（微电子学与固体电子学专业论文）基于arm和ecos的电脑横机控制系统的研究.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 电脑横机是纺织工业中的主要设备，作为一种具有较高科技含量的机电一体化产品，它 的技术进步关系到我国纺织工业的发展。然而，由于历史原因及国情现状，我国的电脑横机 技术相比国外先进水平依然有很大差距。主要表现在智能化水平较低、关键技术的研发相对 缓慢等方面。目前我国的高端电脑横机大多还依靠进口，要想振兴民族工业，就必须提高对 电脑横机的自主研发能力。本文研究的重点是电脑横机控制系统，在全面分析目前研究现状 的基础上，设计并实现了具有竞争力的嵌入式电脑横机控制系统。 本文首先深入分析了电脑横机的发展情况与国内外研究现状，阐述了本文的研究意义与 研究内容。然后对电脑横机的原理及机械结构进行了介绍，分析了横机各部件的控制需求及 编织工艺。在此基础上，提出了基于a r m 和e c o s 的电脑横机控制系统方案，阐述了在电脑 横机控制系统中采用e c o s 操作系统相比采用传统的l i n u x 操作系统的优势。基于层次化的分 层控制理念，将电脑横机控制系统分为主控制层与机头控制层，两部分通过c a n 总线进行通 信，这样的设计解决了传统控制系统中连线复杂和维护困难的缺点，提高了系统的可靠性。 本课题选用了f r e e s c a l e 公司的基于a r m 9 内核的i m x 2 5 8 处理器作为主控制层的核心 控制芯片，提高了系统的安全性。详细设计了电脑横机控制系统的硬件平台，包括主控制层 与机头控制层的硬件设计。其中主控制层部分包括存储器电路、c a n 总线电路、以太网、l c d 与触摸屏电路、电机驱动电路等，机头控制层包括电磁铁驱动、选针器驱动、步进电机驱动 电路等。此外，对核心控制板的p c b 设计中遇到的信号完整性问题进行了仿真分析。同时， 本论文设计了基于e c o s 的电脑横机控制系统软件。对e c o s 操作系统的层次结构、源码结构、 内核机制等进行了分析，搭建了e c o s 的应用开发环境。详细叙述了基于i m x 2 5 8 处理器的 e c o s 嵌入式操作系统的移植过程，并对r e d b o o t 及e c o s 内核进行了测试。设计了设备驱动 程序，并在此基础上对主控制层与机头控制层进行了软件设计。主控制层部分的软件包括花 型文件解释、磁盘管理、系统测试、参数管理、编织控制等，机头控制层部分的软件包括c a n 通信程序、选针器驱动程序、电磁铁驱动程序、步进电机驱动程序等。主控制层通过c a n 总 线控制机头控制层，由两部分配合共同完成编织任务。 最后论文对电脑横机控制系统的故障问题进行了分析，提出了基于故障树检测方法的机 头电路板故障检测系统。该系统可实现批量检测，提高企业的生产效率。设计实现了基于 l m 3 s 5 r 3 l 与m a c h x 0 2 5 6 c 的检测系统。将该检测系统在企业中进行了实验并取得了较理想 的实验结果。 关键字：电脑横机，a r m ，i m x 2 5 8 ，e c o s ，机头电路板，故障检测 a b s t r a c t c o m p u t e r i z e df l a tk n i t t i n gm a c h i n ei sam a j o re q u i p m e n ti nt e x t i l ei n d u s t r y , a sah i g h t e c h m e c h a t r o n i cp r o d u c t ，i t st e c h n o l o g i c a lp r o g r e s sh a sg r e a tr e l a t i o n s h i pw i t hc h i n a - st e x t i l ei n d u s t r y h o w e v e r , d u et oh i s t o r i c a lr e a s o n sa n ds t a t u sc o n d i t i o n s ，c o m p a r e dw i t ht h ei n t e m a t i o n a la d v a n c e d t e c h n o l o g y , t h e r ei ss t i l lab i gg a po fc o m p u t e r i z e df l a tk n i t t i n gm a c h i n et e c h n o l o g yb e t w e e n d o m e s t i ca n df o r e i g n t h eg a pi sm a i n l yr e f l e c t e di nt h ea s p e c to ft h ek n i t t i n gm a c h i n e ，sl o w e r l e v e l i n t e l l i g e n c ea n dt h es l o ws p e e do fr e s e a r c hi nt h ek e yt e c h n o l o g i e s i na d d i t i o n ，c h i n