（机械制造及其自动化专业论文）电脑绣花机电控器的设计.pdf

大连理工大学硕士研究生学位论文 摘要 电脑绣花机是当代最先进的绣花机械，但是随着电子、计算机技术的快速发展，用 户对以太网通信、大容量闪存、大屏幕真彩色l c d 显示等技术在新型电脑绣花机中的应 用有了新的需求，而目前国内电脑绣花机电控器平台由于存在技术上的困难或成本上的 障碍而使这些功能难以实现。 本文针对以上问题在详细分析电脑绣花机工作原理的基础上，结合电脑绣花机的功 能需求和当前嵌入式领域的最新技术，设计了一种基于“a t 9 1 r m 9 2 0 0 + l i n u x + m i n i g u i ” 的控制系统平台。 结合a t 9 1 r m 9 2 0 0 的功能特点和电脑绣花机的功能要求，本文详细地设计了基于 a t 9 1 r m 9 2 0 0 微处理器的硬件结构体系，其中主要包括主控制器模块、u s b 数据存贮模块、 以太网通信模块、l c d 显示模块、主轴电机控制模块和绣筐电机控制模块等的设计，还 设计了专用于电脑绣花机的步进电机细分驱动器。在设计中充分考虑了系统简洁和功能 冗余的统一，考虑了起抗干扰作用的电气隔离。 文中结合a t 9 l i m 9 2 0 0 的特点对其启动和引导加载程序进行了详细的分析，进而分 析了l i n u x 操作系统在a t 9 1 r m 9 2 0 0 上的移植和设备驱动程序开发的一般方法，从而大 大提高了整个系统的稳定性并为以后系统的升级提供了方便。 最后本文详细讨论了电脑绣花机花样文件的存贮格式，对主轴电机和绣筐步进电机 的配合运动控制算法进行了详细的分析和设计，两者配合运动的控制是实现平稳刺绣的 关键。 本文详细地介绍了电脑绣花机控制系统的构建原理、硬件架构的各个组成模块及其 嵌入式操作系统的构建过程，设计了主轴电机和绣筐电机的配合运动控制算法。最后， 对系统研究和开发过程中的一些问题进行归纳总结，并展望了电脑绣花机控制器下一步 发展和研究的重点。 关键词：电脑绣花机；a t 9 1 r m 9 2 0 0 ；嵌入式l i n u x ；步进电机 贾智贤：电脑绣花机电控器的设计 t h e d e s i g no ft h ec o m p u t e ra i d e de m b r o i d e r ym a c h i n e sc o n t r o l l e r a b s t r a c t t h ec o m p u t e ra i d e de m b r o i d e r ym a c h i n ei st h em o s ta d v a n c e de m b r o i d e r ym a c h i n e 、a n d w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i ca n dt h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h ec u s t o m e rh a v et h e n e wr e q u e s tf o rt h ef u n c t i o ns u c ha st h ee t h e m e t ，u s b ，b i gl c d d i s p l a ye t c ，b u td u et ot h e d j f f i c u l ti nt h et e c h n o l o g yo rt h eo b s t a c l ei nt h ec o s t i ti sd i f f i c u l tt or e a l i z et h e s ef u n c t i o n so n t h ec o n t r o l l e ro ft h en a t i v ec o m p u t e ra i d e de m b r o i d e r ym a c h i n e n c o m p u t e ra i d e de m b r o i d e r ym a c h i n e sw o r kp r i n c i p l ei sd e t a i l e d l ya n a l y z e di nt h i s p a p e r ，a n dw i t ht h ef u n c t i o nr e q u e s to ft h em a c h i n ea n dt h em o s tn e wt e c h n o l o g yi nt h e e m b e d d e df i e l d t h ec o n t r o l s y s t e m sp l a t f o r m b a s e do nt h e “a t 9 1 r m 9 2 0 0 + l i n u x + m i n i g u i ”i sd e s i g n e d w i t ht h el e a t u r e so ft h ea t 9 1 r m 9 2 0 0a n dt h ef u n c t i o nr e