（机械设计及理论专业论文）基于分层体系的自动化横机关键技术的研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 横机全自动编织系统是技术含量较高的智能化系统，它集自动控制、针织 工艺、图像处理及计算机软件工程等众多技术为一体。它的诞生和应用给针织 品的生产方式、产品结构及产业结构带来了深刻的变革。随着针织衫的时装化、 多样化及各项先进技术的飞速发展，促使横机向着全自动化及高智能化方向发 展。本文围绕横机实现全自动化的关键技术花型设计技术及自动控制技术 展开研究工作。主要研究内容及创新点如下： 1 研究表示各类针法的编织符号的分类原则，对编织元件进行科学有效的 分类，并建立了与各类编织元件相对应的元件库。用户可方便地从库中查找元 件或加入新的编织元件，通过选择元件自由组合编织动作，最大限度的实现了 设计的灵活性。 2 研究绘图引擎技术，提出了分层绘图的设计思想。将纱色符号、织法符 号、翻针符号、摇床针数和提花符号分层绘制、单独处理，使花型的输入、编 辑和显示变得简单、灵活，克服了由于将所有符号定义为一体所带来的问题， 实现了绘图的便利性。 3 针对多图层的设计思想，研究类管理技术并建立了新型绘图引擎类结构 模型，成功地实现了对图层的统一协调管理。为解决线圈模拟图形显示的立体 效果与占用大的内存资源之间的矛盾，建立了基于几何结构的线圈绘图模型。 4 研究了基于分层体系的电脑横机新型花型准备软件平台和基于几何结构 的纬编织物线圈模拟软件平台的实现方法。新型花型准备软件平台实现了花型 设计、程序指令和控制器代码的自动生成等功能。线圈模拟平台能以图形方式 直观地显示针织物的线圈结构形态，还能灵活、方便地将成圈、集圈和浮线三 种基本元件组合成千变万化的花型组织。 5 研究典型绘图工具算法，并对区域填充算法进行了改进。为解决提花抽针 样式不足的问题，研究提花的控制方式，采用由用户自定义每种提花组织的抽 针花样并结合条码设定提花颜色种类以及提花顺序的方式，实现千变万化的提 花组织。此外，自动花板的子程序功能的提出和实现，解决了引返组织与吓数 对应的难题。 6 在自动化横机整机控制方面，针对横机控制部件多，对象复杂的特点， 武汉理工大学博士学位论文 应用分层控制方法。系统由a r m 为中心的组织监控级、d s p 和c p l d 控制的协调 控制级和底层执行级组成。本文研究并实现了每级控制的硬件电路和软件编制。 分别发挥了a r m 、d s p 和c p l d 各自的功能优势，将复杂的控制结构简单化，对 自动化横机进行有效、协调控制。 关键词：自动化横机；分层结构；绘图引擎；花型准备系统；织物模拟； 分层控制 l l 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t f u l l - a u t o m a t i cc o m p u t e r i z e dk n i t t i n gm a c h i n e ( f a c k m ) i sak i n do fh i g h t e c h n o l o g ye q u i p m e n ti nk n i t t i n gi n d u s t r y i ti n t e g r a t e sm e c h a n i c a ld e s i g n ，c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r o l ，k n i t t i n gp r o c e s s ，i m a g ep r o c e s s i n ga n ds o f t w a r ee n g i n e e r i n g f a c k mb r i n g sp r o f o u n dr e f o r mi nm a n u f a c t u r ew a y , p r o d u c tc o n s t r u c t i o na n d i n d u s t r i a ls t r u c t u r a lo fk n i tg o o d s w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt o g e t h e r 、耐t hf a s h i o n a b l eo u t e r - w e a r i n ga n ds e r i a t i n go f k n i t t i n gd r e s s i n g ，t h ec 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 ei sp r o m o t e dt od e v e l o p t o w a r df u l la u t o m a t i o na n d h i g hi n t e l l i g e n c e t h ep r e s e n td i s s e r t a t i o nf o c u s e so ns o m e k e yt e c h n