a sm o s t a d v a n c e dc o m p u t e r i z e df l a tk n i t t i n gm a c h i n e ss t i l lr e l yo n i m p o r t s ，s ow em u s ti n c r e a s et h er e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n tc a p a b i l i t i e st or e v i t a l i z et h en a t i o n a li n d u s t r y t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ec o n t r o l s y s t e mo fc o m p u t e rf i a tk n i t t i n gm a c h i n e ，w h i c hi st h eb r a i no ft h ew h o l ek n i t t i n gm a c h i n e b a s e d o n a c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fc u r r e n ts t a t u so fr e s e a r c h ，ac o m p e t i t i v ec o n t r o ls y s t e mo fc o m p u t e r f l a tk n i t t i n gm a c h i n ei sp r o p o s e d i nt h i sp a p e r , t h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hs t a t u so ft h ef l a tk n i t t i n gm a c h i n ei sa n a l y z e df i r s t a n dt h em e a n i n go ft h i sr e s e a r c hi se x p l a i n e dt h e n o nt h eb a s i so ft h ei n t r o d u c eo f t h ep r i n c i p l ea n d m e c h a n i c a ls t r u c t u r e so ft h ec o m p u t e r i z e df l a t k n i t t i n gm a c h i n e ，a n dt h ea n a l y s i so ft h ec o n t r o l r e q u i r e m e n t so ft h ev a r i o u sc o m p o n e n t si nt h em a c h i n e ，am e t h o da d o p t i n ga r ma n de c o s o p e r a t i n gs y s t e mf o rt h ec o n s t r u c t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e mi s p r o p o s e d c o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e mu s i n gt h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，t h ec o n t r o l s y s t e mu s i n ge c o s o p e r a t i n gs y s t e mp r o p o s e di nt h i sp a p e rh a sm a n ya d v a n t a g e s b a s e do nh i e r a r c h i c a lc o n c e p to ft h e c o n t r o ls y s t e m ，at w o t i e rd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e d ，i td i v i d e di n t ot h em a i nc o n t r o l l a y e ra n dh e a dc o n t r o ll a y e r , t h e s et w ol a y e r sc o m m u n i c a t ev i at h ec a nb u s t h i sd e s i g no v e r c a m e t h es h o r t c o m i n go ft h ec o m p l e xc o n n e c t i o no ft h e s et w o l a y e r sa n di m p r o v e dt h er e l i a b i l i t yo ft h e c o n t r o ls y s t e mo ft h ec o m p u t e r i