（机械制造及其自动化专业论文）电脑横机控制系统的研制.pdf

上海大学硕士研究生学位论文 摘要 电脑横机是一种涉及到计算机、机械、电子、控制等诸多领域，比较复杂的 典型机电一体化产品。本文按照机电一体化产品的设计思想，从电脑横机的工作 原理和控制需求出发，运用现代的设计方法和机电一体化技术，对横机的机械部 分、控制部分以及打版设计系统作了比较系统的探讨。 本文首先介绍了电脑横机的工作原理以及编织过程中的动作控制要求，重点 对电脑横机执行部件中的选针器和导纱器的原理及控制进行了研究分析，应用模 糊控制方法优化了选针器的控制。根据编织的需要，提出了电脑横机控制器的控 制要求。本文在电脑横机控制器的设计过程中，引入递阶控制的思想，完成了控 制器中上位机和下位机的设计，使结构简化，层次清晰，便于实现模块化。 电脑横机的控制数据相当复杂，包括花型、针法，以及大量的辅助控制数据。 为解决编织工艺人员即“意匠”与机床控制之间专业分工的矛盾。本文研制开发 了电脑横机打版软件系统。意匠可以将所有的控制信息通过打版系统传递给电脑 横机，控制生产过程。软件中还可以通过扫描图案的图象处理，解决花型输入中 数据量大的瓶颈问题，大大简化了工艺的设计，提高了设计效率和准确性。 本文自始至终遵循机电一体化设备的研究开发方法，刻意避免过去仿造的弯 路，完成自主设计，对实现该类型电脑横机的国产化有实用价值，并为机电一体化 产品创新设计提供了一个实用案例。 关键词：电脑横机模糊控制递阶控制图象处理 上海大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t c o m p u t e r i z e df i a tk n i t t i n gm a c h i n e ( c f k m ) i s ak i n do fp r o d u c tt h a ti tc o m e s d o w nt ot h ec o m p u t e r ，m e c h a n i c s ，e l e c t r o n i c s ，c o n t r o lf i e l d se t c ，a n di ti sat y p i c a lk i n d o f p e r p l e x i n gm e c h a t r o n i c sp r o d u c t i nt h i sp a p e r , w ea p p l yt h e m o d e m d e s i g nm e t h o d a n dm e c h a t r o n i c st e c h n o l o g yt os t u d yt h ep a r to fm a c h i n e ，c o n t r o la n dd e s i g ns y s t e m a c c o r d i n g t om e c h a t r o n i c sp r o d u c td e s i g nm e t h o da n db a s e do nt h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t a n dt h ew o r kt h e o r yo fc f k m f i r s t l y ，t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ew o r kt h e o r yo fc f k m a n dt h er e q u i r e m e n to f a g c y c o n t r o l e s p e c i a l l y f o r a n a l y s i s o fe l e c t r o n i cs e l e c t i o na n dt h r e a d g u i d i n g i n e x e c u t i n gc o m p o n e n t s a c c o r d i n g t ot h ed e m a n d o f w a v i n g ，w ep u tf o r w a r d t h ec o n t r o l r e q u i r e m e n t o fc f k mc o n t r o l l e r t h e p a p e ra c c o m p l i s h e sd e s i g n o fc o n t r o l l e r i n c l u d i n gu p p e r l e v e lc o m p u t e ra n dl o w e rl e v e lc o m p u t e r ，w h i c ha d o p tt h eh i e r a r c h i c a l c o n t r o l t h e o r y i nt h e p r o c e s s i n g o fd e s i g n t h ec o n t r o ls t r u c t u r eb e c o m e sm o r e s i m p l i f i e da n