（机械电子工程专业论文）电脑刺绣机主轴交流伺服系统的研究及开发.pdf

浙江理j 大学硕士学位论文 摘要 电脑刺绣机是集计算机控制技术、电力电子技术及精密机械技术于一体的高科技机电 一体化产品，是增加服饰的附加值和服装产品个性化的一种重要设备。国际先进的电脑刺 绣机不断采用高新技术的最新成果，向多功能化和高效率化发展。在设计、制造技术和产 品性能上，国产电脑刺绣机与崮际先进的电脑刺绣机存在较大的差距，而进口的高档刺绣 机又由于其昂贵的价格难以在国内市场普及。电脑刺绣机的主轴的驱动方式和控制方法与 刺绣效率、绣品质量、机器成本和机器噪音直接相关。本文提出并设计了一种采用单神经 元直接模型参考自适应控制策略的空间矢量变频调速交流异步电机伺服系统，用于控制和 驱动电脑刺绣机主轴，实现了刺绣效率的最大化，并降低了系统成本。本论文内容主要有： 第一章分析了电咕刺绣机的工作原理，阐述了国内外电脑刺绣机主轴驱动的玑：状及 发展趋势，提出将交流异步电机用作主轴驱动电机。 第二章建立了实现最大刺绣效率条件下的主轴转速的计算方法、针杆运动学模型和 主轴传动的动力学模型，并对电脑刺绣机主轴负载变化的特点进行了分析。 第三章将矢量控制交流异步电机用作屯脑刺绣机的主轴电机，构成了刺绣机毛轴交 流伺服驱动系统。针对划绣机的负载特点以及空问矢量控制方法的不足，设计了具有自适 应能力的单神经元直接模型参考自适应控制策略。 第四章针对刺绣机特点，对空间矢量控制方法以及单神经元直接模型参考自适由控 制策略在m a t l a b s i m u l i n k 下建立了仿真模型，完成了系统仿真分析。 第五章采用t i 公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的d s p 微控制器，设计了主轴拧制器的系统 结构以及外部电路。 第六章采用汇编语言编写了单神经元控制器模块以及空间矢量模块。 关键词：电脑刺绣机；空闻矢量控制技术；单神经元；d s p 。 浙江理工大学硕士学 奇论文 s t u d ya n de x p i o i t a t i o nf o rc o m p u t e ri z e d e m b r o i d e r ym a c h in o sm a i n s h a f ta os e r v os y s t e m a b s t r a c t c o m p u t e r i z e de m b r o i d e r ym a c h i n ei sak i n do fh i g h - t e c hp r o d u c tt h a tc o m b i n ec o m p u t e l e c t r i c sa n de l e e t r o n i e s ，p r e c i s em e c h a n i c st e c h n o l o g i e s ，c a l li n c r e a s et h ev a l u ea n d i n d i v i d u a t i o no ff i n e r y m u l t i f u n c t i o na n dh i g l le f f i c i e n c yi st h ed u r a t i v ed i r e c t i o no fa b r o a d c o m p u t e r i z e de m b r o i d e r ym a c h i n e t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nh o m ea n da b r o a di t e m si ss ol a r g e t h a tt h c ya r en o ti nt h es a m el e v e l a i n ra tt h e s es h o r t c o m i n g s ，a ca s y n c h r o n o u sm o t o ri s b r o u g h tf o r w a r dt h a tc o n t r o l l e db ys v p w m u s e da sm a i ns h a f td r i v e r i l 】t h ef i r s tc h a p t e r w o r k i n ge l e m e n t so fe m b r o i d e r ym a c h i n eh a v e b e e na n a l y s e d t t l e d r i v i n ga c t u a l i t ya n dd i r e c t i o no fc o m p u t e r i z e de m b r o i d e r ym a c h i n e sm a i ns h a f th a v eb e e n e x p a t i a t e d3 - p h a s ea ca s y n c h r o n o u sm o t o rf o rd r i v i n gt h em a i ns h a f ti si n t r o d u c e d i nt h es