电控系统【引，发展到基于a r m 、d s p 等微处理器为核心的 嵌入式电控系统【9 - 1 0 1 。通过在a r m 、d s p 等微处理器为核心的电控系统中植入嵌入式 l i n u x 等操作系统【l l 】，大大提高了电脑绣花机的工作性能，同时降低了开发难度、缩短 了开发周期。 9 0 年代末，日本的电脑绣花机行业发展到鼎盛时期。日本的百灵达公司，利用先进 的研发水平，成为世界绣花机行业的领航者，并与日本的田岛公司成为世界电脑绣花机 行业的两大霸主，占据了世界电脑绣花机市场的大部分份额。 随着中国对外开放的不断深入以及经济的不断发展，电脑绣花机行业在国内迅速发 展，电脑绣花机企业也雨后春笋般涌现，诞生了兴大豪等一大批骨干企业【1 2 】。国内电脑 绣花机行业的迅速崛起，影响着世界电脑绣花机行业格局的变化。1 9 8 6 年9 月，北京兴 大豪公司接到了国家关于研制国产多针多色电脑刺绣机的课题项目，在当时的经济条件 下，研究这种智能绣花机有很大的技术困难。然而，经过科研人员的不断研究与探索， 直到1 9 8 8 年，成功研制出中国第一台多针多色电脑绣花机。第一台国产电脑绣花机的 诞生，不仅填补了我国在该领域的空白，更重要的是，为国产电脑绣花机研究学者在该 领域不断创新增强了信心。从那时开始，国产电脑绣花机行业在兴大豪公司的领航下不 断发展，共同走上了一条开创电脑刺绣机产业的新道路【1 3 】。 目前，国际上生产电脑绣花机的著名企业有日本百灵达0 3 a k u d a n ) 、幸福 ( h a p p 、田岛( t a j i m a ) 、韩国日星( s w f ) 、美国美高( m e l c o ) 等，这些大公司几乎占 据了全部的高端电脑绣花机市场，而国产电脑绣花机只是在中、低端市场有一定的竞争 力。这说明，我国电脑绣花机行业仍处于较低端的产品开发与生产阶段，国产电脑绣花 机产品与国外高端绣花机产品相比，仍有很大的差距。随着我国科技创新发展理念的不 断深入，国产电脑绣花机在高端绣花机领域不断有技术新突破，国内电脑绣花机行业逐 渐向高端市场进军。 1 3 换色剪线控制装置的研究现状 随着电脑绣花机行业的不断发展，电脑绣花机的机械结构日趋成熟，对机械性能的 提升已经处于瓶颈。因此，提高电脑绣花机的工作性能并且降低其成本的关键就在于研 制高性能的电脑绣花机控制系统。 2 硕士论文电脑绣花机换色剪线控制器的设计与实现 当今世界，以日本的田岛公司为首的高端绣花机研发公司，代表了电脑绣花机控制 系统研究的最高水平。田岛公司的绣花机配置的自动换色控制装置，能够高效地应用在 高智能多针多色多头的高端电脑绣花机领域，换色稳定、准确到位；此外，该公司的绣 花机配置的自动剪线控制装置，能够在刺绣结束后，自动剪断底面线，大大提高了绣品 的平滑性【1 4 】。这些自动换色与自动剪线控制装置提高了电脑绣花机的自动化程度，操作 简单方便，绣品质量更好【1 5 1 。 而当前国内，以北京兴大豪公司领航的国产电脑绣花机企业中，有能力研发自动换 色与自动剪线控制装置的厂家寥寥无几。兴大豪公司的产品在全球绣花机行业中处于较 为先进的地位，其中，自动换色与自动剪线控制装置虽然能够满足绣花机完成刺绣工作 的基本需求且性能稳定，但是有其局限性。这种换色剪线控制装置在低端电脑绣花机领 域有一定的市场价值，但是，在多针多色多头高智能绣花机领域，这种换色剪线控制装 置控制换色剪线动作执行时误差较大，经常会出现换色不到位以及剪线粗糙等现象，从 而影响了电脑绣花机的正常工作以及花样的美观性和平滑性。 