（控制理论与控制工程专业论文）电脑横机控制系统的设计.pdf

1 i i ll l 11 1 1 1 1 1i i i ii i i illiii i i i i i l l1 0 y 17 4 7 3 7 0 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 靴论吝储虢耘柞 日期：印年弓月f6 日 年解密后使用本版权书。 指导撕兢嘲以 日期：? fo 年弓月届日 浙江理工大学硕士学位论文 摘要 电脑横机是当前羊毛衫生产行业的主要机种。它的主要功能是根据编织要求 输入的信号和来自机器的同步信号，及时发出各种控制指令，以实现编织所需的 各种特定动作，自动完成编织。它融合了计算机数字控制、软件工程等技术，成 为横机行业的发展方向。 本文针对电脑横机发展技术与国内发展现状，分析了电脑横机系统的结构和 功能，提出了一个基于a t m e g a l 2 8 单片机的低成本的电脑横机控制系统的解决 方案。 该系统主要由硬件和软件部分两组成。硬件采用美国a t m e l 公司生产的 a t m e g a l 2 8 为c p u 核心，外围电路采用模块化设计，包括a t m e g a l 2 8 最小系统 模块、键盘与显示模块、机头电机模块、机头位置检测模块、选针器模块、导纱 与转布模块，结合c a n b u s 接口和s p i 接口，方便操作，利于软件的调试与开 t 岱 反。 软件部分，基于c o d e v i s i o n a v rc 编译器开发的，采用模块化设计思想， 设计了主要包括文档管理、基本器件驱动、部件检测、动作控制、工艺参数设置、 过程监控等功能模块。 给出了控制系统的详细电路原理图和p c b 图，并对电路图作出原理解释，分 析了电路的抗干扰性。结合变频调速思想，对硬件进行优化，对软件进行现场调 试，取得了很好的控制效果。与传统的基于嵌入式或工控机的电脑横机控制系统 相比，本电脑横机系统针对性强，集成度高，具有较高的性价比和实用性。 关键词：电脑横机变频调速电机单片机 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 sc u r r e n t l yt h em a i nt y p ef o rt h ep r o d u c t i o n o fk n i t t e r e ds w e a t e r i t sm a i nf u n c t i o ni s 百v i n gv a r i o u sc o n t r o lc o m m a n d si no r d e r t o a c h i e v eav a r i e t yo fs p e c i f i ca c t i o n s r e q u i r e df o rw e a v i n ga n d k n i t t i n gd o n e a u t o m a t i c a l l y i tc o m b i n e sc o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ，a n ds o f t w a r e e n g i n e e r i n g t e c h n o l o g y ，b e c o m et h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no f k n i t t i n gm a c h i n e d i r e c t e d a g a i n s tt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r i z e df l a t k n i t t i n gm a i 龇e t e c h n o l o g ya n dn a t i o n a ld e v e l o p m e n ts i t u a t i o n , t h ec o m p u t e rf l a tk n i t t i n gm a c l l i n e s y s t e ms t r u c t u r ea n df u n c t i o na r ea n a l y z e d , al o wc o s tc o n t r o ls y s t e ms o l u t i o ni s p r o p o s e df o rf l a tk n i t t i n gm a c h i n eb a s e do nt h ea t m e g a l2 8m i c r o c o n t r o l l e r i t m a i n l yc o n s i s t s o fh a r d w a r