z e df l a tk n i t t i n gm a c h i n e i no r d e rt oi m p r o v et h es e c u r i t yo ft h es y s t e m ，f r e e s c a l e sa r m 9 - b a s e di m x 2 5 8p r o c e s s o r i s s e l e c t e d f o rm em a i nc o n t r o ll a y e r t h eh a r d w a r e p l a t f o r mo ft h ec o n t r o ls y s t e mo ft h e c o m p u t e r i z e df l a tk n i t t i n gm a c h i n ei sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h em a i nc o n t r o ll a y e ra n dt h eh e a d c o n t r o ll a y e r t h em a i nc o n t r o ll a y e ri n c l u d e si n t e r f a c e ss u c ha sm e m o r y , c a n b u s ，e t h e r n e t ，l c d ， t o u c hs c r e e na n dm o t o rd r i v ec i r c u i t ，e t c t h eh e a dc o n t r o ll a y e ri n c l u d e ss o l e n o i dd r i v ec i r c u i t ， n e e d l es e l e c t o rd r i v e c i r c u i t ，s t e p p e rm o t o rd r i v ec i r c u i t i na d d i t i o n ，t h es i g n a li n t e g r i t yp r o b l e m si n p c bd e s i g no fc o r ec o n t r o lb o a r di sa n a l y z e d m e a n w h i l e ，t h es o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mb a s e d o ne c o si sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h eh i e r a r c h y , s o u r c es t r u c t u r e ，k e r n e lm e c h a n i s mo ft h ee c o s l l 杭州电子科技大学硕十学位论文 o p e r a t i n gs y s t e ma r ed i s c u s s e da n da n a l y z e d ，a n dad e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tf o re c o st od e v e l o p e c o sa p p l i c a t i o ni se s t a b l i s h e d t h em i g r a t i o np r o c e s so ft h ee c o se m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m b a s e do nt h ei m x 2 5 8p r o c e s s o ri sd e s c r i b e di nd e t a i l a n dt h e nt h er e d b o o ta n de c o sk e r n e la r e t e s t e d w i t ht h ed e s i g no ft h ed e v i c ed r i v e ro ft h ep l a t f o r m ，t h es o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e d t h es o f t w a r eo ft h em a i nc o n t r o ll a y e ri n c l u d ep a t t e r nd o c u m e n t se x p l a n a t i o n ，d i s k m a n a g e m e n t ，s y s t e mt e s t i n g , p a r a m e t e rm a n a g e m e n t ，w e a v i n gc o n t r o l ，e t c t h es o f t w a r eo ft h e h e a dc o n t r o ll a y e ri n c l u d ec a nc o m m u n i c a t i o np r o g r a m s ，n