电脑绣花机需要绣出颜色丰富的绣品，因此必须配置自动换色控制装型1 6 1 。是否使 用自动剪线控制装置，其差异是相当明显的：不使用自动剪线控制装置时，很多停机线 清晰可见，花样的平滑性很差，而且生产成本较高；使用自动剪线控制装置时，大大减 少了停机线，花样的平滑性提高，而且生产成本可以减少约1 0 【1 7 】。 1 4 课题研究背景及意义 随着科技水平的不断发展以及人们审美观念的不断提高，人们对刺绣产品多样性的 追求大大提高，对刺绣产品质量的要求也越来越高，而高性能的电脑绣花机需要实现多 种颜色的针位转换，这就需要绣花机在刺绣过程中能够实现自动换色。起初的换色过程 是人工换色，既费时又费力。随着电机控制技术的发展，换色动作的实现越来越简单、 经济，由原来的手动换色发展到当今的自动换色，换色动作迅速准确。由电气控制换色 电机的正反转来实现复杂的针位转换，从而提高换色的效率、稳定性与准确性。 随着机械加工技术和电子技术的发展，机电一体化在电脑绣花机中的应用越来越广 泛。自动剪线动作是电脑绣花机工作过程中无法忽略的动作，当花样刺绣完成或者换色 时都需要剪线。自动剪线，又称三自动，即自动扣线、自动剪线以及自动勾线三个动作 共同完成剪线功能，此过程要求极高的机械协调性以及稳定的电气控制。电脑绣花机的 剪线过程由效率低下的人工剪线发展到当今电气控制电机自动剪线，剪线动作越来越复 杂，但控制精度越来越高，稳定性与准确性也更高。 本文研究的换色剪线控制器，是追求刺绣产品高质量的一种典型技术设计。自动换 色控制模块的设计，实现了手工换色以及许多自动换色装置所不能实现的准确到位控 制，换色过程被不断地监控；实现了换色电机的工作状态的协调控制，使换色电机的控 3 1 绪论硕士论文 制过程更加灵活。而自动剪线控制模块的设计，实现了扣线、剪线以及勾线三个动作的 协调，使剪线动作更加准确、稳定。 通过对换色剪线控制器的研究，使电脑绣花机控制系统的控制性能大大提高，同时， 换色剪线控制器的研究成果为电脑绣花机控制系统的后续研究搭建良好的平台。 1 5 论文的主要研究内容 本文首先结合电脑绣花机换色剪线控制器的开发过程，制定了换色剪线控制器的总 体设计方案( 包括软硬件设计方案) ，然后根据该方案，对自动换色控制模块、自动剪线 控制模块进行硬件电路及软件设计，最后对换色剪线控制器进行调试与测试。本文研究 的主要内容有以下几个方面： 第一章介绍了国内外电脑绣花机的发展与现状，分析了换色剪线控制装置的研究现 状，阐述了本课题研究背景、研究意义以及论文的主要研究内容。 第二章主要是对换色剪线控制器总体方案进行设计。首先，介绍了电脑绣花机的工 作原理；其次，构建了电控系统硬件结构，分析了外围接口控制模块的作用；最后，根 据换色剪线控制模块的功能，给出了换色剪线控制器硬件以及软件总体设计方案。 第三章主要是对自动换色控制模块硬件电路进行设计。首先，分析了自动换色机械 执行机构工作原理；其次，研究了针位编码原理及光耦的应用，设计了换色检测控制模 块；在此基础上，给出了换色控制模块硬件电路设计方案；并根据电路要求，选取芯片 m o c 3 0 8 3 对输入输出信号进行隔离：最后，根据换色电机控制原理，设计了自动换色 控制模块硬件电路( 包括换色电机启动、正转、反转以及制动控制电路) 。 第四章主要是对自动剪线控制模块硬件进行设计。首先，分析了自动剪线实现的工 作原理；并在此基础上，给出了自动剪线控制模块硬件电路设计方案，并把自动剪线控 制模块硬件电路划分为扣线电磁铁、机头电磁铁、剪线电机以及勾线电机控制电路；其 次，根据电路要求，选择芯片m c l 4 5 3 8 对输入信号进行触发，选择芯片k b p c 2 5 0 4 对 交流一直流电源进行转换；最后，设计了扣线电磁铁、机头电磁铁、剪线电机以及勾线 电机控制电路，并用m u l t i s i m1 0 对a c d c 转换模块进行仿真。 