ep a r t sa n d s o f t w a r e h a r d w a r ei su s e db y a t m e g a l2 8f o r mt h eu s a t m e la sc p uc o r e ，p e r i p h e r a lc i r c u i t i sd e s i 蛆e d a c c o r d i n gt o m o d u l a r , i n c l u d i n gt h ea t m e g a l2 8m i n i n l u n ls y s t e mm o d u l e ，k e y b o a r d a n dd i s p l a ym o d u l e ，m o t o rm o d u l e sf o rt h eh e a do ff l a tk n i t t i n gm a c h i n e p o s i f i o n d e t e c t i o nm o d u l ef o rt h eh e a d , n e e d l es e l e c t i o nm o d u l ea n d g u i d i n gy a r nw i t ht h e t r a n s f e rf a b r i cm o d u l e c o m b i n i n gw i t hc a n b u si n t e r f a c ea n ds p ii n t e r f a c e i ti s o p e r a t e de a s i l y ，i sg o o df o rs o f t w a r ed e b u g g i n ga n dd e v e l o p m e n t ， t h es o f t w a r ep a r ti sd e v e l o p e db yt h ec o d e v i s i o n a v rcc o m p i l e r s o f t w a r ei s a l s oc o m p i l e do nt h eb a s i so fm o d u l a r , m a i n l y i n c l u d i n gm a n a g e m e n tm o d u l ef o r d o c u m e n t ，t h eb a s i cd e v i c ed r i v e rm o d u l e ，c o m p o n e n tm e a s u r i n gm o l u l e c o n t r o l m o t i o nm o d u l e ，s e t t i n gp r o c e s sp a r a m e t e rm o d u l ea n d p r o c e s sm o n i t o r i n gm o d u l e t h i sp a p e re l a b o r a t e so nc i r c u i t s c h e m a t i ca n dp c bd i a g r a m s ，e x p l a i l l st 1 1 e p r i n c i p l e s o fs c h e m a t i c d i a g r a m ，a n a l y s e st h ei n t e r f e r e n c e so ft h ec i r c u i t i i l c o o r d i n a t i o nw i t hv a r i a b l e f r e q u e n c yr e g u l a t i n gs p e e d ，t h eh a r d w a r ei so p t i m i z e da 1 1 dm e s o f t w a r ei sd e b u g g e di no r d e rt og e ta g o o dc o n t r o le f f e c t c o m p a r e dt ot h e 仃a d i t i o n a l c o n t r o ls y s t e mo fc o m p u t e r i z e df l a t k n i a i n gm a c h i n e b a s e do ni n d u s t r i a lp e r s o n a l c o m p u t e ra n de m b e d d e dc o m p u t e r , t h ec o n t r o ls y s t e md e s i g n e dh a sm o r et a r g e t e d s y s t e mi n t e g r a t i