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多功能口袋机控制系统开发 摘要 当今纺织缝制行业是一个劳动力密集型行业，大幅提高缝制质量，提高生产率、改 善劳动条件是人们长期追求的目标。用计算机控制技术改造纺织缝制设备是实现此行业 自动化和无人化生产的必然手段。对纺织缝制机电控制系统的要求是必须有记忆计算、 处理信息、屏幕显示和反馈控制等功能。纺织缝制行业的技术改造已经取得了巨大进展， 如工业切线缝纫机、开袋机、工业布料切割机和绣花机等己相继出现，这些新问世的纺 织缝制设备在传动部件、机构等方面都做了精简，嵌入了计算机控制系统，使设备精度 和自动化水平得到了极大提高，减轻了劳动强度，提高了劳动生产率。 本课题是一个具体的工程项日，控制部分由太原大豪益达电控有限公司设计，机械 部分由浙江绍兴一天服饰有限公司完成。 多功能口袋机适用于高速缝制牛仔裤后袋、其它各种口袋、里襟、门襟等：并且具 有生成简易缝制文件的功能。多功能 j 袋机属纺织缝制设备的范畴，它兼具绣花机和缝 纫机的部分功能，与电脑绣花机属同一系列产品。本控制系统填补了国内相关产品的空 白，结束了本产品需要进口的历史。 本文从受控对象实际出发，研究了定位控制的理论与方法，确定了控制系统的工程 方案。设计了控制系统，编写了程序，经过现场调试和几个月的运行，该系统实现了预 定的控制功能，运行稳定，达到了控制精度，性能良好。 关键词：定位控制，口袋机控制系统，微控制器，控制精度，高速 t h ed e s i g no fm u l t i f u n c t i o n c o m p u t e r i z e dp o c k e tm a c h i n e s c o n t r o ls y s t e r n a b s t r a c t t h es p i n - w o r ki n d u s t r yi sal a b o u rf o r c ed e n s e n e s si n d u s t r yn o w d a y s ，t h e r e a r et h ea i mp e o p ep u r s u ew h i c ha r eb o o s tt h eq u a i t yl a r g e y a d v a n c e p r o d u c t i v i t ya n da m e n dl a b o r i n gc o n d i t i o n i ti st h en e c e s s a r ym e a s u r e st h a t u s i n gc o m p u t e r c o n t r o lt e c h n o l o g yc h a n g et h es p i n w o r km a c h i n et oc a r r yo u t r o b o t i c i z e da n du n m a n n e dp r o d u c e i tr e q u i r e st h em e c h a t r o n c sc o n t r o ls y s t e m o fm a c h i n ea n de l e c t r i c i t yw h i c hh a sm e m o r y ，a c c o u n t ，d e a l i n gw i t hi n f o r m a t i o n ， s c r e e n d i s p l a y i n ga n df e e d b a c kc o n t r o lf u n c t i o n ，a n ds oo n w eh a v eg r e a t a d v a n c e m e n to nt h ew a y st e c h n o l o g yr e c o n s t r u c t i o n ，f o ri n s t a n c e ，o p e n i n g s a c k i n gm a c h i n e ，i n d u s t r yc l o t hi n c i s i o nm a c h i n ea n de m b r o i d e rm a c h i n eh a v e c o m ef o r t h t h en e ws p i nw o r km a c h i n eh a v er e t r e n c h e di nm o v i n gc o m p o n e n t sa n d f r a m e w o r k ，a n de m b e dc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，t h e s em a c h i n ea d v a n c et h e p r e c i s i o na n da u t o m a t i z a t i o nl e v e l ，l i g h t e nl a b o u ri n t e n s i t ya n db o o s tt h e p r o