（检测技术与自动化装置专业论文）电脑绣花机运动控制研究与应用.pdf

硕士论文 电脑绣花机运动控制研究与应用 丁 七 e co mp咖 e m b ro i d ery n 龙 ic hi n e ls w o rkprin d p l e i s d e 因汕y an al y z ed， 叨d with th e 加 n 比onr equ estofth e n la c 址 ne仙d th e mo stnewt echoo l ogy inth e o n b edd edfi el d， 山 e c o n 。 o l s y s t e m ls pl a d b n nb a s edonth e ，s 3 c 2 4 1 0 a+c o n s y s l 山 u x + q 泥m b edd ed” 15 desi gned this田 五 c 1 e h asm ai uly studi edth e es tablish m ent ofe m b edd e d g ra p h s ys t e m d evel o p p e d env ir o lnne n 丸 c hi n 已 记 ， a d apt e d re 目 1 zati onofth e e n tire g u i s yste mand th e colr ip u 橄e m b roid 叼 双 口 c 场 n e mover q e n t p artc oor d in a ti onc o ” tl o 1 . 丁 七 e esta b lish m ent fo r 。 叮 b e d d ed ” 1 旧 g es yst e md e v el o 户 刃env ir o 功 rn e n t is山 em o s t b as i cs t e pin the ent ire d e v elop m e n t now， th ep n 兄 es sof es tabli s 加 tn e n tfor un u x 口 。 5 村姐甲 】 l erenv i ro 切 叮 ent and切正m b edd ed 目 ra p hs y s t e 功dev el 0 p p ed e n v 让 n m e n t is 加 仃 阅u c ed.了 五 ec hi n es e- a da p t e d记 山za t l on fo rg l 几sy s t o nis oneof c o m p u t e r e m b ro l d a 了亡 以 c 肠 由 e 加 n ctionr equ e s ts ， p ro p o se d th e c h 由 e s e- a d apt ed代 汾 1 血 刀 t i onfo r g u i s y s t e mwith幻 胃 o m e th ods . r e g a rdl n g the c o m p u t ere m b ro i d ery n 妞 旧 肠 由 e for c oor d l n a 石 on moti on c o n ti d i ， 。 刃 。 k i n dsofcon tl o l th ousht 畔 p r o pos ed; the m o ti on c o n tr o 1 ofp ri n c i p alaxismotor、五 z m e mo tor、c 。 】 优c h 阳ging motor、枷e s h e er in g moto r and allp artofc 0 0 r d i n a ti onisr 已 习 i z ed. a 刀 。 th er， inv l e wofth e 。 卫 b 印 i d e r ed丘 别 叮 eofs t e pm o t o r for moti on c o n tl 勺 1 ， 腼p ro v ed 口 p i d p 理 c isionli n “ 江 1 n t e r 沁 l ational g o ri t h m 目 grid m e th odisp r o p os ed， withr 已 al l zing s te p 双 旧 切 rv ariabledi s 切 叮 c ei n terpol a ti o n . 50， itisl m p r o v ed punin the i i n eti ghtn es s， 别 r o u 】 。 口 eou sly 在 月 u c ed th e b m k en li d e 口 te ， p r e v ent ed s tep motor toto ses te pandb as flus h 曰山 e phe n o m e n on， r edu ces the el ec trical lnac 枉 邑 e ryth e revo l u d onn 0 1 s e . atl as t s o ll 记q u es ti o nsinthe p 双 兄 e ssofth e s y s t e m )s d ev el o p m e n t are c ond u d edan d 比 e elnp h asesofthe nex t d e v e 10 p 州 t 阳d n 绝 昌 即 rc h onth e c o n ip u ter e m b ro i d 。 