q u e s to fe m b r o i d e r ym a c h i n e t h ec o n t r o ls y s t e m sh a r d w a r em o d u l e ss u c ha st h em a i nc o n t r o l l e r , t h eu s b ，t h ee t h e m e t ，t h e l c d d i s p l a y t h ec o n t r o lo ft h ep r i n c i p a la x i sa n dt h ef r a m em o t o ra r ed e t a i l e d l yd e s i g n e di n t h i sp a p e r ，a n da l s ot h em i c r o s t e ps t e p p e rd r i v e rw h i c hi ss p e c i a l l yu s e df o rt h ee m b r o i d e r y m a c h i n ei sd e s i g n e d 。皿eb a l a n c eb e t w e e nt h es y s t e m sc o n c i s i o na n dt h ef u n c t i o n s r e d u n d a n c yi sw h o l l yt a k e ni n t oa c c o u n t a n dt h ee l e c t r i ci s o l a t i o ni sa l s oc o n s i d e r e d t h eb o o ts t a g ea n dt h eb o o t l o a d e ro ft h e 鹏1 r m 9 2 0 0i sd e t a i l e d l ya n a l y s e di nt h i s p a p e r t h em e t h o dt ot r a n s p l a n tt h el i n u xo p e r a t i o ns y s t e mt ot h ea t 9 1 r m 9 2 0 0a n dt h e m e t h o dt od e v e l o pt h ed e v i c ed r i v e ra r ea l s oa n a l y z e d t h e nt h es y s t e m ss t a b i l i t yi se n h a n c e d a n dt ob eg i v e nt h ea d v a n t a g et ou p g r a d et h es y s t e m t h e s t o r a g ef o r m a to ft h ee m b r o i d e r yd a t af i l ei sd e t a i l e d l yd i s c u s s e di nt h i sp a p e r l a s t a n dt h ec o n t r o la r i t h m e t i co ft h ec o o r d i n a t em o t i o nb e t w e e nt h ep r i n c i p a la x i sm o t o ra n dt h e f r a m em o t o ri ss p e c i a l l yd e s i g n e d t h i sc o n t r o li st h ek e yp a r tt or e a l i z et h em a c h i n e ss m o o t h e m b r o i d e r y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec o n t r o ls y s t e m sp l a t f o r m ，t h eh a r d w a r e sm o d u l e s ，t h em e t h o d t ot r a n s p l a n tt h ee m b e d d e dl i n u xo sa n dt h ea r i t h m e t i co ft h ec o o r d i n a t em o t i o nb e t w e e nt h e p r i n c i p a la x i sm o t o ra n dt h ef r a m em o t o r ，a t1 a s ts o m eq u e s t i o n si nt h ep r o c e s so ft h e s y s t e m sd e v e l o p m e n ta r ec o n c l u d e da n dt h ee m p h a s e so ft h en e x td e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c h o nt h ec o m p u t e ra i d e de m b r o i d e r ym a c h i n ea r ep r o s p e c t e d k e yw o r d s ：c o m p u t e ra i d e de m b r o i d e r ym a c h i n e ：a t 9 1 r m 9 2 0 0 ：e m b e d d e dl i n u x ； s t e pm o t o r 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：逸整! 