d u c t i v i t y t h ep r o b l e mi saf r o n d o s ep r o j e c ti t e m t h ec o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e db y t a i y u a nd a h a oy i d ae l e c t r i c a lc o n t r o lc o ，l t d t h em e c h a n i c a lp a r ti sa c h i e v e d b yz h e j i a n gs h a o x i ny i t i a nf i n e r yl t d t h em u l t if u n c t i o nc o m p u t e r i z e dp o c k e tm a c h i n ei st h es a m ew i t hj e a nb a c k s a c k ，e l s ec o r r e s p o n dp o c k e t ，i n n e ro fag a r m e n t 。a n df r o n to fag a r m e n t ，a n d s oo n i tc a nb u i l df a c il i t yw o r kd o c u m e n t t h em u l t i - f u n c t i o nc o m p u t e r i z e d p o c k e tm a c h i n eb e l o n g st os p i na n dw o r km a t hi n e ，jth a st h es h a r ef u n c t i o no f t h es a r t o r i u sa n dt h ee m b r o i d e rm a c h i n e t h em a c h i n eb e l o n g st ot h ee m b r o i d e r m a c h i n es e r i e sp r o d u c t t h ec o n t r o ls y s t e mf i l isu pt h eb l a c ko fi n n e rc o r r e l a t e p r o d u c ta n df i n i s h e st h eh i s t o r yo ft h ep r o d u c tr e q u i r i n gi m p o r tf r o ma b r o a d t h e p a p e rj n v e s t g a t e st h eo r i e n t a t i o nc o n t r o lt h e o r ya n dm e a n sf r o m s u f f e r c o n t r o lo b j e c ta n dc o n f i r m st h ee n g i n e e r i n gp r e c e p to fc o n t r o ls y s t e m id e s i g nt h ec o n t r o ls y s t e ma n dc o m p i l et h ep r o g r a m e i nm a n ym o n t h sr u n n i n g a n d o c a ed e b u g g i n g ，t h es y s t e mr e a liz et h ec o n t r o lf u n c t i o n ，s t a b lyr u n ，r e a c h t h ec o n t r o lp r e c is i o na n dp r e f e r a b l yf i n i s ht h ea s s i g n m e n t k e yw o r d s ：o r i e n t a t i o nc o n t r o l ，c o m p u t e r i z e dp o c k e tm a c h i n e ，m i c r oc o n t r o l l e t u n it ，c o n t r o lp r e c i s i o n ，h i g hs p e e d 本人声明 我声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成的，在完成论文时所 利用的一切资料均已在参考文献中列出。 作者签名： 能瑚u 日期：2 0 0 6 年2 月2 8 日 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以 采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位 论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论 文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密后 遵守此规定) 。 