新型劍桿毛巾織機控制系統設計

摘 要：在分析毛巾織造工藝的基礎上，提出了一套以ARM技術為核心的新型毛巾劍桿織機控制系統設計方案。對控制系統的硬件組成與軟件設計作了詳細的論述。并對控制系統軟件的具體開發流程與設計完成的控制系統所具有的特色作了說明。

關鍵詞：毛巾劍桿織機；Cortex-M3；嵌入式實時操作系統

引言

劍桿毛巾織機以其靈活多變、適應性廣、技術發展成熟而深受毛巾生產企業的青睞。當前劍桿毛巾織機逐步替代了老舊的有梭織機，成為了毛巾織造行業的主流設備。近年來，國產劍桿毛巾織機在市場需求的推動下得到了巨大的發展，但是遍布江浙地區的中小型劍桿毛巾織機生產企業的自主研發能力普遍還很弱，現有的劍桿毛巾織機產品大多數是在測繪國外中低檔產品的基礎上進行改進，高性能與新機型的研發能力以及自動控制系統的研發能力普遍不足，而市場競爭越來越激烈，需要不斷更新和開發產品。因此，在完成機械部件設計的基礎上，開發具有自主知識產權的高性能控制系統，逐漸成為國內中小型劍桿毛巾織機生產廠家關注的重點。

文章以劍桿毛巾織機樣機（如圖1所示）為控制對象，在分析毛巾織造工藝的基礎上，提出了一套以ARM技術為核心的新型毛巾劍桿織機控制系統設計方案，并制作樣機。文章的研究成果將在合作單位首先試用并進行產業化推廣，有利于推動紹興以及浙江地區中小型劍桿毛巾織機生產企業產品的升級換代，提高其市場競爭力。

圖1 劍桿毛巾織機樣機

1 硬件設計方案

設計的毛巾劍桿織機控制系統以ARM技術為核心，采用的主控芯片為LPC1766。硬件電路設計過程為：首先，根據控制系統的詳細設計方案，完成電路原理圖設計，并計算相關電路參數，采購電路元器件。其次，對關鍵電路模塊進行功能仿真或制作實物電路論證電路設計的合理性與可靠性。最后，繪制電路PCB板圖，重點考慮電路布局與電路板抗干擾性能。在拿到PCB樣板后，焊接控制系統電路板。其核心電路如下所述：

1.1 主控制板硬件電路設計

主控制板硬件電路設計包括：LPC1766芯片供電模塊、電源電路、數據存儲模塊、時鐘電路、USB輸入輸出接口、19264液晶顯示屏控制電路、掉電復位保護電路、劍桿毛巾織機運行狀態信號量輸入模塊、起毛伺服控制器接口、鍵盤接口電路以及電子多臂龍頭控制板、伺服電機連接控制板與8色選緯控制板的接口等電路模塊的設計、驗證與制作調試工作。其中液晶顯示電路如圖2所示。

1.2 卷取伺服電機連接控制板設計

卷取伺服電機連接控制板主要解決主控制板與卷取系統的伺服電機控制器之間的通信問題，具有獨立的控制芯片STCF1104。該連接控制板與主控制板之間的通信采用RS232實現。卷取伺服電機連接控制板與伺服控制器之間需要實現伺服使能信號、伺服硬件異常報警信號、伺服系統定位完成、伺服電機旋轉方向與脈沖數等信息的讀取與設置。

2 控制系統軟件設計

劍桿毛巾織機控制系統的軟件將以實時嵌入式系統μC/OS-II與FAT32文件管理系統為平臺進行開發。其設計流程如下：

（1）在控制系統方案設計：首先，進性詳細的市場調研，分析市場上主流的劍桿織機控制系統（包括平布與毛巾織機）的功能特點，借鑒其好的設計思想，使其為我所用，并設法改進其不足之處，確保設計的劍桿毛巾織機控制系統符合當前的技術潮流，并具有自己的特色。其次，與合作單位的機械部件設計人員進行充分的交流，在深刻領會其整機設計思想、織機控制要求與控制系統制造成本要求后撰寫劍桿毛巾織機控制系統用戶需求分析報告與總體方案設計報告，并提交合作單位審核通過。確保項目研究成果能在合作單位使用推廣，并被市場接受。

（2）控制系統詳細設計：首先，詳細分析毛巾織造工藝流程，理清劍桿毛巾織機控制信息點、研究織機動作時序，確立控制時間節點與控制信息間的邏輯關系。其次，根據用戶需求分析報告，對總體方案進行細化，提出各個控制模塊與相關控制算法的具體實現方案，并完成關鍵芯片與外購部件的選型工作。

（3）控制系統軟件編寫：首先，選擇合適的軟件開發工具，建立嵌入式系統開發環境，并完成嵌入式實時操作系統μC/OS-II與FAT32文件系統在LPC1766芯片上的移植工作。其次，理清控制系統所有控制信息之間的邏輯關系，編寫控制系統軟件流程圖與狀態向量圖。再次，對控制系統軟件進行模塊劃分，編寫各個子函數的輸入輸出接口，并設計控制信息數據結構模型與控制算法。最后，項目組軟件編寫人員通過分工合作完成軟件代碼編寫與調試。

（4）劍桿毛巾織機控制系統調試：在完成控制系統硬件電路制作與控制軟件設計后進行系統軟硬件聯合調試，驗證各項控制功能是否完備、織機動作流程控制是否合理、各個控制模塊工作是否穩定。通過軟硬件聯合調試，發現并修正控制方案、硬件電路、控制系統參數、軟件設計中的缺陷與錯誤。

（5）劍桿毛巾織機整機調試：在完成控制系統軟硬件調試后，將劍桿毛巾織機控制系統安裝到合作單位提供的樣機上進行整機調試，驗證劍桿毛巾織機的整機功能是否達到設計標準、能否正確合理完成毛巾布料制造全部工藝流程與安全性要求。通過整機調試，發現并修正控制方案、硬件電路、控制系統參數、軟件設計中的缺陷與錯誤，使得設計開發的控制系統達到設計要求。

控制系統軟件具體的開發流程如圖3所示。

圖3 控制系統軟件設計開發流程圖

3 結束語

設計完成的毛巾劍桿織機控制系統具有以下特點：（1）設計了電子送經、伺服卷取功能模塊。由變頻器、交流電機與接近式張力傳感器組成的電子送經機構實現了毛巾織造過程中相對穩定的經紗張力控制，簡化了機械結構，又具有成本優勢。伺服卷取機構實現了變緯密織造、毛巾須長停車自走、定位停車后自動補償消除停車擋等功能，并簡化了機械零部件設計，如取消緯密齒等。（2）在不增加硬件設備情況下，設計了軟件自動尋緯算法，能提高布面拼擋效果，而且將減輕擋車工的勞動強度與操作技能要求。（3）在起毛高度控制中，采用伺服電機控制起毛凸輪的轉動角度，實現了毛巾織物起毛高度在設計范圍內任意變化，能夠實現波浪型花紋編織。（4）劍桿毛巾織機控制系統軟件基于嵌入式實時操作系統μC/OS-II構建，改變了傳統織機控制系統軟件普遍采用的前后臺模式，提高了控制系統的實時性，也有利于提高劍桿毛巾織造工藝。

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作者簡介：金永敏，工學碩士，講師，工作單位：浙江工業職業技術學院。