i q u e sa b o u th o wt or e a l i z eas y s t e mo ff a c k m i ti n c l u d e st h em a i n c o n t e n t sa sf o l l o w i n g 1 w e a v ec o m p o n e n t sr e p r s e n t i n gf o rb a s i cs t i t c h e so fw e f t - k n i t t e df a b r i ci s s t u d i e d f o rt h ef i r s tt i m e ，a l le f f e c t i v ea n ds c i e n t i f i cc l a s s i f i c a t i o no fw e a v i n g c o m p o n e n ti s s t u d i e da n dt h e c o r r e s p o n d i n gw e a v i n gc o m p o n e n tl i b r a r i e sa r e p r o v i d e d a sar e s u l t ，u s e r sc a nc o m b i n ew e a v i n gm o v e m e n t sf r e e l yb ys e l e c t i n g c o m p o n e n t sf r o mt h el i b i r a r yt oa c h i e v em a x i m u mf l e x i b i l i t y 2 d r a w i n ge n g i n et e c h n i q u ei ss t u d i e d f o rt h ef i r s tt i m e ，al a y e r e dd e s i g ni d e a o fp a t t e r ni sf o r m e d w e a v es i g n s ，t r a n s f e rs i g n s ，q u a n t i t yo ft r a n s f e rn e e d l ea n d j a c q u a r dp a t t e r ns i g n sa r ed r a w na n dt r e a t e dr e s p e c t l y t h es y s t e mh a sf u n c t i o n so f s i m p l i f y i n ga n df l e x i b l ep a t t e r n so fi n p u ta n de d i t o r i n ga n dd i s p l a y i to v e r c o m e s d i s a d v a n t a g et h a ta l ls i g n sa r ed e f i n e da saw h o l e c o n s e q u e n t l y , i th a sm a x i m u m c o n v e n i e n c e 3 a i m i n ga tf l e x i b l em u t i - l a y e rd e s i g ni d e ai nt h es y s t e m ，d r a w i n ge n g i n e t e c h n i q u ei ss t u d i e da n da s s o r t e df r a m e w o r km o d e lo fn e wd r a w i n ge n g i n ei sb u i l tt o m a n a g ed r a w i n g l a y e rh a r m o n i o u s l y k n i t t e dl o o pm o d e lb a s e do np e r i c ei ss t u d i e d a n di m p r o v e di no r d e rt or e s o l v ec o n f l i c tb e t w e e nt r i d i m e n s i o n a ld i s p l a yo fk n i t t e d l o o pa n dl a r g e rc a p a c i t yo fm e m o r y g e o m e t r i c a lm o d e lo fk n i t t e dl o o pi sb u i l t 4 t h er e a l i z a t i o nm e t h o d si n c l u d i n gs o f t w a r ep l a t f o r mo fp a t t e r np r e p a r a t i o n s y s t e mb a s e do nl a y e r e ds y s t e ma n ds o f t w a r ep l a t f o r mo fk n i