签 名：龟殇刎 导师签名吖山咋坞 1 日期：d 5 j o 日期：6 乡、o 、名 中北大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 当今纺织缝制行业是一个劳动力密集型行业，机电一体化是纺织机械的必然趋势，它 需要机电控制系统具有 已忆计算、处理信息、屏幕显示和反馈控制等功能，并可实现自 动化和无人化生产。大幅提高缝制质量，提高生产率、改善劳动条件是人们长期追求的 目标，用计算机控制技术改造这一传统行业已经取得了巨大进展，如工业切线缝纫机、 开袋机、工业布料切割机和绣花机等己相继出现，并且新问世的纺织缝制机械在传动部 件、机构等方面都做了精简，提高了工作精度“，提高了劳动生产率，减轻了劳动强 度。 多功能口袋机适用于牛仔裤后袋和其它相应口袋，并且还可以对其它相应花样进行 缝制和生成简易缝制文件。在当前纺织缝制行业，各种服装的口袋或其它花样，都还是 以人工缝制为主，如果要求线迹均匀、平滑或布料的韧性小，这只能是靠有缝制经验的 熟练工来操作，并且他们缝制出来的针迹也不是完全一样，二f ：作效率也很低下。这样， 就很有必要开发出一种能通过单片机控制的自动化系统来完成这种工作，在效率和绣品 质量上来做很大改善。 多功能口袋机是机电一体化产品，它是随着计算机控制技术、电子技术、精密机械 加工技术的发展和应用而逐渐发展起来的一种高自动化、高生产效率的光、机、电结合 的缝制设备。多功能口袋机属纺织缝制机械的范畴，它兼具绣花机和缝纫机的部分功能， 与电脑绣花机属同一系列产品。 1 2 国内外发展概况 目前，国内外对这类缝制机械的控制系统研究较多，电脑绣花机控制系统已经形成 一个产业。绣花缝制是我国的一项传统手工艺，绣花缝制产品畅销五洲，随着社会的发 展，国内外市场对日用服装、鞋帽、室内装饰等都需要大量的绣花缝制加工，手工绣或 手工缝制已不能满足市场需求，刺绣品供不应求的矛盾曰益突出，电脑绣花缝制系统应 运而生。国内进行这类开发较早的是北京大豪科技公司，它也是这类控制系统较完善的 公司，还有其它的科技公司如深圳的富怡集团，太原大豪益达电控有限公司等都是这一 行业较有影响力的单位，国内还有科研院所也在从事这类开发，如西北工业大学、华中 中北大学硕士学位论文 科技大学数控研究所等单位，都有很大发展。但是，由于国内纺织缝制行业的电脑控制 系统的开发起步比较晚，电脑绣花机主轴电机的运行速度一般在7 0 0 转分左右，与国 外的控制系统还有一定差距。 电脑绣花缝制源于德国，7 0 年代，随着单片机的发展，它得到了很快的发展，绣花 机上有多个机头，每个机头都可以独立进行刺绣操作，每个机头上又有很多根针，机头 上的针数决定了绣图所拥有的颜色数r ，目前以1 2 针居多。电脑多头绣花机的生产全 部采用自动化作业，实现自动换针、自动剪线、自动移框等作业，基本摆脱了手工操作， 极大地提高了生产力。“。电脑绣花机的控制系统组成大多采用双c p u 微处理器构成的单 片机系统，微处理器一般由8 位的数据处理c p u 构成，微处理器担当数据处理和机械控 制的作用。通过内存扩展可得到存储几十万针信息的内存储量。步进电机通电方式选用 五相十拍，增加了输出转矩，以小的步进角度换取最大的启动转矩、启动频率和控制精 度。为保证可靠起停而不失步，采用分级调速的控制规律。c p u 处理的信息主要包括步 进驱动量、断线信号、换色信号、选针信号、主电机驱动、剪线信号、电磁铁驱动以及 一些极限量的设定等。在机械方面传动装置采用齿轮多级传动，保证了刺绣的精度要 求。随着控制理论的发展，3 2 位单片机的广泛运用，电脑绣花机将得到更大发展。 国外这类纺织缝制机械的电脑控制系统已经发展很成熟，并且电脑绣花机的运行速 度也能达到1 5 0 0 转分。这中间主要有日本的兄弟机械设备有限公司、日本的重机集团 等企业。 对于口袋机控制系统这类产品，国内有许多研究机构都在开发此类控制系统，但是， 总体上还处于研发初期阶段，还没有相关的产品出现。国外此类产品发展很快，有日本 的兄弟机械设备有限公司开发出的t c 7 6 2 f 全自动衣袋缝纫机和t c 7 6 4 f 自动衣袋缝纫机 在2 0 0 5 年的上海纺织机械博览会上出现，但价格昂贵，并且只适甩韧性大的布料。本 课题正是基于这样的情况下展开的，希望本论文能给这类纺织缝制控制系统的研究和应 用作一点有益的工作。 1 3 理论依据和实验条件 本论文的理论分析部分运用了运动控制轨迹曲线及插补原理。运用动力学平衡方程 列出方程组，解出机械移框部件在静止和运动时的受力，并结合物理学中运动惯量的求 取折算出移框部件所需的最大转矩。运用自动控制理论、现代控制理论的基本思想，分 中北大学硕士学位论文 析了系统的控制方法，并结合实际工程，确定了控制方案。以上这些理论分析，在整个 系统的安装调试过程中得到验证，很好的指导了实践过程。 选用华邦公司一款高性能微控制器w 7 7 e 5 8 作为主控制器，我设计了口袋机控制系 统，与浙江绍兴一天服饰有限公司设计的机械相配套，通过安装凋试，本控制系统运行 稳定，达到了预期的效果。 l _ 4 本论文解决的问题 本课题的任务是对配套机械，实现相应的功能，首要的任务是从理论上探讨控制的 可行性，其次是由相关数据确定控制方案，结合受控对象，从中选出最佳工程实现方案。 