遗日期：坚堕笪三虽乡司 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 堕鳌豆 丝宝 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1 引言 我国的传统工艺刺绣在世界上拥有广泛的声誉，深受国内外人民的喜爱，近年来刺 绣产品越来越受欢迎、需求越来越大，给国内外绣花、装饰等行业提供了广阔的市场， 最主要用于服装，后来则不断向鞋帽、家居用品及其他领域扩展，手工刺绣已远远不能 适应市场的需求，这为电脑绣花机行业提供了发展机遇。 电脑绣花机是当代最先进的绣花机械，是随着电子、计算机技术、精密机械的发展 和应用而逐渐发展、成熟起来的一种高自动化、高生产效率的光、机、电三者合一的刺 绣设备。电脑绣花机最早于7 0 年代在国外兴起，它能使传统的手工绣花得到高速度、 高效率的实现，并且还能实现手工绣花无法达到的“多层次、多功能、同一性和完美性” 的要求，是种体现多种高新科技的机电产品。目前世界上著名的电脑绣花机品牌有日 本田岛( t a j i 凇) 公司、百灵达( b a r u d a n ) 公司、兄弟( b r o t h e r ) 公司，德国蔡斯克 ( z s k ) 公司、百福( p f a f f ) 公司，韩国的日星( s w f ) 公司等。 我国轻工行业通过消化吸收国外各种先进机型的优点，结合我国刺绣、服装、鞋帽、 针织等的实际需要，在八十年代末研制出国产的电脑绣花机。目前国内生产绣花机的主 要厂家有深圳的富怡、北京的兴大豪、北方天鸟，武汉的美佳、创佳，上海的标准。随 着科学技术的不断发展，国产绣花机的水平也在不断地提高。但是对比国外公司的产品， 国产绣花机虽然产量巨大，但是市场占有率并不高，主要是原因是国产绣花机整机质量 和性能与国外相比仍有一定的差距，主要表现在平均无故障时间，机器寿命，刺绣适应 性，刺绣效果，主轴转速，机器噪音以及操作维修是否方便等方面。而国外的绣花机多 采用3 2 位微处理器并使用嵌入式操作系统进行系统管理，从而实现网络远程控制，无 线操作，加工对象多样化，大容量存贮等新技术，国内使用此类技术却刚刚起步，因此 如果能够采取更先进的控制器和控制算法，结合较高的机械加工精度则不难实现有效延 长平均无故障时间、提高主轴转速、降低机器噪音，使操作维修更方便等目的，随着a r m 微控制器在国内的推广和使用，再加上有效的技术支持使得电脑绣花机整机性能得到提 高并有效降低产品成本成为可能。另外经调查发现，国内目前生产电脑绣花机电控部分 的上市企业只有北京的兴大豪和深圳的富怡两家公司，而电控器却有更大的市场需求， 并且要实现短期提高绣花机产品性能也只能从改进电控器着手。从而决定设计丌发高性 能低价格的绣花机电脑控制器。 贾智贤：电脑绣花机屯控器的设训 1 2 电脑绣花机的发展与研究现状 1 2 1 绣花机的分类 电脑绣花机品种繁多，规格各异，目前尚未制定统一的分类方法，一般说来常用以 下一些分类方法： ( 1 ) 以机头的多少来分，可分为单头与多头机( 1 2 4 头) ，头数越多可刺绣的同一花 样数越多； ( 2 ) 以每一头所含机针的多少来分，可分为单针与多针( 3 1 2 针) ，针数越多颜色数 就越多可绣的花样就越复杂： ( 3 ) 以送料绷架形式可分为板式与筒式； ( 4 ) 以绣花所用线迹形式分为锁式线迹( 3 0 1 线迹) 与链式线迹( 1 0 1 线迹) ； ( 5 ) 以电脑绣花机的主轴驱动方式可分为交流伺服驱动、步进驱动、滑差驱动等； ( 6 ) 国内根据用户需求还可分为带自动剪线和不带自动剪线等。 由于每一机型都有机头多少、机针多少、绷架形式、线迹形式、驱动形式以及剪线 形式等问题，将这些进行组合排列、细化分类，绣花机型式将是一个很大的数字，因而 它能满足不同层次、不同规模、不同要求的客户需要。 1 2 2 电脑绣花机的发展与研究现状 目前绣花机的平绣速度普遍已经达到8 0 0 1 0 0 0 r p m 。日本田岛公司推出的t f g n 型 平绣系列绣花机，最高的平绣速度已经达到1 l o o r p m 2 1 ，运转时的噪音明显下降；毛巾 绣的绣花速度最高可达6 0 0 r p m 。 在电脑控制下，绣花机不仅能够自动进行图案绣花缝纫，还可通过增添一些功能性 装置，使其功能更加完善。