t t e df a b r i cs i m u l a t i o n l 武汉理工大学博士学位论文 s y s t e mb a s e do ng e o m e t r i c a ll o o pm o d e la r es t u d i e d i nt h ep a t t e r np r e p a r a t i o n s y s t e m ，p a t t e r n sc a l lb ed e s i g n e da n dc o n t r o lc o d e sc a nb ep r o d u c e da u t o m a t i c a l l y s y s t e m i nt h el a t t e rs y s t e m ，l o o pc o n f o r m a t i o nc a nb ed i s p l a y e dd i r e c t e l yl o o pw i d t h a n dy a r nd i a m e t e r a n di na d d i t i o n , d i v e r s ek i n d so f p a t t e r nw i l lb ec o m p o s e do fl o o p a n dt u c ka n df o a tt h r e a d 5 t h ea r i t h m e t i co ft y p i c a ld r a w i n gt o o l sb a s e do nw i n d o w sg d ii ss t u d i e da n d e d g et e s t i n ga r i t h m e t i ci si m p r o v e d i no r d e rt os o l v ee f f i c i e n ti nja c q u a r dp a t t e r n s t y l e s ，am e t h o dt h a tr e e l e dp a t t e r no fe a c hj a c q u a r dp a t t e r ni sd e f i n e db y u s e r m o r e o v e r , c o l o u rt y p e sa n dt h es e q u e n c eo fj a c q u a r dp a r e ma r es e tb yo p t i o n l i n e s i nt h i sw a y , w ec a no b t a i nm i l l i o n so f j a c q u a r dp a t t e r n 。r e s e a c h i n gf u n c t i o no f s u b r o u t i n et os o l v et h ed i f f i c u l tp r o b l e mt h a tc i t e a n d - r e t u r nw e a v ei sc o r r e s p o n dt o t h ec a l c u l a t i o n 。 6 i nt h ew h o l ec o n t r o lo ff l a tk n i t t i n gm a c h i n e ，ac l a s s i f i c a t i o nc o n t r o lm e t h o di s a d o p t e do w i n gt oag r e a tl o to fc o n t r o lc o m p o n e n t sa n dc o m p l i c a t e dc o n t r o lo b j e c t s t h ec o n t r o ls y s t e mi sm a d eu po fm o n i t o rl e v e l ，c o o r d i n a t ec o n t r o ll e v e la n d b o t t o m l e v e l a r mi st h ec e n t e ro fm o n i t o r - l e v e l d s pa n dc p l di sr e s p o n s i b i l ef o r t h eo t h e rt w ol e v e l s t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fe a c hl e v e la r ed e s i g n e d i nt h i s w a y , t h ec o m p l e xs t r u c t u r e o fc o n t r o li s s i g n i f i c a n t l ys i m p l i f i e d f u r t h e r m o r e ， e f f e c t i v ea n dc o o r d i n a t e dc o n t r o li sc o m p l