d t h ec o n s e c u t i o nb e c o m e sm o r e l e g i b l e t h ec o n t r o ld a t ao fc f k mi sv e r yc o m p l i c a t e d i tc o n t a i n st h ep a t t e md a t a ，k n i t d a t aa n dp l e n t yo fa i d e dc o n t r o ld a t ae t c i no r d e rt os o l v et h ea n t i n o m yb e t w e e nt h e s p e c i a l td i f f e r e n c eo f k n i tt e c h n o l o g i s t ，w h oi sc a l l e d “w i s h c r a f t s m a n ”，a n dc f k m c o n t r o l ，t h ep a p e rh a sd e v e l o p e dac f k md e s i g ns y s t e m ，b yw h i c ht h ew i s h c r a f t s m a n c a np u ta l lo ft h ec o n t r o li n f o r m a t i o ni n t oc f k m i nt h es o f t w a r e ，t h ei m a g eg o tf r o m t h es c a n n e rc a nb ep r o c e s s e dt of i tt h ep a t t e r nr e q u e s to ft h em a c h i n e c o n s e q u e n t l y ， t h eb o t t l e n e c kp r o b l e mi np a t t e mi n p u t t i n gh a sb e e ns o l v e db yt h es o f t w a r es i m p l i f i e s t h et e c h n i c a lc o u r s eg r e a t l ya n d i m p r o v e s t h ew o r k i n g e f f i c i e n c ya n dc e r a c i t y t h i sp a p e rf o l l o w st h er e s e a r c hm e t h o do f m e c h a t r o n i c sp r o d u c tf r o m b e g i n n i n g t o e n d w ei n t e n t i o n l ya v o i dt h ec o p yo ft h es a m e p r e v i o u s l yd i s a s t r o u sr o a df o rt h es a k e o f b r i n g i n gf o r t hn e wi d e a so f i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n t h i st y p eo fc f k mi nt h ep a p e r b e c o m e sh o m e m a d e b yi n d e p e n d e n c ed e s i g n t h i sp a p e ri si n n o v a t i o n a li nt h ef i e l do f m e c h a t r o n i c s p r o d u c td e s i g n a n dh a sp r o v i d e da u t i l i t yd e s i g nf o r i t k e y w o r d s ：c o m p u t e r i z e d f l a tk n i t t i n gm a c h i n e f u z z y c o n t r o l h i e r a r c h i c a lc o n t r o l i m a g ep r o c e s s i n g 上海大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 随着国民经济的飞速发展和改革开放的逐步深入，人们的生活水平正在逐步 提高，从食品，到交通，从通讯，到衣着，处处体现着人们不断增长的物质需求 和文化需要。伴随着w t o 的加入，市场对新颖的针织产品的需求量越来越大。自 从四百多年前( 1 5 8 9 ) 年r e v w l e e 发明了针织横机以来，人们在长期的生产实 践中不断探索，改进了横机及其相关设备。使其能更方便、灵巧地编织成针织物。 当今应用最广泛的当属t o w n s e n d 和m o u l d e n 发明的“舌针”，这种可自开自闭的 织针改变了针织业的面貌，开辟了现代针织的新时代，同时也大力推进了一批能 够充分发挥科技潜能的横机制造业“。