e c o n dc h a p t e ram e t h o dt h a tc a nr e a l i z eh i g he m b r o i d e r ye f f i c i e n c ya n dt h e k i n e m a t i c sf o r m u l ao fm a i ns h a f th a v eb e e ns e tu p ，t h ef o r m u l ao ft h em a i ns h a f t sl o a dh a s b e e nr e a s o n e do u t i nt h ef l l i r d c h a p t e r a c c o u n tf o rt h ec h a r a c t e r i s t i co fe m b r o i d e r y sl o a da n df i l e d i s a d v a n t a g eo fs n ? w m ，s i n g l en e u r o nm o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r o lm e t h o di sa p p l i e di n t h i ss y s t e m i nt h ef o u r t hc h a p t e rt h es i m u l a t i o nm o d e l so fs v p q v lc o n t r o lt e c h n i q u ea n ds i n # e n e n r o nm o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r o lm e t h o di se s t a b l i s h e di nm a t l 声j 甜s i m u l i n kt h e s i m u l a t i o nr e s u l ti sa n a l y s e d ， h it h e f t f y hc h a p t e rt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pt h a t f r o m1 i c o r p o r a t i o n i su s e da s m i c r o c o n t r o l l e r , ai p mm o d u l ei su s e da sw a v e g e n e r a t eu n i t i nt h es i x t hc h a p t e rt od e v e l o pt h es o f t w a r e ，a s s e m b l el a n g u a g ew a sa d o p t e d ，i n c l u d i n g m a i np r o g r a m ，s v p w ms u b p r o g r a m ，s i n g l en e i i r o nm o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r o lm e t h o d s u b p r o g r a ma n dc o m m u n i c a t i o np t o 掣m b e t w e e nd s pa n ds e n i o rc n n t r o l l e r k e yw o r d s ：c o m p u t e r i z e de m b r o i d e r ym a c l f i n e ；s v p w mt e c h n i q u e ；s i n g l en e u r o n ；d s e 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。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。除文中已明确注明和引用的内容外，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及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并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：袁式 日期：函矿三月巧日 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 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，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口在 ， 不保密曲 嚣荔茎孙日期：。瑚年弓月骘日 年解密后使用本版权书。 撇：i 即f 日期：。峒年事月衫日 浙江理。亡大学硕十学位论文 1 1 电脑刺绣机综述 l1 1电脑刺绣机的发展简述 第一章绪论 刺绣是一种传统的服饰工艺，广泛用于服装、鞋帽、床上用品和室内装饰等方面。