e t e db ya r ma n dd s pa n dc p l du s e df o r t h e i ra d v a n t a g e sr e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：f l a tk m t t m gm a c h i n e ；l a y e r e dt e c h n i q u e ；p a t t e r np r e p a r a t i o ns y s t e m ； f a b r i cs i m u l a t i o n ；h i e r a r c h yc o n t r o l i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。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过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：蟑日期：牡 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 三_ 肆导师( 签名) ：磐硷嗍蝉 武汉理工大学博士学位论文 第1 章概述 针织衫以其独特多样的花色、细腻柔和的质感及富于变化的功能等特点深 受人们的喜爱。随着人们对针织产品的时装化、多样化、个性化和高档化的追 求n 1 ，对生产针织衫的主要机种横机提出了更高的要求。然而，自动化高档 针织横机的开发与生产不仅涉及到针织工艺、自动控制及计算机软件等多项技 术，并且对花型设计系统软件、控制系统及配套零部件的设计和制造加工工艺 有着严格的要求，因而它的开发生产需要多方面的技术及巨大的资金投入。德 国、日本及意大利等国家在横机生产技术方面占有领先地位，但也存在许多不 足之处，如控制器与花型设计系统分离程度不够，导致专用性太强；对代表针 法的编织符号没有进行科学分类，使其对操作人员的要求过高；系统体积庞大， 造价高等。目前国内企业虽然可以生产功能较为齐全的针织横机，但与国外生 产的横机相比较，在性能、质量、自动化程度等方面差距甚大，无法满足国内 针织产品生产的需求。 因而研究表示织物针法符号的科学分类方法，研究分层绘图及分层控制技 术，不但为开发横机独立、通用的花型设计系统及自动控制系统提供技术基础， 而且也是横机实现全自动化、高智能化的关键技术。这些新技术不仅仅为开发 具有强大功能和高性价比的自动化横机提供技术支持，同时它对纺织业其它机 械的自动化生产同样具有指导意义。 1 1 横机的特点及发展概况 1 1 1 自动化横机的技术特点 横机是一种双针床的纬编平型针织机，是羊毛衫生产的主要机种乜】。二十世 纪初出现了机械式控制横机n 1 。到了7 0 年代，随着电子技术在横机上的应用出 现了自动化电脑横机，随后由于控制技术和计算机技术的不断发展，横机不断以 新的面貌出现口劓。与一般的机械式控制横机相比较，自动化电脑横机有如下技 术特点5 卜n 们： 1 ) 电子选针技术 武汉理工大学博士学位论文 自动化横机普遍采用电磁选针装置。能同时在前后床实现单针选针和三针 道编织功能。通过选针技术与三角变换、针床横移等技术相配合，使电脑横机 能编织千变万化、新颖独特的花型。 2 ) 自动控制技术 自动化横机在编织过程中，从送纱张力、换纱、花型变换、线圈长度变化 到牵拉张力；从起口、收针、放针到分离横列都实现了自动控制。衣片的所有 信息包括编织的工艺参数及花型数据都能预先设定并在编织过程中得到控制； 同时，编织过程中的状态及参数都实现了自动显示及监控。 3 ) 花型设计技术 与横机自动化编织系统配套的花型设计系统是横机实现从产品设计到衣片 编织自动化必不可少的部分。花型设计系统可接受外部导入的吓数图或是花型 图，用针法符号编辑成期望花型图后，通过其编译系统直接生成机器指令，输 出给控制器。 1 1 2 国内外自动化横机技术现状 近年来，横机技术不断更新，先进的自动化横机不断涌现n 。技术先进的 有日本岛精( s h i m as e i k i ) 公司的s e s 系列、德国环球( u n i v e r s a l ) 公司的 系列产品系列及德国斯托尔( s t o l l ) 公司的c m s 系列n 2 hn 耵。 日本岛精的s e s 系列包括n e ws e s c s 、n e ws e s f f 、n e ws e s s 和n e ws e s r t 等。目前新型横机针床宽幅为：2 3 0 0 m m - 2 5 0 0 m ，窄幅为： 1l o o m m - 1 3 0 0 m m 。宽度较以前没有明显变化但系统数有所增加，最高的有8 系统 n 4 1 。机号发展到1 2 针2 5 4 m m ，岛精公司提高到1 8 针2 5 4 m m 。普通的v 型横 机具有两个呈一定角度的针床，先进机型引入辅助针床，有利于全成形或整体 编织，岛精公司的s e s l 2 2 r t 横机和s w g v ( 岛精整体编织) 型横机均有两个辅助 针床。综合起来，岛精横机的特别技术主要有n 5 h 捌：( 1 ) 压脚及沉降片技术。 