了n 口 c 坛 刀 e a r e p ros pec t ed. k e y w o r d : c o m p u te r e m b rd l d ery ma c h in e ，u即x ，q正m b “ id ed，m o v e 刃 q e n t c o n tr o l ， s t e p m o 往 )r ， u n ear 玩 terpol a ti on 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， 不包含其他人己经发表或 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:2 佣 了 年 7月10日 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: “ 呵年 7 月 10 日 硕士论文电脑绣花机运动控制研究与应用 1 绪论 l l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、家居用品及其它领域扩展， 手工刺绣己 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 ” 阅 。 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70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， 是一种体现多种高新科技的机电产品川 。目 前世界上著名的电 脑绣 花机品牌有日 本田岛 ( t aj加a)公司、百灵达田a r l j d a n ) 公司、兄弟(br o t h e r ) 公 司， 德国 蔡斯克 (zsk)公司 、 百 福 田 f a 刊 印 公司， 韩国 的日 星 (s w 习 公司 等 iij . 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3 。 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犯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 川 即 31 、 . 1绪论硕士论文 1 2 电脑绣花机运动控制的国内外发展与研究现状 1. 2. 1国 外的发展与研究现状 目 前国外绣花机的平绣速度普遍已 经达到8 0 0 一 1 叨冲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 度己 经 达 到 n o 0 r p m ， 运转时 的 噪 音 明 显 下 降; 毛巾 绣的 绣 花速度最高 可达6 00rp m 。 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各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 本田岛公司某一款电 脑绣花机在运动方面的一些领先技术tll lz t4 。 (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1100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，有助于高速性能及提高静音效果。 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)o 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 )田岛的 选购件 自 动整匹 绣装置( a 卫 c ) :能提高整匹绣的索质及完美性. 高速绳绣装置( k b 一 z m ) :配合两种不同装置， 可刺绣出多元化效果绳带刺绣。 高速珠片装置: 刺绣业首次突破以 3 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1 000 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，并能大大降低停 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 00 x600点彩色t 曰，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12. 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 2 硕士论文电脑绣花机运动控制研究与应用 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、生产时间、 数 量及停机原因等。可运行于u加x 系列操作系统上。 i j j 国内的发展与研究现状 国内电 脑刺绣机在机械结构的用材、 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， 因此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131 14 。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。 这也就是说， 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 行效果。 (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 111 。 当 前 国 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 方便阔 . 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， 协调发展 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 1绪论 硕士论文 动绣框负载后， 在启动时必须有一个升速过程， 才能保证有足够大的力矩带动绣框和 防止丢步， 在停止前必须有一个降速过程， 以防止骤停时的惯性给机械传动结构造成 强烈冲击。 研究绣框电机升降速的控制算法非常重要， 这关系到运动配合的准确性和 绣品质量。 