最后进行系统硬件、软件的设计和系统的安装、调试。 本论文需要解决的问题是： ( 1 ) 理论上探讨各种控制方案，从中得出几种可行的控制方案。 ( 2 ) 比较各种控制方案，确定本口袋机控制系统应该采用的方案。 ( 3 ) 从理论数据上得出系统的控制可行性，确定相关控制数据，如移框电机所需扭矩、 移框部件受力情况等。 ( 4 ) 选用华邦公司的微控制器w 7 7 e 5 8 ，设计显示电路、软盘接口电路、u s b 接口电路和 主控制电路，实现预定功能。 ( 5 ) 设计软件，按照前面算法，编写控制程序。进行甜试，修改程序，使系统控制精度 和速度满足要求。 该控制系统经过长时问的调试运行，理论分析与实际结果完全相符，所编程序实现 了控制算法，硬件电路运行可靠，显示界面友好，达到了很好的效果，得到了用户很高 的评价。 1 5 论文内容安排 本课题是太原大豪益达电控有限公司的科研项目，整个系统由大豪益达电控有限公 司完成，本人负责此系统主轴电机的软件调试；主控制部分的电路设计、软件调试；显 示部分电路设计、调试；以及部分理论方面的研究和整个系统的后期安装及调试。 论文主要就本人所做工作进行阐述。 论文的大致安排如下： 第一章绪论 中北大学硕士学位论文 本章包括五部分内容：主要介绍课题研究的目的和意义，国内外目前研究发展概况， 设计中的理论依据和实验设备条件以及本论文所要解决的问题，最后给出了整篇论文的 大致结构安排。 第二章系统建模及原理分析 确定本多功能口袋机控制系统的数学模型，从控制理论的角度分析系统可行性，并 结合机械的特点给出移框针距算法。根据工程实际计算移框电机切向速度、所需扭矩、 最高可运行速度、主轴电机最高转速下对应的移框电机转速，并根据实际为各电机的选 择提供理论依据等。 第三章控制方案的确定 本章就具体的控制任务，提出了几种控制方案并逐一分析比较，确定比较满意的控 制方案。 第四章系统硬件构成 这章主要介绍了多功能口袋机控制系统的硬件构成，主要包括主轴电机控制电路、 主控制电路、显示电路、软盘读写接口、u s b 接口、电磁阀接口和检测保护电路及它们 各自的功能。 第五章系统软件构成 软件部分是通过单片机汇编语言编写，为提高指令执行效率和方便编写及调试，程 序主要通过模块化语言，将各个功能部分模块化，具体为主控制模块、缝制操作模块、 显示模块、内存管理模块、软盘读写模块、u 盘读写模块等。主控制模块将各个模块连 接起来。 第六章结论 主要阐述在设计过程中遇到的问题和解决方法，目前设计中存在的问题，进一步研 究需要改进的问题等内容。 文后对帮助我完成整个系统设计的导师一任作新教授、太原大豪益达电控有限公司 蔡志凌总经理和合作方浙江绍兴一天服饰有限公司的相关人员以及其他各位老师、同学 致以深深的谢意并列出了参考文献。 中北大学硕士学位论文 2 系统整体建模及原理分析 多功能口袋机属纺织缝制机械的范畴，它兼具绣花机和缝纫机的部分功能，并能生 成简易缝制文件，与电脑绣花机属同一系列产品。在多功能口袋机控制系统设计时，必 须先对电脑绣花机有。个熟悉，这样才有利于系统设计，可以借用电脑绣花机设计中好 的，对本机器也可用的部分，缩短开发周期。 2 1 电脑绣花机工作原理及主要特性 电脑绣花机是在电脑缝纫机的基础上发展起来的。多年来一直由机械技术占统治地 位的缝纫机领域，自1 9 7 5 年以来引入了电子技术，从此缝纫机开始进入了电脑控制的 机电一体化时代。电脑绣花机是以微处理器进行两轴控制。系统控制x 及y 方向的两个 步进电机带动工作台作平面运动，同时蠊视检测使针进行上下运动的电机( 主轴电机) 的同转，从而对xy 工作台及针的摆动完成间断运动的控制“”。在此基本原理上，电脑 绣花机还加入了断线检测、数据存储等功能模块，使其工作稳定便捷。电脑绣花机是在 电脑缝纫机的基础上加入了刺绣的功能特性，对电脑缝纫机的软硬件进行适当的改变以 适应刺绣的需要。 电脑绣花机具有结构简单、工作稳定、功能多、自动化程度高、操作简便及噪声小 等特点。其主要特征如下： a 优异的可操作性该机大多采用了键盘式操作，相应处理软件的使用使刺绣工作变 得简单易于掌握，友好的人机界面，更便于操作。显示设备的使用在一定程度上使操作 的可视化得到了加强，从而便于一般从业人员的使用。在工作台面下设有长杆开关，启 动停机都有十分方便。框架的任意方向可手控运行，从而非常容易找到所需要的定位点。 中高档机还设有高速、低速空走功能，使补绣、定位都十分快捷、灵便。 b 具有很强的编辑和存储功能计算机的使用使绣花机能记忆近百种花样，记忆针数 达到3 0 多万针，如用户需要可额外增加扩充配置，满足不同的需要( 目前可大1 2 0 万 针) 。一般可以对花样进行缩放、旋转及组合分割等编辑处理，以适应刺绣的实际需要。 内装式软磁盘驱动器，可直接读取田岛格式盘上的二进制( d s b ) 、三进制( d s t ) 、z 进 制( d s z ) 磁盘花样及百灵达f d r 格式盘文件上的二进制三进制、z 进制磁盘花样至内存， 并可把内存花样以二进制格式输出到磁盘。 