随 着工业的发展刺绣工艺经历了手工刺绣、机械刺绣、电脑刺绣三个阶段。 电脑刺绣起源于德国又叫电子绣花。二战后，德国的z a n g s 公司和p f a f f 公司 相继将电子控制技术与缝纫技术和绣花技术相结合，在单台缝纫机实现绣花的基础上，将 若干台缝纫机“连接”起来，运用电子技术集中控制，将传统的手工刺绣或机械式刺绣工 艺转变成自动化批量生产。同本在6 0 年代也开始研制电子刺绣机，虽然其技术方法来源 于德国，但f 1 本的电子刺绣机技术发展很快。7 0 年代以后，随着电子技术和亡f 算机控制 技术的发展，电子魁绣机广泛采用计算机控制，手工刺绣和机械刺绣迓渐被淘汰刺绣技 术进入到电脑绣花h j 代。 1 9 7 7 年，绣霸公司( u l t r a m a t i e ) 在b o b b i ns h o w 展览会上展出其第一台单针6 头电 脑绣花机。m e i s t e r g r a m 在b o b b i ns h o w 展览会上展出其第一台字符电脑绣花机。百灵达 ( b a r u d a n ) 制成其第一台全电脑多头绣花机。在此期问的三项重大发展是：f 】动列线， 自动换色，8 单位电子纸带阅读机。1 9 8 8 年，美高公司( m e l c o ) 拧出一种名为“e p i c o r ”的 电：主系统，足第一个将绣花机电脑与绣花机机械分离而单独提供电控系统的融家。f 闩岛 ( 1 - a j i m a ) 在其绣帽的机型上推出一种e 下线自动剪的装置( 作为选件) ，存j 1 日：迅朱w i 说其他厂家有这种装置可供客户选用。1 9 9 3 年，美高( m e l c o e m b r o i d e r y s y s t e m s ) 推出 一种崭新的绣花机a d v a n t a g e1 8 ，它只有一根针，却可以用1 8 种颜色的线。己使用 了气动技术，僮绣花机可以自动剪线、接线和穿线。1 9 9 8 年，t o y o t a 推出了a d s 6 0 型t 该型号绣花机噪音小、速度快，机电方面比咀前的绣花机有很大改进。 1 1 - 2 电脑刺绣机工作的基本原理及分类 1 ，1 2 1 电脑刺绣机的组成原理 电脑刺绣机由机械系统和控制系统组成，如图1 1 所示。 一 堑望望! 查兰堡圭兰丝笙皇 机头 同步 坠瓜 再 j 习- | 。* l 网一啊 彤带传功 ， 引筏 ，f 而嘲撺【驱动 盟叵睢 既j _ j 【j 1 一i 一 旋梭箱 筹 壬 9 j 一。 ，7 7 7 一 一 一一画，出一也_ | 一一l 叫下轴一一一旋梭j 睦缝! 惴警i i 拄? 巳_ - x y 驱圳船卜一x y 步山啦帆d 纽挺 图1 1 电脑刺绣机的组成框图 步驱 进劝 电脑刺绣机的机械系统主要包括主轴传动机构、刺绣单元、移榧机构、杌架、换色机 构、剪线机构及刺绣附加功能机构等，如图1 2 所示。 。一 _ r111 1 ：! ，三l l 挑垃w 图i 2 电脑刺绣机的机械系统组成简图 主轴传动机构、刺绣单元和移框机构是完成刺绣工艺的机械系统主体。在主轴传动机 构的驰动下，刺绣单元通过其中的刺绣机构实现绣线在绣品 的垂直刺绣；绣品装央在绣 框上，移框机构按照绣品的线迹轨迹要j c 驱动绣框实现x y 平面的运动；刺绣单元与移 框机构的运动配合形成绣品。 2 一 浙江理t 大学硕士学位论文 图1 1 中，主轴电机通过传动轮带动针杆做上r 往复运动，机针( 绣针) 固定在针杆 上，绣针的运动使绣线跟随上下运动。x 、y 轴步进电机带动绣框在x 、y 方向运动，刺 绣品随绣框运动，从而刺绣出国案。刺绣时，根掘线迹长度的不同主轴电机的转速在o 1 0 0 0 r t m i n 之问变化，主轴角度在某两个角度之问时，即机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，将穿有其他颜色针的换上继续刺绣。当刺绣完毕后，剪线电机带动剪刀将 线剪断。 电脑刺绣机的控制系统由主控制器、主轴驱动控制器、移框驱动控制器、换色驱动控 制器、剪线驱动控制器等组成，如图1 3 所示。 l主控制器 图1 3 电脑刺磊机的控制系统组成框图 主控制器是电脑刺绣桃的拧制拔心，其主要功能是提供绣品花样的数控数按s l s r , 的传 输接口、人机操作接口和界面、各驱动控制器的传感器和驭动器的接口，完成mj 锈。艺过 程的智能控制。主轴驱动控制器、移框驱动控制器、换色驱动控制器、剪线驱动控：| “器等 则在主控制器的控制下，驱动对应的机械帆构的上的执行器。 因此，从机械电子工程技术的范畴柬| 兑，电脑刺绣机一般可以被认为足一个轨边和位 置控制的多轴机电系统。其中轨逊控制是通过针杆的垂直运动和移框机构的平面运动的运 动控制来实现的位晋控制主要包括换色机构、剪线机构的执行器和主轴的停止位置的控 制等。 1 1 2 2 电脑刺绣机刺绣单元的工作原理 刺绣单元由上轴、下轴、旋棱、针杆传动机构、挑线机构等组成，针杆上安装绣针 浙江理r 天学硕十学伊论文 通过针丰丁和旋梭的相互配合动作完成刺绣过程。刺绣时，主轴传动机构驱动上轴和下轴， 上轴和下轴之间则通过链轮( 或同步齿形带) 进行同步传动，以确保转速的一致性，如图 1 4 所示。 