（机械电子工程专业论文）高速多功能横机控制系统研制.pdf

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b 。 学位论文作者签名：黼 日期：知l 。年弓月哆日 年解密后使用本版权书。 指导教师签名： 吨i j 似 日期：7 ，z 匆年3 月lj - t h ed e s i g 占同 一l 浙江理工大学硕士学位论文 摘要 随着社会的发展，针织服装外衣化、时尚化、舒适化、个性化己成为世界潮流，因而 对针织产品的重要生产设备横机有了更高的性能要求。高速多功能横机是针对中、高端横 机市场需求设计的，该款横机具有较高的编织速度和换向速度，另外该款横机增加了多种 辅助编织功能，能够对线圈大小和纱线张力精确的控制，使织物的质量有了较大提高。同 时，该款横机还丰富了人机交互功能。 本课题根据高速多功能横机对控制系统的需求，设计了三层分布式控制系统。系统分 为：人机交互层、主控制层和机头控制层。独立的人机交互层的设计一方面使人机交互功 能更强大，另一方面使主控制器从复杂的人机交互任务处理中解脱出来，使其处理速度更 高，针响应时间更短。主控制层与机头驱动层的分布式设计，减少了控制层之间的线路连 接，提高了系统的稳定性，另外使控制系统的处理能力和处理速度大大提高。 为了满足人机交互层与主控制层之间高速、海量的数据通讯要求，本课题设计了基于 f p g a 的并行通讯模块，该模块具有通讯效率高、集成度高和通用性强的特点。 针对主控制层与机头驱动层之间的高速、连续的c a n 通讯的特点，设计了基于三级缓 存邮箱的c a n 通讯控制程序，提高了两层之间的通讯速度和换向动作执行速度。 为了提高横机换向速度，本课题设计了快速换向算法，该算法采用回转距自动调整和 换向动作并行执行的控制方式，使换向速度大大提高。 经过在样机上长期的测试表明，机器运行平稳，编织速度达到设计要求，衣片质量较 高。另外，该控制系统成本远低于国外同类产品，具有很强的市场竞争力和发展前景。 关键词：高速多功能横机；三层分布式控制系统；基于f p g a 的并行通讯模块；快速换向 算法 浙江理工大学硕士学位论文 t h ed e s i g no f h i g n - - s p e e dm u l t i - - f u n c t i o nf l a t k n i t i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fs o c i e t y , k n i t w e a ro u t e r w e a rt e c h n o l o g y , f a s h i o n , c o m f o r t , p e r s o n a l i z a t i o nh a sb e c o m eag l o b a lt r e n d ，a n dt h u sam a j o rk n i t w e a rm a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t f l a tk n i t t i n gm a c h i n ew i t ht h eh i g h e rp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s h i g h s p e e d ，m u l t i f u n c t i o nf l a t k n i t t i n gm a c h i n ei st a r g e t e d , t h eh i g h - e n dm a r k e td e m a n df o rf l a tk n i t t i n gm a c h i n ed e s i g n , w h i c h h a sah i 曲w e a v i n gs p e e da n dc o m m u t a t i o ns p e e d ，w h i c ha l s oi n c r e a s e dav a r i e t yo f s u p p l e m e n t a r yf e a t u r e s ，a b l et oc o n t r o lt h et h es i z eo fc o i la n dy a mt e n s i o np r e c i s e l y , s ot h a tt h e f a b r i cq u a l i t yh a sb e e ng r e a t l ye n h a n c e d m e a n w h i l e ，t h i sf l a tk n i t t m gm a c h i n eh a se n r i c h e dt h e