e e d l es e l e c t o rd r i v e r s ，s o l e n o i dd r i v e r s ， s t e p p e rm o t o rd r i v e r s ，c t c t h em a i nc o n t r o ll a y e rc o m p l e t et h ew e a v i n gt a s kt o g e t h e rw i t ht h eh e a d c o n t r o ll a y e r , a n dt h e yc o m m u n i c a t ev i at h ec a nb u s 一 f i n a l l y , o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so ft h ef a u l td e t e c t i o np r o b l e m so ft h ec i r c u i tb o a r do ft h e c o m p u t e r i z e df l a tk n i t t i n gm a c h i n e ，af a u l td e t e c t i o ns y s t e mo ft h eh e a dc o n t r o ll a y e r sc i r c u i t b o a r d sb a s e do nam e t h o do ff a u l tt r e ei s p r o p o s e d ，a n dt h es y s t e mh a st h ea d v a n t a g eo fb a t c h t e s t i n g ，s oi tc a ni m p r o v et h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y t h es y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nl m 3 s 5 r 31 a n dm a c h x 0 2 5 6 c a l a r g en u m b e ro ff a u l td e t e c t i o ne x p e r i m e n t so f t h i ss y s t e mw e r ec a r r i e do u ti n t h ee n t e r p r i s ea n dt h ed e s i r e dr e s u l t sh a sa c h i e v e d k e yw o r d s ：c o m p u t e r i z e df l a tk n i t t i n gm a c h i n e ，a r m ，i m x 2 5 8 ，e c o s ，f a u l td e t e c t i o n i i i 杭州电子科技大学硕十学位论文 第1 章课题的研究背景及内容 1 1 电脑横机概述 1 1 1 电脑横机与纺织工业 电脑横机是羊毛针织行业中的主要机种，也是纺织机械中的典型代表，适合羊绒、化纤、 麻、丝、棉及各种混纺纱线的编织生产。随着毛衫行业设备的发展以及电脑横机的逐步普及， 电脑横机市场正在不断扩大。作为一种拥有百余年发展历史的机电一体化产品，电脑横机的 发展推动着世界的纺织工业的发展，成为经济发展不可或缺的产品。随着全球经济一体化的 进程逐步加快，世界人民的生活水平提高，人们已经越来越离不开纺织产品，因此纺织工业 在世界经济中的地位也显得越来越重要。 纺织工业同样也是我国的重要产业之一。根据纺织工业“十二五”科技进步纲要的指 导思想和发展目标，我国的纺织工业将在“十二五 期间得到快速全面的提升，而纺织工业 的发展离不开纺织工业科技的发展及创新。改革开放三十多年来，特别是进入2 1 世纪以来， 我国的纺织工业取得了长足发展，而一系列纺织机械方面的技术进步在其中发挥了根本性的 推动作用。在“十一五”期间，纺织行业科技进步速度加快，自主创新能力迅速提升，以自 主创新的工艺、技术、装备为主体的发展速度加快，新产品开发能力和品牌创建能力明显增 强，有效支撑了产业结构调整和产业升级【l 】。电脑横机作为在毛衫针织行业中应用广泛的重 要机种，它的自主研发更显得尤为重要。据统计，中国当前各类横机的总拥有量约t 6 0 万台 左右，而电脑横机的总拥有量仅为l o 万台左右，电脑横机的总需求量依然很大【2 】。 1 1 2 电脑横机的发展 横机距今已有一个半世纪的历史，经历了从无到有，从机械化到计算机化，从提花到半 成型、全成型、序贯编织直到整体编织的发展。1 8 5 7 年出现了第一台钩编针织机，可以认为 是横机的前身。随着平行纬编机的发展，美国人l w l a m b 发明了一台双反面横机，该机可使 舌针在屋顶型的真床内单独移动，还具有良好的三角机构，随后又将提花机上的自动收放针 技术和集圈三角技术应用于横机【3 】。到了2 0 世纪初开始出现了机械式的横机。电子技术自2 0 世纪7 0 年代开始在横机上应用【4 】，日本、德国、意大利等发达国家突破横机的传统手动工作 方式，将电子技术应用到针织横机中来，开发出新一代针织横机电脑式针织横机【5 】。