图1 4 电脑刺绣机刺绣单元的工作原理图 刺绣机刺绣的主要目标是在绣品表面形成线迹，线逊的形成过程如图i 5 所示： 图1 5 刺绣单元线迹形成过程 图1 5 中，绣针带绣线穿过绣品至最低位置，并开始回升，当针叫升2 2 5 r a m 叫， 由于绣针与绣料问的摩擦力，使绣线在绣品下方形成线环( 图1 5 a ) 。此时，梭尖芎促线 玎转动( 图1 ，5 b ) ，当梭尖带绣线环绕过梭子轴中心叫( 图1 ，5 c ) ，绣 l 退出绣t 铀疹线环 也迅速的从梭架上脱落，当绣针凹升到最高点时，挑线打收紧线环，在布面下形成 个线 结( 图1 5 d ) 。然后绣品移动一个针距，并进行下一轮刺绣工作。绣线在两个线结之间就 形成了一道线迹，若干线逊就形成了美丽的线纹【1 8 。 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，带动挑线柯作上下运动( 由于刺绣的斋要，挑线 杆的上下运动速度有所不同，向f 运动时速度慢，向上运动时速度快，挑线杆的整个运动 行程约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，使针卡t 和挑 线杆之间始终保持着一定的相位关系1 6 1 7 i ，从而有效的保证了刺绣的顺利完成。针打和 挑线杆之问存在的一定相位关系如图1 6 所示，图中a 为针杆与挑线丰t 的运动幅值。 新江理上人学硕士学位论文 a 挑线杆针杆 厂 _ 。 图1 6 挑线杆与针杆的相位关系 1 1 2 3电脑刺绣机移框机构的工作原理 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 两个方向移动其运动轨边受电脑 控制。电脑控制部分依据所要刺绣的图形( 该图形已绎通过磁盘等输入电脑) ，分别向x 、 y 方向的步进电机的驱动器发出脉冲控制信号，步进电机按照一定的步距运动，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萨反向 移动，而且步距要求十分严格，位移允许误差极小( 一般小于d 1 m m ) 。导轨副则由导轨 和导轮组成，在x 、y 方向上各有- - n 导轨和四个导轮，在齿形带的拖动下导轮带动绣框 沿导轨在x 、y 方向依序往复运动。这样，步进电机和导轨的准确移动共同确保了坜椒的 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出图1 7 简卑表示。 图l ，7 移框部分框图 移框机构的机械原理简图如图1 8 所示 浙江理j ：大学硕+ 学位论文 图1 8 移框机构机械原理图 图中，x 方向步进电机通过x 向移框传动轴带动两条同步齿形带运动，y 方向步进 b 机通过y 向传动轴带动三条同步齿形带运动，实现绣框整体的移动。 1 1 2 4 电脑刺绣机其他部分的工作原理 刺绣过程中由于高度自动化们需要，除了以上两个主要机械部分以外，还有其他几个 辅助部分：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。当刺绣过程中需耍自动或手动挣色时， 电脑控制挟色电机旋转，带动凸轮箱内的凸轮旋转，滚轮沿凸轮槽移动到一定位管+ 带动 换色杆沿水平移动，进而带动针杆箱生右移动到牛月应位置完成换色动作。换色电机的，：三。0 j ! | j 采用光电检洲、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批包 ! 移动，也是考虐到鼓较高的定位精度。扼测定换色时产生的误差一般在00 5 r a m ( i o s m l n 以内，从而能够保诅换色的准确率。图1 g 即为换色机构机械执行部分原理图。 图中，虚线框1 5 是换包箱，换色时，换色电机l ( 可以双向旋转) 通过酋，轮2 衢动 齿轮3 ，齿轮3 、换色凸轮4 、齿轮9 和齿轮1 0 同轴，齿轮3 佶动换色凸轮托色凸轮4 旋转时带动嵌入其中的滚子5 ，滚子通过滚子销6 和紧同件7 带动换色拉丰丁82 ：l = 右移动。 换色拉杆和针杆箱是固定在一起的，换色拉杆带动多个针杆箱一起移动，从而实现换色。 换色凸轮的长度是根掘针杆箱的针位数设计的，每个针位间距是1 5 r a m 。 6 浙江理【大学硕十学位论文 一12 图1 9 换色机构机械执行部分原理图 ( 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、扣线这三个动作足依序 进行的动作，其动作的町靠程度是确保电脑刺绣机能够高速自动刺绣的重要条件。n 绣品 刺绣完成或刺绣过程中需要换色时，电脑拧制系统自动控制主轴电机减速，当j 轴电机旋 转到零位( 即1 0 0 。) 时，剪线凸轮也旋转到雹垃，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， 进而带动剪线动刀动作，动刀开始张口，4 0 左右时动刀开口选到最大，4 护一8 0 0 左右鄙剪 线完成，再度回到1 0 0 。时动刀复位，剪线电磁铁也同时复位；在此期问，动j j 纱过一次 往复运动，与固定刀片配合将上下同时翦断。剪线电磁铁动作的同时扣线电磁铁动1 0 带动 迕丰t ，将下线保持器压在梭芯上，使上线在慷持器上缚绕一至两周，剪线动作完成石扣线 电磁铁即失电复位。