o na b o v et h ea v e r a g e ，h i g hc o s t e f f e c t i v ee f f e c ta n dh i g h p r a c t i c a l i t y 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 g ；丹e q u e n c yc o n v e r s i o n ；m o t o r ；m c u n 浙江理工大学硕士学位论文 摘要 目录 a b s n 认c t 第一章绪论 h l 1 1 课题的研究背景1 1 2 电脑横机的发展状况及国内外研究现状3 1 3 课题研究的主要内容。6 1 4 论文章节结构安排7 第二章系统总体结构及方案研究8 2 1 设计思路：8 2 1 1 横机基本结构8 2 1 2 横机控制需求9 2 2 系统器件的选型10 2 3 总体方案确定。：1 1 第三章系统硬件设计 1 3 3 1a t m e g a l 2 8 最小系统模块15 3 1 1 电源l5 3 1 2 复位电路16 3 ，1 3 时钟电路17 3 1 4s p i 接口17 3 1 5j t a g 接口18 3 1 6c a n 接口19 3 2 键盘与显示模块2 0 3 3 机头电机模块。j 21 3 3 1 变频调速简介2 2 3 3 2 日拓变频器t t l 3 0 0 0 简介。2 2 羔垡哩三奎兰堡主堂垡笙窒 3 3 3 横机机头速度控制2 3 3 4 机头位置检测模块2 5 3 5 选针器模块 2 7 3 6 导纱与转布模块2 8 3 7 系统的电路制作3 0 3 7 i p c b 的设计3 0 3 7 2 p c b 抗干扰技术3 4 第四章系统软件设计 4 i 电脑横机软件设计思想3 5 4 2 软件总体架构3 7 4 3 软件模块划分3 7 4 4 软件模块化设计：4 0 4 5 关键算法与数据结构：。4 2 第五章系统测试与可葶隹分析。4 5 5 l 控制系统测试i 4 5 5 2 系统可靠性影响固素_ - 。4 7 5 3 系统运行结果4 8 第六章总结与展望。4 9 6 i 总结4 9 6 2 展望5 0 参考文献5 1 致谢。5 4 附录一：软件主要代码5 5 攻读研究生期间所取得的研究成果一7 2 2 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 2 0 0 9 年，逆势环境之下，如何逆水行舟，渡过难关，是金融危机持续影响背 景下每个企业面对的共同命题。尽管各行业中结构性问题、不稳定因素依然存在， 但是国内外最新经济数据已显示宏观经济的复苏趋势在增强，为纺织行业的稳定 回升起到了重要的支撑作用，有数据显示1 - 7 月我国纺织行业生产与投资持续回 升1 1 。 工业和信息化部8 月2 7 日消息，工业和信息化部发布7 月份工业经济运行数 据显示，7 月份纺织行业增加值同比增长1 1 3 ，比6 月份加快o 3 个百分点；纺 织产品出口交货值同比下降5 6 ，降幅小于全国整体下渭水平9 1 个百分点。l 一7 月，纺织行业增加值增长8 5 ，比上半年加快0 3 个百分点。纱j 布、服装产量 增长平稳，当月增幅分别为1 3 4 、4 1 和8 9 1 2 l o 随着中央扩内需、调结构政策措施效应的进一步显现，以及轻纺工业调整和 振兴规划的深入实施，预计今年消费品工业将保持回升向好态势i 引。 在这种特定环境下，纺织行业的稳定发展，对纺织加工机械的要求也越来越 高。媒体介绍，近年来，中国的纺织机械市场一直在快速增长，2 0 0 8 中国纺织机 械制造业的工业总产值达到7 2 6 4 亿元，同比增长4 9 。中国已成为世界上最大 的纺织机械生产国家，可提供的产品多样化，数量也最多，而近年来中国进口也 在高速增长。具体而言，喷气织机、无梭织机、针织圆机、袜机、棉花加工机械 进口都出现增长态势，全球纺织品生产将重点将转移到中国内陆，以及东南亚其 它地区，中国将成为世界纺织机械最具潜力的消费国家。2 0 0 8 年针织机械占中国 的纺织机械市场的3 4 7 ，份额最大，而纺织机械排第二，比例为2 5 4 ，印染设 备排第三，比例为2 1 2 ，化学纤维机械比例为8 9 ，其它类比例为9 8 1 4 1 。 纺织行业正进入高新技术产品行列，纺织自动化正向二个新型自动化方向发 展。当前纺织行业当中，纺织机械包括纺纱机械、织造机械、针织机械等几大类。 电脑横机作为纺织机械的一种，在纺织行业中发挥着重要的作用。 电脑横机是一种由电脑控制的自动化程度很高的横编针织机械，主要用于对 针织服装和工艺品的编织制造，它的主要用户为羊毛衫及手套生产厂家，尤其是 浙江理工大学硕士学位论文 羊绒制品的生产厂家。电脑针织横机除了用于传统的棉、毛针织外，还可用于山 羊绒、天然丝、麻、兔毛以及晴纶、锦纶等人造纤维和混纺面料的针织。