h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o nf u n c t i o n at h r e e - t i e rd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e dt om e e tt h e r e q u k e m e n _ t so ft h e m g h s p e e d ，m u l t i f u n c t i o nk n i t t i n gm a c h i n e s y s t e mi sd i v i d e di n t o ：h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n l a y e r , t h em a i nc o n t r o ll a y e ra n dh e a dc o n t r o ll a y e r i n d e p e n d e n td e s i g no fh u m a n - c o m p u t e r i n t e r a c t i o nc o n t r o ll a y e ro nt h eo n eh a n dm a k e sam o r ep o w e r f u lc o m p u t e ri n t e r a c t i o n , o nt h e o t h e rs ot h a tt h eh o s tc o n t r o l l e rf r o mt h ec o m p l e xt a s ko fd e a l i n gw i t hh u m a n - c o m p u t e r i n t e r a c t i o n 舶e ds ot h a tah i g h e rp r o c e s s i n gs p e e d ，s h o r t e rn e e d l er e s p o n s et i m e d i s t r i b u t e d d e s i g no fm a i nc o n t r o ll a y e ra n dh e a dc o n t r o ll a y e r , r e d u c et h el i n ec o n n e x i o nb e t w e e nt h e c o n t r o ll a y e r , i m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h e s y s t e m ，w h i l ea l l o w i n gt h es y s t e m sp r o c e s s i n g c a p a c i t ya n dp r o c e s s i n gs p e e dg r e a t l yi n c r e a s e d i no r d e rt om e e tt h eh i g h s p e e d , v a s ta m o u n t so fd a t ac o m m u n i c a t i o n r e q u i r e m e n t sb e t w e e n h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o nl a y e ra n dm a i nc o n t r o ll a y e r , af p g a - - b a s e dp a r a l l e lc o m m u n i c a t i o n m o d u l ew a sd e s i g n e d , w h i c hh a sah i g hc o m m u n i c a t i o ne f f i c i e n c y , h i g h i n t e g r a t i o na n d v e r s a t i l i t yf e a t u r e s i nv i e wo fh i g h - s p e e d , c o n t i n u o u sc a nc o m m u n i c a t i o nd e m a n d sb e t w e e nm a i nc o n t r o l l a y e ra n dl l e a dc o n t r o ll a y e r , c a nc o m m u n i c a t i o nc o n t r o lp r o c e d u r e sb a s e do nt h r e ec a c h e m a i l b o xw e r ed e s i g n e d ，w h i c he n h a n c et h ec o m m u n i c a t i o ns p e e db e t w e e nt h et w ol a y e r sa n dt h e i 浙江理工大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t 目录 i i i 目录1 1 r 第一章绪论 1 1 课题背景和研究意义。