而当剪线动刀打丌到一定角度时，勾线电磁铁即吸和，上线伸出， 在剪线动作完成之后。经过设定时间之后，勾线电磁铁释放t 上线勾在复位过剩中将已被 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。其动作过程可由图1 1 0 简单表示。 图i 1 0 勾、扣、剪线框匿 浙江理l 人学硕士学位论文 电脑刺绣机有着许多不同品牌和型号，它们的机头数和各机头的针数也各不相同，但 是只要机械传动结构相同，箕基本运动规律就是大致相同的。 l _ 1 2 5电脑刺绣机的分类 电脑刺绣机品种繁多，规格各异，目前还未制定统的分类方法，般来说常用以下 些分类方法： ( 1 ) 以机头数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 ) 以每一头所含的机针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，可绣的花样数就越复杂。 ( 3 ) 以送料绷架形式柬分可分为板式与筒式。 ( 4 ) 以绣花所用线迹形式水分可分为锁式线迹与链式线迹。 ( 5 ) 以刺绣机的主轴驱动方式来分可分为交流伺服驱动、步进驱动、滑差骢动等。 ( 6 ) 国内根据用户需求还可分为带自动剪线与不带自动剪线等。 由于每一种机型都有机头多少、机针多少、绷架形式、线迹形式、驱动形式以及剪线 形式等不同之处，将这些加以排列组合、细化分类，刺绣机型将是一个很大的数字，凼而 它能满足石同层次，不同规模、不同要求的客户需要。 l ，1 3圆辨电脑刺绣机的现状及发展趋势 布锈花机领域目前世界上著名的电脑刺绣机品牌有f 1 奉田岛( t a j i m a j ，f 1 本百 灵达( b a r u d a n ) 、日本兄弟( b r o t h e r ) 、德国蔡斯克( z s k ) 、德国百福( p f a f f ) 公司的等。 6 0 年代，刺绣机的运转速度只有4 0 0 多转每分，目前绣花机的平绣速度普遍已经达 到s 0 0 1 0 0 0 r r a i n ，r 本田岛公司推出的t f g n 型平绣系列绣花机，最高的平绣琏度已 经达到1 】o o f f m i n t 3 9 ，国外先进的2 0 头的大机器已经达到了1 2 0 0 r r a i n ，更高速的机器也 在开发之中 “。绝对速度的提高还只是电脑刺绣机发展的一个方面，现在许多国外厂商 已经开始注意到从刺绣过程的每一个细节上提高刺绣效率和绣品质量，包括：减少换色、 移框、启动、停车等过程中的延明时间，提高各相应过程的工作速度；降低断线率：增加 上线保持器，保证换色时的顺利过渡等，这些措施大大增加了产量提高了绣品的质量- “l 。 浙江理f ：人宁硕十学位论文 另外，现在开发的新产品已经采用模糊电控系统，将成熟的工控技术和模糊数学控制原理 进行了有机结合t “j 。它对主轴电机、x 向步进电机、y 向步进电机和外围控制部分分别 采用4 个独立的单片机进行控制。主轴f 邑机由于采用单独的c p u 进行控制，因此可以分 别实现对滑差电机、伺服电机和变频电机的控制。x 、y 轴步进电机由于有了各自独立的 c p u 进行控制，因此可以根据各自不同的负载情况分别控制，从而实现了智能化。 1 1 4国内电脑刺绣机现状 目前，我国刺绣机生产行业正处于繁荣时期，工业绣花机品种多样，国内生产绣花机 的企业不胜枚举。在国内较著名的企业有北方天鸟、深圳富怡、武汉荑佳、杭州经纬等等。 这些公司专业技术实力雄厚，生产出的绣花机产品技术含量高，价格适中，占领了国内大 部分市场。如富怡3 g 电脑绣花机。该绣花机具有独立的电机勾线、集中电机盲了线功能， 采用了细分电机驱动、伺服主轴电机驱动和触摸显示屏等先进设备和技术。此外，国内还 有一些专业从事电路控制系统研发的企业如北京蜻大系电脑控制设备有限公司，它们为 工业绣花机设刮专业的控制系统，这类企业的出现使国产绣花机的技术层次大大提高。 目前国产刺绣机主要在以下方面与国外先进产品存在较大差距： l 、刺绣效率上，尤其是中低端产品效率较低。目前国外电脑刺绣机最高转速可达 1 2 0 0 r r a i n ，而国产电脑刺绣机晟高转速达到9 0 0 r m i n 就不能正常工作了。以m e c 1 0 6 a 型六头刺绣机为例，其主轴转速超过6 5 0 针分以后，断线率明显增高，因此其虽任最高 转速也只在6 5 0 7 0 0 f f r n i n 占右，其断线妻与转速的关系如图1 1 i 所示： 5 02 0 03 5 05 0 0 6 5 0 8 0 0 图1 1 1 断线率与转速统计曲线 2 、机械的生产上电舾刺绣机属于机电结合的高科技产物，其电路部分主要是对机 9 浙江理1 = 人学碗十学位论文 械部分进行控制，从而产品精度在很大程度上取决于机械生产及装配的精度。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，两是采取外协的方式，在一些配件厂 定购这就很难对零部件的质量进行控制。在装配过程中，由于电脑绣花机在精度上的严 格要求，很难实现装配自动化，只能由熟练装配师手工操作。这也就是说，装配的质量完 全取决于装配师的技术水平，在这种情况下装配精度也就比较难于控制。 