第五章主要是对换色剪线控制器软件进行设计。首先，介绍了软件开发及运行环境； 其次，研究了信号处理机制；最后，对自动剪线控制模块以及自动换色控制模块进行软 件设计。 第六章主要是对换色剪线控制器进行调试与测试。首先，介绍了换色剪线控制器机 械结构部分的调试步骤：其次，阐述了换色剪线控制器电路部分的调试过程；最后，对 换色剪线控制器进行测试，并分析了换色剪线控制器相关输入输出信号的测试结果。 第七章回顾与总结全文的主要研究内容，归纳了本文的主要研究成果，阐述了研究 成果的应用价值，最后，对后续的研究工作做了展望。 4 硕士论文电脑绣花机换色剪线控制器的设计与实现 2 换色剪线控制器总体方案设计 本章首先介绍了电脑绣花机的工作原理，其次构建了电控系统硬件结构，并分析了 外围接口控制模块的作用，最后给出了换色剪线控制器总体设计方案( 包括硬件与软件 总体设计方案) 。 2 1 电脑绣花机控制系统结构分析 2 1 i 电脑绣花机工作原理分析 本文所研究的电脑绣花机刺绣工作原理与工作流程如图2 1 所示，电脑绣花机的工 作过程如下： 首先，由打版师在p c 机上通过打版软件将刺绣花样生成花样文件，并将花样文件 存贮于软盘或u 盘中，然后，通过电脑绣花机操作箱的软盘接口或者u s b 接口，将花 样文件输入到电脑绣花机主控制器的磁盘里。 在刺绣开始之前，操作工选中刺绣花样，并通过操作箱的按键使刺绣进入确定模式， 然后，通过电脑绣花机的机械部件拉杆开关，使绣花机处于刺绣工作状态。电脑绣 花机刺绣过程中，底层的驱动程序会接受上层应用程序中的花样文件数据，并把花样文 件数据转换成针迹数据，控制电脑绣花机主轴电机及x 、y 步进电机的协调运动，从而 在布面上绣出花样，同时在显示屏上显示花样的刺绣状态。 本文所研究的电脑绣花机有六个机头，每个机头有九根绣针，每个机头最多可以绣 出九种不同的颜色，即每个花样最多由九种不同的颜色组成，这些颜色的换色码在打版 软件中已由打版师设计完成，电脑绣花机正常刺绣时遇到这些换色码，要进行换色动作， 这就要求绣花机具有自动换色功能。当电脑绣花机换色时，主轴电机必须停止工作，此 时绣花针不下针，接着，主控制器控制换色电机进入转动工作状态，按照程序设计的转 动方向通过传动机构带动针杆箱移动，直至换色到目标绣花针。在换色过程中，有半回 转信号对换针过程进行监控，当换色完成后，绣花机从中断点开始进入正常的刺绣过程。 电脑绣花机刺绣过程中，另一个无法避免的工作便是自动剪线。当执行换色动作之 前或者某个花样刺绣完成时，电脑绣花机要执行自动剪线，这个动作的实现由扣线、剪 线以及勾线三个动作协调完成。自动剪线的具体实现过程是：首先，主控制器( c p u ) 置 扣线电磁铁控制信号有效，将扣线电磁铁吸合，从而将底线的旋梭扣住，这样底线就被 固定住而不会松动，接着，主控制器置剪线电机控制信号有效，剪线电机带动剪线执行 机构将线剪断，最后，主控制器置勾线电机控制信号有效，从而驱动勾线电机转动，带 动勾刀将剪断的面线勾回到尼龙塔扣内，这样就完成了自动剪线。 在电脑绣花机正常刺绣过程中，如果发生了断线，那么发生断线的机头的断线检测 s 2 换色剪线控制器总体方案设计 硕士论文 控制电路会向主控制器反馈相应的控制信号，从而控制机头指示灯由绿色变成红色，电 脑绣花机会停止正常的刺绣工作进入补绣工作状态。