中北大学硕士学位论文 c 完善的控制系统多种先进自动控制技术的应用，使绣花机拥有优异的调速性能， 主轴可以获得3 0 0 6 5 0 转分的无级变换；在一种花样绣完以后，按照所给予的指令 自动地再在下一位置反复绣上这一花样，实现自动反复绣；当绣品超出刺绣范围时，机 器将会自动停止以保护绣框越程：当机械出现故障时，操作面板会显示错误头型，并告 知故障。此外，在刺绣过程中可以实现自动剪线、自动挖孔绣、自动检测断线、停电保 护、指令性跳针、出错自动停机、针迹补偿、循环绣作、花样输出等功能。 2 2 多功能口袋机的系统框图 多功能口袋机控制系统结构如图2 1 所示。系统从花样文件读取的针距，经过转换 可得到对主轴电机的转速要求，这就是系统的输入，此输入也是主轴电动机组成的闭环 子系统的输入量，它对应不同针距的理论转速，输出量是主轴电机的实际转速，系统中 存在机械部件的库仑摩擦及机械间隙等各种扰动。1 ，因此通过光电编码器反馈回来的信 号对主轴转速进行校正，使主轴速度能准确跟踪当前设定的转速“。通过这一个稳定主 轴电机速度小闭环系统后，我们要按主轴的转速控制移框电动机使布框实际走过的针距 等于从花样文件读入的针距。为此必须通过我们设定的“步进电机速度控制曲线”环节， 找出步进电机的步进速度，按此速度驱动移框步进电机从而使移框距离等于花样文件给 定的针距。 图2 1 多功能口袋机控制系统的系统框图 主轴电动机与移框电动机通过步进电机速度控制曲线联系起来，此控制曲线实际就 是给出了主轴转速所对应的步进电机的转速。 移框速度控制曲线是主轴转速所对应于各针距下移框电机的转速的一个三维数表， 即数表表示了主轴速度、移框速度和针距之问的关系。将这个数据表存在指定的存储区 中北大学硕二l 学位沦文 内，这样从花样文件读到针距后就可以按针距查到主轴和移框步进电机的速度，分别对 主轴电机和移框步进电机进行控制，使其稳定在要求的速度。 实际使用时，开设一个针距数椐区，移框电机每走一针距，控制芯片就从花样数据 存储区取出一针数据来填这个存储区，保证这个存储区一直都是2 0 针，取到最后一针 为止。当这个花样数据针数小于2 0 针，则取出全部针数据。这样做是为了增加主控制 芯片效率，使主芯片不需每控制移框电机走过一个针距，还要去访问花样数据存储区， 而是在运行一个针脚后，只访问常用数据寄存器即可。在确定各类数据之前，要先确定 一个对照量，即规定多大针距时主轴最高可运行速度，以这为参照，可确定主轴在不同 转速下可以运行的最大针脚，这就可以作出一个主轴转速表来。步进电机速度控制曲线 则可以将主轴电动机转速和移框电动机转速联系并协调工作，完成定位控制的功能“。 但针距给出的是布框移动的距离，布框是由x ，y 方向两个步进电机驱动的，所以还 要找出对应针距下x ，y 的移动距离。要做到实时决定x ，y 的移动距离是困难的，一种 解决方法是在花样文件中直接给出一定针距下每一针的x 、y ；也就是说事前离线计 算出x 、 y 存入花样文件中。下面介绍如何产生花样文件。 不论是那一种格式的花样文件编码格式，都先将其转化为两字节存储，高字节为y 步进电动机移动的步数值，低字节为x 步进电动机移动的步数，每字节的最高位为符号 位，表示步进电动机的正转或反转。确定好首针位置，其它各针都与前一针数据对应相 减，x 得出的数据值x 为在x 方向的步数，若值为正，表示正转，若值为负，表示反 转；y 得出的数据值y 为在y 方向的步数，若值为正，表示正转，若值为负。这些值 依次存储在数据区内，生成一个新的花样文件，这一文件可以供c p u 调用来控制步进电 机运动。 2 3 插补原理的应用 通常的纺织机械花样存储格式都是田岛、百灵达等，这些格式也具有很强的通用性。 对于本机械，考虑到所缝制绣作的大部分花样都比较简单，本控制系统在使机械具有能 读取田岛、百灵达等格式外，还试图开发一种适合本机械的简易缝制文件生成系统。 花样文件目前国内常用的有d s b ( 百灵达) 、d s t ( 田岛) 两种编码格式。d s b 格式为 三进制编码，每三字节( 即2 4 位) 代表一针数据。首字节为控制字节，第二、三字节 中北大学硕士学位论文 为分别代表y 、x 的坐标值，其中x 、y 均为相对坐标，第七位固定设置为0 ，其余位为 数据位，每一字节所代表数据可以组成0 - 1 2 7 之间的任何数据，这是绣花针距为 0 1 m l n - 1 2 7 r a m 的原因。在控制字节中，第七位固定设置为1 ，第五、第六为x 、y 方向 的控制位，其余几位通过不同的组合代表不同的功能位，表示换色、跳针、越框绣和结 束等。本口袋机控制系统在花样转换处理时也对这些功能进行了处理，也具有这些功能 和能够走出这样大的针距，只是机械条件限制，针距只是在0 1 m m4 5 m m 之间。 d s t 格式是最常用的格式，d s t 文件有一个5 1 2 字节的固定文件头，其中前1 2 8 个字 节是以文本格式存储了花版的一些统计参数。文件头的信息包括花版文件的针数，颜色 数，针迹在x 、y 方向的限制步数。表2 1 为一个花样打版文件的文件头信息。 l a 可a n d a o s t l 5 0 0 c o ：3 + x ：8 6 8 一x ：9 0 + y 1 7 4 一y ：4 7 5 a ) ( ：+ 0 a y ：+ o m x ：+ 0 m y ：+ 0 p d ：。 