3 、控制器当前，国内有能力开发绣花机控制器的厂家寥寥无几，其中以北京精大 豪电脑控制设各有限公司的产品为最，其产品在国内外已处于较为领先的地位。大部分绣 花机生产厂家的产品其电控部分都为精大蒙公司的产品。 4 、企业组织上国内电脑刺绣机生产企业约8 0 多家，主要分布在北京、上海、山东、 浙江、江苏、福建一带，年产多头刺绣机总量约1 0 0 0 0 余台。在这些企业中，除了中国标 准缝纫机公司、中国长城光学仪器厂、上海协昌缝纫机厂、青岛电脑刺绣机总厂、武汉美 佳服装机械厂等部分厂家具有较大生产和开发规模外，其他很多都是简单的组装生产，技 术和服务都很难得到保证，从而造成市场一定程度的混乱。 近年柬，从国际大型的展览会上可以看到，国内外电脑刺绣机的技术发展越求越快， 品种越来越多，质量也越来越高，竞争也越束越激烈。随着加入w t o ，日本、德田的电 b 醑刺绣机将会对我国刺绣机的发展构成一定的威胁。作为中国电脑刺绣机行业如何发展、 如何抓住机遇，缩小与世界先进水平的差距，都是我们当前面i 临的重大课题。 1 ：r 课题研究的目的和意义 1 - 2 ，1 电脑刺绣机主轴驱动现状及存在的问题 根掘电腑刺绣机的工作原理，电脑刺绣机的主轴电机是旋梭，针杆及挑线十f 运功的动 力源和各机构同步协凋运动的主令控制信号源，固此主轴电机的运动特性对整个电l 幽刺绣 机的刺绣效率以及运动平稳性有很大的影响。 国内外的电脑刺绣机主轴驱动电机主要有以下几种： ( 1 ) 滑差电机 滑差式电机即电磁调速异步电动机，它由普通鼠笼型异步电动机、电磁滑差离合器、 电气控制装置三部分组成。图1 1 2 即为滑差式电机原理图： 浙理1 = 大学硕士学位论文 6 图1 1 2 指差式电机原理图 i 可控整流器2 负载3 磁极4 电枢5 笼型机6 电磁调速电动机 滑差式电机的调速过程足由电磁离台器的控制而实现的，所以，滑差电机韵调速原 理实质上是电磁转差离合器的工作原理【3 “。利用电气控制装冒平滑的调整转差离台器的 电枢励磁电流，通过电磁感应原理，就可以就日以实现无级的调节感应予的旋转速度，达 到调速的目的。从交流电机的运行理论可知，电磁转差离合器( 滑差离合器) 的机微特性 曲线硬度很小，具有很软的机械特性。也就足说，在一定的励磁电流下，转速随着转甜! 的 增加而剧烈下降，并且这种趋势随着励磁电流的减小而越加严重。因此，用滑羞岢b 机进 行漏速拖动时，不论带动哪种负载，转速将随负荷的波动而变化，蠲速的工作杞允性苴。 另外，滑差电机的运行效率也较低。滑差式电机是一种非线性被控对象，在8 5 额 定转速以上存在饱年区，在1 5 额定转速咀下存e 死区，造成速度变化线性度差，乜行 不平稳，而且速度损失较大，这就使进一步提高刺绣速度，提高调速精度变得：l 常旧难。 通过对滑差式电机的工作原理分析可知，滑差式电机的机械特性很软，只适合卷绕机械或 通姒型负载的调速，另外，电脑刺绣机要求主轴电机的快速响应性能要好，但滑差式电机 机电时间常数大，系统的转动惯量约为一般电动机的两倍，不宜用于要求响应快的场合。 而且，滑差式电机经过长时间的连续运行后， 避免的要发生严重磨损，造成调速极不稳定、 当复杂，类似于直流电机的维护。 ( 2 ) 步避电机 其在诡速中起关键作用的电枢、电刷等不可 发热量急剧上升、噪音增大，而且维护也相 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况 l l 浙江理e 大学硕+ 学位论文 下，电机的转速、停止位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。 即给电机加一个脉冲信号，电机就转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机 只有周期性的误差而无累计误差等特点，使得在速度、位置等控制领域应用步进电机变得 非常简单。图1 1 3 即为步进电机结构示意图： 图1 1 3 步进电机结构示意图 虽然步进电机已经得到广泛的应用，但步进电机必须由烈环形脉冲信号、功事驰功电 路等组成控制系统方可使用。另外，步进电机适用于低速场合，即每分钟转速4 i 超过1 0 0 0 转( o9 度时6 6 6 6 p p s ) 最好在1 0 0 0 3 ( 0 0 p p s ( 0 9 度) 问使用，可通过减速装置侵其在 此间工作，此时电机工作效率高、噪音低。 ( 3 ) 受流伺服电机 交流伺服电机酊t 要特点是转动惯量小、鞑矩大、控制精度高，可方便的毅矧与顷率 成正比的呵变速度，乱低述运行时无爬行、尤簏动调速范围宽，力矩一频率特似1 7 ，同 时电机轴上自带有高分妍率的位置旋转编码器，可方便的将电机轴的实际转角眨馈：i 助 器，在位置环方式下构成一个闭珂、位置控制。另外，交流伺服电机结构简单、“+ 税1 、，运 行可靠、无需维护，与其配套的交流伺服驱动器控制方式灵活，迂台多种用途自0 全数# 化 驱动装置，本身带有c p ui 人机对话男面，可对其控制方式( 速度控制、位冒控制、转 矩控制方式或组合控制方式) 和工作参数( 如化置环增益、速度环增益、速度环积舒时间 常数、速度莳馈等) 进行设定，以达到最优控制，满足不同工况下调速系统的稳定性要求， 但是一般系统成本较高l ”，而且，如果需要一个准确、稳定的低速，侧整会非常凼难。 