如日本田岛公司的绣花机配置了自动检测上下断线的装置， 很好地保证绣品质量；配置自动底线检测装置，当底线的余量不足时，绣花机可自动报 警：配置自动更换底线装置；配置自动剪线装置，在绣花缝纫完成后，绣花机可自动剪 断底面线；配置自动加油装置、自动整匹绣装置等，这些装置扩大了绣花机的自动化程 度，操作方便，绣花质量更好。 绣花机的绣花形式，按线迹可分为平缝绣、链缝绣、毛巾绣；按绣品可分为平绣、 筒绣、成衣绣等，特种绣也越来越多。如同本的用岛、北京的天鸟、青岛的鹰轮、临海 的珠光、杭州的经纬等企业，分别推出了各不相同的绣花机、在一般绣花机上，只要增 加一些装置，就可以进行绳绣、珠片绣、雕孔绣、扇金线绣、卷带绣、卷绣、挖孔绣、 羽状针迹绣、扁形带与粗线立绣、扁形带与糨线反绣等，为了增加绣花式样，日本用岛 人连理工大学硕十研究生学位论文 公司和北京天鸟公司都推出了激光切割装置i3 1 ，可以对绣花材料进行雕刻、表面切割、 完全切割和雕孔切割，使绣花产品具有了新的特色【。 如前所述，绣花机的绷架方式可分为平板绷架式、筒式绷架式和整匹式。平板绷架 式适用于各类整批缝料的绣花缝纫，缝纫幅面大小不一样。大幅的材料采用大绷架，在 一幅材料上可进行多个相同花样的绣花；小幅的材料采用小绷架，在一幅材料上进行一 个花样的绣花缝纫。如t 恤衫的绣花缝纫就是采用一个小绷架，将t 恤衫先安装在小绷 架上，如果是2 0 头的绣花机就有2 0 个小绷架，将t 恤衫分别安装在2 0 个小绷架上， 绣花机就能很顺利地在2 0 个t 恤衫上绣上一个相同的花样。筒式绷架式，适用于帽子、 裤筒等圆筒型成品地绣花缝纫。整匹式机架，适用于相同花样，如花边等连续图案的绣 花缝纫。目前国际上著名的绣花机公司如日本的田岛和百灵达，都推出了各种各样的绷 架，依据用户的需求可以进行多种自由的组合，完成各种对象的刺绣，不仅节省了成本 而且扩大了可刺绣范围。此外，百灵达公司还推出了连续式绷架，可以不停机连续刺绣， 大大提高了生产效率p i 。 绣花机的电脑控制系统，国外大部分产品都采用了实时显示系统，在缝纫过程中， 可以十分清晰地显示个缝纫状态以及机器的故障部位，方便了操作和维修。不少公司还 采用能够提供花样程序自动编辑的电脑系统，为花样程序的自动编辑提供了方便。下面 是日本田岛公司某款电脑绣花机的一些领先技术f 2 】： ( 1 ) 适应高速运转的特长和技能 采用新框架驱动方式：球形螺杆驱动，主要是采用了刺绣业界初次设计的球形螺杆 驱动和a c 伺服马达的新框架驱动方式，经过这一设计实现了每分钟1 1 0 0 转的高速度运 转。 ( 2 ) 田岛的专利技术 挑线杆引导：抽线运作稳定，并能防止绕线和脱线。这对用户来说是非常重要的。 绕线、脱线和断线一直是绣花机质量的一个重要考察和评判标准。 旋转式旋梭：田岛开发制造的旋梭，即使在高速运转的情况下，针步也可以达到平 稳平均的效果。 新式机架：全新的机架设计，有助于高速性能迹提高静音效果。花样数据管理：能 进行各个花样的数据记忆( 如花样名称、针数、换色次数) 。 轻触型遥控器：即使离开操作盘，也能进行移动框架的操作，提高操作效率。 ( 3 ) e 只岛的选购件 自动整匹绣装置( a f c ) ：能提高整匹绣的素质及完美性。 高速绳绣装置( k b 一2 m ) ：配合两种不同装置，可刺绣出多元化效果绳带刺绣。 贾智贤：电脑绣花机电控器的设计 高速珠片装置：刺绣业首次突破以3 m m 的珠片做刺绣。并可以自动镶上多款形状的 珠片，生产稳定，转速可达到1 0 0 0 转。 自动更换底线装( u b c ) ：以机器代替人工更换底线，快捷简单，并能大大减低停机 时间。 自动加油装置：对机头和旋梭部分自动加油，减轻操作员的工作量和提高生产力。 标准操作盘：清晰简洁的l c d 面板，以8 0 0 x 6 0 0 点彩色t f t 荧屏显示屏进行花样的 鲜明显示，并且能将刺绣生产状况生动地进行画面显示。 触摸式荧幕操作：采用1 2 1 英寸的彩色l c d 触摸式荧幕显示屏及配以轻触型遥控 器，令操作更简易。 生产管理机能：可透过荧幕屏查阅重要生产管理情报，包括针数、生产时问、数量 及停机原因等。可运行于l i n u x 系列操作系统上。 近年来，我国刺绣、服装、鞋帽、抽纱、针织等行业快速发展，拉动了电脑刺绣机 制造业的飞速发展。据初步统计，目前国内有电脑刺绣机生产企业众多，但是在机械结 构的用材、加工精度和工艺水平、控制系统上和国外同类机种相比尚有一定的差距，国 际上有实力的大公司凭借其雄厚的技术基础和强大的开发能力、牢牢掌握着各种核心技 术和开发自主权，国内企业由于缺乏技术基础和对缝纫机及服装发展趋势的研究，加上 “价格战”使企业盈利不高，因此与世界先进水平的差距没有实质性的突破。这主要表 现在： ( 1 ) 机械加工：电脑绣花机属于机电结合的高科技产物，机械部分是其完成绣花动作 的基础，其电路部分主要是对机械部分进行控制，从而机器的运行性能很大程度上取决 于机械加工及装配的精度。由于当前国内大部分绣花机生产厂家并不直接生产全部零部 件，而是采取外包的方式，在一些配件厂订购，或者即使进口零件也多是低质产品，这 样就很难对零部件的质量进行很好的控制。此外，还存在人为因素。在装配过程中，由 于电脑绣花机在精度上的严格要求，很难实现装配的自动化，只能由熟练装配师手工操 作。