采用弹簧式沉降片，对线圈提供柔和的推动力。在来回编织和翻针移圈时执行 独立的开关调节；结合永久关闭式沉降片，压脚能特别有效的提供可靠的下推 力去编织罗纹。( 2 ) 复合针技术。采用特别粗针距织针，横机上首次用复合针 技术使织针动程减小，提高了效率。( 3 ) 密度控制技术。每支织针都可被控制 2 武汉理工大学博士学位论文 编织松紧线圈，并在需要时可瞬间改变，这不同于渐进式调节。( 4 ) 网络管理 技术。有生产在线管理系统，编织资料可上载、下载及分配，高速以太网可管 理2 4 0 台横机。( 5 ) 多系统和多针床技术。r t 四针床系统可实现多方向移圈翻 针功能，丰富了成型和综合编织的花样；并联机头，四系统和六系统横机有双 机头，每个机头内有两组或三组双三角系统，可连成四或六系统织宽幅，也可 分开为两系统或三系统来同时编织两片同样的布片，运作灵活。 德国环球公司的m c 系列包括精巧机型、中型机、大型机、经济型和成衣专 门型。其技术创新主要有n 钉1 删：( 1 ) 五功位选针技术。选针为电磁开关无接触 式。五位编织指的是长短成圈、长短集圈、不编织。使每个线圈和集圈的长 度得到精确设定，避免来回空程。( 2 ) m e - - 8 0 0 系列都装有一体式轻合金机头， 机头可以合并与分拆。( 3 ) 纱线控制技术。送纱由四条双面导轨和导纱盒组成； 喂纱装置是主动的，确保生产时张力均匀；沙嘴在编织前按衣片大小自动定位 在最佳位置；导纱装置高度可调，纱线探测器感应到大结头和断纱，启动指示 灯，探测到小结头时自动减速( 4 ) 沉降片技术。装于前针床的专利沉降片能按 每个三角系统分六级不同的位置调节，使新三维立体织物、成型织物和纯毛绒 织物及特殊工业织物的编织得以实现。( 5 ) 罗拉控制技术。主罗拉和副罗拉装 置能分别在编程中设定，罗拉压力随衣片宽度自动变化，编程控制的罗拉自动 快转能拉紧织物，反转能放松织物。 德国环球s t o l l 公司c m s 系列包括基本型、紧凑机、大型机和特殊型。其 各自特点为：( 1 ) 基本型。灵活实用，机器具有单针选针和分针功能，可以一 个机头工作也可分机头工作。( 2 ) 紧凑型。高效，适用于全成型产品的生产， 同时也适用于粗针编织或特殊尺寸的产品生产；有一个机头或两个机头，三个 或四个系统，c m s 3 3 0 t c - r 机型带有辅助针床；具有切夹纱装置和s t o l l 的分段 控制牵拉装置以及牵拉梳。( 3 ) 特殊型。可以编织所有在s t o l l 花型创意范围 内的花型：即s t o l l 多针距同一织物上不同的针距效果，s t o l l 可变针距一 一不用换针和换针板即可在同一机器上编织出不同针距效果的织物；s t o l l 多层 织物编织过程中可同时缝合和编织新的花型效果；s t o l l 织可穿技术。( 4 ) 大型机。编织能力强，可以达到整个针床宽度的特别的花型款式；适合一个机 头或分机头使用，两个、三个或六个系统n 巩乜。 总的来说，国外先进的横机机型丰富，功能强大，且各自具有自己的特色 和技术优势。但也还存在一些不足之处，主要表现为：( 1 ) 专用性强。各厂家 3 武汉理工大学博士学位论文 生产的自动化横机从机械本体、控制系统到花型设计软件都是专用配套的。不 具备通用性及可移植性。( 2 ) 对使用系统的人员要求高。横机的花型设计系统 都与专用控制机器配套，所以要求设计者使用专用的花型编程语言，这就要求 花型设计人员具有丰富的针织专业、自动控制及计算机等多方面的知识。( 3 ) 系统庞大而复杂。这主要是由于花型设计软件与控制器分离程度不够而造成的。 通常花型文件运行在作为监控器及控制器的p c 机上，这样使得横机的成本提高 并且体积增大。( 4 ) 控制精度不够高。机头及针床控制多采用半闭环控制。随 着编织花型的复杂化及整个横机生产的高档化，对控制精度要求相应要提高。 ( 5 ) 系统价格高。由于系统对设备的专用性强，这意味着必须同时购买设备和 系统。因此系统卖价高，动辄几十万甚至上百万。 国产主要横机有：南京天元数控设备制造有限公司海安天元电脑制造厂的 天元牌自动化电脑横机，东莞环星国际股份有限公司生产的环星牌微横机，张 家港盛美公司生产的飞虎牌s m a 和s m c 横机系列以及红旗、野马牌横机等。下 面说明一下国产横机的技术发展状况n 引凇矧： ( 1 ) 电子选针技术 国内自动化电脑横机普遍采用的是电子驱动的有触点机械选针方式。选针 器上有6 一1 0 段选针。如飞虎牌的s m c 一5 1 2 s c 的选针装置是单项六段电磁铁选针， 天元牌的选针装置是由特殊电磁铁组成的1 0 段选针器组成。每段选针片刀片有 两个位置，选针器对针床上的织针进行预选针，一次选针，二次选针，通过三 角的配合作用使得织针处于编织所需的成圈，集圈，浮线三个不同的位置，实 现不同的线圈编织形态。 ( 2 ) 机头组件 国内横机机头组件以机械结构控制为主，一般是单机头双系统，也有双机 头单口和单机头双口系统。机头通常由a c 伺服电动机与齿规皮带系统驱动，机 头可依据编幅自动调整行程。嵌在底板上的主要三角有：织针三角、翻针三角、 度目三角、清针三角、导针三角等。