表2 i 某个花样文件的头文件 该头文件表达的信息是花样号为t j a n d a o 的花样文件共1 5 0 0 针，包含3 个换色。针 迹在x 方向上限制的步数在+ 8 6 8 与9 0 步之间，在y 方向上限制在+ 1 7 4 步和一4 7 5 步之 间。如果按一般的针距为0 1 m m 计算，该花样的绣出尺寸为f 9 5 9 x 6 4 9 ) c m z 。文件头后 面的3 8 4 个字节保留未用，一般值为2 0 h ( 即空格) 或0 0 h 。 文件头后面是针迹数据，它们表示在某一次绣作缝制过程中，移框步进电动机在x 、 y 方向上移动的相对步数，即血，缈。这些数据每三字节为一组表示一个( b x ，a y ) 。而步 数需要根据表2 2 所示的一种特殊的三进制格式才能读出来。 中北大学硕士学位论文 字节 a y 血 d 7d 6d 51 ) 4d 3 d 2 d ld 0 字节l ll+ 999+ 9一l+ l 字节2 + 33+ 2 72 72 7+ 2 73+ 3 字节3 dc+ 8 18 18 1十8 1ba 表2 2 田岛三进制针迹数据格式 表中的字节是以前后顺序编号的，表中的正负数字就是所在位的三迸制权值。三个高半 字节的1 0 位按权展开求和所得的结果就是缈，同理，三个低半字节的1 0 位按权展开 求和所得的结果就是缸。假设针距为a y = 1 5 ，缸= 4 5 ，则a y - 2 7 9 3 = 1 5 ，即第l 字节 的d 4 位，第2 字节的d 5 位，d 6 位有效：缸- 8 1 2 7 9 = 4 5 ，即第l 字节的d 3 位，第2 字节的d 3 位，第3 字节的d 2 位有效。 表2 2 中的字节有标a 、b 、c 、d 的位，它们的组合就是系统的功能码。如表2 3 功能码条件 一般针迹a = i ，b - i ，( c ，d 不为1 ) 换色码a = b = c = d = l ，其余各为0 跳跃码 a - b = d = i ，l 匈代表跳跃步数 结束码a - b - c - d = 1 ，b y t e ，d 4 - b y t e ，d 5 ，其余各位为0 表2 3 田岛功能码 在移框电机根据针距移动时，针数据都是相对数据，移动的数据都是通过插补原理 计算出来，下面有必要对插补原理作一个介绍。 在每个时间段内x ，y 方向电机均可被输入一组脉冲，从而形成线段，这样大大提高 了速度和精度。 2 3 1 插补运算周期内的运算格式及插补运算周期的选择 以脉冲( p ) 为单位，为了保证运算精度，插补运算周期内的数据采用以下几种格式： ( j ) 位移量( p ) ，采用4 个字节，保证精度1 2 5 6 ( p ) ，形式：p 3 p 2 p 1 p 0 ；( 2 ) 速度( v ) ， 9 中北大学硕士学位论文 采用4 个字节，保证精度1 2 5 6 ( p s ) ，形式：v 3 v 2 v l v o ；( 3 ) 加减速度( a ) ，采用4 字 节，保证精度1 2 5 6 ( p s 2 ) ，形式：a 3 a 2 a 1 a 0 。t 为插补运算周期，本多功能口袋机控制 系统取1 2 5 6 s ，之所以将插补运算周期选为1 2 5 6 s ，是因为插补周期内的运算在采用 上述的数据格式下，会使运算变得十分简单，具体如下所示： 假设系统从速度开始加速，则经过一个插补运算周期后，速度和移动的位移量将 变为：气2 + a t 。现在t 被设定1 2 5 6 s ，则在实际的运算中，只要将加速度的值n 直接加到上即可。小数点已经自动点到a 1 a o 之间。这样乘法的运算变为加法，可以 大大简化运算复杂程度。 气2 龟+ ( _ + v o ) 2 r ( 2 一1 ) 同理，只要先将加好的速度除以2 ，再右移一个字节，然后再加到上，小数点己经相 当于移到了v 2 v i 之间。 2 3 2 直线插补原理 在两轴的平面上，设直线o a 的起点0 为坐标原点，终点a 的坐标为( a ，b ) 如图2 2 ， 则对于该直线上的任意点都满足： a y b x = 0 f 2 2 1 崩2 ，2 直角坐标翻 假发在直线上匀速运行，运行速度为v ，插补周期为t o ，经过1 个插补周期后，在 直线上位移量为，假a f x a b ，则认为x 轴为长轴，则： ： a x = 告矿t ( 2 3 ) d 2 + 6 2 、7 a x 为在1 个插补周期后，在长轴x 上的移动分量。假设在时刻在直线上一点的坐标 ( ，y 0 ) ，则该点满足公式2 2 ，即： 1 0 中北大学硕士学位论文 a 一2 0 ( 2 - 4 ) 在+ ，时刻，直线上的下一点坐标为( + 舡，y o + a y ) ，该点也满足公式2 2 ，即： “( + 缈) 一b ( x o + 缸) = 0 ( 2 5 ) a x 已经由公式2 - 3 得出，通过公式2 4 ，2 - 5 即可算出短轴移动量缈，但计算过程中 可能存在计算的余数，所以公式2 4 不能真正表达计算过程。在实际计算过程中应该采 用下面的公式：( 为计算e 的余数) a 一2 妒南灯 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 将公式26 代入公式25 中，计算出母值，并且重新修正值，使符合公式26 。