如今的 新型全自动电脑针织横机能够编织出整件针织服装，由于采用计算机设计和编程， 可以从纱线直接制成成衣( 裤) 等成品，而且花色款式变化多、式样适应性强。实 践证明，电脑针织横机的生产效率非常高，是一般手动横机的4 5 倍，编织速度 快、生产周期短，能够进行多品种、小批量的生产，能够满足快速应对市场变化 需要，电脑横机的这些特色满足了多变的服装市场对于服装生产企业的要求。 目前市场上电脑横机生产厂商比较多，而国产电脑横机的产品价格具有一定 的竞争力，但是产品品质与国外品牌还存在一定的差距，目前市场上很多毛衫企 业，尤其是中小型企业都是从家庭作坊起家，企业主对于设备的管理、机械原理、 电气原理都十分陌生，所以织出的产物也参差不齐。据不完全统计1 5 l ，国内毛衫生 产企业有5 万家左右，手摇及电动横机1 0 0 多万台，而电脑横机仅5 万台左右， 平均每家羊毛衫厂只有一台电脑横机。目前毛衫行业发展不容乐观，随着出口退 税下降、横机工人难招、羊毛衫厂的成本上升等等这一系列问题的出现，手摇横 机早就无法满足复杂工艺编织的要求，所以开发电脑横机、提高生产效率成为纺 织企业发展壮大的必然趋势。 虽然电子技术广泛的应用到电脑横机领域，电脑横机的性能和价格都得到了 发展，但是国内产品与国际先进水平存在巨大差距。为了尽快适应我国毛针织行 业对于电脑自动横机的需求，缩短在电脑自动横机上与国外的差距，国内有一批 企业向电脑横机的研发迈出了重要一步，例如金龙机械有限公司开发的“龙星 牌 多功能电脑横机，虎王数控科技有限公司开发的编织三角系统电控自动横机 l ，虽然其功能较全，自动化水平较高，但价格依然偏高，众多中小企业仍然望而 却步。 浙江作为一个纺织大省，每年用在进口高档织机上的外汇达到2 亿美元，国 内针织行业的迅速发展急需大量的电脑横机，国外横机功能齐全但是进口电脑横 机价格比较高，约为8 - 1 0 万美元一台，国内大部分的毛针织企业难以承受1 7 1 ，市 场急需技术水平、质量与进口产品相当而价格相对便宜的国产电脑横机。 因此，发展低成本自动横机是全面提升我省织造水平的重要之路，符合中小 型企业的发展需求1 8 - 9 1 。所以，开发高性能低成本电脑横机十分必要。横机的控制 系统作为横机的最重要部分，是横机的主要控制机构，从最初的纯机械控制发展 浙江理工大学硕士学位论文 到现在的以电气控制为主，加上机械机构巧妙设计的组合，优化了产品的设计， 使整机机构紧凑、功能齐全、控制精度高、动作可靠性强，大大适应了现代针织 工业的发展1 1 0 - u i 。 而开发高性能低成本电脑横机，必须开发高性能低成本的横机控制系统。本 文的研究意旨在推进电脑横机国产化，进而提高横机的自动化水平。本文的研究 成果对横机的国产化，降低横机成本，提高劳动生产率具有现实意义。 1 2 电脑横机的发展状况及国内外研究现状 2 0 世纪八十年代以来，受追求时尚和崇尚个性的理念影响，羊毛衫产品功能 化、多样化。到2 0 世纪初，机械控制式横机的技术基本上得到应用。此后的7 0 年中横机研发中，主要是逐步改进横机工作的可靠性，简化机器的操作，维护和 改进机器的性能。在上个世纪的2 0 年代初，随着电子、计算机技术的飞速发展， 电子技术开始应用到横机上l 珏1 3 l ，横机的开发得到了飞速发展，机械控制式横机 开始逐步被电脑控制式横机取代。 目前，市场公认的、全球代表性的知名电脑横机主要有三家斯托尔( s t o l l ) 、 岛精( s h i m a s e i k i ) 和事坦格( s t e i g e r ) 。目前，这三家企业均在中国设有分公司，并 有专门的销售渠道。在这三家企业中，斯托尔早于1 0 多年前已进入中国市场，其 针织机系列生产基地仍在德国，是中国进口优质纺织机械供货商之一；岛精则通 过成立于1 9 7 6 年的香港荣荣集团已经进入了中国市场；事坦格( 中国) 公司于2 0 0 5 正式宣告开业。 上世纪八十年代末，中国大陆有电脑横机还不足1 0 0 台，亚洲其它横编发达 地区如香港有1 5 0 0 台、台湾省有4 0 0 台、韩国有6 0 0 台，当时中国横机产业尚处 于基础开发阶段，横机的优势也没有充分体现出来。如今经过十几年发展，中国 内地电脑横机数量已达到世界前列水平，据调查最多一个厂就有1 6 0 0 台，近几年 中国年均进口电脑横机大约在4 0 0 0 - 5 0 0 0 台。横机经历了数量从无到有、功能从 简单到复杂、控制方式从机械控制到电脑程控的发展过程，各种各样的电脑横机 相继出现，不断将电脑针织技术推向新的高度n 扣删，例如日本岛精公司提出的“整 体服装 ( w t i o t e g s m e n t ) 概念；德国斯托公司提出的“织而穿”( k n i t a n d w e a r ) 技 术；津田驹公司则利用线性马达技术研制了无三角横机。 