到 了8 0 年代，计算机技术及嵌入式工控在电脑横机上的应用逐步成熟，这也使得如今的电脑横 机不仅功能强大，而且操作简便，并成为机电一体化应用的成功代表。 近年来，电脑横机不断以全新的面貌出现在各种纺织机械展览会上。从历届展会中可以 发现，电脑横机的计算机化已经成为一种必然的发展趋势。同时，各种全新技术的应用也使 得电脑横机不仅从生产效率上得到了提升，功能多样性及可操作性上也得到了大幅提升。现 杭州电子科技大学硕士学位论文 在的很多全成型电脑横机已经能够一次编织整件服装，而不再是传统的半件。此外，在纱线 控制、无线技术应用、花型设计软件、机头运动速度等方面都有了很大的进步。如今，各家 世界级横机厂商群花争艳、百花齐放，一步步推动着电脑横机朝着高科技、高性能、高效率 的方向发展。 1 1 3 电脑横机控制系统概述 电脑横机主要由传动机构、牵拉机构、给纱机构、针床横移机构、检测自停装置、密度 调节机构、花型文件设计系统等组成【6 】。从控制系统角度看又可分为整机控制系统及机头控 制子系统。其中整机控制系统是电脑横机的核心部分，它根据花型文件的编织要求转化为各 种控制指令，控制机头子系统执行机构完成各种编织动作以达到自动编织的目的。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 随着瑞士事坦格( s t e i g e r ) 公司被我国的慈星股份收购，目前国外的电脑横机品牌主 要有德国斯托尔( s t o l l ) 公司、日本岛精( s h i m a s e i k i ) 公司、意大利普罗迪( p r o t r i ) 公司等。国外的电脑横机起步较早，几家大品牌一直以质量可靠、技术先进而著称，一直以 来引领着世界电脑横机技术的发展。 德国斯托尔是电脑横机的始祖，正是斯托尔公司在1 9 7 5 年的国际纺织机械展览会上展出 了第一台电子控制的横机( a w 和d s t r 机型) 。1 9 7 9 年，斯托尔又推出了世界上第一台电脑 横机( c n c a 3 ) 和第一个花型准备系统。近年来，斯托尔公司不断发展了自己的“织可穿 技术。其中，s t o l l 的c m s 紧凑型系列电脑横机是最能体现s t o l l 精髓的典型机器，可以 选择2 个、3 个或4 个系统进行编织，生产全成型产品时极为高效，是世界上最热销的一款 电脑横机。c m s 有经济高效的编织方式，即使在编织复杂产品时也能显著缩短编织时间。此 外，分针功能、调整和设置时间短、沉降片技术都使花型范围更加广泛。针距设计的范围也 是很广，从超粗到极细针均有，可以快速应对任何的流行趋势。在第十届大朗织交会上，斯 托尔展示了正3 g 双系统电脑横机c m s5 0 2h p ，它采用5 英寸紧凑编织系统，机头可沿针床 移动到任何位置【7 1 ，使h p 系列相较前代提升了1 0 。通过对编制过程和机头运动的技术改进 使得生产时间平均节省了4 。此外，斯托尔在最新推出的粗机号“c m s5 3 0h p 多针距”机 器上采用了一种超大针钩的“4 l ”织针，能够喂入更多的纱线，生产粗针产品峭】。c m s5 3 0h p 整机如图1 1 所示。 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 i 。白晒獗萌谶两涵荔三三三三一i i _ ：_ 。；匐酾溺萌荔酾器毫 图1 1 斯托尔公司的c m s5 3 0 h i 横机 日本岛精公司目前是世界高端横机的制造商。岛精公司自成立以来不断发挥着创造力， 竭尽全力开发满足顾客需求的优质产品。从最初研制手套编织机以及横编机，经过几十年的 发展，如今岛精在世界高端电脑横机市场上已经占有了较高份额。岛精最近推出了可编织1 8 g 毛衫的n s s g l 2 2 电脑横机。s s g 和s s r 系列的s v 型号电脑横机配备了多针距的功能，可 在机器上织出不同针数的效果，因而无需浪费大量的时间进行针型转换，大幅度提高了生产 效率。在制版系统方面，岛精最新推出了s d s o n e a p e x 服装设计工作系统，如图1 2 所示。 它可进行基于市场经验的策划创作、纸样制作、纱环模拟以及实现非常直观的3 d 立体模特 模拟效果。从产品设计到完成都能呈现出一个比较立体的直观效果，被称作“a l li no n e s o i j j t i o n 。 图1 2 岛精公司的s d s o n ea p e x 服装设计工作系统 国外的电脑横机品牌在技术上具有国内品牌无法比拟的优势，但是其高昂的价格一直是 限制其销量的重要障碍。然而，近年来国外横机厂商也逐渐意识到了光靠技术上的创新优势 譬 杭州电子科技大学硕士学位论文 是不够的，逐渐将重心转向低端市场，以与国内厂商相抗衡。斯托尔的c m s 5 0 2 与岛精的 s s r l l 2 s v 通过裁剪部分非主要部件达到缩减成本的目的，提高了在成本上的竞争力p 】。 1 2 2 国内研究现状 随着改革开放的不断深入，我国的电脑横机近年来也得到了快速发展。在国内，电脑横 机的使用已经不仅仅局限在岛精、s t o l l 等世界大牌上，各种国产电脑横机品牌也不断出现 在纺织品生产厂家的工厂内。目前，我国已有近5 0 家横机制造企业，可年产电脑横机4 万多 台，产地主要集中在常熟、张家港、南通、宁波、台州、绍兴、东莞等地区。