1 1 2 国内外横机研究现状2 1 2 1 国外横机发展状况2 1 2 2 国内横机发展状况。3 1 3 论文的研究内容。4 1 4 论文的关键技术4 第二章高速多功能横机介绍及机械结构分析 2 1 高速多功能横机介绍。6 2 2 高速多功能横机机械结构分析6 2 2 1 横机基本机械结构6 2 2 2 高速多功能横机特有的机械结构。8 2 3 本章小结9 第三章高速多功能横机控制系统总体设计 1 0 3 1 高速多功能横机控制需求分析1 0 3 1 1 横机系统的基本控制需求1 0 3 1 2 高速多功能横机的特殊控制需求：1 2 3 2 基于三层分布式设计的横机控制系统一1 2 3 3 本章小结1 5 第四章高速多功能横机控制系统的硬件设计1 6 4 1 人机交互层硬件设计16 4 2 主控制层硬件设计l7 4 2 1 主控制模块硬件设计1 9 4 2 2 电机驱动模块硬件设计2 0 i v 浙江理工大学硕士学位论文 4 2 3 传感器驱动模块硬件设计 4 2 4 并行通讯模块硬件设计 4 2 5 存储模块硬件设计 4 3 机头控制层硬件设计 4 4 本章小结 第五章高速多功能横机控制系统的软件设计 5 1 控制系统软件总体设计。 5 1 1 人机交互层软件设计 5 1 2 主控制层软件设计 5 1 3 机头驱动层软件设计3 0 5 2 基于f p g a 的并行通讯模块逻辑程序3 2 5 2 1 双口r a m 模块配置3 4 5 2 - 2 总线接口匹配模块设计3 4 5 2 3 读写时序匹配模块设计及p l l 模块配置3 5 5 2 4 时序仿真3 6 5 2 5 通讯协议定制及存储空间划分3 7 5 3 基于三级缓存邮箱的c a n 通讯控制程序3 8 5 3 1c a n 信息保存程序4 0 5 3 2c a n 信息更新及执行程序。4 0 5 4 机头快速换向算法。4 1 5 4 1 换向动作并行执行程序4 3 5 4 2 回转距自动调整程序4 4 5 5 本章小结4 6 第六章系统调试与测试4 7 6 1 系统调试4 7 6 1 1 处理器最小系统硬件调试4 7 6 1 2c a n 模块硬件调试。4 8 6 1 3 各控制对象驱动电路调试4 8 6 1 4 花型文件解析程序调试4 9 6 1 5 快速换向程序调试5 0 v 6 2 6 3 第七章 7 1 7 2 参考文 致谢 附录1 附录2 攻读硕 v l 浙江理工大学硕士学位 1 1 课题背景和研究意义 第一章绪论 针织工业是我国纺织工业的重要产业之一，是我 民生产业，在繁荣市场、扩大出口、吸纳就业、增加 挥着重要作用【。近几年来，我国的针织服装，包括 势头。2 0 0 3 年全国针织服装的产量约为2 1 2 7 亿件， 现了近5 年来产量翻番；生产袜子1 2 7 亿双。2 0 0 3 年纺织服装的出口额约为8 0 4 8 亿美元， 其中棉针织产品2 3 1 8 7 亿美元，毛针织产品1 2 亿美元，出口额总计约为2 4 3 8 7 亿美元。 值得一提的是，我国羊毛衫的出口量已经占到了世界贸易总量的四分之一。另外具有关统 计数字显示，目前我国纺织工业的发展速度连年攀升，而针织业是其中增长速度最快的1 2 1 。 但长期以来，我国针织机械的装备水平一直较低，以电脑横机为例，目前国内可以生 产电脑横机的型企业有几十家，但是与国外相比，国内企业对于电脑横机的研发基本上还 处于消化、吸收、仿制阶段。由于电脑针织横机对花型准备系统软件、控制系统软硬件设 计、重要机械零部件的设计和制造加工工艺有着严格的要求，需要很高的技术水平和巨大 的资金投入，虽然目前国内企业己经可以生产功能较为齐全的针织横机，但是在品种、质 量、编织速度和编织衣片质量方面与国际水平差距较大，尤其是在中、高端横机领域还没 有成熟的产品，相关设备在很大程度上依赖进口。近几年，中国年均进口中、高端电脑横 机数量保持在4 0 0 0 至5 0 0 0 台。进口电脑横机价格昂贵。德国斯托尔电脑横机的价格约在 9 0 万左右，日本岛津和瑞士斯泰格横机的价格大约在8 0 万左右，厂家要保持生产，至少 需要5 台以上的横机，也就是说至少需要4 0 0 万以上的投入，这样的价格并非普通厂家能 够承受，此外进口横机较高的维修保养费用也令许多厂家望而却步 3 1 。 因此，自主开发一套满足中、高端横机市场需求的高速多功能横机，迫在眉睫，这不 仅是广大企业的迫切需要，而且是提高整个民族针纺织产业竞争力的必由之路，它有利于 加快行业发展、降低成本、提升产品市场竞争力、促进我国针织行业的发展。 