近年来国外对横机新技术的研究主要表现在以下几个方面： 浙江理工大学硕士学位论文 1 电子选针技术1 7 l 电子技术在横机控制上应用广泛，国外大都用电子技术驱动机械式触点选针， 即电子选针，传统电脑横机由电磁铁控制选针器，通过电磁铁的升降来选针。国 外越来越多的横机厂家采用无需驱动的、无触点的选针器，选针技术由三位选针 发展为五位选针：长短成圈、长短集圈、不编织、前后针床相互移圈和分针补 圈。例如德国s t o l l 公司生产的c m s 系列机上采用双位无磨损电子选计技术，不 仅可以消除选针时接触产生的磨损和噪音，还可以在宽度上达到更加一致的选针 精度。 2 机头组件1 7 l 国外横机机头速度从1 2 m s 到1 3 m s ，并速度上有进一步提高的趋势。横机 的分系统数也愈来愈多，单机头从1 系统到6 系统，双机头从2 x l 到2 x 4 系统。 在机头底座、桥臂和导纱器控制座上使用轻质材料，机头运行质量减轻，节约了 电能。机头变动范围运行更加灵活轻巧，提高了处理器的运行速度和使用效率， 各系统的控制三角更加简单，如今国外已经出现了无机头无三角横机1 1 t i 。 3 沉降片技术 国外现代电脑横机上普遍采用沉降片装置1 8 l ，它装在织针之间对每个线圈产 生牵拉力，横机工作时紧压在织物的沉降弧上，这样有效地解决了编织复杂工艺 时的牵拉问题。例如s t o l l 公司开发的可控沉降片，片踵受机头上一个三角轨道的 控制，三角使沉降片向前运动，编织过程中织物上升时可以握持织物或在织物下 降时回退，这种压圈方式可以在前、后针床进行。 4 针床及针床横移 现代横机可编的范围也在增加，机宽2 3 米到2 5 米，针床横移运动是由步 进电机驱动，横移针距根据制造厂商不同从2 到7 针不等，利用软件可以对横移 速度编程，并能根据横移的距离对机头的速度进行控制，横移装置通过检测横移 位置再次调整运动参数，还能根据所编织衣片的需要，选择边缘横移还是中心横 移，不同的横移针距和横移位置相结合1 1 9 - 2 0 i 。国外首先出现了辅助针床，即横机 上有3 针床：两个普通针床、1 - 2 个辅助针床。例如p r o t t i 公司生产的p v 9 3 f x 型 横机上有一个辅助针床，它可以起到辅助移圈作用。 5 线圈长度控制系统 横机在编制过程中，喂纱的不连续性会引起纱线喂入张力的波动，导致线圈 4 浙江理工大学硕士学位论文 长度不均匀，从而影响产物的废品率。国外一些电脑横机上开发了纱线张力稳定 系统和线圈长度控制系统，例如s h i m as e i l d 公司开发了d s c s 数字式线圈长度控制 系统，它用以测量每一导纱器喂纱长度和调节每一系统弯纱三角深度，还有s t o u 公司的s e n s o f i l 张力调节系统和s t i x x 线圈校正系统等，这些设计不仅能有效地控 制各横列间的线圈长度，还可以在同一编织横列中形成大小不同的线圈。 6 电脑横机控制系统 在国外的新一代电脑横机上，用来控制针织机的计算机逐渐向大容量发展， 每台横机可有多个c p u ，信息贮存量更大，速度更快。采用先进的控制系统，横机 性能得到了提高，其特色功能有：高效检测与模拟功能；在线控制和远程通讯功 能，自动处理明细数据以减少程序编制时间。 目前国内可以生产电脑横机的企业有几十家，但这些企业对电脑横机基本上 还处于研制、消化与吸收阶段1 2 心2 1 。由于电脑横机对编织软件、电控硬件开发及 配套、重要零部件的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l 矧，目前国内企业还都只能生产个别功能简单的电动针织横机，在品 种、质量、电脑控制、机电一体化方面与国际水平差距较大，还无法满足国内针 织产品的需求，较多的企业仍然依赖进口1 2 4 1 。 一 目前，我国针织机械与国外先进水平相比存在不小差距，每年要花费大量的 资金进口许多针织机。今后我国电脑横机要发展和提高，首先还需继续完善现有 产品自动化程度，着力提高关键零部件在设计和制造上的精度1 2 s l ，解决好关键零 部件的专用加工设备和精密设备以及降低成本，努力掌握和应用好电脑和电器控 制部分的制造或应用技术i 堋，所以我们必须抓住这一机遇，在学习国外先进技术 的基础上，投入更多的人力、物力去研发更高性能的电脑横机控制器，跟上国际 技术发展的水平2 7 1 。 国内对横机新技术的研究主要表现有1 2 1 l ： 1 电子选针技术 近几年，国内电脑横机也采用的是电子驱动有触点机械选针方式，但技术不 成熟，与国外存在差距。一般选针器上有6 到1 2 片刀片，每片刀片有两个位置， 选针器对织针进行预选针、一次选针和二次选针，织针处于编织所需的成圈、集 圈、浮线三个位置。 2 机头组件 浙江理工大学硕士学位论文 目前国内电脑横机机头组件还是以机械结构控制为主，般为双系统、单机 头，通常机种型号单一。