其中如世界著名的德国s t o l l 公司、日本 的岛精公司，他们推出的各种新式横机把横机制造业一次又一次地推向进步。电 脑横机容纳了机械、电子、控制理论等诸多方面的科学技术，已经成为一种典型 的机电一体化产品。 近几年来，在一些机械产品展览会上，电脑横机不断以崭新的面貌出现，其 创意革新和技术细节的改变，和其它机械相比，都是尤其突出的。特别是伴随着 计算机技术的迅猛发展，横机的电子计算机化已成为一种潮流。然而，在电脑横 机的市场上，完全由我国自己研制生产的设备尚属空白。积极促进电脑横机的国 产化，使我国的横机制造业尽快赶上发达国家水平，具有积极和重大意义。 1 1 课题来源和要求 1 1 1 课题来源 本课题系上海大学机电工程及自动化学院与江苏常熟颜巷机械责任有限公司 合作研制开发国产大型电脑横机，由常熟颜巷机械有限公司负责机械部分的制造， 上海大学方负责控制系统的研制。 常熟颜巷机械公司是一家有近四十年历史的机械生产厂家，该厂生产设备精 良拥有自动和数控机床、加工中心等设备，技术力量雄厚。产品主要有m a p 0 9 4 5 部标产品7 9 一l 型虞山牌针织横机系列，包括电脑横机、电动织带机、门襟机、嵌 花机和手动横机等，产品被评为部标合格产品和江苏省名牌产品。是省“重合同、 守信用”企业。 本次研制开发的电脑横机在取得成功后，预计年销量为约上千台，有着广阔 的市场前景和丰厚的经济效益，对促进我国的电脑横机制造业水平迅速向发达国 家接近有着积极的意义。同时，对电脑横机这样复杂的机电一体化产品，自主技 术开发的成功，将为机电一体化产品的开发提供一个实用案例。 1 1 2 本论文研究方法及研究内容 如前所述，电脑横机是一种非常复杂的典型机电一体化产品，其设计和制造 一定要遵循机电一体化产品的设计和研制造程序规律。机电一体化研究如何把机 上海大学硕士研究生学位论文 械、电子、计算机信息处理系统有机地组合成现代机械系统，实现高性能、高效 率、节能省料的目标。机电一体化绝对不是机械电子装置的简单组合。为了实现 电脑横机机械、电子和自动控制技术的有机结合和融合，需要探求电脑横机的工 作原理、运动规律，并深入掌握机电一体化的理论和方法。 首先是电脑横机系统的总体构思方法。为了从系统原理组成、机电、计算机 软硬件的配置等方面充分有效地发挥各自特长，合理确定方案，构思方法一方面 依赖于设计者的经验和前人的基础，另一方面也需要现代设计方法的理论指导。 其次，电脑横机系统是一个含有多参量而且具有多输入输出特点的复杂系统，因 此控制论和信息论成为系统构成的理论基础。机电一体化强调机电结合中运用共 性技术成果进行集成，只有充分、深入地掌握这些共性技术成果和基础理论，才 能设计并开发出机电深度结合、真正一体化的产品和系统。 在过去，我国的电脑横机研制和其它机电一体化纺织机械产品的研制一样， 均采用先引进国外先进的机器设备，然后参照样机进行测绘和理论反推的设计方 法。这种仿造方法具有很大的缺陷： l 、作为仿造，注定永远要等别人的机器设备出现甚至成熟以后，已经成为产 品，才能给仿造者以机会，当我们开始仿造时，原厂家已经在进行新的产品开发， 使我们的机械制造业永远处于落后、被动的地位，无法缩短和发达国家的差距， 更无法谈及超越。 2 、国际知识产权保护日益深入人心，全世界都在进行知识产权的保护，尊重 知识，尊重别人的科技成果已经成为一种不可遏止的时代潮流。新的国际形势已 经不允许再进行低级的仿造和知识剽窃，盗用别人的先进技术被普遍视为盗窃行 为。 3 、随着我国w t o 的正式加入，我国的机械制造业也必定面临着重大的冲击。 在激烈的国际竞争过程中，要使我国的机械制造业能立于不败之地，从根本上要 改变我们的落后面貌，就必须要找到提高机械制造业科技水平的发展之路。创新， 是一个民族发展的灵魂。 本课题在立意之初，就刻意避免过去仿造的弯路，力争走出一条新的制造业 发展之路，为提高我国的机械制造业水平贡献一些力量。本课题中，我们采用的 主导指导思想是：从产品的机械动作需要和技术要求出发，运用机电一体化产品 的设计思想，由功能到机械实现，由系统集成到建模仿真，尽量走出仿造的设计 桎梏，自主思考，全新创意，自行设计，使机电一体化设计方法真正发挥功效。 本课题总体设计流程图如图卜l 所示。 上海大学硕士研究生学位论文 图l 一1 机电一体化产品设计流程图 本课题在开展过程中，首先深入了解了电脑横机的工作原理。从编织的工艺 要求出发，分析横机的机械动作及实现途径，由机械动作需求而设计控制系统。 一般地来说，对于产品生产，熟悉编织工艺的技术人员，对控制原理和控制过程 较缺乏研究，而研究机械和控制过程的技术人员，则往往会缺乏编织工艺的专门 技能，这是一对经常会遇到的矛盾。本课题在进行研究的同时，也是在寻找能顺 利地解决这对矛盾的有效途径。 1 2 电脑横机概述 要完成机电一体化的系统设计，首先要从设备的系统原理组成、机电、计算 机软硬件的配置等方面充分有效地发挥各自特长，根据其工作原理和动作要求， 合理确定方案，运用现代设计方法的理论指导和设计者的经验，在机电结合中运 用共性技术成果进行集成，设计并开发出机电深度结合、真正一体化的产品和系 统。