超多機頭繡花機自動換底線系統(tǒng)設(shè)計

胡旭東，黃棟明，彭來湖

(浙江理工大學(xué)教育部現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)工程研發(fā)中心，浙江杭州 310018)

電腦繡花機是一種高速高效的刺繡設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于服裝、鞋帽、工藝品和針織等領(lǐng)域［1］。旋梭體是繡花機的重要組成部件之一，由旋梭、梭殼和繞滿底線的梭芯組成，其作用是利用旋梭的旋轉(zhuǎn)，使面線和底線在織物表面形成線跡［2］。當(dāng)?shù)拙€消耗完畢，需停機更換梭芯或者帶梭芯的旋梭以補充底線。目前，國內(nèi)的繡花機普遍采用人工更換底線的方式［3］，換梭時必須停機操作，彎腰作業(yè)，帶來諸多弊端:一方面，工人勞動強度大，用工成本高;另一方面，繡花機停機時間長，生產(chǎn)效率低。特別當(dāng)繡花機為多頭多針類型［4］時，該缺點更加明顯。

國外已研制出具備自動補充底線功能的電腦繡花機，其自動換底線裝置固定于機體內(nèi)部，由主控制器統(tǒng)一管理，獨立性相對較差，價格昂貴，不便于擴展。

針對以上不足，本文提出一種新型的換旋梭裝置。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計一種兼容繡花機主控制器的多機頭自動換底線系統(tǒng)。由系統(tǒng)中的換底線集中控制器通過CAN總線技術(shù)對等同繡花機機頭數(shù)量的底線換梭裝置進行分布式控制，完成換旋梭動作。系統(tǒng)兼容單頭和多頭型電腦繡花機，與繡花機主控制器獨立，擴展性強，對提高電腦繡花機的生產(chǎn)效率和自動化技術(shù)水平具有重大意義。

1 繡花機底線換梭裝置及其工作流程

創(chuàng)新設(shè)計一種新型繡花機底線換旋梭裝置代替人工換梭。裝置主要由氣動爪、氣動推桿、轉(zhuǎn)輪電動機、換梭電動機、儲梭轉(zhuǎn)輪、旋轉(zhuǎn)桿及輔助機構(gòu)等部分組成，內(nèi)嵌控制板，其機械示意圖如圖1所示。

圖1 繡花機底線換梭裝置機械示意圖Fig.1 Mechanical schematic of device for replacing bobbin in embroidery machine

裝置中氣動爪和氣動推桿由電磁閥驅(qū)動。氣動爪用于完成旋梭的抓取和放置動作，其前后行進動作由對應(yīng)的氣動推桿配合完成。換梭電動機通過驅(qū)動旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)180°完成上下2個氣動爪的位置互換。儲梭轉(zhuǎn)輪中總共儲存有12個旋梭。每次氣動爪完成換梭動作后，轉(zhuǎn)輪電動機帶動儲梭轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)30°，使新的旋梭到達氣動爪能抓取的位置，等待下一輪替換動作。工作流程如圖2所示。

圖2 繡花機底線換梭裝置工作流程Fig.2 Working flow chart of device for replacing bobbin in embroidery machine

2 自動換底線系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 自動換底線系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)

以目前刺繡市場使用最頻繁的多頭多針電腦繡花機為應(yīng)用對象，為每個機頭配置底線換梭裝置，結(jié)合圖1、2底線換梭裝置在換梭過程中各執(zhí)行機構(gòu)所需完成的動作及功能需求，設(shè)計基于CAN總線通信的繡花機自動換底線系統(tǒng)，其整體硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 自動換底線系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Whole hardware structure of automatic system about replacing bottom thread in embroidery machine

系統(tǒng)中集中控制器與多個機頭控制單元通過CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)與指令傳輸，保證系統(tǒng)實時性和穩(wěn)定性。以圖3中1號機頭控制單元為例，控制核心對接收到的CAN指令進行解析，通過氣閥驅(qū)動電路和電動機驅(qū)動電路控制各個氣動爪、氣動推桿以及電動機完成整個換梭動作。同時，確認位置傳感器與零位傳感器的反饋信號，確保執(zhí)行機構(gòu)動作到位。

2.2 集中控制器模塊設(shè)計及功能簡介

圖4為集中控制器結(jié)構(gòu)框圖。該集中控制器主要包括基于ARM11內(nèi)核的S3C6410處理器、LCD顯示模塊、觸摸屏輸入模塊、USB接口模塊、CAN通信模塊、編碼采集模塊、停機信號發(fā)送模塊以及外圍擴展存儲器模塊。其主要功能包括:1)實現(xiàn)人機交互。設(shè)置各類換梭參數(shù)，顯示每個機頭工作狀態(tài);2)根據(jù)實時采集到的編碼脈沖信號確認底線是否消耗完畢，向主控制層發(fā)送停機信號;3)通過CAN模塊向各個機頭控制單元發(fā)送命令。

圖4 集中控制器結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Architecture of centralized controller