图11 4 为永磁同步交流伺服电机的结构示意图： 2 浙江理l ，人学硕士学位论文 图1 1 4 永磁同步交流伺服电机 图1 1 5 为鼠笼式交流异步伺服电机与普通交流异步感应电机的结构比较示意图 薯建l * 矿5 i p5 “1 _ 圉1 1 5 鼠笼式交流异步伺服电机与普通交流异步感应电机的结构比较 ( 4 ) 交流变频电机 交流变频 a 机的般特点嘲： 能与各娄高性能脉宽调制型变 贞器相配台，而目使用时一般不需配用外接：；波器； ( d 对f 乜机的电磁负荷考虑了定的裕度，因此可以既能保证f 巳机在高频时的吐载能 力，又能在低频时仍能保持恒转矩输出； ( d 考虑到变颂器的高电压上升率对电机绕组的冲击，因此对绝缘结构设计时除了采 用国际上广为使用的f 级绝缘外。对电机的匝间时压试验应超过交流电机的国家规定标 准： 为了保证在不同转速下仍有较好的冷却效果和保证电机在低频运行时仍能保持恒 转矩输出，电机单独装有轴流风扇强迫通风： ( d 电动机后轴端均设计有安皱铡速发电机或光电编码器的接口，根掘用户的要求可 1 1 渐江理工大学硕+ 学位论文 方便地安装测速发电机或光电编码器。 另外，交流变频电机不但有较宽的调速范围，而且效率较高，价格与交流伺服电机 相比也要低很多。 j o h org y o r k i 对异步电机和伺服电机做了进一步的比较后指出p 】；对于处理变速负 载的位置摔制，伺服电机和矢量控制异步电机均是首选，而矢量控制异步电动机在运动 控制中能够实现与伺服电机有相同的工作目的但花费更少，二者可应用于相同的领域。 相比较而吉，矢量控制异步电动机适应于不需要高加速度类型的场合，而伺服电机在相 同大小的包装尺寸下，可以实现较大的加速度这是由于二者具有不同的转子直径，不 同的“惯量转矩”比，造成了不同的动态响应性能。 鉴于交流异步电动机具有结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、转动般量小、 效率高，并在许多场合被大量使用因此，对交流异步电动机进行宅间矢量速度控制、 直接定位控制，如果能在控制方法上作进一步的研究，采用先进的控制方法，阱弥补异 步电动机、空间矢量控制的缺点和不足，满足较高的控制糖度要求，将具有十分可观的 发展前景和经济价值。 1 2 2刺绣机主轴各种驱动方式的特性分析 滑差电机作为电脑刺绣机的主轴电机在国外已经很少见到，而由于整机成本等原因。 国产电脑刺绣机的主轴电机部分仍为滑差式电机。由于滑差电机本身的调速倍定差， 纯护成本商、效率低等缺点，我们不矸考虑将潲电机作为电脑刺绣机的主轴电机。 由于步道电机有一个启动频率，造成启动速度很慢，在大负荷 占；兄下响应迭羔【! i 较 慢。其转矩较小，只适合6 1 2 头的电脑剌蹈帆，在高速运转时转矩下降，逆鱼 、闭时 还可能堵转、失步。另外，步进电机受其频矩特性的影响，其工作转速不大于6 5 ，m i n 。 但足由于步进电机容易控制、价格低廉、没有累计误差等优点，在围内的部分电脑刺绣 机中也使用步进电机作为主轴电机。 而直流伺服电机由于存在电刷与换向器的摩擦容易产生火花的问题，这在纺织机械 中是绝对不能容忍的，况且电刷的磨损会带柬故障，使其在维护方面较为麻烦。 交流伺服电机显然具备良好的综台性能，在国内外的高档电脑刺绣机中基本都采用 交流伺服电机作为主轴驱动电机，但其价格较贵， 浙江理_ l 大学硕士学位论文 1 2 3 问题的提出及解决方案 1 、问题的提出 电脑刺绣机经过多年的发展，基本可以分为高端产品和低端产品两大类。低端产品刺 绣效率较低、控制性能较差，但价格相对便宜。而高端产品刺绣效率高、控制性能优良， 但价格较高。随着国内外市场对刺绣品需求的不断增长，对商端产品的需求也越来越大， 但国内目前绣花生产厂家多为乡镇企业及个体企业，这类企业资金有限，不可能购买大量 售价较高的高端产品，这就要求刺绣机进一步提高性能、降低成本。 电脑刺绣机主轴驱动系统是影响刺绣机刺绣效率、价格以及绣品质量的关键囡素。目 前国内外先进的电脑刺绣机多采用交流伺服电机作为主轴电机，虽然具有较好的性能，但 价格较高，降低了产品的性价比。因此，开发一菁中具有优秀的控制性能，性价比较高的主 轴驱动系统，就成为了提高刺绣机性价比阱及刺绣效率必须要解决的问题。 2 、解决方案 由于高性能电力电子器件的发展以及先进控制策略的成功应用，交流异步电机的控 制系统有了巨大的进步在性能上取得了长足发展，具备了宽调速范围，高稳近格度、 快述动态响应及四缘限运行等等凫好的技术性能，其动、静态特性完全可以和直流电机 控制系统相媲美， 下面对于空间矢量控制的异步电机，就能够反映调速性能两个主要参数进行计算， 以便从理论上分析将异步电机用作主轴电机的可行性。 型号：y 8 0 14 鼠笼式异步电动机 额定功事；p h = 5 5 0 w 额定电流：i f l 5 4 a 额定电压：u 。= 3 8 0 v效率：7 3 5 额定转速：1 4 0 0 r m i n功率因数c 0 8m ：0 7 b 极对数：2转差率：s = o 0 5 额定转矩：m = 3 9 5 n m定予电阻：4 4 9 q 定子电感：1 6 0 m h转子电阻：5 3 6q 转子电感：1 6 2 m h 启动电流额定f 巳流：i 。i 。