近几年，国内 电脑横机行业出现了“百花齐放，百家争鸣”的局面。许多厂家通过合作方式，利用国外先 进技术研制了新一代的电脑横机。目前，国内的电脑横机产品主要有宁波慈星的c x l 4 5 和 g e 系列、南通天元的t y 2 5 2 系列、常熟金龙的l x c 2 5 2 系列、浙江海森的h s 一1 2 2 s 、绍兴 越发的y f 1 3 2 等。图1 3 是绍兴越发公司生产的y f 1 3 2 电脑横机。 一 图1 3 国产电脑横机y f - 1 3 2 由于我国毛衫行业发展较快，并且伴随着劳动力成本的增加，电脑横机需求量出现了几 何级数增加的态势，这也带动了国产横机制造企业的快速发展。经历了几年的发展，国产电 脑横机的研究取得了可喜的成果，机头速度已经突破了以往电脑横机的最高速度1 2 米秒， 有的机器还具备了一机多用的功能，可以生产出相近机号的规格织物。目前国内的电脑横机 主要还是双系统电脑横机，然而经济型单系统和单级选针电脑横机也已经投入批量生产，由 于具有价格优势而成为了新的卖点。 国内电脑横机设备的技术进步主要体现在高效、多样化等方面，但是在高功能、精细化 方面仍有不足。宁波慈星股份有限公司是目前国内最大的横机生产厂商，“慈星”牌电脑横机 在2 0 1 0 年的销售额突破了2 5 亿元，使慈星股份成为了全球电脑横机年产销量规模最大的针 织设备供应商。“慈星 横机从2 0 0 3 年开始研制生产，2 0 0 4 年成功研制出首批电脑针织横机 “g e 2 - 4 5 s ”。此后，依靠着慈星的品质和服务，公司销售收入保持了3 0 0 的年均增长率。 2 0 0 9 年，慈星收购了瑞士“事坦格”公司，标志着“慈星”电脑横机成为全球电脑横机品牌 前3 强、中国电脑横机的第一品牌，占国产横机品牌市场份额的6 0 以上。其中慈星旗下的 g e 2 6 0 s 横机能够执行两口编织或一口编织一口翻针，大大提高了工作效率。h p 系列横机具 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 备动态调整机器速度功能，可以使机头在花型的同一行编织过程中改变它的运行速度。这项 重要的创新功能，使得生产时间减少了2 0 。江苏常熟金龙机械的“龙星”牌多功能电脑横 机l x c 2 5 2 s c 创新设计的起底针拥有特殊的活动释放功能，可均匀张力以防止线圈脱落。此 外金龙机械还开发了新型超薄纱嘴和可调纱嘴座，使编织效率明显提高。南通天元的三角变 换机构采用了电磁阀以取代以往的步进电机，增强了横机的可靠性与稳定性。国内电脑横机 的生产经过这几年的发展，在总量上已经大大超过了进口电脑横机。 然而，数量上的发展并不代表质量上的同步发展。国产电脑横机还存在着很多问题和缺 陷，和国际品牌相比还有一些不足。现在的国产电脑横机在技术上没有或者很少有属于自己 的创新，基本上都是拷贝国外的技术然后贴上自己的标签，高档横机更是需要依赖进口【1 0 1 。 正因为如此，国产电脑横机缺乏真正高品质的产品，无法超过国外品牌。近年来国产电脑横 机的大规模出现，竞争的日益激烈，也造成了国产电脑横机品牌层次参差不齐，产品质量高 低不同的局面。很多厂商仅仅是为了实现短期的经济效益，盲目追求低价而忽略了质量。而 片面追求利益的最大化也势必造成这些电脑横机具有稳定性差、易损坏、易死机等缺点。失 去了质量的保证，最终将因小失大而被市场所淘汰。 1 3 课题的研究意义 电脑横机是纺织机械中最为重要的机种之一，但是同时也是目前中国纺织服装机械中最 为落后的机群。国外品牌技术先进、资金雄厚，它们在机械技术、花型制版和控制系统上拥 有绝对垄断的技术优势，其中日本岛精、德国斯托尔、瑞士事坦格、意大利普罗蒂等四个品 牌并称电脑横机行业中的“四大天王 。而国内电脑横机行业起步较晚，技术储备还很不足。 虽然经过十几年的发展，中国国内的电脑横机数量已达到世界前列水平，但是国内企业对于 电脑横机控制技术基本上还处于研制、消化、吸收阶段。国内很多同行企业因自身力量在短 时间内无法突破这些技术壁垒，在专利上涉嫌侵权现象，与国外、国内企业打官司的事情时 有发生，严重阻碍了国内的经济发展。国产横机想要占领国内市场甚至国际市场，不受国外 厂商制约，就必须不断开发属于自己的技术，真正在技术上成熟，形成自己的特色。 同时，我国的纺织企业对于高端先进设备的需求也在不断增长。随着我国经济的飞速发 展，老百姓口袋里的钱也逐渐多了起来，对于服装的质量有了更高的要求。尽管由于近年金 融危机的影响，国际市场的出口出现了下滑，但是可以预见的是，随着我国逐步将扩大内需 作为基本的经济政策，未来几年对于纺织机械的需求将会进一步增长。从2 0 1 0 年中国国际纺 织机械展览会暨i t m a 亚洲展览会上获悉，市场需求主要表现在对纺织机械的档次的进一步 提升，对高效率、高质量、节能环保、自动化程度高的设备需求在不断增长。因此，大力发 展自己的电脑横机技术，提高横机的精度、改善配件的质量、提高控制系统的稳定性，就可 以使我国的电脑横机与国际品牌相抗衡，从而振兴我国的民族工业。 1 4 课题的研究内容 本课题的任务是研究并设计完整的电脑横机控制系统，以使电脑横机能够根据花型文件 杭州电子科技大学硕士学位论文 的输入自动完成各种编织动作，最终完成织物的编织。首先对电脑横机的原理及机械结构进 行详细分析，根据控制系统的需求制定详细的控制方案，并选择合适的操作系统。