这也就是晚，装配的质量完全取决于装配师的技术水平，在这种情况之下装配的精 度也比较难于控制。这些因素都影响了刺绣机的装配精度和运动效果。 ( 2 ) 控制系统：绣花机的控制系统是完成绣花动作和实现各种功能的灵魂，绣花机的 诸多功能很大程度上都是由电路部分决定。在精密机械部分平稳运行的基础上，国外电 脑绣花机生产厂商不断采用新的控制技术，诸如采用先进的实时操作系统进行系统管 理、u s b 闪存或c f 卡大容量存贮花样数据、以太网信息共享、网络远程控制、无线控制 等技术，而当前囤内有能力开发电控部分的厂家却寥寥无几，其中以北京兴大豪电脑控 制设备有限公司的产品为最，其产品在国内外已处于较为先进的地位，大部分电脑绣花 大连理工大学硕士研究生学位论文 机厂家产品的电控部分均为兴大豪的产品，但从兴大豪的产品线可以看出，其大部分产 品虽然能够满足电脑绣花机完成刺绣工作的基本需求且性能稳定，但是由于其控制平台 的局限性，如果以现有的平台进行系统升级并采用完善成熟的实时操作系统进行移植， 从而赶上国外先进技术水平，则会存在不少困难，因此要提高系统运行速度，实现多任 务实时控制必须采用先进的硬件平台，并采用完善成熟的操作系统进行管理，不但有助 于系统升级，而且为系统的维护提供了方便。 由此可见电脑绣花机的机械结构设计和电控系统的设计是相互依赖，协凋发展的。 目前，国内在江浙一带，电脑绣花机产品己形成规模效应，各项配套设备已经形成标准 生产，其成本几乎已达到最低。生产中需要不断提高刺绣产量和质量，而目前机械方面 短时问内要有较大的改进比较困难，不但要提高成本而且要做到各原配件生产厂商和电 控器生产厂商以及电脑绣花机装配厂商之间的充分沟通，这本身就需要消耗较多的成本 和时间，然而随着电脑技术的不断成熟和电子产品成本的不断降低，如果采用更先进架 构和体系的处理器，加上合适的实时操作系统进行系统管理能大大提高系统的性能，同 时并不显著提高硬件成本，这符合市场对产品高性价比的需求。本项目的研究目的就是 在不显著增加成本的基础上改进电脑绣花机的控制系统，提高系统的整体性能。 1 3 本课题的背景和意义 中国加入w t o 以后，国产纺机面临新的机遇和挑战，电脑绣花机生产厂家直增至 3 0 0 多家，产量也急剧增加，但是由于绣花机的核心技术仍掌握在国外绣花机厂商手中， 国产绣花机的市场占有率明显不高，主要原因在于国产绣花机产品质量和服务质量与国 外相比都有一定的差距，因此，采用新技术开发高质量的绣花机成为国产机占领国内外 市场的必然需求，而绣花机电控器在国内技术门槛相对较高，因此目前上市厂商只有北 京的兴大豪和深圳的富怡两家公司，而电控器有更大的市场需求，经过调查我们还发现 国内急需能够读取u s b 闪盘，能够进行数据共享的网络型电脑绣花机控制器，而国内目 前还没有相关的产品上市，另外国内对于少头数的家用型电脑绣花机需求量也非常大， 原因是随着人们生活水平的提高，许多人开始追求个性化，喜欢d i y 自己的衣饰，而少 头数特别是单头电脑绣花机正好能够满足他们的需求，价格也不会很高，而且单头绣花 机在国外已经非常流行，销量也很好，但是国产单头机似乎功能太简单或者多数厂商根 本不去生产，图1 1 为一种国外单头电脑绣花机。另外随着a r m 这种微处理器在国内的 推广和使用，我们发现其极高的处理能力和集成度非常适合作为我们电脑绣花机的电控 器的主控器，而且l i n u x 这种丌源且近乎免费的操作系统在国内已经发展的非常成熟， 甚至开发商已经在个别a r m 微处理器上做了移植，这些不仅能充分满足我们丌发新型电 贾智贤：电脑绣花机电控器的设计 脑绣花机电控器的功能要求而且能够大大降低开发难度和开发成本，使得我们能够尽快 把满足用户要求的产品推向市场。 由于我们能力和资本有限故决定暂时仅开发电脑绣花机电控器部分，而机械部分基 本已经成型，而且在目前的技术水平和成本控制下其品质很难有大的提高，因此我们决 定与另一家专门生产绣花机机械零件的厂商合作开发。 新型电脑绣花机定位于单头机并且能够采用u s b 闪盘和以太网共享数据，我们拟采 用a r m 微处理器作为主控制器，l i n u x 嵌入式操作系统进行系统管理，并能够发计友好 的人机界面，从而实现大大缩小整机性能与国外的差距，并使成本远低于国外同类机种 的目的。 图1 1 一种外国产电脑绣花机 f i g 1 1af o r e i g nc o m p u t e ra i d e de m b r o i d e r ym a c h i n e 人连理工大学硕士研究生学位论文 2 电脑绣花机电控器的总体方案设计 2 1 电脑绣花机的基本工作原理 2 1 1 电脑绣花机的工作流程 电脑绣花机的工作原理有点近似于数控机床，不过这里是将刺绣的花样先通过打版 师在p c 机上通过打版软件打成花样文件，然后将花样文件存贮于软盘或其他介质，电 脑绣花机工作时，主控制器就会通过读取存贮于某种介质上的花样数据，并通过一定的 规律进行解码来控制各电机进行配合运动，从而绣出各种花样，如图2 1 。其中主轴电 机通过传动轮带动针杆，针杆带着线上下运动，而x ，y 轴步进电机带动绣框在x ，y 轴方 向运动，刺绣品随绣框运动，从而刺绣出图案。