主要三角有：导向三角、起针三角、压针三角等，工作 时被选中的织针按照指定的各种针路运动，控制织物的密度的压针三角通过交流 电机控制。 3 针床及针床横移 国内电脑横机的针床最普遍的规格是每英寸1 2 针，一般一台横机只有一个针 床，很少有两个针床。针床横移是通过电机、滚珠丝杆带动针板在带动机头横移。 4 电脑横机控制系统 国内电脑横机的控制系统大都基于d o s 下的控制系统7 1 ，国内很多厂家模仿国 外厂家技术，这也是国内电脑横机发展缓慢的重要原因。 据估计，中国现已拥有电脑横机3 万余台、手动横机1 0 余万台，电脑横机取 代手摇横机的潜力非常巨大，对手摇横机控制系统的改造也是提高我国纺织业的 重要途径。 在控制系统上，国内横机总体上自动化程度不高，存在机头定位不准、编织 速度不均、机头位置反馈不及时的问题，本文从这三方面问题出发设计一个电脑 横机控制系统，力求提高横机的控制性能。 。 1 3 课题研究的主要内容 横机是一种平型纬编针织机，主要由传动机构、给纱机构、牵拉机构、密度 调节机构、针床横移机构、检测自停装置、整机控制系统和工艺设计系统等组成。 横机控制系统以根据编织要求输入的信号和来自机器的同步检测信号，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。 课题的目标是设计一个低成本的电脑横机控制系统，本系统可以从键盘输入 工艺参数经过计算机运算转化为横机能够识别动作的文件，通过软件传输到横机 控制系统的c p u 中，整个过程和横机运行状态同步在人机界面l c d 上显示，实现 整个编织工作。整个系统主要由硬件平台和软件平台两部分组成。 硬件是采用美国a t m e l 公司生产的a t m e g a l 2 8 为c p u 核心，外围包括变频器 驱动电路、电机转速检测电路、电磁铁驱动电路、键盘显示电路和其它同步辅助 信号检测电路，还有c a n b u s 接口和s p i 接口，方便操作，利于软件的调试与开发。 软件部分，是由c o d e v i s i o n a v rcc o m p i l e r ( 简称c v a v r ) 编译器开发的。软件 6 浙江理工大学硕士学位论文 部分主要包括文档管理模块、基本器件驱动模块、部件检测模块、动作控制模块、 工艺参数设置模块和过程监控模块。 给出了控制系统的详细电路原理图和p c b 图，并对电路原理图作出原理解释， 分析了电路的抗干扰性。对硬件进行优化，对软件进行现场调试，取得了很好的 控制效果。 1 4 论文章节结构安排 论文主要由六部分组成： 第一章绪论部分主要介绍电脑横机和横机控制系统的相关技术和概念，包括 横机的发展简史、电脑横机的特点、电脑横机国内外研究成果，以及课题研究的 目标和意义。 第二章给出了系统的整体解决方案，包括c p u 型号的确定和硬件平台电子器 件的选型，并给出系统的整体控制框图。 第三章详细给出了系统的电路设计方案，包括机头速度控制模块、电机转速 检测电路模块、电磁铁驱动电路模块、键盘显示电路和其它同步辅助信号检测电 路模块等，对变频调速作重要解释。 第四章给出了系统的软件设计。包括开发环境的建立、主控程序的启动和编 制过程的程序设计，还有主要算法的编辑，分析了电路的抗干扰性。 第五章讲述系统的调试，给出这个系统的电路板实物图，对系统进行调试， 并分析系统的可靠性。 第六章是课题的总结和展望。对课题的研究成果和经验进行总结，同时也提 出了一些使系统技术改进建议。 7 浙江理工大学硕士学位论文 2 1 设计思路 第二章系统总体结构及方案研究 开发一个好的硬件和软件方案，必须有一个明确而合理的思路。 横机的工艺是指横机的针织程序，用来指导横机怎么工作的，包括要工作的 圈数、织物的类型、要求的针数和同步显示，这些针织程序输入到机器的c p u 中， 在编织过程中各控制装置可根据程序要求自动变换工作状态。 在分析横机结构和控制要求的基础上来设计系统控制方案。 2 1 1 横机基本结构 如图2 1 所示，普通电脑横机主要有以下几个部分构成：横机机身、针板、机 头、罗拉、沙嘴、引线装置等。 图2 1 横机结构图 1 横机机身 机身起支撑作用，整个横机的净重大部分集中在机身上，在机身上嵌着电脑 横机控制系统的硬件部分，主要是检测器件。 2 针床 横机上需要大量的织针，织针一枚接一枚有规则的安装在钢制的针板针床上。 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。 机床除了横移动作之外，其它动作都是固定不变的。 在本横机的针床横移传动机构右侧上还有一套位置检测信号反馈装置，它由 8 浙江理工大学硕士学位论文 光电编码器组成，固定转盘的同轴上，当转盘转动时，光电传感器会根据转盘转 动量来反馈机头走过的距离，确定机头的位置。 3 机头 机头是电脑横机中最复杂最关键的的部分，按照编制程序，机头可以沿针床 移到任何位置。