德国斯托尔公司c m s 系列h p 机器，依靠更快的机头回转和运行速度，产量提高1 4 。 斯托尔多针距机器的灵活性进一步增强，使用一台多针距机器可以编织不同针距和精美的 花型效果，优化的多针距机器，提高了细针的密度，同时不影响粗针。除了这些全新的机 器，斯托尔还对一些入门机型进行了重新配置和升级，提高了机器的性能，同时保持了较 好的性价比【4 】。 日本岛精公司的m a c h 2 x 电脑横机、m a c h2 s 横机、s w g 0 9 1 n 袖珍版的全成型横编 机受到客户的青睐。m a e h 2 x 电脑横机是具有岛精全成型针及4 针床的全成型特殊机型， 可以编织w h o l eg a r m e n t 产品，最高速度1 6 米秒；全新的急速回转机头系统提升了设备 的最高编织速度，使机头回转速度更快，并提高了每一行的编织效率；新的分针技术可减 少编织时的空车时间，提高编织效率。m a c h2 s 横机采用全新的急速回转机头系统，在缩 短针织生产时间的同时提高了生产力。s w g 0 9 1 n 袖珍版的全成型横编机，除了用于手套、 袜子、五趾袜、帽子、围巾、手脚腕护套、领带等众多时尚配饰外，还可生产出包括童装、 裤袜和背心等多元化的产品【5 】。 瑞士斯坦格：瑞士斯坦格公司近日开发l i c b r 电脑提花横机。l i c b r 电脑提花横机 是一款集众多最新技术于一身的多功能、适合安全生产的紧凑型机型。该机延续了斯坦格 公司独有的前后机头无桥臂相连、独自分别同步传动的设计理念，实现了纱线的上喂给， 缩短了纱路，减少了纱线的张力波动。其导纱器采用马达独立驱动定位，节约了机头空移 时间。该机采用轻小型机头设计，回转速度较快，与普通机型相比，有效提高了生产效率。 该机具有双针床、单机头、三个控制系统，每个系统均具有独立双向移圈，三功位选针及 分针功能；导纱器可以自动定位，牵拉速度程序可控，并带牵拉梳；有多针距型、提花、 嵌花、成型编织等功能【6 1 。 目前这三家企业已经进入我国，使中国的横机使用者多了一个选择，这将有利于提高 我国横机针织产品的开发、生产以及加工水平，同时也加剧了国内横机针织产品的市场竞 争。 2 浙江理工大学硕士学位论文 虽然这些产品质量可靠、技术领先，但其价格昂贵，维修困难，维修费用高昂，而且 近年来随着电子信息技术的飞速发展，电脑横机的更新换代也越来越快，使得我们光靠进 口很难赶上国际领先技术，所以迫切需要研发有自主知识产权的满足我国中高端市场需求 的高速多功能电脑横机。 1 2 2 国内横机发展状况 国内横机研发起步较晚，与国外同类产品差距较大。国内横机设备在走过一段对国外 低端产品的仿制阶段之后，很多企业已经意识到在针织行业中提高设备技术含量的重要性 和必要性，开始走上了自主研发的道路，并针对我国针织市场的需求开发出一系列电脑横 机产品。 宁波裕人针织机械有限公司日前研制成功了g e 2 5 2 c 电脑横机。该机设计的起底板、 剪刀夹子等多项结构都获得了国家专利。该横机起底板利用一排向下的起底针槽与上下活 动的针芯相搭配，起底板的拉力可根据使用的织物由力矩电机分段控制，从而生产出密度 均匀的针织产品。在编织收针产品结束、重新起底时，使用该起底板可有效减少编织的废 纱，从而提高生产效率。g e 2 5 2 c 电脑横机有2 个剪刀和4 个夹子。在编织产品时，剪刀 在夹子的配合下，可把与衣片相连接的暂时不用的纱线剪断，由此可避免产品损坏、纱线 浪费及罗拉卷纱。产品结束工作后，纱嘴由机头带到两边，由夹子夹住纱线，因而可以避 免纱线浮在针床中间。起底板和剪刀、夹子进行配合，可以最大限度发挥彼此的作用川。 绍兴市越发机械制造有限公司是拥有针织机械分公司、纺织机械分公司的股份制企业， 是浙江省行业最大企业和国家中型企业、浙江省高薪技术企业。该公司的y f 6 5 2 型全电脑 针织横机主要用于针织毛衫、双面提花领及其它针织附件的编织。该机拥有二组三角系统， 采用特殊的八段电磁铁选针机构进行高效、任意的三工位选针，对提高编织速度( 机头运 行速度) 起决定性作用瞵j 。 绍兴大纬针织机械有限公司具有丰富的生产经验和雄厚的生产能力，现借鉴国外最先 进的技术研制开发出d w 4 8 2 、d w 5 2 2 、d w 5 6 2 系列全自动电脑横机和电脑无缝内衣机， 经客户单位长期使用，机器功能齐全、性能稳定。该公司的d w 4 8 2 型横机采用数字化技 术，实现横机的翻针、吊目、挑孔、提花、明收针及其他规则花型的编织功能，可编织多 色无规则提花、纹花等纬编组耄 【9 1 。 浙江理工大学硕士学位论文 1 3 论文的研究内容 本文首先介绍了高速多功能横机的机械结构，在分析了国内横机控制系统的优缺点后， 根据该型横机对控制系统的特殊需求，提出了基于三层分布式设计的新型横机控制系统。 