刺绣时主轴电机转速在7 0 0 r m i n 左右， 主轴角度在某两个角度之间时，即针离开布料到插入布料之间的时隙，x ，y 轴步进电机 才允许运动。当需要换色时，换色电机转动，通过传动机构带动针杆箱移动，将穿有其 它颜色线的针换上，继续刺绣。当刺绣完毕时，剪线电机带动剪刀将线剪断1 6 】。下面介 绍各部分组成及工作原理。 r 。1 。i 磁碟、纸带卜 匝匦 匠攫受薹j 匦 图2 1 电脑绣花工作流程 f i g 2 1t h ef l o wo ft h ee m b r o i d e r yw o r k 图2 2 电脑绣花机工作流程 f i g 2 2t h ew o r kf l o wo ft h ec o m p u t e ra i d e de m b r o i d e r ym a c h i n e 电脑绣花机的机械方面可以分为机架部分、刺绣部分、换色部分、移框部分、勾、 剪、扣线部分等，其中以刺绣部分和移框部分最为重要，这两部分各自独立又相互协调， 共同完成刺绣过程，整机组成如附录a 图所示。电脑绣花机在工作时，针杆带着针和线 进行上下运动的刺绣动作，绣框则在平面x 、y 方向作往复运动，而被刺绣品的图案是绣 框沿着i 、y 方向运动而得到的，其工作流稃如图2 2 所示。 贾智贤：电脑绣花机电控器的设计 2 1 2 电脑绣花机刺绣部分的工作原理 刺绣部分由主轴电机、变速装置、光电编码器、上传动轴、下传动轴、旋梭、针杆 传动机构、挑线机构等组成，通过针杆和旋梭的相互配合动作完成刺绣过程。刺绣时， 主电机通过齿形同步带将动力传给变速部分，进而分别传给上轴和下轴；上下轴的速 度被同时按比例降低，上轴和下轴之间则通过链轮( 也有的机器是齿形同步带) 进行同 步传动，以确保转速的一致性。下轴通过梭座上的一对锥齿轮以2 ：1 的变比将转速提高 到上轴转速的两倍，带动旋梭以高速进行旋转，同时通过锥齿轮也将旋转方向变换了9 0 。，使之从x 方向旋转改变为y 方向旋转。高强度材料制造的锥齿轮可以保证机器长时间 的连续高速运转，经过降噪工序的合理处理和出厂前的跑合其运转噪音得以大幅下降 ( 经测定，最高转速为7 0 0 r p m 时，正常刺绣运转噪音约在8 2 d b 以下) 。刺绣过程中，旋 梭旋转时，梭尖勾住上线，使上线在梭壳上滑过并与下线形成一个线套，而上轴则通过 偏心凸轮和曲柄连杆机构带动滑块沿针杆轴进行上下滑动，从而带动针秆在一定j 动程 范围内以一定速度进行上下运动完成刺绣动作。上轴在旋转的同时还带动相应的挑线臂 凸轮及扇型齿轮，使得扇型齿轮在一定角度( 大约2 0 。左右) 内完成半转往复运动，带 动挑线杆作上下运动( 由于刺绣的需要，挑线杆的上下运动速度有所不同，向下运动时 速度慢，向上运动时速度快；挑线杆的整个运程约为5 5 m m 6 5 m m ) ，适时收紧和放松绣 线，配合针杆完成整个刺绣工作，使针杆和挑线杆之间始终保持着一定的相位关系m 】， 从而有效地保证了刺绣的顺利完成。这一部分的动作过程可用框图简单表示( 见图2 3 ) 。 针杆和挑线杆之间的动作顺序存在的一定相位关系如图2 4 所示。 a 图2 3 刺绣部分流程 f i g 2 3t h ew o r kf l o wo ft h ee m b r o i d e r yp a r t 幽2 4 针杆与挑线杆的相位关系 f i g 2 4t h ep h a s er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h en e e d l eb a ra n dt h et a k eu pl e v e r 大连理工大学硕士研究生学位论文 213 电脑绣花机移框部分的工作原理 刺绣图形的完成不仅取决于刺绣动作，还依赖于绣框的准确移动。这一部分主要由 步进电机、导轨副、绣框等组成。刺绣时绣框在x ，y 两个方向位移，其运动轨迹受电脑 控制。电脑控制部分依照所要刺绣的图形( 该图形已通过磁盘等输入电脑) 分别向x ，y 方 向步进电机的驱动器发出脉冲控制信号，步进电机按一定的步距运动，再通过齿形同步 带的传动，由导轮带动绣框沿x ，y 方向移动。刺绣过程中不仅绣框频繁地正反向移动， 而且步距要求十分严格，位移允许误差极小( 一般小于0 1 m m ) ，而靠步进电机的良好特 性满足刺绣要求。导轨副则由导轨和导轮组成，在x ，y 方向上各有一副导轨和四个导轮， 在齿型带的拖动下导轮带动绣框沿导轨在x ，y 方向依序往复移动。这样，步进电机和导 轮的准确移动共同确保了绣框的准确位移，进而保证了刺绣图形的精确完美。这一部分 的动作过程可用框图简单表示( 见图2 5 ) 。 图2 5 移筐部分框图 f i g 2 5t h ew o r kf l o wo ft h et a b l ef r a m e 2 14 电脑绣花机其他部分的工作原理 刺绣过程中由于高度自动化的需要，除了以上两个主要机械部分之外，还有其他几 个辅助部分：即换色、勾线、剪线、扣线部分。 ( 1 ) 换色部分：主要包括换色电机和凸轮箱。