被选中的织针按照各种轨迹运动，在同一 行内可同时执行编织、吊目、不织三种针法；翻针不受机头运行方向限制，可 前翻后、后翻前、前后对翻。 ( 3 ) 针床及针床横移 国内自动化横机的针距常见的规格有7 g 、1 0 g 、1 2 g 、1 4 g 和1 6 g 殴4 1 。一般一 台横机只有前后两个针床。针床横移是通过伺服电机或步进电机驱动，滚珠丝 4 武汉理工大学博士学位论文 杆带动后针板横移的，横移针距根据制造厂商不同从2 到7 针不等。这种结构 织物要求收针时编织速度比较慢。 国产的自动化电脑横机起步较晚，技术还处于消化、吸收与跟进阶段，无 论在性能还是外观等方面上都无法与国外机器相比。 1 2 横机实现全自动化编织的关键技术 1 2 1 计算机花型设计技术 随着人们对穿着需求及生活质量的提高，针织衫向着时装化、多样化、高 档化发展，而在针织衫上点缀千变万化的花型、图案，可以使一件原本普通的 羊毛衫变得生动、个性化乜钉。然而花型图和意匠图设计是一项费时费力而且直 观性强的作业技术嘲1 。先进的计算机软件技术、图形处理技术和信息处理等技 术的迅猛发展，使得功能强大、使用方便的花型设计系统的设计与实现成为可 能例。它既是横机实现全自动编织必不可少的环节，也是其自动化、智能化程 度的标志。采用计算机花型设计系统有以下几个优点嘲：( 1 ) 节省了劳动力， 减轻了劳动强度，降低了成本。不需人工画意匠图、制作花板。避免了许多重 复性的劳动，一人上机操作就可完成花型设计的全部工作，满足整个车间的生 产。( 2 ) 提高了花型处理速度，提高了生产效率。从花型输入到产生编织的控 制信息，仅需不到一分钟的时间，这是手工方式所无法比拟的。( 3 ) 缩短了生 产周期。从花型设计到成品生成，仅需几十分钟至几小时，有利于花色品种的 更新，增强了产品的市场竞争力。 当今国际上最先进的花型设计系统有日本的s h i m as e i k i ( 岛精) 的s d so n e 花型设计系统，德国s t o l l ( 斯托尔) 的m 1 花型设计系统和德国的u n i v e r s a l ( 环球) 的花型设计系统啪1 。这些先进的花型设计系统大都具有花型设计、自 动生成编织控制程序、织物结构模拟、模特预穿衣和模拟编织等功能。但是 这些针织毛衫花型系统是各横机生产厂商为自己的横机推出的配套产品，只适 用于配套机器，而且需要用专门的编程语言。国内有一些高等院校、科研机构 也致力于花型设计系统开发，如中国纺织大学图像中心，张家口燕兴机械厂及 邢台塔茨米厂等。从起步到现在也发展较快，某些功能模块颇具特色，如友好 的汉化界面、简易的操作等。产品涵盖了毛衫设计、编织效果模拟、编织工艺 武汉理工大学博士学位论文 计算、工艺单编辑等方面的功能。东华大学信息学院研制开发的花型设计系统 采用面向对象的程序设计技术，以b o r l a n d c + + 的o w l 作为开发工具，在 w i n 9 5 环境下编制，可实现一些针织结构的静态模拟仿真。对于纬平针、罗纹 等基本组织建立线圈模型，在模拟时可直接调用；对于较复杂的结构花型，如绞 花，采用扫描真实图片，划分成组织单元，制成灰度图象，在模拟时，置换成 所需颜色，拼接成衣片的花型排列。但系统在设计与生产相结合，智能化，集 成化，网络化方面做的还远远不够，它们主要是结合自己开发的机型，模仿国 外软件实现部分功能m 1 。 综合起来，现有花型设计系统存在的不足主要有口l 】3 羽：( 1 ) 不具备通用性， 对设备专用性限制严格。横机花型系统一般都是生产厂商针对自己的机器专门 设计的，和设备联系紧密，不是对任何机器都适用的通用型系统。( 2 ) 对针织 专业知识的依赖性强。由于对表示针法的编织符号没有很好的归类并用形象化 的图形符号表示，使得设计人员既要熟悉针织工艺过程还需记忆大量符号。( 3 ) 系统卖价高。这也是由于专业性太强造成的。一个横机系统需开发专用的花型 系统，这本身就增加了造价成本，另外它没有竞争对象也是卖价高的一个因素。 1 2 2 横机自动控制技术 在编织过程中，控制对象多且复杂，为使众多的机构协调工作，需要有一 个整机控制系统口3 l 。它是自动化横机运作的指挥中心，根据编织要求输入的花 样文件和来自机器的同步信号，及时发出各个控制指令，以实现编织所需的各 个特定动作，自动完成编织。横机实现自动化的关键技术之一就是计算机技术 在横机上的应用，使横机由机械式控制成为自动控制口制。 横机自动控制系统具有以下特点聆司：( 1 ) 程序控制。当电脑横机的机头在 编织区每移动一步，都会触发不同的信号( 如针同步信号和行同步信号) ，从而触 发各控制系统不同软件模块的执行，达到控制选针、导纱、三角、密度等的目的。 因此，横机控制系统实际上是一个按机头行程来控制的程序控制系统。( 2 ) 开关 量控制。横机控制系统中相当一部分执行机构控制量的形式为开关量控制，如选 针电磁铁的摆动、三角的进出和平面摆动、导纱选择电磁铁的吸着动作等的控 制。这种控制方式，控制器所控制的元件动作与否，可看作是一位o 、1 开关量或 两位开关量控制驱动的，利用脉冲触发控制，使用时较灵活、易于实现，而且精度 和可靠性高。( 3 ) 采用控制电机。