电脑横机作为一种机电一体化产品，它的研制开发同样也要遵循这个设计思 路。 上海大学硕士研究生学位论文 1 2 1 电脑横机的编织过程 电脑横机的编织是一个极其复杂的过程。横机的最早雏形实际上是很久以前 就已出现的手工编织。编织者用手和竹针的灵巧配会，可以编织出各种各样的花 纹和图案，针法千变万化，织物形状无穷无尽。随着科技的发展，越来越多的手 工操作需由机器来代劳。于是出现了手动横机。手动横机可以胜任比较简单的编 织，对于复杂的编织，需要人工在编织过程中逐针逐线进行大量的设置、调整， 于是要么生产效率极低，要么很难实现。电脑的出现，改变了整个人类社会生产 的根本面貌，电脑技术的飞速发展，已经使人工所能实现的所有编织技术在理论 上都可以由机器完成。 电脑横机的一个特点在于能够编织出各种时新而又独特，且花纹范围不受限 制的针织产品。这些产品不论其组织结构如何变化，大体上都是由一些基本的针 织物组织单元，如线圈( 包括倾斜线圈和转移线圈) 、浮线、悬浮等根据一定花纹 要求复合而成的。电脑横机采用的是舌针，它的编织方法和成圈过程是通过机头 的移动，使三角斜面作用于舌针的针踵上，迫使舌针在针床的针槽内作有规律的 上升和下降运动，并根据选针与不同的走针轨迹，完成不同针织物组织结构单元 的编织。 2 4 l 一线圈；2 一浮线：3 一悬线：4 一移圈 图卜2 编织工艺过程示意图 3 编织的工艺过程有很多种类，如图卜2 。线圈的编织过程分为退圈、垫纱、闭 口、套圈、脱圈、弯纱、成圈与牵拉几个阶段。如图1 3 所示，机头从右向左移 动，舌针c 先在起针三角a 和挺针三角b 的作用下上升到退圈最高点，如图中针6 ， 此时旧线圈f 从针钩移到针杆上，随后舌针在压针三角的作用下开始下降，并通 过导纱器d 垫上新纱线e ，针在下降过程中，处于针杆上的1 日线圈移至针舌，开始 将针口封闭。见图中针9 。舌针闭口后，继续沿压针三角下降，旧线圈移至针舌进 行套圈，见针l o 、1 1 ，然后进行脱圈，使旧线圈从针头脱下，见针1 2 ，在脱圈的 同时，新纱线被针钩弯曲，直至形成一只新的线圈g ，见针1 4 。以后，在牵拉机 构的作用下，将新形成的线圈拉向针背，以避免下一成圈过程中针上升时旧线圈 重新套于针钩之上“。 上海大学硕士研究生学位论文 图卜3 线圈的编织过程 电脑横机的任务就是通过横机织针的编织过程，根据设计人员的意图，将不 同图案、不同花色、不同编织方法的设计，通过电脑的自动控制，自动将其翻译 成机器能识别的数据，然后，由执行控制部分发出动作指令，指挥、协调各零部 件的动作，自动编织出针织产品。其中大部分的工作，是由机器内部控制部分智 能执行。 在上述退圈、垫纱、闭口、套圈、脱圈、弯纱、成圈与牵拉的过程中，除了 机头和针的动作外，还有选针器、压针三角、密度控制装置、针床横移机构、沉 降片、纱嘴、卷取牵拉等的辅助动作，同时要辅助以状态监测、故障处理。动作 种类多，机构复杂，结构紧凑，控制精度要求高，同时，响应速度要快机头 移过每针( 相当于完成一个线圈编织) 时间在快速时仅为l m s 左右，是电脑横机 突出的特点。 1 2 2 电脑横机的发展现状 自7 0 年代以来，电脑横机只经过短短2 0 年时间，就得到了迅速发展。其主 要机构，从最初的纯机械发展到现在的以电气控制为主，加上机械机构巧妙设计 的组合，优化了产品的设计，使整机机构紧凑、功能齐全、控制精度高、动作可 靠性强，大大适应了现代针织工业的发展。今天，各电脑横机厂家在电脑横机生 产上不断创造和革新，导致了针织机械工艺的新发展。 一、机床参数”1 ”“”。 目前新型电脑横机的针床数、针床宽度、系统数、机号如下： 针床数2 或4 针床宽度宽幅2 3 0 2 i 0c m 窄幅1 1 0 1 3 0c l n 系统数单机头i 6 双机头2 l 2 4 机号4 1 8 针2 5 4m m 总体看来，针床宽度没有明显的变化趋势。系统数( 即可以同时参与编织的 针数) 有所增加，最高到8 系统。机号有向1 2 针2 5 。4 哪以上发展的趋势，岛精 上海大学硕士研究生学位论文 公司甚至提高到1 8 针2 5 4m m ，从而进入到柯登机的传统领域，使其产品不仅适 合春秋、冬季，而且也可用于生产夏季服装。 二、成形编织 横机的特色之一是成形编织。新型的电脑横机已发展成为全成形编织和整体 编织。新的全成形技术是在生产衣片的同时，编织衣片上的领边、门襟、口袋、 袋盖、扣眼及流行装饰附件。这样不仅缩短了工艺，还降低了成本，据估计全成 形编织可节省原料达1 5 2 5 ( 视款式而定) 。进一步发展的整体编织技术将毛 衫的前片、后片、袖子、领子一起织出，只需简单的缝合即可成衣，这样生产的 服装外观线条流杨，有极好的美学效应，是生产高级羊毛时装的必备条件。 三、嵌花编织 嵌花即无虚线提花，它与传统的提花工艺相比，花纹清晰、无浮线，且织物 弹性好。编织嵌花织物时，由于两种不同花色的相连接部分必须经成圈或集圈绞 接才能无孔隙吻合，故一般采用专门的嵌花导纱器。其设计原理是纱嘴部分随机 头的运行停止后，会自动向相反方向摆动一定角度，让出空间以进行连接编织。 一些新型横机编织嵌花时，可不用特殊导纱器，且可以在编织过程中随意变换编 织方式。 