当补绣工作状态结束后，所有的机 头从断线点开始进入正常的刺绣状态。 图2 1 电脑绣花机工作流程图 2 1 2 电控系统的硬件结构分析 电控系统( 主控制器) 是电脑绣花机控制系统的核心，由核心板和c p l d 端口扩展板 组成。其硬件结构如图2 2 所示： 1 核心板的选择 本文采用基于s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器的a r mp c 1 0 4 核心板，该核心板 是由深圳科思有限公司生产的工业控制计算机主板。选择a r mp c 1 0 4 作为核心板，是 因为它具有以下几个方面的优点【1 8 之o 】： ( 1 ) $ 3 c 2 4 1 0 a 内嵌a r m 9 2 0 t 核，带有全性能的m m u ，具有高性能、低功耗、低 成本、小体积等优点； ( 2 ) 配置1 个主u s b ，1 个从u s b ，1 个l c d 接口，3 个串口，1 个键盘接口，1 个1 0 1 0 0 m 以太网接口以及p c 1 0 4 总线接口； ( 3 ) 支持l i n u x 、v x w o r k s 等嵌入式操作系统，对软件开发工作有很好的支持。 6 硕士论文电脑绣花机换色剪线控制器的设计与实现 图2 2 电控系统硬件结构图 a r mp c 1 0 4 核心板的硬件资源如下表所示： 表2 1 核心板硬件资源 7 2 换色剪线控制器总体方案设计硕士论文 2 c p l d 的选择 本文选用c p l d 作为接口扩展板，是因为它有以下几个方面的优点【2 1 】： ( 1 ) 扩展接口 c p l d 作为接口扩展芯片，可以减少主控制器外围芯片的使用数量，大大简化了主 控制器的接口任务，使主控制器有更高的处理效率。 ( 2 ) 掉电保护 c p l d 编程采用e 2p r o m 或者f l a s h 技术，掉电后仍可以保护数据和程序完整。 ( 3 ) 实时性高 c p l d 没有f p g a 复杂的时序控制，进出c p l d 的路径很少有开关，所以延时较少， 实时性高。 此外，考虑到设计中用到1 2 4 个引脚，故选择a l t c r a 公司的m a x 7 0 0 0 系列c p l d 的e p m 7 1 9 2 s q c l 6 0 ，它有1 6 0 个引脚，内部有1 9 2 个宏单元。 2 1 3 外围接口控制模块研究 本文所研究的电脑绣花机电控系统外围各控制模块如图2 3 所示： 图2 3 外围接口控制模块框图 电脑绣花机电控系统( 主控制器) 外围接口控制模块主要有：自动换色控制模块、自 动剪线控制模块、针位置检测控制模块、断线检测控制模块、主轴电机控制模块、x y 轴步进电机控制模块等。这些外围控制模块配合相关的机械部件在主控制器的直接或者 硕士论文 电脑绣花机换色剪线控制器的设计与实现 间接控制下相互合作、协调工作，提高了电脑绣花机控制系统的控制性能。下面对这些 接口控制模块的作用进行分析： ( 1 ) 针位置检测及断线检测控制模块 针位置检测控制模块有两个具体的任务： 检测和反馈当前的针位信息，即九根绣针中哪一针被选中用来刺绣； 检测和反馈两相邻针之间的换针信息，即换到半针还是换针完成。 断线检测控制模块的具体任务是： 控制机头指示灯：绣花机处于正常刺绣状态，指示灯为绿色；突然断线时，指 示灯立刻变为红色： 控制机头电磁铁：电磁铁吸合时，针杆不下针；电磁铁释放时，针杆下针； 反馈断线信号：发生断线时，断线反馈信号反馈到主控制器。 ( 2 ) 主轴电机与x y 轴步进电机控制模块 交流伺服电机在高端电脑绣花机领域得到了广泛的应用，主要被用作主轴电机。交 流伺服电机具有以下优良特性：控制精度高、低频特性好、矩频特性好、交流伺服系 统的加速性能好。 在电脑绣花机的进给机构里，步进电机是作为驱动系统的执行元件使用，在此系统 中步进电机的精度直接影响绣品的质量【2 2 1 。步进电机在电脑绣花机领域中，主要被用作 x y 轴绣框移动的控制电机，具有以下优点：定位精度高、位置及速度控制准确、动作 灵敏、信赖性高。 本文选用安川电机( 上海) 有限公司的s g m g h 系列交流伺服电机作为主轴电机，选 用三洋公司( s a n v od e n k i ) r s 系列交流伺服驱动器作为主轴电机驱动器；选用常州亨 联光机电科技有限公司的b q s 3 1 系列步进电机驱动器作为x y 轴步进电机驱动器田】。 ( 3 ) 自动换色控制模块 自动换色在电脑绣花机中的应用越来越多，自动换色是通过换色电机转动来实现 的，而换色电机转动是通过自动换色控制模块控制完成，本文将在下面的章节里详细介 绍自动换色控制模块的设计。自动换色控制实际上是对换色电机工作状态的控制，即启 动、正转、反转以及制动。 自动换色过程是在针位置检测模块的监控下，即在半回转信号的监控下精确完成 的。这个工作过程的实质是一个光电耦合器的工作过程，当光电耦合器导通时，控制半 回转信号处于高电平有效状态，从而触发发光二极管导通发光，这时绣针换半针到位； 当光电耦合器内的两个开口槽旋转1 8 0 0 时，光电耦合器再次导通，这样，置半回转信号 再次处于高电平有效，从而控制发光二极管再次导通发光，这时绣针换全针到位。这样， 保证了换色的精确度和可靠性。 本文所研究的电脑绣花机系统选用单相异步电机作为换色电机，功率一般在7 5 0 w 9 2 换色剪蛀控制器总体方案设计硬论文 以下，启动脯恸比较容易控制。本文选用换色电机型号y c j l 5 1 8 ，其额定功率1 5 w ， 额定电压2 加v a c ，额定电流0 2 3 a 。 ( 4 ) 自动剪线控制模块 自动剪线是由扣线、剪线、勾线三个动作协调完成的，因此，自动剪线接控制模块 实际上是对扣线、剪线以及勾线三个动作的控制，这三个动作分别由扣线电磁铁、剪线 电机以及勾线电机控制模块控制完成。 当绣完某个完整的花样或者在花样换色码需要换色时，电脑绣花机便执行自动剪线 动作。因此，自动剪线动作的执行必须是在电脑绣花机停机的状态下进行的，这也是为 了保护电脑绣花机的机械部件不受损坏。电脑绣花机停机后，主控制器置扣线控制信号 有效，控制扣线电磁铁吸合，将底线的旋梭扣住，这样底线就被固定住而不会松动。然 后，主控制器置剪线电机控制信号有效，控制剪线电机转动。剪线电机连着一个剪线杆， 在剪线杆上固定一个铜块，铜块正对一个接近开关。在剪线电机工作时，剪线电机带动 剪线杆横向运动，铜块便随着剪线杆的运动一起动作，离开接近开关。当剪线完成时， 铜块再次正对接近开关，并给主控制器发送一个反馈信号，此时主控制器置剪线电机制 动信号有效，控制剪线电机进入制动过程，剪线电机停止转动。剪线电机停止后，主控 制器置勾线电机控制信号有效，控制勾线电机转动。勾线电机带动勾线杆横向运动，在 勾线线杆上也有一个接近开关，当勾线完成时接近开关会给主控制器发送一个反馈信 号，此时主控制器置勾线电机制动信号有效，勾线电机停止转动。 本文所研究的电脑绣花机系统所用的剪线电机、勾线电机以及扣线电磁铁都选用青 岛海鹰电器厂生产的电器，其实物图如图2 4 、图2 5 所示。 