当刺绣过程中需要自动或手动换色时， 电脑控制换色电机旋转，带动凸轮箱内的凸轮轴旋转，滚轮沿凸轮槽移动到一定位置， 带动换色杆作水平移动，进而带动针杆箱左右移动到相应位置完成换色动作( 换色凸轮 的长短依据针位的多少而定，针位越多，凸轮越长，每个针位为1 5 m m ) 。换色电机的运 动则采用光电检测、传感器定位来控制，以确保定位的准确。利用凸轮轴和滚轮带动换 色杆移动，也是考虑其较高的定位精度。据测定换色时产生的误差一般在0 0 5 m a 0 0 8 r a m 以内，从而能够保证换色的准确率，减小由于换色造成的针位误差，连续换色 可能产生的累积误差也有效地减少判最小程度，既满足了自动换色的要求义最大程度地 保证了刺绣图案的完整及准确。 ( 2 ) 勾线、剪线、扣线部分：主要由扣线电磁铁、扣线连杆、下线保持器、剪线电磁 9 贾智贤：电脑绣花机电控器的设计 铁、剪线凸轮、剪刀、勾线电磁铁、勾刀等组成。勾线、剪线、扣线这三个动作是依序 进行的动作，其动作的可靠程度是确保电脑绣花机能够高速自动刺绣的重要条件。在绣 品刺绣完成或刺绣过程中需要换色时，电脑控制系统自动控制主轴电机减速，当主轴电 机旋转到零位( 即1 0 0 。) 时，剪线凸轮亦旋转到零位，剪线电磁铁吸合，传动销进入凸 轮槽。当主轴电机旋转到2 9 3 。时销轴进入凸轮的曲线沟道，凸轮转动通过链轮带动剪 线连杆，进而带动剪线动刀工作，动刀开始张口，4 。左右时动刀开口达到最大，4 0 。 8 0 。左右即剪线完成，再度回到1 0 0 。时动刀复位，剪线电磁铁亦同时复位；在此期间， 动刀经过一次往复运动，与固定刀片配合将上下线同时剪断。剪线电磁铁动作的同时扣 线电磁铁动作带动连丰下，将下线保持器压在梭芯上，使上线在保持器上缠绕一至两圈， 剪线动作完成后扣线电磁铁即失电复位。而当剪线动刀打开到一定角度时，勾线电磁铁 即吸合，上线钩伸出，在剪线动作完成之后，经过设定时间之后，勾线电磁铁释放，上 线勾在复位过程中将已被剪断的上线拉入上线夹，在此之前剪线和扣线电磁铁已复位， 从而依序完成扣、剪、勾的连贯动作，为自动换色和结束刺绣创造了条件。可以想象， 勾剪扣的连贯动作，是在一个十分短暂的时间内完成的，其完成质量的好坏，将直接影 响到绣品的自动刺绣和质量。其动作过程可用框图简单表示( 见图2 6 ) 。 图2 6 勾、扣、剪线框图 f i g 2 6t h ew o r kf l o wo ft h et h r e a dh o o k ，p r e s sa n dc u t 电脑绣花机有着许多不同的品牌和型号，它们的机头数和各机头的针数各不相同， 结构也不尽一样，但是只要机械传动结构相同，其基本运动规律是大致相同的。 2 2 系统基本控制对象和控制功能模块 根据电脑绣花机的工作原理，我们不难总结出要实现完整的绣花功能，电脑绣花机 电控器需要控制以下对象【9 l ： ( 1 ) i 0 设备输入输出控制； ( 2 ) 主轴电机速度控制； ( 3 ) x ，y 轴步进电机位置控制； ( 4 ) 换色电机运动控制； 大连理1 二大学硕士研究生学位论文 ( 5 ) 剪线电机运动控制( 不带剪线功能的绣花机无此功能) ： ( 6 ) 断线检测，电磁铁通断控制，行程开关控制，限位开关控制。 电脑绣花机控制系统实现的基本控制功能有： ( 1 ) 人机界面包括键盘和显示器，提供基本控制输入和状态输出，实现花样数据( 包 括总针数，颜色数，长度和宽度，当前刺绣针数等) 的实时显示，实现花样数据的在线 编辑( 以一定的角度( 1 5 。) 翻转，镜像，组合，剪切，拷贝，删除等) ； ( 2 ) 软盘和u s b 闪盘或s d 卡读入、输出花样数据，实现内存和外存数据交换( 存贮介 质上文件格式一般为田岛格式二进制： d s b ) ； ( 3 ) 主轴电机为滑差电机、变频电机、交流伺服电机或步进电机，主轴控制要求转速 可调并且能够稳定转速，转速由主控电路给定并且可以修改参数，还能够精确停车，停 车位置为1 0 0 。( 各电脑绣花机生产厂商有所不同) ； ( 4 ) 能够通过移位针杆箱来换色，换色由换色电机控制，换色电机为两i h j 型步进电 机，换色要求精确定位； ( 5 ) 通过控制剪线电磁铁来实现剪线，剪线的同时能够将主轴锁住； ( 6 ) 能够检测断线，并且具有报警功能，通过译码接口电路可以判断出哪个针位出现 断线； ( 7 ) 能够控制机头是否下针，下针由下针电磁铁控制，电磁铁由电磁铁驱动电路来驱 动，驱动电路按照给定的控制信号触发； ( 8 ) 最主要的功能刺绣是由控制x ，y 轴步进电机来完成的，依照软件所给定的位置信 息，经过运算之后分别给x ，y 轴步进电机发出控制脉冲，步进电机在两针之间的时隙内 完成移位( 这需要和主轴电机同步) ，这些功能由主控电路完成，同时主控电路还需要控 制和协调其它控制电路工作； ( 9 ) 通过网络接口实现电脑绣花机之间以及电脑绣花机和上位机之间的网络互联，实 现其间的资源共享，甚至远程网络控制； 0 0 ) 通过行程开关控制丌、停机，原点、限位丌关检测绣筐的实际位置。 通过分析电脑绣花机的控制对象和系统所要实现的基本功能，我们采用模块化设计 方法从而各个模块可以并行设计，以加快设计周期同时避免各部分的过多耦合。