1 2 3 电脑横机的发展趋势 舌针的发明，给横机的发展带来了第一次革命，它可以使针织由原来枯燥而 效率低下的手工编织转化为可由机械替代的劳动。电脑的出现，为横机的发展带 来了第二次生机。电脑一定程度的智能，又一次减轻了针织工作者的脑力劳动， 人们甚至可以一劳永逸地让电脑横机按照设计者的意图，自动发出各种指令，指 挥执行元件完成预先设计好的动作，完美地完成设计人员布置的任务。 信息时代的到来，必将为电脑横机的发展提供另一片大展身手的天地。人们 已经肯定地得出结论，2 l 世纪，是信息化的社会，信息将成为未来人们生活、工 作中的重要或者主要部分。那么，作为典型机电一体化产品的电脑横机，在信息 社会里的表现，必将会有更大的进步。 一、从操作流程上看 针织产品的生产将更加简单。在臣前全世界绝大多数的横机上，针织产品的 设计还是一项相当复杂的工作。意匠在横杌的打版系统软件上勾画出产品的图案、 针法、颜色，还要对每行的工艺做很详尽的描述，编织一件羊毛衫的工作中，设 计羊毛衫的时间要远远大于机器编织一件羊毛衫的时间，尽管设计羊毛衫可以相 对的“一劳永逸”，但随着社会的发展，人力的价格将会越来越高，而人们对新产 品的需求将会越来越大。越来越快，要解决这对矛盾，必须将一部分的设计工作 交给电脑承担。我们可以通过美术的手法预先设计好产品的视觉效果图，通过扫 描仪等外部设备输入电脑，由电脑自动进行识别图案、针法、颜色等信息，生成 机床可以识别的信号，自动符合设计者的产品编织出来。现在国外许多厂家已在 尝试。 二、从产品结构上看 过去的羊毛衫生产，是将不同的部位和同一部位但针法不同的部分分别编制， 然后用手工进行裁剪，比如羊毛衫的前后片要分开编织，衣领要单独编织，肩窝、 头窝则要等到整片编织完成后再剪掉多余部分，费时费力，造成原料的很大浪费。 随着全成形编织和整体编织技术的成熟，现在的横机基本可以做到废除裁剪、缝 上海大学硕士研究生学位论文 合工序。随着科技的发展，一次成型的电脑横机必将得到发展和普及。 1 3 本论文研究意义 此次项目的开发与合作，有着积极的意义。首先，此次研制的是具有世界先 进水平的电脑横机，它包括很多新技术，如：机头行程可变技术、双选针器三功 位选针、步进电机控制压脚技术等。其次，此次电脑横机的研制从机械到电器、 到控制器的绝大多数部件均采用国产产品，以便于今后大规模的生产，从而提高 性价比。比如，同等规模的产品中，德国s t o l l 公司和环球公司的产品价格约为 4 0 多万元人民币，台湾合益的价格约为2 0 余元，而我们此次研制的产品，成功后 批量生产投放市场售价仅为l o 多万人民币。其三，项目的研制不仅可以弥补国内 空白，给我们带来很好的经济效益和社会效益，同时也可以缩小我国同世界先进 国家水平的差距，提高我国的电脑横机制造水平，为我们在世界范围内参与社会 竞争，更好的迎接加入“w t o ”后的贸易挑战，迅速和国际大市场接轨创造条件。 本课题自始至终贯穿机电一体化的设计思想，完成了电脑横机控制部分的大 部分设计任务，其中采用了一些比较有创新思路的探讨。本文主要内容分六章叙 述，对电脑横机的控制系统进行了较详细的描述，每章大体内容如下： 第一章，简单阐述了电脑横机的工作原理和编织过程，并简要介绍了当前国 外和国内电脑横机的技术现状和发展趋势，提出了课题研究的目的与思路。 第二章，电脑横机机械部分控制设计。重点介绍了选针器的控制和研究，也 是本文研究的一个重点问题，同时也对导纱器做了一定程度的研究。 第三章，介绍了电脑横机系统总体设计及布局分析，对系统各部分机械构成 和控制任务作了阐述。 第四章，介绍了电脑横机系统控制部分的硬件设计。本章引进了递阶控制的 思想，改进了系统的控制思路，以使整个控制系统能达到最佳效果。 第五章，介绍系统打版系统的设计。本章是本文重点解决的另一问题，从软 件功能、主要算法，特别是对扫描图象自动生成花型数据文件方面进行了比较详 尽的研究。 第六章，结论与展望。 本课题的研究，以电脑横机控制部分的研制作为一次机电一体化产品的开发， 是机电一体化产品设计的一次应用创新，并为其提供了一个实用案例。 上海大学硕士研究生学位论文 第二章电脑横机机械部分分析设计 所有的控制和准备工作最终都是为执行部件服务的。在电脑横机近3 0 年的发 展过程中，横机的机械执行部分已经发生了革命性的变化，凝聚了无数机械工程 师的智慧和心血。电脑横机的机械机构是极具灵性和创意的零件组合，它们结构 十分紧凑，而且效率高，可靠性好，响应速度快，可以连续工作。在众多执行元 件中，扮演最重要角色的部件应属选针器。我们通过对针织工艺的分析，结合当 前电脑横机机械部分成熟的技术，以选针器为重点，研究了选针器和导纱器的控 制方法。本章将重点探讨选针器的工作原理和控制方法。 2 1 选针器的设计 电脑横机选针机构的控制是计算机技术同机械技术的完美结合，它可以快速、 准确地选择横机的每一枚针，因而具有许多优点，如花型范围不受限制，更换花 型迅速、方便，并可大大提高编织速度及生产效率。在选针系统中，选针器是用 来实施选针控制的元件，它的性能如何将直接影响选针控制的准确性和可靠性。 本课题选用德国雅迪( p a r t i n g ) 公司的选针器为样本，结合实际情况，进行选型分 析和控制方法研究。 2 1 1 电子选针器的分类及工作原理 目前在市场上常见的电子选针器，从动作原理上分，有电磁式和压电式的。