论文详细介绍了三层分布式控制系统的硬件和软件设计，重点介绍了基于f p g a 的并行通 讯模块设计、基于三级缓存邮箱的c a n 通讯控制程序设计以及快速换向算法设计。论文 还介绍了各功能模块的调试方法，以及在整机测试时遇到的问题和解决的办法。最后，对 论文的研究成果进行了总结，并对后续的研究工作进行了展望。 论文共分七章，其组织结构说明如下： 第一章：“绪论”，介绍课题的背景和意义、国内外研究现状，提出课题的研究内容、 组织结构和关键技术。 第二章：“高速多功能横机介绍及机械结构分析 ，首先介绍了高速多功能横机的特点， 然后介绍了该型横机的机械结构。 第三章：“高速多功能横机控制系统总体设计”，首先介绍了高速多功能横机对控制系 统的需求分析，然后详细介绍了基于三层分布式设计的横机控制系统的总体设计方案。 第四章：“高速多功能横机控制系统的硬件设计”，简述人机交互层硬件设计，然后详 细介绍了主控制层和机头控制层各功能模块的硬件设计。 第五章：“高速多功能横机控制系统的软件设计”，简述控制系统软件总体设计，然后 重点介绍了基于f p g a 的并行通讯模块的逻辑程序设计、基于三级缓存邮箱的c a n 通讯 控制程序设计和快速换向算法设计。 第六章：“系统调试与测试 ，论述了各功能模块的调试方法，以及在整机测试时遇到 的问题和解决的办法。 第七章：“总结和展望”，对论文的研究成果进行了总结，并对后续的研究工作进行了 展望。 1 4 论文的关键技术 论文的关键技术包括： ( 1 ) 三层分布式控制系统构架的设计。控制系统分为人机交互层、主控制层和机头控 制层，该系统采用独立的人机交互层设计，另外主控制层和机头控制层采用分布式设计。 ( 2 ) 基于f p g a 的并行通讯模块的设计。为了提高人机交互层与主控制层之间的通讯 4 浙江理工大学硕士学位论文 速度，设计了基于f p g a 的并行通讯模块，该模块具有通讯效率高、集成度高和通用性强 的特点。 ( 3 ) 基于三级缓存邮箱的c a n 通讯控制程序设计。针对主控制层与机头驱动层之间 的高速、连续的c a n 通讯的特点，设计了基于三级缓存邮箱的c a n 通讯控制程序，提高 了两层之间的通讯速度和换向动作执行速度。 ( 4 ) 快速换向算法的设计。为了提高制约横机编织效率瓶颈的换向速度，本课题设计 了快速换向算法，该算法采用回转距自动调整和换向动作并行执行的控制方式使编织速度 有了较大提高。 第二章 2 1 高速多功能横机介绍 高速多功能横机是针对 两大特点： 一、高速。该款横机的 指横机机头在编织区域内的移动速度。普通横机编织速度一般为1 2 m s ，而高速多功能横 机编织速度可达1 5 m s 。机头换向指机头在运行出编织区后，要根据设定的回转距继续向 前运行一段距离以释放纱嘴并且使机头刹车，并且运行期间要根据花型信息控制机身和机 头上的控制对象动作，为下一行编织做准备，当动作完成之后再转换机头方向继续下一行 编织。高速多功能横机在控制系统中对换向算法进行了优化，设计了快速换向算法，使其 换向速度较普通横机也有了较大提高。 二、多功能。该型横机为提高织物质量，增加了多种辅助编织功能以达到对线圈大小 和纱线张力的精确控制。如高位罗拉加副罗拉双卷布机构、压脚机构、和储纱器。另外， 人机交互功能上增加了触摸屏输入功能，使输入数据、指令更加方便、灵活。该型横机还 增加了联网控制功能，以实现远程、集散控制。同时人际交互界面的显示也变得更加丰富、 形象，尤其是增加了用动画形式实时显示当前织物编织完成的状态。 2 2 高速多功能横机机械结构分析 构。 本节首先介绍横机的基本机械结构，然后重点介绍了高速多功能横机所特有的机械结 2 2 1 横机基本机械结构 横机机械结构由以下几个部分构成：横机机身、引线装置、机头、纱嘴、针板和罗拉【l o l 。 如图2 1 所示。 6 图2 1 高速多功能横机样机 ( 1 ) 横机机身：电脑横机机身主要起支撑作用，承载机器各机构运行，机身必须有足 够的刚度，要符合人机工程学设计【1 1 】。 ( 2 ) 针床：针床上有间隔均匀的针槽，用于放置织针。本横机织针以八枚为一组，每 组成“撇 字型排列，以配合八段选针。其中后针板固定，前针板可移动，以辅助编织出 多种花型。 ( 3 ) 机头：机头是电脑横机最关键的部分。它的作用是完成选针，调节编织物密度， 控制纱嘴的停靠位簧，通过各三角驱动织针完成编织动作，以及控制织物的编织宽度【1 2 】。 ( 4 ) 纱嘴：纱嘴的作用是把纱线准确地喂入舌针的针舌里，为适应多编织系统及满足 花色组织变换纱线的需要，本电脑横机设计了1 6 个纱嘴，分别安装在四根导纱器导杆上。 ( 5 ) 罗拉：罗拉通过一对牵拉辊进行牵拉，以保证衣片上已经形成的线圈能被及时的 拉下，避免浮在针床上，影响后面线圈的形成质量【1 3 1 。电脑横机还要求罗拉能根据不同的 花色组织、编织速度相应的调节牵拉速度。 ( 6 ) 引线装置：引线装置的作用是保持纱线具有一定的张紧力，使得纱线没有处于成 圈状态下，依然可以保持纱线不下垂，避免绕上其他的障碍物【1 4 1 。同时如果纱线一旦发生 断纱，或者纱线上有死结时，引线装置就会产生中断信号，并且报警。 7 浙江理工大学硕士学位论文 2 2 2 高速多功能横机特有的机械结构 中高端针织品市场对针织产品的质量有较高要求，如：线圈大小要均匀、织物表面平 整，手感要好。为此，高速多功能横机增加了多种辅助编织机构，如高位罗拉加副罗拉双 卷布机构、压脚机构、和储纱器，以实现对线圈大小、纱线张力的精确控制，提高编织衣 片的质量。 高位罗拉与副罗拉双卷布机构：高速多功能横机采用高位罗拉加副罗拉双卷布设计， 双面针板下的空间内从上而下分别设置有高位罗拉和副罗拉。其中高位罗拉的安装位置离 编织点非常近，可以减少间纱的编织时间与用量，降低成本n 卯。副罗拉在高位罗拉拉力不 够的情况下，如：急加针或织物密度较松时，提供辅助牵拉功能。该罗拉机构采用皮质压 紧装置，易调节罗拉之间的压力，使织物受力均匀，确保织物顺利卷取，使编织更稳定， 提高了织物的品质。高位罗拉如图2 2 所示。 图2 2 高位罗拉 压脚机构：压脚是由一根窄长金属片或钢丝构成的特殊的牵拉机构，它安装在横机的 三角座每一成圈系统的相应位置上，随着三角座一起做往返运动，它由压脚电机驱动工作 1 6 1 。压脚的主要作用是在成圈过程中作用于刚形成的旧线圈上面，阻止这些线圈随正在退 圈的织针一起上升，从而达到对织物牵拉的目的。 使用压脚技术后，使横机能够完成移圈收针，脱圈收针，以及持圈收针等工艺，并且 还可以进行成形或立体编织，大大提高了横机的编织能力，从而不仅丰富了产品花色，同 时也提高了产品的档次。压脚机构的两个工作状态：释放线圈、压线圈，如图2 3 所示。 8 以 纱 2 3 本章小结 图2 4 储纱器 本章介绍了横机的机械结构，其中重点分析了高速多功能横机特有的机械结构，高位 罗拉机构、副罗拉机构、压脚机构、和储纱器。 9 浙江理工大学硕士学位论文 第三章高速多功能横机控制系统总体设计 在对横机机械结构分析之后，本课题研究了高速多功能横机对控制系统的需求分析， 在对比目前国内第一代和第二代横机控制系统的优缺点后，提出了基于三层分布式设计的 新型横机控制系统设计方案。 3 1 高速多功能横机控制需求分析 横机是针织机械中较为复杂的一类机型，这主要体现在横机的编织工艺和机械结构上。 横机控制系统的目标是实现横机所有编织工序自动化，即按照横机工艺驱动各机构完成织 物自动编织的功能，因此，横机控制系统也较为复杂，这表现在一方面控制任务量大，另 一方面对实时性要求极高。本节分两小节分别介绍普通横机对控制系统的需求分析即横机 系统的基本控制需求分析，以及高速多功能横机对控制系统的特殊需求分析。 3 1 1 横机系统的基本控制需求 首先，介绍在控制任务量方面横机系统对控制系统的需求。横机控制系统的主要控制 任务可分为三大类：人机交互、实时控制和底层驱动。 人机交互( h u m a nc o m p u t e ri n t e r a c t i o n ) 是指通过计算机输入、输出设备，以有效的 方式实现人与计算机对话。横机控制系统中的人机交互任务主要包括： ( 1 ) 人机交互界面显示。控制器驱动l c d 显示屏显示交互界面。显示信息包括：编 织状态信息、编织状态控制信息、工艺参数信息、工作参数信息等。 ( 2 ) u s b 花形输入。控制器外扩u s b 接口，以输入所要编织的花形文件。 ( 3 ) 花形文件、参数信息存储。控制器外扩一片或多片f l a s h 芯片以存储当前花形 文件、工艺参数信息和工作参数信息。 ( 4 ) 键盘控制。控制器外扩键盘以输入各种参数信息和编织控制指令。 实时控制指控制器根据控制指令实时控制横机工作。实时控制的控制任务主要包括： ( 1 ) 与人机交互层通讯。包括接收控制指令，传递工作参数和花型文件以及反馈工作 状态信息等。 ( 2 ) 编织控制。包括编织流程控制、花型文件解析等。其中花型文件解析指根据编织 工艺将花型信息解析为各控制对象的动作信息。 1 0 浙江理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 监视机器工作状态。控制器分析各类传感器信息，实时监控器横机工作状态。 底层驱动任务包括两大类：一类是根据动作信息驱动相应的控制对象动作，以实现编 织功能；另一类是采集各路传感器和开关量信号。横机因其编织工艺复杂，因此控制对象 和传感器种类多，数量大。各控制对象根据横机结构可分为两大类：机身部分的控制对象 和传感器，以及机头部分的控制对象和传感器，其中机头部分的控制对象位于机头内部， 在编织时随机头往复运动。 其中机身部分的底层驱动任务包括： ( 1 ) 主电机控制( 机头传动电机) 。 ( 2 ) 移床电机控制。 ( 3 ) 罗拉电机控制。 ( 4 ) 机身部分各类传感器、开关控制。