针对以上研究问 题，本论文共分8 章，章节安排如下: 第一章简要介绍本课题的研究背景及意义以及当前国内外电脑绣花机运动控制 部分的研究现状，对本文的研究内容和组织结构进行了说明。 第二章主要介绍电脑绣花机的运动原理和运动控制部分的基本对象和基本功能， 这将为以后几章介绍协调运动控制及其软件部分的设计打下基础。 第三章主要介绍如何建立嵌入式系统的交叉编译开发环境和 q 泥mbe d d ed 开发 环境。 第四章主要介绍qt 的 语言工具，该语言工具支持多种语言环境。 在此基础上， 详细介绍了如何使用qt的 语言工具以 及实现界面系统的 界面国际化的步骤。 第五章详细说明协调控制原始花样文件的各部分含义以及如何处理原始花样数 据文件; 在了解花样文件基础上， 介绍了电 脑绣花机三轴协调控制原理， 用两种方法 分析、控制三轴协调。 第六章主要在第五章协调控制原理的基础上， 介绍主轴运动、 绣框运动、 换色运 动和剪线运动控制以及各运动部分的协调总控制的软件实现。 电脑绣花机运动控制系 统是整个系统的核心部分. 为了实现高速性和实时性， 本系统采用定时器中断方式处 理各个运动过程。一 第七章主要介绍直线插补的原理以及改进的一种快速高精度的直线插补算法一 网格法。 在此基础上， 分析绣框步进电机的运动方式以 及如何在电脑绣花机实时控制 中，实现步进电 机变步距插补，并且以例说明了如何使用该原理。 第八章对全文的工作进行总结并给出了对未来工作的展望。 硕士论文电脑绣花机运动控制研究与应用 2 电 脑绣花机的 运动原理简介 本章主要介绍电 脑绣花机的运动原理和运动控制部分的基本对象和基本功能， 这 将为以后几章介绍协调运动控制及其软件部分的设计打下基础。 2. 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pc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它介质， 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 机的 配 合 运动， 从 而 绣出 各 种 花 样 川 12 211， 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 仪 砂 面 n 左右， 主 轴角 度在 某两 个角 度只 一 风 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 124网. 图 2. 1 电脑绣花工作流程 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111 1211。 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x 、 y 方向 运动而得到的 124， 其工作流程如图 2 .2 所示。 图 2 2 电 脑绣花机工作流程 2电脑绣花机的运动原理简介 硕士论文 2. l i电 脑绣花机刺绣部分的运动原理 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【24 m 271。 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90。，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700 rj m in 时，正常刺绣运转噪音约在82db以 下): l2 8 。 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 针杆 在一 定的 行 程范围内以 一 定 速度 进行 上 下 运动 完成 刺 绣动 作 12 四. 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 00 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 5565inm ) ， 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12 ， 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)。 图2. 3 刺绣动作框图 2. l 2电 脑绣花机移框部分的运动原理 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( 该图形己 通过磁盘等输入电 脑) 分别 8 硕士论文电脑绣花机运动控制研究与应用 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. l mm ) ，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，如图2. 4 所示。 衡形带 电 控目 齿形 佑 图2. 4 移框动作框图 1 1 3 电 脑绣花机其它部分的 运动原理 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， 还有其它 几个辅助部分:即换色、 勾线、 气 剪线、扣线部分。 (l ) 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 巧 咖 ) 111 1 151 。 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. 05力 。 刀 q 0. 08砷 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到最小程度， 既满足了自 动换色的 要求 又 最大程 度 地 保 证了 刺 绣图 案的 完整及 准确 111 121。 ( 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 机、 剪线凸 轮、 剪刀、 勾线电机、 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 00) 时， 剪线凸轮亦旋转到零位，剪线电 机开始启动， 9 2电脑绣花机的运动原理简介 硕士论文 传动销进入凸轮槽。当主轴电机旋转到2 93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， 40。50。左右即剪线完成，再度回到1 00。时动刀复位，剪线电机亦 同时停止;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。 剪线电机动作的同时扣线电机动作带动连杆， 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， 勾线电机动作， 上线勾伸出， 在剪线动作完成之后， 经过设定时间之后， 勾线电机释放， 上线勾在复位过程中将己被剪断的上线拉入上线夹， 在此之前剪线和 扣线电磁铁己复位 ，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 .5 ) 。 图2. 5 勾、扣、剪线动作框图 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 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。 运动控制的基本对象和基本功能 咸u 根据电 脑绣花机的运动原理， 要实现完整的 绣花功能， 运动控制系统需要控制以 下 对 象 2 1 。 (l ) p c 1 04f o 端口 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; (5 )剪线电机运动控制; 硕士论文电脑绣花机运动控制研究与应用 (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 机运动 控制系 统实现的 基本控制功能 有1211: . (1 ) 主轴电 机为滑差电 机、变频电 机、交流伺服电 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 00。; 必 能够通过移位针杆箱来换色， 换色由 换色电 机控制， 换色电机为两相小型步 进电机，换色要求精确定位; (3 ) 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; (4 ) 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; (5 )能够控制 机头是否下针，下针由 下针电 磁铁控制; (6 ) 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 间的时隙内完成移似这需 要和主轴电 机同 狗 ; (7 ) 检测限位。 2 3本章小结 本章主要详细介绍了电 脑绣花机的运动原理和运动控制部分的基本对象和基本 功能， 在充分理解本章内 容的基础上， 才能为下面的几章协调运动控制及其软件部分 的设计打下基础。 硕士论文 电脑绣花机运动控制研究与应用 3 嵌入式l i n u x 应用开发环境建立 电 脑绣花机的电 控系统的 主体软件开发是使用q 泥m b edd ed作为应用开发工具。 本章主要介绍如何建立嵌入式系统的交叉编译开发环境和q 此inb曰d ed开发环境。 3. 1交叉编译环境建立 基于u n u x 操作系统的应用开发环境一般是由目 标系统硬件( 开发板) 和宿主pc机 所构成。 目 标硬件开发板用来运行操作系统和系统应用软件， 而目 标板所用到的操作 系统的内 核编译、 应用程序的开发和调试则需要通过宿主pc机来完成( 所以 称为交叉 编译 ) 。 双方之间 一 般通过串口、 并口 或以 太网 接口 建立连接关系20. 对于嵌入式系 统的开发，其基本流程如图3. 1 所示。 图3.1 嵌入式系统开发流程 要产生最终在目 标平台上运行的可执行代码， 何建立交叉编译环境。 现在的嵌入式开发大多是研发小组共同完成， 必须经过交叉编译。 下面将讲述如 因此建议将其中的一台宿主机( 代) l 3 硕士论文电脑绣花机运动控制研究与应用 入抽象层， 它们直接与显示和输入设备打交道， 为核心层提供抽象的绘图接口; 核心 层是一个图形引 擎层， 使用图形抽象层和输入层提供的接口 完成对画线、区域填充、 文本、多边形、色彩等支持; 最上层是a p i 函数接口 层，提供图形应用程序的函数调 用接口 11 双 均 ， 如 图 3 .4 所 示 。 q 龙宜 ib edd ed图形库直接对显卡的帧缓冲f n ” n e b u ffe行 往 行操作，去掉了 对x 窗口 系统的 依赖. q 材 e m b e d d ed图 形库向下使用f 口 叮 记 b u 娜 改 技术，向 上提供抽象的绘图、 事件响应接口 1 211 131 。 应用程序 q 仗厦.b . d d 目 牛 薰黔 应用编程接口a p i q r 厄 .1， 曰d . d 核心层 圈形抽象层与抽入抽象层 图 3 .4 q 泥州 比d d e d 图形库结构图 一个典型的q 尼 m 卜 川 d ed图形库系统通常是由一个s erver 进程和一个或多个 qi e n t 进程组成。 s erve r 进程负责分配显示自己 和c 万 e n 琏程的区域，产生鼠标和键盘 事件，提供对c li en雌程的管理。cllent 进程通过共享内存的方式和s erver 进程进行通 信，请求显示资 源和接收鼠 标或键盘事件121113. 3 j.2q口 e . b edd ed q 比m b 汉 记 ed主 要由 五大部分组成，如图3 j所示。 q 姐m b 曰山 刃还有一些必要的组件作为其支撑，主要包括了一下几个部分: . 