“。 压电式选针器是利用压电陶瓷材料作为转换元件，利用控制器发送的脉冲信号， 作用于压电元件上，靠压电材料的逆压电效应，使压电元件弯曲到预先记亿的形 状来进行选针即靠压电元件1 将突指2 弯曲从而对选针片3 进行选择。其原 理如图2 一l 所示： 图2 1 压电选针器原理示意图 当脉冲没作用于突指的压电元件上时，突指作用于选针片片齿，使该选针片 自动压入针槽内，其片踵不受起针三角4 作用( 图2 - 1a ) ；当有脉冲作用于突指 的压电元件上，突指弯曲作用不到选针片片齿，该选针片从而可沿起针三角上升， 推动其上方的织针进行编织( 图2 1b ) 。 上海大学硕士研究生学位论文 另一种电磁式选针器则是利用对电磁螺旋管通入不同方向电流，使电磁螺旋 管头端的极性相应变化，或与永久性磁铁配合使用，靠电磁铁与永久性磁铁间的 吸力和斥力来实现选针头摆动，即用压针法实现选针；或者直接通过电磁铁的极 性变化来控制选针器选针，使织针分走不同的轨道，即用抄针法完成选针。其原 理图如图2 2 所示。 sn 口 图2 2电磁式选针器原理示意图 该选针器是一种具有双稳态结构的选针器，它是利用对电磁螺管通入不同方 向电流，使电磁螺管头端的极性相应变化，进而靠电磁铁的吸力和斥力来实现控 制选针器的选针头摆动的。当电磁螺管1 中通入某方向电流时，产生的极性磁场 与永久磁铁2 产生的磁场相互作用，同性相斥，异性相吸，推拉结合，使选针器 的选针头3 绕轴4 摆动，从而达到选针控制的目的。选针器的选针头始终处于受 控状态，因而无论在何种控制的电源故障下，选针头都不会处在一个不确定的中 间位置，即不会出现编织错误和碰针现象。当选针头摆动到位后，只需对螺旋管 通以微小电流，就可以起到使永久磁铁保持在原位的作用，可以防止因意外震动 等引起的抖动，从而提高了选针可靠性：而且这种小电流发热量很小，可以维持 多针而不损坏电磁铁，这样对于几针选针信号相同的情况，选针器可以不改变动 作；还可以抑制选针头刚摆动到位时产生的弹性回跳和抖动，缩短响应时间。 两种选针器相比较，压电式选针器的特点是：响应速度快、发热少，但在元 件的受力和防冲击、震动方面比较逊色，容易发生压电元件失去记忆情况。一般 因为在圆机上使用压电式选针器可以保证迅速响应：同时圆机上针数较多，而采 用压电式选针器耗电少、发热少；又因为其体积小，所以可以适应多路要求。而 在横机上采用电磁式选针器较为有利，因为横机的机针较粗，编织时纱线张力较 大，从而选针器元件受力较大，采用电磁式选针器可承受较大的力，且防震动性 也较好，使用寿命长：同时横机速度相对圆机而言慢一些，因此采用电磁选针器 是可行的。同时，横机的控制动作比圆机复杂，控制的各部分要求精确配合，因 此采用电磁选针器可取其动作可靠之优势。所以，在电脑横机上，选针机构一般 采用的是电磁式选针装置。 2 1 2 选针器的机构分析 本课题选针器经过比较，选用德国雅迪( h a r l 、i n g ) 公司生产的组合选针器为 样机。现以本课题的十档式选针器为例分析其机构原理。如图2 3 剖视图所示， 十档电磁铁分三横列布置。图中只剖切其当中一横列中的四档。 选针器选针刀片上端头部装有一永久磁铁，如图2 3 ( a ) ，当电磁铁线圈a 端接2 4 v 直流“+ ”极，b 端接“一”极时，电磁铁产生的磁场作用于选针刀片头部 上海大学硕士研究生学位论文 永久磁铁，使刀片绕转轴顺时针转动，其头部吸附在选针器座墙筋5 的右墙上， 选针刀片此时让开针床上对应选针片片踵，使织针处在工作状态。反之，如图2 - 3 ( c ) 所示，a 、b 端极性对调，使电磁铁产生的磁场作用于选针刀片，使其绕转轴 逆时针转动，头部吸附在选针器座墙筋的左墙上，处于此位置的选针刀片压下针 床上对应选针片片踵，使织针处在不工作的状态。 a 1b la 2b 2a 3b 3a 4b 4 ab c 卜电磁线圈接线头；2 - 线圈塑料骨架；3 - 线圈绕组：4 一电磁铁芯轴 5 一选针器座筋墙；6 一带永久磁铁的选针刀片；7 一选针刀片转轴； 8 一不选针状态刀片：9 一选针状态刀片 图2 - 3 电磁选针器结构 图2 - 4 织针针床截面 如图2 - 4 ，图中选针器有六只选针刀片压下了选针片的片踵，如果选针器一直 保持此状态运行，将有两根针( 没压下的两跟) 参与编织工作。 2 1 3 选针器的选型计算 电磁式选针器有单级选针和多级选针两种方式“。目前国内使用较多的是多 级选针。采用多级选针，可把编织最高速度提高到电磁铁响应速度的若干倍，从 上海大学硕士研究生学位论文 而增加选针器作用时间，降低了选针器的工作频率，使选针器选针更加可靠。在 选针器的选型设计中我们首先确定选针器档数。由于选针器的选针头摆动频率有 一上限，所以机速越快，机号越高，需要的档数就越多。我们根据设计的机号、 最高机速和保证可靠选针等来确定选针器的档数。 