在新型自动化电脑横机的控制系统上，越来越 6 武汉理工大学博士学位论文 多的采用控制电机，这是由于控制电机精确度高，可信度高，并能对信号作出快 速响应，加上其功率及体积小，重量轻，可以使控制机构紧凑而可靠，例如采用伺 服电机控制机头往复运动，可充分发挥此种电机灵敏度高，响应速度快，对控制 信号反应灵敏等特点；采用步进电机控制弯纱深度、针床横移及压脚运动，也是 利用该电机适应范围广泛、精度高、惯性小等特点。 目前市场上的横机控制器大多数采用单片机做主处理器或者以工业控制计 算机为基础开发，也有采用3 2 位处理器a r m 和群组单片机组成的控制系统嗍。 采用单片机做主处理器，系统功能弱，集成度不高，抗外界干扰能力较差，不 利于复杂环境下的横机编织。以工业控制计算机为基础开发的横机控制系统， 主程序在工控机上运行，处理速度快，运行稳定，但正常工作时，由于前端控制点 所需要的信息量很大，要求反应时间极短，其控制精度不高、体积庞大啪1 。 国内横机的控制系统都是基于w i n d o w s 下的工控机控制系统嘲。国内厂家 主要通过消化国外先进的控制器技术，模仿生产出产品，因而缺乏自己的特色 和优势。同时，这种过份依赖国外产品和技术也是导致国内电脑横机发展缓慢 的主要原因。因而研究自动化横机自动控制技术，开发性能稳定、功能强大的 横机自动控制系统具有现实意义。 1 3 本文研究的目的及主要内容 本文主要针对现有横机花型设计系统与控制器分离程度不够，自动化程度 不高而成本高等问题，旨在对横机实现全自动编织的花型设计技术及自动控制 技术进行研究，以此新技术为基础，设计并实现一个操作简单、功能强大、性 能稳定的横机全自动编织系统。系统利用计算机辅助花型设计系统先对输入的 花型图进行编辑及各类工艺参数的设置，然后经系统自动编译后转化为横机控 制器能够识别的文件，通过软盘或者网络传输到横机控制器中，控制器根据接 收的花型数据协调指挥整个织物的编织动作，从而实现整个编织过程的自动化。 花型系统最后可生成多种格式的数据文件，以适应横机不同的控制器，同时控 制器也能读取多种格式的花型文件。 本文的将要开展的主要研究工作如下： 1 根据花型图绘制及编织工艺的特点，研究编织符号的科学分类方法。花 型图既要能准确地表达花型结构，又必须包含完成此花型的所有编织信息，因 7 武汉理工大学博士学位论文 而对针法进行科学的表示、分类及管理，既能使花型绘制灵活、多样，又可以 降低对用户的要求。 2 结合w i n d o w sg d i 研究典型绘图工具算法。同时，针对现有许多花型准 备系统对提花的控制只是实现了纵向抽针花样的设定，而横向却无法设定这一 问题，将研究全面的提花控制方式。另外，就使用普通纱嘴来做引塔夏组织时 必须考虑纱嘴的避让这一问题，将对引塔夏设计方法进行研究。 3 研究新型的基于w i n d o w sg d i 的图形编辑系统软件结构，建立良好的类 管理模式。综合应用面向对象的程序设计和分层绘图的思想体系，研究花型设计 系统绘图引擎模型。研究大数据量的位图数据处理方法和绘图速度解决方案。研 究并设计一个功能强大且操作简单灵活的图形编辑系统。 4 研究意匠图自动形成模型和编译方法，为花型设计系统与控制器分离设 计提供技术支持。为实现花型图到意匠图的转换，研究高效的转换规则及合理的 数据结构，方便用户查找和添加数据并节约存储空间。采用简单的语句模式，方 便用户读写程序指令，设计高效的指令生成规则，实现程序指令的自动生成。 5 以p i e r c e 线圈模型为基础，研究线圈基于几何结构模型的分层绘图方法。 研究成圈、集圈和浮线三种基本模型的建立及其绘制方法，将设计一个纬编织 物组织动态模拟系统。 6 针对横机控制部件多，对象复杂的特点，研究横机整机自动控制技术。 研究并设计以a r m 为中心的组织监控级、d s p 和c p l d 控制的协调控制级和底层 执行级组成的横机控制系统。 1 4 本文的组织结构 本文共分为六章。 第1 章概述。首先介绍横机的技术特点及其国内外发展状况；接着对横机 实现自动化的两大关键技术的作了说明并对其现有技术的优缺点进行了分析； 然后提出本文研究的目的，明确本文研究内容；最后给出整个论文的组织结构。 第2 章纬编织物基本编织工艺及元件分类。本章首先简单介绍了自动化电 脑横机的结构；接着结合纬编织物的几种基本织法说明其编织的工艺过程；然 后介绍了纬编织物组织常用的表示方法、经典分类及其工艺；最后定义了各类 元件符号，对编织元件进行了分类，并对纬编组织( 布纹) 进行了重新划分。 8 武汉理工大学博士学位论文 第3 章基于分层体系的绘图引擎模型研究。本章在分析了图形编辑系统中 编织符号的2 种表达方式优缺点的基础上，提出了一种分层体系的绘图模型； 接着研究该分层模型的建立过程；然后研究了线圈的皮尔斯线圈模型，提出了 采用分层绘图的绘制方式，并建立了分段分层的绘图模型。 第4 章自动化横机花型设计系统的研究。本章首先分析了花型设计系统的 功能；接着介绍基于分层体系及面向对象的绘图引擎的设计过程；然后介绍编 译模块功能的实现；最后介绍了一个基于线圈几何模型的花型设计子系统的实 现。 第5 章自动化电脑横机分层智能控制系统的研究。