然后对整 个控制系统进行详细的硬件平台设计，包括主控制层和机头控制层的设计。对p c b 设计中遇 到的信号完整性问题进行仿真优化。通过认真的研究比较当前一些主流的操作系统，分析了 他们各自的优缺点，选择了开放源码、易于移植、可配置性强的e c o s 操作系统作为本课题研 究的电脑横机控制器的操作系统。详细分析了e c o s 的结构，搭建了嵌入式e c o s 开发环境并 对e c o s 操作系统进行了移植。在此基础上，对主控制层与机头控制层的软件进行了分析设计， 其中主控制层部分实现了花型文件解释、磁盘管理、系统测试、参数管理、编织控制等功能， 机头控制层部分实现了三角电磁铁驱动程序、纱嘴电磁铁驱动程序、选针器驱动程序、电机 驱动程序及c a n 通信程序。最后论文对电脑横机控制系统的故障问题进行研究分析，提出并 设计了基于故障树检测方法的机头电路板故障检测系统。 本论文的组织结构如下所示： 第1 章，简述了电脑横机控制系统的发展历史及目前的发展状况，阐述本课题的研究意 义与研究内容。 第2 章，详细分析了电脑横机的机械结构及工作原理，介绍了编织原理。分析了电脑横 机控制系统的控制需求，并在此基础上提出电脑横机控制系统的设计方案。 第3 章，根据横机的特点设计了嵌入式横机控制系统的硬件平台，包括主控制层与机头 控制层，详细设计了各个模块电路，并对p c b 设计中的信号完整性问题进行了仿真优化。 第4 章，对e c o s 操作系统进行了分析，并针对本课题的硬件平台进行移植。在此基础上 进行基于e c o s 的电脑横机软件设计，包括主控制层与机头控制层的软件设计。 第5 章，分析电脑横机控制系统的故障问题，针对容易产生故障的机头电路板，提出基 于故障树检测方法的故障检测系统，设计实现批量检测功能，对检测系统进行详细设计并进 行检测实验。 第6 章，对本课题的工作做出总结，展望课题今后的发展。 1 5 本章小结 本章主要工作是分析了电脑横机的发展历史及现状，比较了国内外在这方面的差距，重 点指出了当前国内电脑横机行业存在的问题。围绕以上的研究背景，本章最后提出了本课题 的研究内容，提出了本文的重点是设计实现具有竞争力的电脑横机控制系统。 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 第2 章电脑横机原理分析及控制方案的设计 2 1 电脑横机机械结构分析 2 1 1 电脑横机机身的机械结构 要想对电脑横机进行控制并达到正确编织的目的，首先要分析电脑横机的机械结构。电 脑横机是一种机电一体化产品，主要由机座、编织机构、选针机构、针床横移结构、给纱机 构、牵拉机构和传动机构等组成【1 1 l 。电脑横机从整体上来看共包括机械主体部分、电子控制 系统部分以及花型准备系统软件【1 2 1 。 目前市面上的电脑横机的机械主体部分大体相同，按照单系统、双系统、三系统、四系 统等不同的系统也可分为多种不同的类型。随着电子技术的发展，目前的电脑横机的机械部 分与电子控制系统部分之间的界限也越来越模糊，许多原本完全依靠机械结构完成的部件现 在也渗透进了电子控制的元素。 图2 1 电脑横机的整机结构图 图2 1 所示为全自动电脑横机的整机结构图。机身是整个电脑横机的主体，由机身内的 核心控制系统负责控制整机的运行。核心控制系统内存储着由花型准备系统生成的编织程序， 编织程序的输入途径一般为u 盘。针床上排列着编织用的舌针，作为编织的最终执行机构。 通过启停按钮启动电脑横机运行，操纵杆可以控制机头的运行速度，操作人员通过操作面板 控制整机的运行。纱线通过引线装置、储沙器、边线架、导纱器等装置喂入舌针。机头部分 7 杭州电子科技大学硕上学位论文 有机头花板，通过机头控制系统控制花板上的三角、选针器等有序动作配合，完成编织动作。 机头是电脑横机重要组成部分，它依靠通信传输手段接收由核心控制系统发送的控制指令， 并转化为控制执行机构动作的命令。机头由机头拖动伺服电机拖动并在针床上来回运动，它 根据编织指令控制机头花板上的编织机构完成编织动作，从而达到编织的目的。 2 1 2 电脑横机机头的机械结构 电脑横机的机头部分是与其他纺织机械相比最具特色的部分，也是电脑横机的重要组成 部分。机头上拥有三角、选针器、度目电机、压脚电机及换纱电磁铁等，正是它们与针床之 间的配合才能完成最终的编织动作。 机头的外形酷似一个马鞍，这与常见的v 形横机相似。机头由伺服电机皮带拖动，在导 轨上来回往复运动。电脑横机的核心控制系统可以控制机头的运动和停止，并且可以根据编 织需要到达针床中的任意位置。图2 2 所示为电脑横机机头的机械实物图。图2 3 为机头的部 件分布示意图。 图2 2 电脑横机机头的机械实物图 杭州电子科技大学硕士学位论文 圉一圈 嚣回一唇署圄同斟一画圄一吲 闻 l 磁铁2l 团圆 i 磁铁ln 磁铁2l 图2 3 机头部件分布不慈图 本文研究的电脑横机机头为双系统机头，即拥有两个编织系统，如图2 3 所示的左系统 与右系统。两系统在部件布局和组成结构上完全一致，相互独立。机头内部的控制机构比较 复杂，如各种三角的名称就有十余种，其他不同名目的控制部件也很多。但是通过分析，机 头上的控制部件主要可以分为三种类型，电磁铁、步进电机、选针器。控制机头的动作就是 控制这些基本部件的动作。