机号：g = 1 2 针英寸 机头最高速度：v = 8 0m m i n 针距： 移过每针时间： 得：针头动作频率： 取安全系数： = 1 3 3 3m m m s t = 2 5 4 1 2 = 2 1 1 7 ( m m 针) t = t v = 2 11 7 1 3 3 3 = 1 5 8 8 ( m s ) f = 1 0 0 0 t = 6 2 9 7 2 ( h z ) s = 1 5 选针器设计动作频率： f = 1 5 f = 9 4 4 ，5 9 选针周期t o 等于选针头摆动到位时间t 加完成选针头保持选针状态时间t 2 ： t o = t i + t2 t i = 4 5i l l s ( 已知) t z = 1 5 8 8 3 = 4 7 6 4 ( m s ) ( 由2 3 章节得) 得：t o = 4 5 + 4 7 6 4 = 9 2 6 4 ( m s ) 选针器选针频率：f 0 = l o o o t q = 1 0 7 9 4 5 ( h z ) 则选针级数( 选针器选针头数) ：n 。= f f o = 8 7 5选择为十片标准产品。 德国雅迪( h a r t i n g ) 公司的电磁选针器十段选针头的主要参数为： 额定电压：2 4v 线圈电阻：4 3 8 q 选针头距：5m m 动作时间：4 5m s ( 从信号输入到选针头达到新位置并 克服回弹重新静止为止) 选针头摆动动程：2 2m i l l 外形尺寸：2 4 4 7 1 0 5 以上指标亦即为自制选针器的技术要求。 2 2 选针器的模糊控制方法 2 2 1 模糊控制概论 模糊控制是一种对系统控制的宏观方法，其核心是用语言描述控制规则，它 的最大特征是将专家的控制经验、知识表示成语言控制规则，然后用这些规则去 控制系统。模糊控制特别适用于模拟专家对数学模型未知的、复杂的、非线性系 统的控制中”1 。 在现代工业中，有许多系统，特别是那些复杂的非线形系统、多因素的时变 系统，由于其过程模型无法建立，或控制目标无法确定，或参数无法测量，要用 传统方法来实现控制是很难的，这就要求我们采用一种不依赖于被控系统控制模 上海大学硕士研究生学位论文 型，而仅依赖于其物理特性的控制系统，这就是模糊控制系统”。 模糊控制系统和常见的负反馈闭环控制系统相似，唯一不同之处是控制装置 由模糊控制器来实现，如图2 - 5 、2 - 6 所示。 ，工摩-里 聃) 1 且 。= 甲- 控制器( 传 递函数或微控制对象 分方程) 图2 - 5 负反馈闭环控制系统 模糊控制器控制对象 图2 - 6 模期控制系统 在该系统中，目标值和输出值之间的偏差是控制器的输入，控制器通过偏差 控制被控对象的输出值，使其稳定在目标值。 模糊控制的基础是模糊集合理论和模糊逻辑，模糊控制器( f c f u z z yc o n t r 0 1 ) 就是用模糊逻辑模仿人的逻辑思维，对无法建立模型的系统实现控制的设备。其 基本结构如图2 7 所示。 输入输入模糊 输出输出 量的 + 量的 逻辑一 量的 + 量的 规范模糊推理 非模规范 化化 糊化化 ? 语言 控制 规则 图2 7 模糊控制器 上海大学硕士研究生学位论文 2 2 2 选针器模糊控制原理 在针织横机的控制中，选针是其中最基本、最主要的部分。选针动作的正确 与否直接影响到织物的质量和机器的安全性等问题。如果选针不正确，那么其他 一切控制( 如导纱控制、三角控制等) 均失去了意义”。 关于选针器的工作原理，在2 1 - l 中已经做了介绍。要保证准确地选针，要 考虑两方面的内容：一是根据机头运动的状态计算出恰当的提前针数；另一方面 要考虑对这一输出信号保持适当的针数。 本课题控制器的主马达采用伺服电机，绝大部分时间机头运行匀速，因此， 控制器可只根据机头运行速度来选定提前针数。 机头速度与提前针数的对应关系如图2 8 所示； 图2 8 该经验数据表只简单考虑了当前机头速度对提前针数的影响。由于以上数据 是经过大量实验数据分析得出的，在机头稳定运行时，可以很好地体现出机器应 该提前的针数，但是在机器开、关或者机头运行到针床两端换向时，机头速度会 产生较明显的变化，虽然由于机头速度伺服控制技术的采用使得速度变化较大的 区域在针床上只有几针的范围，但如果提前选针针数仍然按照平时设定的速度来 计算，就有可能使选针电磁铁的动作出现某些偏差，从而影响到选针的准确性。 例如针床型号为3 9 0 针m ，每个针距为0 0 0 5 4 m 假定机头设定速度为1 o m s ， 电机设定加速度为l o o m s 2 。当机器以设定速度稳定运行时，加速度为0 ，由图5 3 得，提前选针量为6 ，机头运行到选针位置的时间为1 5 m s ，开机时机头加速到预 定速度需要l o m s ，运行距离0 0 0 5 m ( 相当于2 个针距) ，由于机头开始运行时测得 的速度接近于零，由圈2 8 ，提前选针量为3 ，剩下1 个针距以稳定速度运行需费 时2 5 m s ，机头到达选针位置时电磁铁可能还没有动作完毕而选不上针。 根据以上分析，考虑用速度和加速度值建立一个模糊控制来联合确定提前针 数，为了能准确选针，提前选针控制器必须符合以下条件：( 1 ) 提前选针运行时间 必须大于电磁铁吸合动作时间，保证机头运行到选针位置时，电磁铁动作完毕。 ( 2 ) 机头运行时间( 上一针提前选针针数加一个选针片动作间隔针数减保持针数减 本针提前选针针数) 必须小于电磁铁释放动作时间，保证下一针正常选针。根据机 头实时运行速度和加速度以及以上两个约束条件。可以比较精确地确定提前量。 