可以将 系统划分为以下几个模块：( 整体结构如图2 7 所示) ( 1 ) 花样数据存取模块 该模块主要完成花样数据的转存和读取，要求实现采用u s b 闪盘或s d 大容量存 贮设备，另外考虑到与老型电脑绣花机的兼容性，可以添加个软盘驱动器。 ( 2 ) 人机界面模块 贾智贤：电脑绣花机电控器的设计 该模块主要包括彩色l c d 液晶显示器( 或触摸屏显示器) 和键盘，完成各种刺绣状 态和花样数据的实时显示，并在必要时输入各种控制命令，实现在线的实时人机交互， 从而友好地完成各种绣花作业。 ( 3 ) 网络接口模块 该模块主要完成电脑绣花机之间的资源共享以及和上位机的实时通信从而实现电 脑绣花机的网络远程控制。 ( 4 ) 主轴电机控制模块 主轴电机可以为滑差电机、变频电机、交流伺服电机或步进电机，根据电脑绣花机 发展的趋势，变频电机成为市场的主流，因此主要考虑对变频电机的控制，需要考虑相 应的驱动器及其与主控制器的接口，考虑如何与光电编码器及光电耦合器一起组成闭环 调速回路。 ( 5 ) 换色电机控制模块 换色电机为小型步进电机，换色电机控制器需要光电元件和霍尔感应元件来判断换 色是否成功，换色电机控制电路与主控制电路交换的数据有换色信号和换色完成标志信 号。换色电机由主控电路c p u 控制并与自动剪线模块配合完成自动换色过程。 ( 6 ) 剪线控制模块 剪线控制模块主要完成在刺绣结束或需要换线时自动剪线作业，该模块主要由剪线 电磁铁、钩线电磁铁和扣线电磁铁构成，通过光电元件作为传感器侦测剪刀等的位置或 通过凸轮机构控制时序，完成勾、扣、剪三个协调动作，最终完成整个剪线作业。 ( 7 ) x ，y 绣筐步进电机控制模块 主要控制x ，y 步进电机与主轴配合运动，从而形成绣花针迹。x ，y 步进电机一般选 用五相十步步进电机或三相细分步进电机，其中两相和三相细分步进电机是发展的趋 势，但驱动程序和驱动器设计都较为复杂，本文我们拟采用两相细分步进电机。 ( 8 ) 断线检测和针位译码接口模块 断线检测电路位于针杆箱内，可以通过三态开关控制针头。挑线簧与夹线座铜柱构 成断线传感器，当断线时断线检测电路能够报警并将断线信号传输给针位译码接口电 路，由译码电路判断出哪一个针位出现断线，并向主控板发送一个断线中断信号。 ( 9 ) 主控模块 主控模块负责协调个模块的工作，并处理各种输入输出信息。主轴电机输入针位信 写作为外部中断输入，产生中断之后，由主控制器给x ，y 轴步进电机发出驱动信号。当 需要换色、剪线时，产生内部中断。行程开关、限位开关以及断线检测电路采取中断控 制方式，存取模块、人机接口模块的信息也作为中断输入。 大连理工大学硕士研究生学位论文 图2 7 系统控制功能模块框图 f i g 2 7t h ef u n c t i o nm o d e l so ft h ec o n t r o ls y s t e m 2 3 控制系统的方案设计与选择 2 3 1 控制系统的方案设计 根据目前国内外的电脑绣花机技术发展现状及系统功能需求，有以下几种方案可供 选择来实现电脑绣花机电控器的基本功能。 方案一：采用基于8 0 5 1 单片机为主控制器。1 ，利用8 2 5 5 或8 1 5 5 来扩展接口控制 各个电机和继电器以及键盘和l e d 显示器。这种控制器结构简单，功能单一，价格低廉， 能够实现基本的绣花功能，多用于单头或少头数电脑绣花机上，为国内较早采用的电脑 绣花机控制器设计方案。 方案二：采用基于i n t e l1 9 6 k c1 6 位单片机为主控制器”“1 ，用于控制l c d 液晶显 示器或l e d 显示器、键盘、从软驱读取花样数据并作为主控制器与其他控制器或接口进 行通信，同时采用8 0 5 1 单片机作为下位机控制主轴伺服电机或滑差电机。该系统采用 多控制器分散控制的思想来提高系统的整体处理能力，整体性能有所增强，但多控制器 的通信必然增加系统的成本，而且该系统仍较难实现较好的图形化人机界面和u s b 闪盘 大容量存贮技术以及网络通信技术，系统的模块可重用性和可升级性也较差，但系统的 整体成本较低。 方案i ：采用基于工控机作为主控制器“”1 ，该系统可以采用s t d 总线或p c i 0 4 技 术，其中的s t d 总线系统由于采用标准模板，因此设计方便，可靠性容易保证，但系统 资源费用大，成本高。而p c i 0 4 技术软件可重用模块较多，其中的文件系统、u s b 接口、 贾智贤：电畸绣花机电控器的设计 i ，c d 控制器接口以及网络接口都已具备，因此可以缩短开发周期，降低开发难度，而且 该方案也能满足现代高级电脑绣花的需求，但系统的片上资源和可扩展口较少，需要制 作专用的接口板来控制其他设备，所以该方案的成本较高，产品体积较大。 方案四：采用基于a r m 微处理器的嵌入式主控制器，其中的软件可重用模块较多， 开发板厂商多数提供各模块的驱动和例程，并且已经移植好l i n u x 嵌入式操作系统，有 的甚至移植了m i n i g u l 人机界面，开发工具和开发环境齐全，因此大大降低了开发难度 和开发周期，另外目前的一些a r m 微处理器已经内嵌u s bh o s t 模块或l c d 控制器模块 ( 如a t m e l 的a t 9