包括：针零位传感器、机头左右限位传感器、 移床零位传感器、移床限位传感器、撞针检测传感器( 8 个) 、左右收线传感器、控制杆位 置检测传感器( 3 个) 、断纱报警传感器( 1 6 个) 、和急停开关。 其中机头部分的底层驱动任务包括： ( 1 ) 选针器控制，选针器共有8 个。 ( 2 ) 度日电机控制，度母电机共有8 个。 ( 3 ) 压脚电机控制，压脚电机共有2 个。 ( 4 ) 三角电磁铁控制，三角电磁铁共有2 0 个。 ( 5 ) 纱嘴电磁铁空盒子，纱嘴电磁铁共1 6 个。 ( 5 ) 机头部分各类传感器控制。包括：度母电机零位传感器( 8 个) 、压脚电机零位 传感器( 2 个) 、探针传感器( 2 个) 。 然后介绍在实时性方面横机对控制系统的控制需求。横机在编织过程中是以针信号为 同步信息的，每经过一针控制系统需解析该针对应的花型文件，然后控制相应的选针器、 电磁铁等控制对象工作。因为横机针距很小，另外为了提高生产效率对机器运转的速度要 求也非常高，因此，对于控制系统来说实时性要求非常高。 横机针响应时间计算公式如公式3 ( 1 ) 所示，其中t p 指针响应时间：v 指横机编织 速度，普通横机直线编织速度一般为1 2 m s ，即1 秒钟机头在针板上前进1 2 米的距离；n 指机号，机号指针板上1 英寸距离包含的针数，常用机号有5 针、7 针、1 2 针。 ，0 0 2 5 4 工p 一一 v n 3 - ( 1 ) 浙江理工大学硕士学位论文 以1 2 针、4 8 寸的机型为例，当编织速度为1 2 r n s 时，带入公式计算可得，针响应时 间为1 7 6 m s 。控制系统需在如此短的时间内完成解析花型、驱动种类繁多的控制对象动作。 因此，控制系统在设计时需注重实时性的问题。 3 1 2 高速多功能横机的特殊控制需求 高速多功能横机因提高了编织速度和换向速度，另外增加了多种辅助编织功能，因此 对控制系统有更高的要求。 首先，在控制任务量方面，该型横机在人机交互和底层驱动上增加了多种控制任务。 ( 1 ) 人机交互界面显示内容更加丰富、形象，尤其是增加了用动画形式实时显示当前 织物编织完成的状态。 ( 2 ) 触摸屏输入控制。高速多功能横机使用触摸屏作为信息输入的载体，与传统的键 盘输入相比，更加方便、灵活。 ( 3 ) 联网控制。高速多功能横机增加了以太网接口，以实现远程、集散控制。 底层驱动增加的控制任务： ( 1 ) 高位罗拉加副罗拉双卷布控制。 ( 2 ) 压脚电机控制。 ( 3 ) 储纱器控制。 其次，在实时性方面，高速横机对实时性的要求更高。首先，高速多功能横机的编织 速度达到1 5 m s ，高于普通电脑横机的1 2 m s ，相应的针响应时间也减小了。仍以1 2 针， 4 8 寸机型为例，其针响应时间为1 4 m s ，小于1 2 m s 速度下的1 7 6 m s 。另外，该型横机对 换向速度要求较高，需改进软件系统的换向算法，使换向速度增加。 3 2 基于三层分布式设计的横机控制系统 首先，介绍一下国内电脑横机的控制系统结构。国内电脑横机控制系统的研究起步较 晚，相对于国外先进的控制技术，国内还处于消化、吸收、仿制阶段。但随着电子技术， 特别是嵌入式系统控制技术的发展和普及，国内控制控制系统发展迅速，目前已经形成两 代成熟产品。 第一代横机控制系统的系统结构如图3 1 所示： 1 2 浙江理工大学硕士学位论文 l c d 显示器k = 键盘b 令= 刮度目电机 u s b 接e b 令 实时控制层 = 刮选针器 主电机陴o = 刮三角电磁铁 移床电机l 辱=e 刊传感器 多拉电机酵一 图3 1 单层集中式控制系统结构图 同肉笛一胖| 若加坊制墨垦霉田的昆焦由卉坊制么缩谢计辉恕一曲坊生l i 巳同时馅害 加亦 指机身部分和机头部分的控制对象由一个控制层集中控制，其中机头部分的控制对象因需 跟着机头往复运动，因此，需要从控制层中引出大量控制信号线通过拖链连接到机头各控 制对象，由于拖链传动频率高，对导线的抗弯、抗疲劳、抗干扰性要求高，因此系统的稳 定性较差。 第二代横机控制系统的系统结构如图3 2 所示： 图3 2 双层分布式控制系统结构图 1 3 浙江理工大学硕士学位论文 第二代横机控制系统采用双层分布式结构。控制系统分为两层，主控制层负责人机交 互、实时控制、机身部分控制对象驱动以及向机头驱动层发送控制指令，而机头控制层负 责机头部分控制对象的控制。将机头部分的控制从主控制层中分离出来，是典型的分布式 设计，这种设计使两次之间减少了控制信号线的连接，只需几根串行通讯信号线即可，使 系统的稳定性得到提高，同时双控制层结构也使系统处理速度有了较大提高。但在高速多 功能横机的特殊控制需求下，主控制层的针响应时间更短，同时人机交互和机身部分控制 任务又大大增加，单一主控制层不能同时满足高速多功能的控制需求。 