机头的作用是完成选针，调节编织物密度，通过导纱器带动沙嘴 作往复运动；控制沙嘴的停靠位置，通过三角驱动织针完成编织动作，控制编织 物宽度。 4 沙嘴 沙嘴的作用是把纱线准确地喂入舌针的针沟里，在电脑横机上，为适应多编 织系统及满足花色组织变换纱线的需要，一般配有8 1 6 只导纱器，每只导纱器均 能被任一编织系统使用。由控制系统发出控制指令给相应导纱器电磁铁，带动导 纱器随机头运动，从而即可编织出五颜六色的工艺图案。 5 罗拉 罗拉主要有两个功能：一、抑制握持针沟内的线圈上涌的趋势，也是保证线 圈从针舌上脱下；二、转绕织物。一般的电脑横机都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和牵拉量。 6 引线装置 引线装置是用来检测纱线的尺寸和力学性能，以确定纱线正确的喂入编制区。 当导纱器带动沙嘴但纱线不形成线圈的时候，依然可以保持纱线不会下垂，从而 绕上其它的障碍物。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 就会产生信号报警。 2 1 2 横机控制需求 本课题主要是设计电脑横机控制系统，横机系统的机械部分由洪合兴达针织 机械厂提供，课题的主要内容就是依据已有的机械部分设计实现横机系统中的电 气控制部分，分析可知，横机要完成编织工作，控制需求有：通过l c d 显示和键 盘，实现人机交互操作；设有同步自停检测装置，定位机头位置；故障报警装置， 保障操作安全：电机，驱动机头运转；电磁铁，控制选针；网络接口，方便调试 与下载程序。下图2 2 即为电脑横机的控制需求结构框图。 9 浙江理工大学硕士学位论文 l c d 键盘同步自停信号故障信号 l控制系统 电机接口 电磁铁接口 网络接口 图2 2 横机控制需求结构框图 从图2 2 中可以看出，系统是通过控制对应的电机和电磁铁来完成编织，被控 制的对象有电机、电磁铁。另外，信号在电脑横机的控制系统中是非常重要，它 主要是编织位置被横机上的电子元件检测到时输入主控制器的电信号，它反映了 机器当时的编织状态。主控制器接收到同步信号发出下一步控制信号，同步信号 的准确与否直接影响到控制信号的准确与否，对整机控制的正常运作尤为重要l 矧。 电脑横机主要同步信号是机器一些特别位置的点信号。如当机头到达针床两 端的某些位置后，三角座在针床两端转向前后需要完成一系列机件转换动作，各 机件动作的前后配合及其和机头的相对位置关系均靠这种同步信号来协调1 2 9 1 ，检 测三角座的编织位置，配合横机控制器在准确的位置上发出合适的控制信号。另 外机头反馈信号是影响横机控制系统准确稳定运行的重要信号。 2 2 系统器件的选型 横机是针织行业的重要装备，其主处理器的技术水平直接决定了针织产品的 竞争力。目前，国内横机控制系统的设计方案主要分为三种：采用工控机为核心 的解决方案；采用嵌入式为主控的解决方案；采用单片机为核心的解决方案。采 用工控机稳定性与通用性较强，后续开发方便，这种设计方案的横机可以提供良 好的人机接口，能够完成复杂的工艺控制，效率较高，但成本较高，因此这种设 计方案一般应用于高端横机设备或者纯粹供研究的横机；嵌入式系统相对便宜， 而开发周期较长，中低档横机又无需操作系统。当今单片机成本低，功能强大， 采用单片机为核心设计的控制系统人机接口简单，横机实现的工艺相对复杂，满 足复杂工艺要求。 通过对横机控制系统设计方案的分析，可以通过改进设计当中的规划设计， 来进一步提高系统的性能。电脑横机控制系统采用单片机作为控制系统的核心， 利用主板扩展功能模块板，实现电脑横机的控制。 1 0 浙江理工大学硕士学位论文 电脑横机控制系统有高精密、高复杂性的特点，在电脑横机的编织过程中， 需要同时进行数据处理与多个功能执行部件的并行控制，对控制系统的可靠性要 求较高，系统处理不及时或长期运行不稳定等因素会增加衣物的废品率，甚至可 能造成整个机器的损坏等。 单片机体积小、质量轻、价格便宜，为学习、应用和开发提供了便利条件， 单片机价格低廉，特别是a t m e g a l 2 8 输入输出口丰富，可以简化外围电路刚。 基于以上原因，最终选用美国a t m e l 公司生产的a t m e g a l 2 8 为c p u 核心。 a t m e g a l 2 8 是以a t m e l 的高密度非易失性内存技术生产的1 3 1 i ，片内i s pf l a s h 可以通过s p i 接口、通用编程器或引导程序多次编程。引导程序可以使用任何接 口来下载应用程序到应用f l a s h 存储器。在更新应用f l a s h 存储器时引导f l a s h 区的程序继续运行，实现r w w 操作。通过将8 位r i s cc p u 与系统内可编程的f l a s h 集成在一个芯片内，a t m e g a l 2 8 为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方 案。 