其中剪线电机与勾线电机均选用型号y n 8 0 - 2 5 ，其工作参数为：额定电压2 2 0 v a c ， 额定功率2 5 w ，额定电流03 5 a ，工作频率5 0 6 0 h z ，转速1 3 0 0 n , m ；扣线电磁铁选用型 号m c x 0 1 - 3 4 g ，其工作参数为；工作比2 5 ，工作电压6 5 v d c ，启动力矩2 n ，复位 力矩1 n ，脉冲功率1 0 w 。 蕊懑麟 图2 a 剪线、勾线电机实物图图2 5 扣线电磁铁实物图 ( 5 ) 机头电磁铁控制模块 电脑绣花机正常刺绣过程中，针杆的上f 动作是由机头电磁铁配合主轴电机共同完 成的。机头电磁铁的吸合与释放控制着针卡t 的下针与否。当机头电磁铁吸舍时，针杆 1 0 硕士论文电脑绣花机换色剪线控制器的设计与赛现 不下针；当机头电磁铁释放时，针杆在主轴电机的控制下，下针正常刺绣。 本文选用的机头电磁铁由青岛海鹰电器厂生产，其实物图如图2 6 所示。其型号为 m c x 0 1 1 8 g ，工作参数：工作比2 5 ，工作电压2 4 v d c ，脉冲功率9 w ，启动力矩0 6 n ， 复位力矩06 n 。 h2 6 机头电姓铁实物幽 由于机头电磁铁的供电电源信号与扣线电磁铁的供电电源信号都是由变压器的电 源信号转换而来的，且硬件电路设计同理，所以，在设计换色剪线控制器硬件电路时， 把机头电磁铁控制模块作为换色剪线控制器的一部分进行设计。 综上所述，本文研究的换色剪线控制器是由换色屯机、剪线电机、勾线电机、扣线 电磁铁以及机头电磁铁控制模块五个功能模块组成。电脑绣花机换色剪线控制器的设 计，首先应在总体架构上进行设计，具体内容将在下面两节介绍。 2 2 换色剪线控制器硬件总体设计 换色剪线控制器硬件电路对扣线电磁铁、机头电磁铁、换色电机、剪线电机以及勾 线电机提供电源，并且对换色电机、剪线电机以及勾线电机的转动进行控制。 在设计换色剪线控制器硬件电路时，首先，要根据电路要完成的功能确定其输入输 出信号以及这些信号的具体形式。其电路有以下四个功能： ( 1 1 接收主控制器输出的对换色电机、剪线电机、勾线电机、扣线电磁铁的控制信 号控制各个电机和扣线电磁铁工作； ( 2 1 将变压器输出的7 2 v a c 电源信号转换成6 5 v d c 电源信号，给扣线电磁铁供电； ( 3 1 将变压器输出的2 7 v a c 电源信号转换成2 4 v d c 电源信号，给机头电磁铁供电： ( 4 ) 给断检板提供1 2 v d c 的电源信号。 通过对换色剪线控制器硬件电路功能的研究，确定其输入输出信号： ( 1 ) 输入信号：电源( t 1 2 v ) 、地线、g x ( 勾线电机控制信号) 、k ) ( ( 扣线电磁铁控制 信号) 、j x ( 剪线电机控制信号) 、h s “换色电机正转控制信号) 、h s - ( t j 女- 色电机反转控制 信号) 、h s q t ( 换色电机启动制动控制信号) 、零线、火线( 2 7 v a c 、7 2 v a c 、2 2 0 v a c ) ； ( 2 1 输出信号：接入剪线电机的信号、接入勾线电机的信号、接入换色电机的信号、 2 换色剪线控制器总体方案设计硕士论文 接入扣线电磁铁的信号、接断线检测板的电源。 在这些信号中，电源( + 1 2 、地线、g x 、k x 、i x 、h s + 、h s 、h s q t 来自主控 制器；零线、火线( 2 7 v a c 、7 2 v a c ) 来自变压器；零线、火线( 2 2 0 v a c ) 来自2 2 0 v 交流 电系统。 