：6 5 矗动转矩额定转矩：m 、：2 2 浙江理_ f 大学硕士学位论文 最大转矩额定转矩：l m a x m v ：2 2 转动惯量：0 0 0 1 8 k gj i f ! 堵转转矩额定转矩：2 4 堵转电流额定电流：6噪声：6 7 d b质量：1 7 k g 参数计算： ( 1 ) 调速精度【2 6 】： 疗= ! ! ! ：芏 h 邮x 式中：一。：调速电机在l o 额定转矩时的转速( 控制器在”。时同给定信号下r 减少转矩至1 0 额定转矩时的转速) 。 心：调速电动机在额定转矩时的转速( 在控制器某一给定信号下，在调速范围内的 某一转速) 。 ，z 。，：调速电动机在额定转矩下的额定最高转速。 设给定转速h 。：5 0 0 r m i n ，对应的输出转矩可根据公式2 5 1 ： 输出功率( k w ) = 输出转矩( n m ) 输出转速( r r a i n ) 9 5 5 0 i 一( 2 ) 可得一= 旦1 - s = 丙1 4 而0 0 1 4 7 3 6 8 r m i n ”m = 5 2 4 ，3 5 ，r a i n n 。= 5 0 0 ；。i r a i n 盯= 生：生= 5 2 4 3 5 - 5 0 0 睾0 0 1 6 5 2 = 1 6 5 2 ”。 1 4 7 3 6 8 ( 2 ) 机e 【l 时间常数r ： 机电时问常数r ，是衡量伺服电机对控制信号响应速度的一个参数，我们可将它引入 对异步电机的计算，以便横向对比。 机电时间常数r ，的定义为：在空载和颉定激磁电压下，加以阶跃的额定控制电压， 电动机由静止上升到空载转速的6 3 2 时所需时间。机电时m 常数0 越小，对信号响匠越 快。其计算公式为2 5 】： 浙江理- 【= 大学硕j 二学位论文 r s = 0 1 0 4 7 等 卜 式中：j ：转子转动惯量； 月。：空载转速，对于鼠笼式异步电机即为其同步转速； t d ：对于伺服电机，是为其对称状态下的堵转转矩。对于异步电机，可取为堵转转 矩。 由于电机参数都是标幺值，必须将其转换为实际值，可得堵转转矩的实际值为： 乃= 2 4 r = 2 4 x 39 5 = 9 4 8 n m t o = 1 4 7 3 6 8 r m i n 掘公式l 一( 3 ) 可计算得： f j 。0 0 2 9 2 9 s 而伺服电机的机电常数r o 0 3 s 。 由以上的计算可知，异步电机作为刺绣机主轴电机，电机本身的响应速度以及响应精 度是可以满足要求的，关键是实现调速控制的策略，必须采用先进的控制方法与控制策略。 基于上述，本文提出了采用价格低廉、简单可靠的交流异步电机作为主轴驱动电机， 并丌发一种基于微机控制的土轴电机控制器，其目的是：( 1 ) 提高主轴转速，使绣花工艺 的平均时间缩短，从而提高刺绣效率。( 2 ) 使系统的稳定性增强。( 3 ) 降低了系统成本。 1 3 论文的主要研究内容 本论文首先阐述了电脑刺绣机各部分的工作原理，对刺绣机主轴驰动方式撤了对比。 并分析了主轴电机的调速、定位要求建立了机头传动部分的数学模型，分析了对刺绣机 控制效果影响较大的负载的变化情况。经过以上分析，证实了采用交流异步电机结合空问 矢量控制方法作为主轴驱动电机的适应性。但空问矢量控制方法也有一定的局限性，这就 是较为依赖电机参数的正确性【“。 为了弥补空间矢量控制方法的缺陷，也为了适应女j 绣机参数、负载的变化，本文采用 性能与效率都较好的单神经元直接模型参考自适应控制作为速度控制器的主要策略，依据 l y a p u n o v 稳定性理论，设计了一种单神经元直接模型参考自适应控制器，将其应用于电 脑刺绣机主轴电机的交流伺服系统。全文共分七章，内容安排如下： 浙扎理l ：人学硕十学位论文 第一章首先简要介绍了刺绣机的发展与研究现状，接着阐述了电脑刺绣机的分类及 各主要组成部分的工作原理，并对电脑刺绣机主轴电机的现状进行了简单分析。 第二章较详细的阐述了电脑刺绣机的工作原理以及调速、定位要求，建立了机头传 动机构及机头负载的数学模型。 第三章阐述了异步电机的矢量控制方法以及神经网络模型参考自适应控制的基本原 理，阐述了单神经元直接模型参考自适应控制器的结构、算法，设计了单神经元直接模型 参考主轴速度控制器，并采用l y a p u n o v 稳定性理论对单神经元直接模型参考自适应控制 器的稳定性做了论证。最后设计了一种与单神经元自适应速度控制器相结合的主轴位置控 制器，使单神经元自适应的优越性得到充分的发挥。 第四章首先在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立了异步电机采用矢量控制方法的仿真 模型，然后阐述了异步电机所采用的单神经元直接模型参考自适应控制系统的仿真试验及 结果分析。并针对电脑刺绣机参数及负载变化的特点，进行了针对性的系统仿真及结果分 析。 第五章首先介绍了电脑刺绣机主轴电机交流伺服系统的硬件构成，并发计了采用 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 的主轴交流伺服系统控制器以及i 幺系统的， 部电路。 第六章阐述了主轴电机所采用的交流异步电机空间矢量控制方法的软件实现方法， 并采用d s p 汇编语言实现了空间矢量控制方法以及单神经元商接模型参考自适应进度、 位置托制器