在机头的顶部位置有换纱电磁铁，本文研究的系统其左右系统总 共1 6 个换纱电磁铁，用来带动导轨上的导纱器运动。选针器内部的电磁铁驱动选针刀片推出 目标织针，完成成圈动作。步进电机带动度目三角调节编织密度。整个编织过程就是机头在 来回运动的过程中驱动这些部件，相互配合完成各种编织动作。 2 2 电脑横机各部件的原理及控制需求分析 2 2 1 机头花板的控制需求分析 机头花板是安装在机头底部的机械部件，在机头花板上分布着大量的三角及压片。三角 和压片其实就是安装在花板内的金属块，机头内部的三角及压片电磁铁可以控制三角与压片 的突出与收回，或者上摆与下摆。三角与压片的不同状态可以迫使织针走出不同的轨迹。这 样，机头花板上的各种机构便在控制系统的控制下完成不同的编织动作，如成圈、移圈、集 圈、接圈等动作。图2 4 是机头花板的示意图。 9 图围 杭州电子科技大学硕士学位论文 图2 4 机头花板示意图 机头花板上安装了数量众多的三角与压片，且形状各异、功能不同。如推针三角与移圈 三角联动，用于将织针推向a 位。起针三角用于将舌针推到集圈或成圈的高度。接圈三角用 于将舌针推到接圈的高度。度目三角由度目电机驱动，平行于底板运动以改变织物的密度。 不织压片固定于底板，作用于挺针片片踵，使对应织针不参加工作。这些不同功能的三角与 压片有些由电磁铁控制垂直于花板进出，有些由电磁铁控制上下摆动，还有些是固定不动的。 通过以上对上机头花板详细分析，可以本课题研究的电脑横机中每块花板的编织机构的控制 需求如表2 1 所示。 表2 1 每块花板所需的控制机构汇总表 名称控制机构数量 推针三角与移圈三角电磁铁 2 吊目压片电磁铁 2 半压片电磁铁 2 二段度目压片电磁铁 2 清针三角电磁铁 4 度日三角步进电机 4 由于前后床各有一块花板，因此根据表2 1 所列的数量，本文研究的电脑横机控制系统 机头花板部分共需要控制2 4 个电磁铁，8 个步进电机。 2 2 2 针床的结构分析 针床也称针板，它是组成电脑横机编织机构的主要部件之一，主要用来放置编制用的织 针。每台电脑横机一般都具有2 到4 块针床，包括主针床和辅助针床。本文研究的电脑横机 有两块针床，分为前后针床两部分。其中前床固定不动，而后床可以在一定范围内活动，后 针床又称为摇床。摇床的控制是电脑横机控制系统中的重要内容，控制摇床不仅可以实现移 圈针和接圈针之间的准确对位，而且还可以使前后针床配合编织出各种复杂花型，例如由倾 1 0 杭州电子科技大学硕士学位论文 斜线圈形成的具有波纹外观效应的波纹组织1 3 】。摇床的横移控制是通过步进电机的转动而带 动同步传动带，从而转动滚珠丝杆实现的，如图2 5 所示。摇床横移过程中要求有较高的运 行精度，且线性度好、力矩波动小，因此本文采用一套高精度步进电机来实现对摇床运动 的控制。 图2 5 摇床横移示意图 针槽是在针床上铣出的纵向平行的凹槽，为放织针所用。两相邻针槽中心线之间的距离 为针距。织针一般若干枚为一组，每组成倾斜排列，主要是为了配合多段选针而设计的【1 4 j 。 针槽的宽度和深度以及间隔针距大小，各种不同机械号的横机均有所不同，本文采用的是7 g 针距的横机，即在1 英寸的尺寸内有7 个织针。如图2 6 所示，在针槽中放置的织针共由四 部分组成：直接参与编织的织针，用于受力并参与令织针活动的挺针片，中间片以及用于选 针的选针片。它们配台三角装置以及选针装置，使织针在针槽内上下升降来完成编织过程。 织针 图2 6 针床结构示意圉 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 2 3 选针器的原理及控制需求分析 选针器是电脑横机的选针机构，电脑横机的选针器融入了电子控制技术，对选针器的控 制决定着哪些针参与编织，这样可以大大提高编织速度及生产效率。选针器通过其上的刀片 变换动作以将针床上的针压下或留住来实现选针。如图2 7 所示，当不选针时，选针器上的 刀片保持与针踵对准的位置，这样在机头运动的过程中便可以把不需要参与编织的针压到针 槽里面。而当需要选中相应针时，就控制选针器刀片向上摆动，使需要参与编织的针的针踵 从空挡经过，从而把该织针压留在针床上。 图2 7 选针器选针示意图 选针器按原理分可分为电磁式和压电式两种。压电式选针器依靠压电材料的逆压电效应， 使压电元件弯曲到预先记亿的形状来进行选针，具有较高的响应速度【1 5 】，但是压电式选针器 成本较高。而电磁式选针器则是利用电磁感应定律，对不同方向的电流产生作出不同反应， 由电磁铁的吸合力来控制选针器的刀片。两者相比较而言，电磁式选针器具有成本较低，易 于电子控制等优点。基于上述原因，本课题选择了一种具有双稳态结构的电磁式选针器。 一台优秀的电脑横机必须要能适应长时间工作的负荷，但是由于选针器始终参与整个编 织过程，且线圈是发热元件，长时间的连续工作可能引起选针器内电磁铁的损坏，从而出现 碰针现象或编织错误。因此选针器的发热问题是必须要解决的问题。在以往的研究中，大多 采用二级电压选针控制，即仅在改变选针状态时高电压冲击，其他时间低电压保持。然而这 种方式仍然会在低电压保持阶段产生一定的热量，当电脑横机工作时间超过一定时间，便会 影响选针的效率甚至选针失败。本文研究的电脑横机采用永磁式电磁铁构成的选针器，这样 便具有磁保持功能，而不用再为磁保持信号而损耗功率。本文采用的选针器为8 段选针