2.3 電動機類型的選取及其驅(qū)動電路設(shè)計

裝置中2個氣動爪位置互換和儲梭轉(zhuǎn)輪中新旋梭更新均由步進電動機驅(qū)動，且要求精準(zhǔn)快速完成。步進電動機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。在負載能力范圍內(nèi)，通過控制脈沖數(shù)和脈沖頻率達到準(zhǔn)確的定位和調(diào)速目的，無積累誤差［5］。綜合輸出轉(zhuǎn)矩、動態(tài)性能、精度要求以及使用成本等因素，本裝置選用兩相四線混合式步進電動機。

步進電動機驅(qū)動芯片選用TI公司生產(chǎn)的DRV8818，其采用8～35 V直流供電，H橋雙極恒相電流驅(qū)動，最大3 A的可調(diào)電流輸出，最大8細分的4種細分模式可選，有脫機保持功能，且提供節(jié)能的半電流控制方式。輸出電流大小由管腳VREF所接參考電壓和RNF1、RNF2所連電阻共同決定;細分?jǐn)?shù)由管腳MODE1和MODE2電平?jīng)Q定;電動機脈寬調(diào)制(PWM)頻率設(shè)定由管腳CR1、CR2所連電阻電容決定;電流衰減模式由管腳MTH電壓決定。結(jié)合系統(tǒng)中步進電動機控制要求，將芯片配置成8細分?jǐn)?shù)，1.2 A輸出電流，混合衰減及同步整流模式，并將電動機使能、速度、方向等控制信號分別通過光耦隔離連接至芯片的 ENABLE、CLK、CW/CCW、RESET、VREF管腳，防止干擾。

2.4 電磁閥驅(qū)動電路設(shè)計

在空壓機提供氣源的前提下，電磁閥驅(qū)動電路通過控制電磁閥打開關(guān)閉，使氣體作用于單活塞桿，驅(qū)動裝置中氣動推桿前進、后退和氣動爪抓取、放置。

目前電磁閥的常用驅(qū)動方式有2種:三極管驅(qū)動和場效應(yīng)管驅(qū)動。本文研究的驅(qū)動電路中選用IR公司生產(chǎn)的快速切換、雙N溝道場效應(yīng)管IRF7341，其開關(guān)輸出級具有箝位、防短路和防過載功能，符合電磁閥高壓打開、PWM占空比保持的控制方法和散熱節(jié)能要求［6］。驅(qū)動電路通過光耦隔離將控制信號間接作用于IRF7341柵極。當(dāng)該柵極施加的信號為高電平(大于閥值電壓)時，IRF7341漏極與源極導(dǎo)通，電磁閥得電打開;反之，當(dāng)信號為低電平時，IRF7341漏極與源極斷開，電磁閥失電關(guān)閉。二極管反接防止產(chǎn)生電感類元器件在失電瞬間反向電壓過大導(dǎo)致的浪涌現(xiàn)象。

3 多節(jié)點總線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 CAN總線型拓撲設(shè)計

CAN總線是一種支持分布式控制與實時性控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，可以多種方式工作，點對點、一點對多點傳輸數(shù)據(jù);最高通信速率可達1 Mb/s(傳輸距離為40 m);硬件自帶CRC檢驗和其他檢驗措施;具有優(yōu)異的總線共享和仲裁性能［7］。

鑒于CAN總線無主性、實時性、可靠性等特點，結(jié)合繡花機多機頭分布式控制原則，建立CAN總線型多機頭拓撲網(wǎng)絡(luò)［8］。集中控制器與各機頭控制單元以CAN節(jié)點形式連至CAN總線相互通訊，其總線型拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。各節(jié)點在接收CAN命令前進行地址匹配，地址由撥碼開關(guān)設(shè)定。

3.2 應(yīng)用層通信協(xié)議定制

由于采用的CAN2.0B協(xié)議已經(jīng)定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層［9］，因此系統(tǒng)根據(jù)多機頭換梭裝置控制特點在CAN總線擴展幀的基礎(chǔ)上對應(yīng)用層通信協(xié)議進行了自定義，對29位擴展幀劃分:ID28為預(yù)留位、ID27～ID22為發(fā)送方地址、ID21～ID16為接收方地址、ID15～ID8為指令代碼、ID7～ID0為功能代碼。協(xié)議中發(fā)送方和接收方地址最多可擁有64種不同地址，即系統(tǒng)中機頭換梭裝置最多可以擴展至64個。部分常用指令代碼和功能代碼如表1所示。

3.3 基于CAN命令解析的主程序開發(fā)

通過軟件過濾，各節(jié)點控制單元根據(jù)應(yīng)用層協(xié)議對來自集中控制器的CAN命令進行解析。命令可分為驅(qū)動機構(gòu)測試、異常情況處理和系統(tǒng)工作3部分。基于CAN命令解析的主程序設(shè)計如圖5所示。

表1 部分常用指令代碼和功能代碼Tab.1 part of commonly used instruction code and function code

圖5 基于CAN命令解析的主程序設(shè)計圖Fig.5 Main program design based on CAN command parsing

驅(qū)動機構(gòu)測試:該命令對轉(zhuǎn)輪電動機和換梭電動機進行速度、位置控制;對2個氣動桿進行前進、后退動作控制;對2個氣動爪進行抓取、放置動作控制。節(jié)點控制單元根據(jù)相應(yīng)位置傳感器反饋的信號做出判斷:若動作到位，反饋動作正常信息至CAN總線;反之，對動作錯誤信息做異常處理。