a t m e g a l 2 8 具有如下特点1 3 2 1 ：1 2 8 k 字节的系统内可编程f l a s h ( 在写的过程中 还有读的能力，即r w w ) 、4 k 字节的e e p r o m 、4 k 字节的s r a m 、5 3 个通用i o 口线、 3 2 个通用工作寄存器、实时时钟r t c 、4 个灵活的具有比较模式和p i l 7 】v l 功能的定时 器计数器( t c ) 、两个u s a r t 、面向字节的两线接口t w l 、8 通道1 0 位a d c ( 具有 可选的可编程增益) 、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、s p i 串行端口与 i e e e i l 4 9 1 规范兼容的j t a g 测试接口( 此接口同时还可以用于片上调试) ，以及六 种可以通过软件选择的省电模式。 a t m e g a l 2 8 为基于a v rr i s c 结构的8 位低功耗c m o s 微处理器1 3 2 l 。由于其先进 的指令集以及单周期指令执行时间，a t m e g a l 2 8 的数据吞吐率高达1 m i p s 姗z ，从 而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 本文采用变频的方法控制电机，选用的变频器为日拓h l 3 0 0 0 ，其他还有常规 器件，例如：成效应管选i r f 5 2 0 、普通光耦选p c i 8 7 、d a 选d a c 0 8 3 2 、线性光耦 选h c n r 2 0 0 等。 2 3 总体方案确定 根据上节的控制需求，可以得到如下控制方案。 浙江理工大学硕士学位论文 图2 3 横机总体控制方案 本课题的基本控制方案如图2 3 所示，a t m e g a l 2 8 单片机作为整个系统的控制 中心，整体方案为： “检查”时可以检测到主要器件的故障问题，例如断纱和掉布，报警装置报 警，以便工作人员检修；加针时可以控制8 个电磁铁的升降；相关数据可以保存 片内的存储器当中；通过一个4 * 4 的键盘，完成参数的设定、数字输入等功能； 单片机可以通过一个d a 来控制变频器u v l w 三相的输出，控制编织速度；通过 编码器和接近开关之间的配合，可以判断机头的准确位置，反馈给单片机；系统 的运行数据和状态将会在l c d 上直观的显示出来，便于操作；起、停、步进按钮 分别控制动作。 a t m e g a l 2 8 单片机核心应用系统主要为软件的运行提供一个平台3 3 。翻。软件平 台主要包括：文档管理、基本器件驱动、部件检测、动作控制、工艺参数设置、 过程监控等。外围电路用以完成电磁铁和同步信号等的辅助管理、电磁铁以及电 机等功率驱动几部分。在硬件层面上，横机上的电磁铁、电机和检测器等与主c p u 实现了逻辑上的联系。 1 2 浙江理工大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 根据总体方案与功能要求，系统硬件主要由a t m e g a l 2 8 最小系统模块、键盘 与显示模块、机头电机模块、机头位置检测模块、选针器模块、导纱与转布模块 几部分组成。 硬件的主要设计思想：低成本、高可靠性、满足功能等原则。 本控制系统的硬件原理图与p c b 板是基于板级系统平台a l t i u md e s i g n e r 设 计的。 a l t i u md e s i g n e r 提供了一款统一的应用方案，其综合了电子产品一体化开发 所需的所有必须技术和功能。a l t i u md e s i g n e r 在单一设计环境中了集成板级和 f p g a 系统设计，集成了f p g a 和分立处理器的嵌入式软件开发以及p c b 版图设计、 编辑和制造功能，并集成了现代设计数据管理功能，使得a l t i u md e s i g n e r 成为电 子产品开发的唯一一个既满足当前，也满足未来开发需求的解决方案。 a l t i u m 最近发布了a l t i u md e s i g n e r 6 g ，继续为设计师们提供打破传统的电 子设计工具。a l t i u md e s i g n e r 6 9 比6 8 更先进，不仅保留了诸如实时三维p c b 可视化技术等的市场领先功能，还新增了多个强大功能，如可编程技术支持和系 统连接性。： a l t i u mi ) e s i g n e r 6 9 还与a l t i u m 的桌面级n a n o b o a r d 可重构开发平台相结合， 构建起一个独特的产品开发环境，为设计师构思和创建创新产品提供更多