基于对国内两代横机控制系统优缺点的分析，然后针对高速多功能横机对控制系统的 特殊需求，本论文提出了基于三层分布式设计的新型横机控制系统设计。该设计根据控制 任务的特点，对系统进行了合理的功能分层，共分三层：人机交互层、主控制层和机头控 制层。采用独立的人机交互层处理人机交互任务，主控制层和机头控制层仍采用分布式设 计。 系统结构图如图3 3 所示： l c d _ 显示器降= 爿 矧 触摸屏 二二二人机交互层i = 二 u s b 接口 “ 坠奎望堡! 双口r a m 并行通讯 封揣幄 移床电机际刮 主控制层 传感器酬 选针器 c a n 通讯 高位罗拉 副罗拉 储纱器 压脚电机 = g je g 磁铁 e d机头控制层 刮度目电机 传感器 = 割| | 存储器 图3 3 三层分布式控制系统结构图 人机交互层负责处理人机交互任务，包括：人机界面显示，u s b 花型输入控制，触摸 屏控制，基于以太网接口的联网控制，以及与主控制层之间的通讯。处理器采用三星公司 的a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 4 0 ，该处理器信号处理速度高，并且具有液晶驱动接口、u s b 接口、 以太网接口等【1 8 1 。独立的人机交互层满足了高速多功能系统对交互界面显示丰富、生动形 1 4 浙江理：亡大学硕士学位论文 象的要求，同时也提供了触摸屏输入和联网控制功能。 主控制层负责实时控制、驱动机身部分控制对象以及向机头驱动层发送控制指令。处 理器采用t i 公司的c 2 0 0 0 系列d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，该处理器实时信号处理能力强， 处理速度达1 5 0 m i p s ，满足控制系统实时性高的控制要求，另外内部集成了p w m 功能模 块、c a n 通讯模块方便对机身各电机的控制，以及与机头驱动层之间的通讯【1 9 】。 机头驱动层负责解析主控制层的控制指令，以及控制机头上所有控制对象的动作。处 理器采用t i 公司的c 2 0 0 0 系列d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，该处理器处理速度达4 0 m i p s ， 具有功耗低、成本低的优点，另外内部同样集成了p w m 功能模块、c a n 通讯模块方便对 机头各电机的控制，以及与主控制层之间的通讯【2 0 】。 人机交互层与主控制层之间存在高速、海量的数据通讯，因此，本课题设计了一个基 于f p g a 的并行通讯模块，用于两层之间的通讯。 主控制层与机头驱动层之间采用c a n 通讯模式。c a n 总线具有通信速率高、容易 实现、且性价比高等诸多优点，能很好的满足两层之间的高速通讯【2 1 1 。另外，两层主 控芯片d s p 中都集成了c a n 功能模块，方便控制，并且通讯稳定性高。 独立的人机交互层设计，一方面使人机交互功能更强大，另一方面因主控制层处理器 减少了复杂的人机交互任务处理，它的实时处理速度变得更快，因此在编织控制时其针响 应时间可以更短，编织速度更高。主控制层与机头驱动层的分布式设计，减少了模块之间 的线路连接，提高了系统的稳定性，另外使控制系统的处理能力和处理速度大大提高。高 速处理能力使横机的最大编织速度有较大提高。本控制系统中增加了对新增的辅助编织机 构的控制，如高位罗拉加辅助罗拉双卷布控制、压脚机构控制和储纱器控制，使衣片的质 量有了较大提高。该控制系统在人机交互功能、编织效率和衣片质量上较以往系统有较大 改进，很好的满足了高速多功能横机对控制系统的需求。 3 3 本章小结 本章重点讨论高速多功能横机控制系统总体方案的设计。首先论述了横机对控制系统 的需求分析，重点讨论高速多功能横机对控制系统的特殊需求。然后，在对比了目前国内 第一代和第二代横机控制系统的优缺点后，提出了基于三层分布式的新型控制系统设计方 案。 图4 1 人机交互层系统结构图 人机交互层电路板实物图如图4 2 所示： 图4 2 人机交互层电路板实物图 1 6 浙江理工大学硕士学位论文 $ 3 c 2 4 4 0 是三星公司推出的一款基于a r m 9 2 0 t 内核的3 2 位r s c 嵌入式微处理器， 它专为手持设备和一般应用而设计，能满足嵌入式系统中的低成本、低功耗、高性能、小 体积的要求。它的运行频率可以达到5 3 3 m h z 。$ 3 c 2 4 4 0 集成了丰富的片上资源，使得开 发者可以尽可能的减少外围的设备部件，以降低系统成本1 2 2 1 。 本系统使用的片上资源主要包括： 1 6 k b 指令和1 6 k b 数据高速缓存 一个l c d 控制器( 支持4 k 色s t n 和2 5 6 k 色t f t 液晶屏) 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) 触摸屏接口 ， 2 通道u s