異常情況處理:節(jié)點控制單元對應(yīng)不同異常信息發(fā)出警報。警報包括機構(gòu)動作不到位警報和缺紗警報。

系統(tǒng)工作:在繡花機刺繡過程中根據(jù)不同花型所需底線消耗量確定出消耗繞滿一個梭芯底線長度所對應(yīng)的編碼脈沖量。當(dāng)采集到這些確定的脈沖量時，集中控制器發(fā)送旋梭更換指令到需要換梭的機頭。控制單元接收指令后順序驅(qū)動各執(zhí)行機構(gòu)完成相應(yīng)動作，達到換梭目的。期間，執(zhí)行機構(gòu)的動作錯誤信息通過CAN總線反饋至集中控制器，等待其下一步指示。

4 驅(qū)動元件控制方法的優(yōu)化設(shè)計

4.1 步進電動機指數(shù)型加減速控制

由步進電動機的矩頻特性可知，電動機輸出轉(zhuǎn)矩隨脈沖頻率上升而下降。為使步進電動機既能滿足啟動停止時的轉(zhuǎn)矩變化要求，防止失步、過沖現(xiàn)象產(chǎn)生，又能快速穩(wěn)定運行，對其采用指數(shù)型加減速控制方法［10］。指數(shù)型加減速控制方法比較接近步進電動機輸出轉(zhuǎn)矩特性，加減速時加速度突變小。其數(shù)學(xué)表達式［11］分別如下。

加速升頻階段:

勻速階段:

減速降頻階段:

式中:f為實時輸出頻率;fc為勻速運行頻率;fu為啟動頻率;τ為時間常數(shù);tcd為勻速轉(zhuǎn)變?yōu)闇p速的時間點。

結(jié)合指數(shù)型加減速公式(1)、(2)、(3)，采用離散逼近法將加減速曲線階梯化，通過后臺定時器計數(shù)溢出中斷方式控制步進電動機按對應(yīng)頻率進行升降頻，實現(xiàn)快速、精確定位要求。指數(shù)型加減速曲線如圖6所示。圖中fu1、fu2、fu3分別為對應(yīng)加速階段t1、t2、t3時刻的頻率，tuc為加速轉(zhuǎn)變?yōu)閯蛩俚臅r間點。

圖6 指數(shù)型加減速曲線Fig.6 Exponential curve of acceleration and deceleration

4.2 電磁閥低能耗保持方法

在換梭過程中，電磁閥打開次數(shù)多，打開時間長。若采用傳統(tǒng)的控制方法，在電磁閥整個吸合過程中以額定電壓加載到電磁閥線圈上直至電磁閥釋放為止，會導(dǎo)致電磁閥溫度上升，使用壽命縮短，能源浪費。現(xiàn)采用一種以高壓打開、PWM保持的控制方式驅(qū)動電磁閥，達到降溫節(jié)能效果。在電磁閥打開瞬間對其加載額定電壓一段時間，快速注入峰值電流，使其迅速吸合;一旦吸合后，以PWM方式發(fā)送脈沖，提供較小的電流使電磁閥保持吸合狀態(tài)直至其釋放為止［12］。PWM驅(qū)動方式和電磁閥線圈的電流波形如圖7所示。

圖7 PWM驅(qū)動方式及電流波形Fig.7 PWM drive mode and current waveform

5 測試結(jié)果

以某型號40機頭繡花機為機械本體，為每個機頭配備換梭裝置，裝置中的控制單元通過CAN總線與繡花機集中控制器連接，集中控制器向繡花機主控制器提供停機信號。該繡花機所用梭芯外徑為(21×8.5)mm，可纏繞底線60 m，裝于旋梭內(nèi)。根據(jù)所繡花型，測得該繡花機每30 min用完一只繞滿底線的梭芯，每班(8 h)需要更換16次。人工平均每次更換繡花機所有機頭的旋梭耗時15 min，一班次所耗工時共240 min;使用本系統(tǒng)及裝置一次更換繡花機所有機頭的旋梭耗時1 min，一班所耗工時共16 min，相比人工，節(jié)省停機時間多達224 min。

結(jié)果表明，該系統(tǒng)獨立性和擴展性較強，滿足自動換底線功能;相較人工換梭方式，停機時間更少，效率更高。

6 結(jié)論

繡花機自動換底線系統(tǒng)通過CAN總線型網(wǎng)絡(luò)拓撲，以分布式控制和機械自動化的方式代替原有人工方式完成換底線動作。此外，系統(tǒng)分別在執(zhí)行元件電動機和電磁閥控制方法上進行優(yōu)化，進一步提高準(zhǔn)確性，減少能源消耗;具備通用通信接口，兼容性和擴展性強，適用于各類單機頭多機頭繡花機。運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)符合繡花機自動換底線要求，穩(wěn)定高效，促進了繡花機底線更換在自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方面的技術(shù)進步。

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