但由于选针单片机本身工作量较大，并且机头速度变化时计算在给定时间内机头 可以运行的距离对单片机来说运算量很大，以上两个公式的计算会大大加重单片 机的工作量，容易造成单片机来不及运算而引起选针动作的混乱。所以，为减少 单片机的运算量，可以把模糊控制的方法运用到提前选针针数的确定。这样单片 机只要通过简单的查表就可以得到较准确的控制数据。典型的模糊控制器，一般 由三部分组成：( 1 ) 模糊化，即将精确的输入( 一般是模拟量) 模糊化成模糊变量( 数 字量) ：( 2 ) 模糊控制规则，即由模糊状态变量通过模糊推理得到模糊控制变量： ( 3 ) 反模糊化，即将模糊控制变量转化成精确的控制变量。如图2 9 ，由于提前针 数是一个数字量，不需要通过反模糊化，我们构造的模糊控制器只有前两个部分 组成。 上海大学硕士研究生学位论文 隶 寸上_属 度刊模糊化 函 数 经 一控制规则 验 策输出 略 图2 - 9 模糊控制原理图 在电脑横机安装了速度( v ) 和加速度( a ) 传感器，在方便实时地读取所需的速 度和加速度值的情况下，把输入的速度、加速度模糨化后，根据隶属度函数、模 糊控制规则得到合适的输出( 提前选针针数) 。 2 2 3 选针器模糊控制器的构造 f i j v ( v ) = 1 ( 3 e + f ) 4 v ( e + 3 f ) 4 i u 。( v ) = i o 5 2 9 5 v s o 8 3 1 5 u 。( v ) = 4 ( v o 3 7 8 5 ) ( 0 9 8 2 5 o 3 7 8 5 ) 0 3 7 8 5 v o 5 2 9 5 f u 。( v ) = 4 ( 0 9 8 2 5 一v 坎o 9 8 2 5 一o 2 7 8 5 ) 0 8 3 1 5 v 兰o 9 8 2 5 上海大学硕士研究生学位论文 图2 1 0 梯形隶属度函数曲线图 图2 一l l 速度隶属度函数凿线图 m s ) 选加速度隶属度函数为三角形隶属度函数。三角形隶属度函数曲线如图2 一1 2 所示，设三角形隶属度函数与横坐标交点的坐标为c 、d ，自变量为a ，则对应于 相应语言值的隶属度为： i u a ( a ) = 2 ( x - c ) ( d c ) 【u 。( a ) = 2 ( d x ) ( d c ) c l 上海大学顽士研究生学位论文 二、模糊控制量的计算 对于双输入单输出的模糊控制系统，控制策略型如v = a 和a = b ，则n = c 。 p lzp s p l 表示浚情况不可能出现 图2 1 4n 对应于v 和a 的状态作用表 一1 一 o 一 1 2 2 、一l 、0 、1 、2 这五个值分别对应于地、n s 、z 、p s 、 p l 等五个语言值，根据速度v 和加速度a 的隶属度来确定 图2 一1 5 电脑横机提前选针量模糊控制表 其中a 、b 、c 是对应于不同语言值的模糊子集。所有控制规则可以用r = a x b x c 表示。控制量的计算可以分为模糊推理和模糊判决，模糊推理采用取小操作算子， 对隶属度作取小操作算子得到规则的匹配度：模糊判决采用取大操作算子，对每 一条规则求输出n 的隶属度，取最大隶属度对应的输出量为最后提前针数的输出。 经过计算得到n 对应于v 和a 的状态作用表如上图2 一1 4 所示，提前迭针量模 糊控制表如上图2 一1 5 所示。 根据计算，由于机头开始运行时测得的速度接近于零( n l ) ，加速度为l o o m s ! ( p s ) ，由图2 一j 5 ，提前选针量为4 ，机头到达正常速度后剩下2 个针距以稳定速 度运行需费时5 m s ，到达选针位置时电磁铁动作完成，保证了选针的准确性。从中 可以看出，该模糊控制器在机头速度变化时能提供准确的提前量。相反，在相同 的条件下，假如不采用模糊提前选针，就会产生漏针现象。 2 3 选针器选针保持量的控制 图2 1 6 为本课题中采用的选针器选针头的形状示意图。在不选针的情况下， 通常是选针片片齿运动到选针头斜面2 5 处，即a 点，而后被选针头逐渐由浅入深 压入，至少压至b 点方能进入针槽，使选针片不被三角作用；在选针时，整个选 针片走过选针头宽度时，选针头不应摆向选针片片齿高度，所以无论选针与否， 上海大学硕士研究生学位论文 选针头都应在控制信号作用下在上方或下方保持若干针，以准确选针，即选针保 持量。该量的大小与选针器尺寸等有关。 如图2 - 1 6 所示，a 为选针头与选针片片齿最初接触的点( 接触点在斜面宽度 的2 5 ) 。 选针头要保持的距离s 。为： s 2 3 g 口+ q + p 保持时间t 。为： f 2 - 保持针数n ：为： 心= 钐 针片齿 针头 图2 1 6 选针头与选针片接触时的尺寸 由计算可以看出 。：生：量坐：曼：一s 2 g t jt f yt2 5 4 式中，g 为机床型号，本课题为g = 1 2 针英寸；t 为针的间距，t = 2 1 1 7 m m ：v 为横机移动速度；t 为以速度v 移过每一针距所需的时间；b 为片齿压入针床的最 大深度( 选针片片齿从上至下压入深度逐渐增加) ；a 为选针器上选针头的角度由 上而下渐大) ；q 为选针头平台宽：p 为选针片片齿厚度。 将b = 2 1 5 ，a = 3 4 。q = 1 5