采用 这种计算匈，的的方法可以避免在运算中积累大量的误差( 由计算余数引起) 。而如果直 接采用公式2 7 来计算衄的话，有可能在计算途中积累大量误差，这种误差只能在最 后一次插补过程中补掉，造成系统性能下降”。为了减少因为一个轴计算处理出现的 误差而导致另一个轴的计算出现较大偏差，所以在计算过程中，应该首先计算出长轴的 移动量，然后再计算出短轴的移动量。在直线插补的整个过程中，移动量大的轴为长轴， 移动量小的为短轴，它们是固定不变的。 假设，为尚未插补输出的量( 简称剩余量) ，它们的初始值分别为： 2 口，珞2 b ( 2 8 ) 每进行一次插补运算，输出血，缈，同时进行如下一次计算： 一血寸，一匈斗珞，求得新的剩余值。 当l is 血i 珞j 匈，即是本程序的最后一次插补运算。上述的运算是基于匀速时的， 加减速时的计算方法与此类似，区别仅在于血计算上。 2 3 3 圆弧插补原理 圆弧插补原理是在保证了一定运算精度的前提下，用直线来逼近圆弧。现假设从圆 中北大学硕士学位论文 上一点一( 葺，誓) 匀速运行到圆弧上下一个插补点b ( t + 1 ，薯+ 1 ) ，a d 为a 点的切线，此时 运动沿a d 点以切线速度v 运行，如图2 3 设么妒= z c a d ，贝u 妒= 口， y y 。 y ， 0 图2 3 圆弧插补示意图 一a c = 一a d c 。8 妒= 面。百y i a c 就是本次x 轴的移动量a x i ，则2 - 9 式变为： a z i = t d c o s 妒= 面等 乜= 矿帆等 ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) 因为- 和矿，丁是己知值，所以很容易通过公式2 1 1 来计算出q ，( v 为运行速度，t 为 插补周期) 。根据圆弧插补的要求，要保证插补点在圆弧上，则必须满足 毒1 + 琅1 = r 2 弧 ( x i + a x i ) 2 + ( 巧+ 峨) 2 = r 2 乎+ 碍+ 孝+ 2 y i a y i + 研= r 2(212)+2xia + 2 y i a y i r 1 2 )彳 + 彳+ 蟛+ 蟛= ( 2 一 因为短轴移动量嘶= 一c d + 一b d ，f l a c 2 + c d 2 = d 2 ，由于丽非常小，可以忽略，因此 可以认为辞+ y 2 = d 2 ，则2 1 2 变为： x 2 + 2 x i a x i + y 2 + 2 y i a y i + d 2 = r 2 ( 2 1 3 ) 设世= r 2 一孑一坪为上次的计算误差，则式2 1 3 变为 中北大学硕士学位论文 1 ，一a - d 2 - 2 q 奶2 一 r 2 1 4 ) 通过式2 1 4 可以计算出短轴的移动量，为了方便计算，最好在本次的位移量计算出来 后计算出本次的计算误差，为了下一个插补周期的计算做准备1 。 尽管上述计算方法为近似计算，但由于式2 一1 2 是标准的圆的方程式，则可以保证实 际的插补点落在圆弧上，只不过与理论的插补点之问存在差异。与直线插补同样的原因t 在圆弧插补过程的计算中必须首先计算出长轴的移动量，然后再计算短轴的移动量。与 直线插补不同的是，圆弧插补过程中长轴不是固定不变的，而是随着所在位置的变化而 发生变化的。在圆弧插补中，坐标绝对值小的轴为长轴。即如图2 4 所示在l 、2 、5 、 6 区域内x 轴是k 轴，计算公式为： u q = d x l r ( 2 1 5 ) 锄 ，一d 2 _ 2 x i a x i f 一 2 y i 而在0 、3 、4 、7 区域内y 轴是长轴，计算公式为 x , a y i2 d 素 ，一刖一一2 以铋 1 吨2 瓦型 y 。一x 一 l 八苁一 l x 图2 4 圆弧插补区域图 在不同区域计算时，要注意实际的物理意义。当满足： ( 2 一1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 中北大学硕士学位论文 ( t x e ) 2 + ( 墨一y e ) 2 d 2 条件时，则认为圆弧插补到达终点，其中( x e ，) 为终点坐标。 上述计算是基于匀速时，加、减速计算与此类似，只是在计算d 二有一些变化。 通过上面所述的插补原理，可以很容易对图2 5 ，图2 6 中爿斗b 进行计算。假设 卜_ 一a 卜bl ；l l j 、 、 7 、7 图2 5 牛仔裤后袋花样简图 ，一一一， j 7 o b 图2 6 西服门襟花样简图 爿( 勺，y o ) ，b ( x 0 + a x ，y 0 + a y ) ，则对图2 5 运用直线差补原理，对图2 6 运用圆弧差补 原理，很容易得出对图2 5 ：e x x = o ，缈= j ，s 为针距大小。 对于图：血：vl-d2f-2yoxdxx署2 6 舻d 。睾 对于图：血= _ ，劬= d x 要r 2 1 9 ) 式中v 为v = r z 一一东，d 为a ，b 点间距离，r 为1 3 点所在圆的衄率半径 通过这样的计算，可以对生成的花样文件做出分析，得出具体的走针或移框方式。 