恤业el. n或者更高 版本( 生成切正m b e d d ed应用工程的m ake f u e 文钧 ; . q 在m 加 习 d ed ( 切正m 比 d d od安装包) ; . 仓for xll 你 的x n版的 安装包， 它将产生xll 开发环境所需要的两个工 具) q 在灿e d d ed的 开发的 整体思路是围绕宿主机展开， 利用宿主机的资源优势进行 图形的开发。当在宿主机上的开发完成之后，再根据目 标硬件平台，交叉编译 q 四止 山 曰 d ed的 库， 将开 发的 可 执行文件进行交叉编译， 并在嵌 入式硬件设备上调试 运行。 l 7 3嵌入式l in ux 应用开发环境建立 硕士论文 还要注意q 泥mbed d e d 的版本问 题， 存在这样的原则: 的安装包之后， 下一步要选择安装的qtfo r x ll的 版本应比 q tlem b ed d ed的某个版本 q 庄m b edd ed 的版本旧。 . . h别卜 存放编译生成的可 执行文件、包括 叼 卿 飞1 1 编译的q 咧 陌 和亩c 存放给译生成的库 文件和字体库 在这里提供了交叉 编译时用的各种硬 件类型的尽c 编译 器，在交叉编译时 须指明类型 存放编泽生成的头 文件。在生成m 时，库文件和头文 件需指明它们的 路径 存放编译生成的例 子源码和开发文挡 图 3 5源代码组织构架 3 3q ti e m b e d d ed 图形系统的搭建 选用qt进行嵌入式系统的g n u 开发首先需要在目 标嵌入式平台和开发平台分别 安装qt。 在嵌入式系统中安装运行所需的q 健行库， 而在开发平台安装开发所需的 整 个q t 开发环境。 在电 脑绣 花机系统中， 我们所选用的 qt的 运 行库为 3. 1 . 1 版本， 下 面 简 单介绍一下如何裁减和移植嵌入式q t- 3. 1 1 。 从trol l t e c h 的f t p 服务器上下载源代码包: . 枷业 e ， 1 一 13.tar.gz;( 生成q t/em b ed d ed应用 工 程的 m ak e fi le 文件) . qt-emb ed d ed 种 3 :l1 .tar.92; ( q 崛m b ed d ed的 安装包 ) . qt 一 n 份 丘 ee . 3 .0. 0. tar.gz; ( qt的 xll 版的安 装包， 它 将产生 xll 开发环境 所需要的两个工具) 3 沃1建立q 此m b edd ed开发环境 建立q tlem b edd ed开发环境需要做以下几个步骤: 令 安装t 皿止e 在l i n u x 命令模式下运行以下命令: 解压恤x v zf t l l l a k 卜 l 13.tar.92 设置变量 e x p ortt m a k e d ir=$p w d 厄民 水 卜 1 ， 13 硕士论文 电脑绣花机运动控制研究与应用 既 加d 1 ma 丑 卫 p a t h 娜了 m a k e d 卿q w 确n u x ， x86 . 9 + + 既p ortp a t h = $ t m a k e d i r j b in:$ p a 飞 飞 1 以上tar为解压命令， xvzf 为参数 ( x 表示从备份文件中还原文件， v 表示显示指令 执行过程， 2 表示 通 过gi zp指令处理备 份文 件， 滚示指定备份文件) ;设置变量为了 使住 山 止 e 这个工具在编译时能够找到自 己路径。 . 安装q t -e inbed d ed 在u n ux命令模式下运行以下命令: 解压tar x v zfq t -e m b e d d ed. 3 .l.1 :tar 92 cd q t -e m b e d d ed一 3 . 1 . 1 设置 变量 e x po rt q t d 皿=$p w 刀 e x portq注d ir娜q t d ir 盯卯n p 朋附娜下 m a k e d ll u b in :$ p a t h c 又 因n l d ee l mr a r y 奋 p a t h $ q t d if 明 l b :$ 1 刀一 l ibr a r y p a t h t ar 解压命令同 上所述，设置变量为了编译q 此m b edd ed源代码包时，找到它的 路 径，同时找到它的库文件和头文件。 令 安装q 肠 x l l 3 .0 .0 在un u x 命令模式下运行以下命令: 解压tar xvzfq t- xl卜 如 比 . 3 .0.0. tar.92 cd q t ， x l l 一 份 比 . 3 .0.0 设置变量 ex pe rt q t d 工=$p w d e 艾 p ort p a t h = $ 下 m a k 卫 d 瓜 jbin :$ p a t h e x p ort l d ee l ibr a r y -pa t h = $ q t d if 贝 i b :$ l d se l ibr a r yp a t h 配置介加 五 即邝 伽 - 。 p en乡 编译m ake make 一too l 内v fb mvtooi 口 q 而l q v fb b in cp b i 口 u i c $ q ted ip jbl n 恤解压命令同 上所述，设置变量为了 编译q 到 x l l 3 众0 源代码包时， 找到它的路 径， 同时 找到它的 库 文 件和头文件。 c 叨 fi gu r e 在它的 参数中 添加别的 参数主要是根据 来配置开发者的 开发 环 境，因为我们不 需要 三维图形库 ，因此配置参数 -no -ope n gl 。 至此， q 叨 如 由 以 记 曰开发环境就建立起来了。 3嵌入式l ln ux应用开发环境建立 硕士论文 3. 3 2q tlfm b o d d e d的交叉编译 q tlem b edd e d 的交叉编译过程涉及到多个文件， 须通过设置一些重要的环境变量 将它们相互关联起来，具体编译的过程如下: 在选定了 硬件a r 入 1 开发平台 之后，需要在宿主机上交叉编译q 距m b e d d ed for a r m的库文件。 (1 ) 解包q 以 e n l b edd ed。 tarx fz丫 一 emb eded一 3. 1 . l tar.gz ( 2) 设置环境变量 在编译时要先指明q 在m b e d d ed的安装路径( q t d ir ) 、 q 此mbedd e d 的库文件的 安装路径( l d _ l ibr a r y 一 r 抓 只 ) ， 饥 】应e 的安装路径( t m a k e d ir) 。 需要特别注意的是，在交叉编译时还要指明环境变量t m a k e r 订 h ( 用户要将目 标板上提供的编译工具链的路径添加到$ t m a k e p a i ，h 六 m ake. c o lif文件中 ) ， 使其与需 移植的平台类型相一致。 e xp0 rt t ma k 五 到 订h 娜t n i a k e d ll u l l b l q w 叨i nux 一 田 刀 卜 9 + + (3 ) 配置q tlem b e d d ed3 . 1 1 的主要安装选项 q 泥mbedd ed 的安装配置选项有很多个，在这些选项中有一个选项决定了编译 q 泥m b e d d ed库的范围， 即 可以 指定以 最小、 小、 中、 大、 完全5 种方式编译q 泥m b e d d ed 库。 开发者还可以自 己 定 制一 个配置文件， 此处选择一 qc o n fi g( qt 模式 ) 。当指定这个 选项时， q 比m be d d ed库在安 装过 程中 会寻找 $ q t d n 灯 r c 八 0 0 1 5 /q c o 而9 这个文件， 如 果找到这个文件， 就会以 该文 件里面定 义的 宏，来编译 链 接q 泥mbed d ed库。 其次还要指定 交叉编译( 肠 叱 e t ) 平台 ， 这与q 正n l b e d d e dl c o n fi gs目 录下的 平台 类 型文件相对应( 平台 类型文件中也添加了目 标板上的提供的 编译工具的路径) : 戏 p l a d b n 刀 五 加x 一 a n n . 9 十 十 (4) 运行m ake fi le 完整的交叉编译的sh ell脚本如下: e x p ort飞 ma k e d ir = 下 m a k e的安装路径 exp ort l 了 d a k e r 彭 n l =$ t ma k 卫 d ir几b l q w 明 如u x 一a n n 一9 + + e x p 0 rt q t d 琅目 q 此mbe d d ed安装路径 e x p ort r 汀h =$q t d 东 jbi n :$ r 红 h e x p ort l d ee l ibr a r y 未 砰 汀h =$q t d if 阴l b ;$l d to l ibr a r y es r 红 升 硕士论文 电脑绣花机运动控制研究与应用 介叨6 g u 化 一 xpl at fo n 刀加ux-ann-g + 十侣 y s t e m -j p e g 立 旧 d e 一。 q 吻 刁叩 此 4， 8 ， 16，3 2 配置参数 m介 卜 一 q 叼 。 面9 -ke ypad 3 河本章小结 本章节主要介绍了嵌入式 u 皿x交叉开发环境的配置过程、嵌入式图形库 q 此m b ed d ed系统以 及如何搭建q 四m b ed d ed图形系统。 在配制交叉开发环境和搭建 c d d ed 图形系统时， 应该注意各个准备工作及注意事项， 本人也是在多次失败 的 基础上， 总结出 来的。 尤其在搭 建切 正 m b e d d ed图 形系统时， 要 注意指明 环境变量、 安装配制选项及移植平台类型等一系列问题，中间有一点错误，将无法搭建成功。 硕士论文电脑绣花机运动控制研究与应用 4 图形界面的国际化 q 呱m b e d d e d 完 全支持u hi c ode ， 一个国际标准的字符集。 开发者在他们的应用中 可以自 由 地混合使 用 被 u ni c od e 字 符集支 持的 语言， 例如阿 拉伯文， 英文，中文， 希 伯来文，日 文和俄文等。 为了 有助于公司将产品推向国际市场， q t 还提供了将应用翻 译支持多 种语言 环 境的 工具。 本章主要介绍如何使用qt的 语言工具， 实现图形界面的 国际化。 4 . i u 苗c o d e 编码 qt 使 用 q s 苗 n g 存 储 u ni code 编 码 的 字 符串 ， q s tr in 娜代 了 粗 糙 的 const c h 肚* ; 它 提供了 用于处理 q s tri n g 和 c onst c h ar* 之间相互转换的 构造函 数和操作符。 因为 q t 使用 了隐 式共享 ( 写时复 制 ) 技术来减少内 存的 使用， 所以 直接复 制 q s tr in g 的 值是不会产生 问 题的 112。 为 有效 率 地存储a s d 码字符串， qt还提供了 q i二 s tri n g 类。 电为所有要显 示在屏幕上的文本， 包括最简单的文字标签到最复杂的宽文本编辑 器，提供了一个强大的u ni code文本呈现引擎。这个引擎支持一些先进的特征，例如 特殊的间 隔线、 双向 写 和区别 标记t41 。 它几乎支持世界上所 有的 书写系统， 包括阿拉 伯文、 中 文、 古斯 拉 夫文、 英文、 希腊文、 希伯来文、日 文、 韩文、 拉丁和越南文14 。 体现这个引擎的最优化性能的 常用的例子就是: 在带有加速功能的文字的下方显示一 条下划线( 例如r le ) 。 4 j中文界面的实现 ( 1) 方法一 qt提供了 相应的 工具和函数用于帮助开发者以 他们的本地语言推出应用。 要使一 个字符串 可以 被翻译， 你需要把这个字符串作为一个参数放到 tro函数中调用。 例如: s a v ebu tt o n s e 限x t ( 试，sa v e l， ) )