电脑绣花机不同工作状态下，换色剪线控制器硬件电路输入输出信号的状态设置如 下： ( 1 ) 控制自动换色的信号：h s + 、h s 、h s q t 。 当绣花机遇到花样文件的换色码时，且通过软件程序比较得出换色方向是从第一号 针位到第九号针位的顺序进行换针，那么主控制器置h s 斗信号高电平( t i p 为+ 1 2 v ) 有效， 控制换色电机进入正向转动状态：同理，当绣花机遇到花样文件的换色码时，且通过软 件程序比较得出换色方向是从第九号针位到第一号针位的顺序进行换针，那么主控制器 置h s 一信号高电平( 即为+ 1 2 v ) 有效，控制换色电机进入反向转动状态。当换色到位时， 即通过软件程序比较当前针位信息与欲工作的针位信息，当两者相等时，主控制器将 h s 惰号或者h s 信号置为低电平。同时，将h s q t 信号置为高电平( 即为+ 1 2 v ) 有效， 从而控制换色电机进入制动状态，迅速停机。 ( 2 ) 控制自动剪线的信号：k x 、g x 、j x 。 自动剪线的实现是由扣线电磁铁、剪线电机和勾线电机协调工作完成的。因此，电 脑绣花机的主控制器要根据自动剪线工作过程置k x 、g x 、j x 信号在不同时期处于有 效状态，从而对扣线电磁铁、剪线电机和勾线电机的工作进行协调控制。 ( 3 ) 换色电机、剪线电机以及勾线电机正常工作时，需要2 2 0 v 交流电压驱动；而 扣线电磁铁和机头电磁铁正常工作时，需要+ 6 5 v 和+ 2 4 v 的直流电源，而变压器供给电 源只有2 7 v 和7 2 v 交流电源，这就需要通过相应的a c d c 转换电路，把交流电源转换 成直流电源，给扣线、机头电磁铁供电。电磁铁供电原理如下图所示： 图2 7 电磁铁供电原理图 本文在设计换色剪线控制器的硬件电路时，借鉴了很多相关电路的设计，特别是对 单相异步电动机控制的电路设计，在这些工作的基础上，设计了换色剪线控制器硬件电 路总体架构如图2 8 所示。 换色剪线控制器硬件电路总体架构中，对晶闸管驱动器的选择、单稳态触发器的选 择、开关装置的选择以及a c d c 转换电路模块的选择，将在后面的章节中具体研究。 1 2 硕士论文电脑绣花机换色剪线控制器的设计与实现 图2 8 换色剪线控制器硬件电路总体架构 换色剪线控制器硬件电路分解成换色电机控制模块、剪线电机控制模块、勾线电机 控制模块、扣线电磁铁控制模块、以及机头电磁铁控制模块这五个控制模块。每个控制 模块由相应的信号来控制，通过相应的电路驱动，最终控制相应的电机或者电磁铁完成 指定的工作指标。 h s + 、h s 以及h s q t 这三个信号用来控制自动换色控制模块，这三个信号分别通 过双向晶闸管驱动器来控制换色电机的正转、反转以及启动停止，这样换色电机的工作 状态在三个信号的协调控制下能够稳定的转换，使自动换色顺利的进行。 j x 信号对剪线电机的控制，主要有以下两种方式： ( 1 ) 信号控制剪线电机启动 j x 信号通过双向晶闸管驱动器控制剪线电机启动。 ( 2 ) j x 信号控制剪线电机制动 考虑到对剪线电机制动时间的控制，j x 信号首先要通过相应的单稳态触发器对信 号进行触发，输出保持一段高电平时间的脉冲信号，然后，此脉冲信号通过双向晶闸管 1 3 2 换色剪线控制器总体方案设计硕士论文 驱动器控制剪线电机制动。 g x 信号对勾线电机的控制，主要有以下两种方式： ( 1 ) g x 信号控制勾线电机启动 g x 信号通过双向晶闸管驱动器控制剪线电机启动。 ( 2 ) g x 信号控制勾线电机制动 考虑到对勾线电机制动时间的控制，g x 信号首先要通过相应的单稳态触发器对信 号进行触发，输出保持一段高电平时间的脉冲信号，然后，此脉冲信号通过双向晶闸管 驱动器控制勾线电机制动。 k x 信号与7 2 v 的交流电源用来控制扣线电磁铁吸合与释放，7 2 v 的交流电源通过 交流一直流转换电路，转换成扣线电磁铁正常工作时所需要的+ 6 5 v 直流电源，而k x 信号要通过相应的开关装置，实现对扣线电磁铁吸合与释放的控制。 2 7 v 交流电源用来供给机头电磁铁工作电源，2 7 v 的交流电源也要通过相应的交流 直流转换电路，转换成机头电磁铁正常工作时所需要的+ 2 4 v 的直流电源，来驱动机 头电磁铁的正常工作。 2 3 换色剪线控制器软件总体设计 图2 9 所示是嵌入式系统结构图，嵌入式系统由上层应用程序、内核空间以及底层 硬件设备组成。 上层应用程序 俞猢程序用 系统调用接口 间 g 设备驱动程序 气 么 | 初始化中断访问 弋7 硬件设备 图2 9 嵌入式系统结构 上层应用程序，又称为用户态，是完成嵌入式系统功能的主要软件，可以由单独的 一个任务来实现，也可以由多个并行的任务来实现。内核空间，又称为内核态，包括系 统调用接口与设备驱动程序，是嵌入式系统的指挥中心，用来管理上层应用软件及相关 1 4 硕士论文电脑绣花机换色剪线控制器的设计与实现 资源，并提供一种机制，使得嵌入式微处理器分时的执行各个相关任务并完成一定的时 限要求。而硬件设备主要是指以嵌入式微处理器为系统的运算核心，配合其外围辅助结 构完成相关功能。 当绣花机在正常刺绣过程中，遇到花样文件的换色码时，首先主轴停机，然后进行 自动剪线动作，最后进行自动换色动作。本文研究的换色剪线控制器的软件设计，实际 上是由自动换色控制模块软件设计与自动剪线控制模块软件设计两部分组成。 根据电脑绣花机的工作原理，以及嵌入式系统软件开发流程，对换色剪线控制器软 件总体设计如图2 1 0 所示。 用户态内核态 - j 臆乖丕l i 语孛角暗lj 值岔萃i i ；凸孛柄由i 1 仃千王u 叹疋用，曼r 一 7 i 。i 宁年刊双疋用，殳l 控 i o c t l 0 l i1 打厶al 制 一剪线1 7 l ，j 诫 i 电 i慵篇l 。l 捕庸 j 机 1 1 挟。巴广 7 i 坎巴 i l 前挫同脚 i 男珑凹性 k i l l _ p r o c 0 换色回位 i 盘虻h + 壬耳 l i 1 宁半也任 l 图2 1 0 换色剪线控制器软件总体设计 换色剪线控制器软件设计包括驱动程序设计与上层应用程序设计，其中驱动程序运 行在内核态，上层应用程序运行在用户态。换色剪线控制器软件实现是内核态与用户态 不断交互的过程：在上层通过设置换色剪线参数，通过相应的函数i o c t l ( ) ，把相应的换 色剪线参数传递到底层驱动程序，对底层驱动进行控制，从而控制换色电机、扣线电磁 铁、剪线电机以及勾线电机工作；当自动换色、自动剪线结束后，底层驱动程序通过对 信号处理，系统调用k i l lj a r o c 0 函数，把换色回位、剪线回位信号反馈到上层应用程序。 换色剪线控制器软件设计分为自动剪线控制模块软件设计与自动换色控制模块软 件设计，两者实质都是用户态与内核态不断进行信号控制与信号反馈，具体设计过程在 下面的章节介绍。 2 4 本章小结 本章主要对电脑绣花机换色剪线控制器总体方案进行设计。首先，结合电脑绣花机 的工作原理，分析了电控系统的硬件结构，并给出了核心板以及c p l d 器件的选择理由； 然后，介绍了电控系统外围接口控制模块的功能，并根据换色剪线控制器的功能，确定 1