首先在分析了横机控制 系统需求的基础上，构架了整机控制系统的三级控制方案；然后介绍每级控制 电路的硬件配置、软件设计。 第6 章横机自动编织系统应用实例。本章通过典型例子说明花型设计系统、 线圈模拟系统及控制系统的使用过程。 第7 章总结与展望。对整个论文所做的工作作一个总结；对本论文还进行 的工作指出其研究方向。 9 武汉理工大学博士学位论文 第2 章基本组织编织工艺及编织元件分类研究 自动化电脑横机能够编织出各种时尚而又独特，且花纹不受限制的针织产 品。但无论其组织结构如何变化，都是由一些基本的针织物组织结构单元，如 线圈、浮线、集圈等复合而成的。这些组织是通过横机在编织时编织的基本动 作，如选针、收针、放针、成圈、翻针、移圈等来实现的。自动化横机由程序 控制电机运行来带动机头移动，通过机头三角斜面作用于横机舌针的针踵上， 迫使舌针在针槽内有规律的上升和下降，并根据选针的不同走针轨迹来完成不 同针织物线圈单元的编织。因而首先必须在了解、分析横机的编织工艺的基础 上，针对计算机辅助设计的特点，研究表示针法的编织符号及其分类方法，为 后面花型设计系统中分层绘图模型的建立打下基础；并且传统的纬编织物组织 分类方法不一定能科学的表达织物结构，结合全自动化、高智能化横机的特点 对织物组织重新分类进行研究。 2 1 自动化横机系统简介 2 1 1 横机的组成 自动化电脑横机主要由以下几个部分构成：横机机身、针板、机头、罗拉、 纱嘴、引线装置削。见图2 一l 。 ( 1 ) 横机机身：电脑横机机身主要起支撑作用，要求机身有足够的刚度。 ( 2 ) 针床：针床上有间隔均匀的针槽，用于放置织针。 ( 3 ) 机头：机头上面装有选针器、电磁铁及各种三角，通过它的运行，完 成选针、调节编织物密度，控制纱嘴的停靠位置，通过三角驱动织针完成编织 动作，控制编织物的编织宽度。 ( 4 ) 纱嘴：纱嘴的作用是把纱线准确地喂入舌针的针沟里。 ( 5 ) 罗拉：罗拉通常都是通过一对牵拉辊进行牵拉，以保证编织物上已经 形成的线圈能被及时的拉下，以免浮在针床上影响后面线圈的形成。 ( 6 ) 引线装置：引线装置的作用是保持纱线一定的张紧力。 1 0 武汉理工太学博士学位论文 图2 - 1 全自动电脑横机 212 横机机头组件及基本编织工艺 1 ) 电脑横机机头结构 机头是自动化电脑横机最复杂部件，是完成编织的核心装置。图2 2 为机 头各部件分布的平面图“，图2 3 为机头前床结构示意图“。 横机机头分为两个系统，图2 2 中机头中心线的左边是一系统，右边是二 系统；每个系统又分前床、后床，用虚线分开。机头上共装有8 个选针器，前 面选针器编号是1 、3 、5 、7 ，后面为2 、4 、6 、8 。其中，1 和2 为第1 组，3 和4 ，5 和6 ，7 和8 分别是第2 、3 、4 组。四组选针器之间的针距是不同的， 第1 组与第2 组之间为6 7 针，第2 组与中心线之间为9 针，中心线与第3 组之 间为9 针，第3 组与第4 组之间为6 7 针。机头上各器件的具体分布见图2 3 。 机头的初始位置是针床的右端。按照编织程序，机头可沿针床移动到任何 位置，可根据设计所需的横列数和变化的织针数往复运动，当某段编织过程完 成后，机头可按任何方向被驱动到新的位置。机头的这种运动方式有两个主要 的优点： ( 1 ) 横机可以在各个位置进行编织，大大丰富了织物的花型。 武汉理工大学博士学位论文 动。 图2 - 2 机头平面图 ( 2 ) 机头以同样的线速度移动，提高了编织过程的效率，减少了无效的移 图2 - 3 机头前床结构示意图 1 2 武汉理工大学博士学位论文 各部分的名称及作用如表2 1 所示h 射。 表2 1 动作三角名称及功能 号码名称功能 可以垂直底板作进出运动，作用于经选针器选出的选针片，将 l 选针推针三角 选针针脚推往a 位置 与针脚正对，未选中时把针脚压下，被选中时会发生偏移。选 2 选针片 针器作用于选针片，选针到a 或h 位 固定在底板上作用于经选针器选出的选针片，将选针针脚推往 3 选针导针三角 h 位 使那些被选针器压推去的选针片，回复原来的位置，使选针器 4 选针归位三角 能够选针 5固定不织压片 作用于b 位置之选针针脚，使之形成不织 6 吊针压片作用于h 位置之选针针脚，使之形成吊目 7 推针三角( 碟山)将针脚推至织或吊目位置 8接针三角翻针时接针针脚所行轨迹的三角 作用于h 位置之选针针脚，使之“在翻针时接针”或“在二 9 半压片 段度目中吊目” 1 0 中山( 天山)将经由推针三角推到织位置之针往下移 1 l 翻针推针三角翻针时针脚上升之三角 1 2 度目三角上、下移动调整度目 1 3 导针三角将a 位置选针移至h 位置 1 4 选针清针三角将已被移至h 位置之针脚移至b 位置 1 5 翻针导针三角与翻针推针三角同时使用，翻针时引导翻针针脚下降之三角 1 6 二段度目压片作用与使用二段度目时 2 ) 纬编织物基本组织单元的形成 纬平针织物一般在采用钩针或舌针的纬编针织机上编织，自动化横机上使 1 3 武汉理工大学博士学位论文 用的是舌针。通过各功能三角的运动，使针脚走不同轨迹而形成各种编织动作。 其基本编织动作有成圈、集圈、移圈和浮线，下面分别介绍其形成过程。 ( 1 ) 成圈编