现在绣花机和其它一些纺织缝制机器比较流行的打版系统都是采用日本田岛、深圳 富恰或南京天目打版系统1 ，对于本系统，我们考虑先能适用田岛、百灵达等花样打版 系统后，再设计出自己适用的简易缝制文件生成系统。 对于本简易缝制文件生成系统，由于生成的缝制绣作文件很简单，并且功能码只有 一般针迹和结束码，因此文件生成系统只需对针数据进行处理。在本简易缝制文件生成 系统中，可以粗略画出所要缝制绣作的花样轮廓( 画出关键的轮廓点也可) 。首先确定 起针点，再一针一针依次向下排列，按照上面所述的插补原理对针进行处理，就可以生 成一个简易缝制文件，生成的文件均以两字节存储，高字节为y 步进电动机移动的步数 值，低字节为x 步进电动机移动的步数，每字节的最高位为符号位，表示步进电动机的 正转或反转。 中北大学硕士学位论文 2 4 各类参数的确定 在系统控制方案确定后，必须通过实际计算各电机的负载，为电机选型提供理论依 据。 2 4 1 确定系统脉冲当量 所谓脉冲当量是指对应于系统输入端的一个进给脉冲，系统输出端产生的转角或是 位移。脉冲当量的大小与系统的结构有关，应根据系统精度要求来确定。一般不宜太大， 如果取得太人，无法满足系统精度要求；也不宜取得太小，太小机械系统难以实现或对 精度和动态性能提出过高要求，降低经济性。 脉冲当量表达式为：艿：要( 姗脉冲) ，式中：甜为步进电机步距角( 度) ，f 为 3 6 0 ”- f 同步带节距，i 为传动比。 移框电机的选择上，我们先考虑的是用松下的交流伺服电机来完成移框任务，但是， 一套松下伺服系统就需要花费很高的成本，最后，我们采用了步进电机。在步进电机初 选时，我们根据系统本身性能指标来选择型号、步距角和运行频率。步距角有 0 3 6 0 ，0 7 5 0 ，0 ，9 0 ，1 5 0 ，3 0 0 等，根据系统需要的精度、运行速度范围，我们确定了选用 五相混合式步进电动机，步距角0 3 6 0 。 2 4 2 计算系统转动惯量 计算系统转动惯量的目的是选择步进电动机动力参数及进行系统动态特性分析与设 计。 考虑到主轴电机要求在2 5 0 0 转分时能走过的最大针距是4 5 i i l i n ，这就是说，主轴 电动机带动缝纫机针杆上下运动一次，移框电动机带动移框部件要运动的距离是4 5 m m ， 即要求移框部件在5 0 0 分钟内水平x 或y 方向上的运动距离为4 5 m m ，则移框部件速 度最大为0 2 3 6 8 m s 。合作方通过计算论证，确定的同步带齿轮直径为3 2 r a m ，则可得出 步进电机的最高转速为1 1 2 碜各。 带轮转动惯量为= 7 r p 豆d 4 一l ，p 为带轮材料密度，j 为带轮直径，z 为轴向长度，即： 中北大学硕士学位论文 ：x x 7 8 x 1 0 1 3 x 0 广0 3 2 4 x 0 0 2 ：1 6 1 0 一5 ( 船m 2 ) ( 2 - 2 0 ) 。1 一西。1 0 “”l 恺” 2 4 3 确定步进电机动力参数 水平x 方向电动机的负载转动惯量为： 2 = m x 2 = 2 2 x f 掣卜s s 2 枷。t 和z 烘中 工作台表面摩擦系数为= 0 2 ，则水平x 方向摩擦力为： _ 2 p m l 9 2 0 2 。2 2 x 9 8 。4 3 1 2 n 水平y 方向电动机的负载转动惯量为： m 为水平x 方向负载质量。 f 2 2 l 】 七= ，您x 2 = 1 2 x 丝避坚i = 3 0 7 2 1 0 - 3 ( 姆m 2 ) 其中：，您为水平y 方向负载质量。 水平y 方向摩擦力为： 乇2 吃占2 0 2 1 2 x 9 - 8 = 2 3 5 2 n ( 2 2 2 ) 现要求空载启动时问为出= 0 1 m s ，则水平x 方向电动机的负载总转动惯量为： 厶= + = 5 6 3 2 1 0 3 + 1 6 1 0 5 ：5 , 6 4 8 1 0 3 ( k g m 2 ) ( 2 2 3 ) 水平y 方向c a 动机的负载总转动惯量为： d y = j 1 + d 3 = 3 0 7 2 x 1 0 - 3 + 1 6 x l o - 5 = 3 0 8 8 x l o - 3 ( 姆朋2 ) ( 2 - 2 4 ) 水平x 方向所需扭矩为： & 咄警+ 巧+ 争甜8 x 1 0 - 3 x 羔器+ 4 3 1 2 x t 3 2 x 1 0 - 3 = 1 4 0 6 n m ( z 瑙) 水平y 方向所需扭矩为： 弓2 匆等+ 鲥= 3 0 8 8 1 0 - 3 x 瓜0 2 3 6 8 删2 3 ：半- 7 6 9 肋( 2 - 2 6 ) 电动机最大启动频率的确定：步进电动机在不同的启动负载转矩下所允许的启动频 率也不同，因而要根据启动转矩来计算，按电动机矩频特性来确定最大启动频率，并要 求实际使用的启动频率低于这一允许的最大启动频率。( 启动转矩为上面计算出来的 中北大学硕士学位论文 疋、l ，) 。由于步进电动机的启动频率特性曲线是在空载下做出的，检查其启动能力时 一， 应考虑惯性负载对启动频率的影响。 电动机最大运行频率的确定：步进电动机在运行时的输出转矩随运行频率的增加而 减小，即高速时其负载能力变差。因此，应根据所计算出的负载转矩，按电动机运行矩 频特性曲线来确定最大运行频率，并使步进电动机的实际运行频率与负载转矩所对应的 运行工作点