一種電腦提花大圓機(jī)并行選針控制技術(shù)

戴寧 彭來湖 胡旭東 牛沖 周佳超 戴昱昊

摘 要：針對電腦提花大圓機(jī)路數(shù)多，針數(shù)多的工藝特點(diǎn)，提出了一種基于ARM的電腦提花大圓機(jī)并行控制技術(shù)。該技術(shù)采用了高性能的ARM芯片，總線驅(qū)動(dòng)芯片及光耦隔離芯片作為硬件基礎(chǔ)，著重闡述了該技術(shù)涉及的硬件電路設(shè)計(jì)以及并行選針控制算法的實(shí)現(xiàn)過程。結(jié)果表明，采用該控制技術(shù)的電腦提花大圓機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，選針器選針快速準(zhǔn)確，無亂花錯(cuò)花故障產(chǎn)生，改善了電腦提花大圓機(jī)織物布面的花紋樣式。

關(guān)鍵詞：電腦提花大圓機(jī);ARM芯片;總線驅(qū)動(dòng)芯片;光耦隔離芯片;并行選針控制算法;選針器

中圖分類號(hào)：TS 103.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2019）04-0090-05

Abstract：According to the technological characteristics that the large circular compute jacquard knitting machine has many channels and needles， a parallel control technology of large circular compute jacquard knitting machine based on ARM was putted forward. This technology uses high-performance ARM chips， bus driver chips and optocoupler isolation chips as the hardware foundation. The hardware circuit design and the implementation process of the parallel needle selection control algorithm in this technology were described emphatically. The results show that the large circular compute jacquard knitting machine with this control technology operates stably， selects needles rapidly and accurate without the occurrence of pattern defects， which improves the pattern style of woven fabric of large circular compute jacquard knitting machine.

Key words：large circular compute jacquard knitting machine; ARM chip; bus driver chip; optocoupler isolation chip; parallel needle selection control algorithm; needle selection actuator

近幾年，電腦提花大圓機(jī)發(fā)展迅速，國內(nèi)大圓機(jī)控制技術(shù)全方位快速發(fā)展，電子提花技術(shù)有逐步趕超國外先進(jìn)控制技術(shù)的趨勢[1-2]。電腦提花大圓機(jī)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上主要由喂紗機(jī)構(gòu)、成圈機(jī)構(gòu)以及牽拉卷取機(jī)構(gòu)等組成[3]。紗線經(jīng)導(dǎo)紗機(jī)構(gòu)進(jìn)入成圈機(jī)構(gòu)進(jìn)行編織，牽拉卷布機(jī)構(gòu)將編織物從成圈機(jī)構(gòu)中拉出并卷曲[4]。

目前電腦提花大圓機(jī)市場中國外先進(jìn)設(shè)備占據(jù)了很大的市場份額，其編織物布面組織結(jié)構(gòu)清晰，花紋圖面豐富，且其設(shè)備的選針故障率低，產(chǎn)量較高。國內(nèi)電腦提花大圓機(jī)廠家同國外生產(chǎn)廠家在選針控制技術(shù)方面還有一定差距。因此提高國產(chǎn)電腦提花大圓機(jī)選針控制技術(shù)，縮短與國外先進(jìn)廠家在電腦提花大圓機(jī)控制技術(shù)上的差距迫在眉睫。

本文采用了ARM嵌入式技術(shù)，并行選針控制算法等，設(shè)計(jì)了一種電腦提花大圓機(jī)并行選針控制技術(shù)，提升了電腦提花大圓機(jī)選針控制的實(shí)時(shí)性的同時(shí)增加了選針的準(zhǔn)確性，并滿足了針織市場對電腦提花大圓機(jī)的高品質(zhì)需求。

1 關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)及工藝分析

本文設(shè)計(jì)的一種電腦提花大圓機(jī)并行選針控制技術(shù)主要涉及電腦提花大圓機(jī)成圈機(jī)構(gòu)中選針器的實(shí)時(shí)性控制。電腦提花大圓機(jī)關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

輸紗器按電腦提花大圓機(jī)各路成圈機(jī)構(gòu)的機(jī)械位置有規(guī)律的安裝在紗架相應(yīng)位置。紗線從輸紗器上經(jīng)由沙嘴進(jìn)入編織機(jī)構(gòu)。編織機(jī)構(gòu)主要由織針，中間片，提花片，三角及選針器組成。選針器按照提花數(shù)據(jù)在各針位控制相應(yīng)的刀頭進(jìn)行動(dòng)作。當(dāng)提花針被選針器刀頭壓入針筒針槽時(shí)，提花片將不沿三角軌跡運(yùn)動(dòng)，反之，提花片針踵沿針筒下方的固定三角曲面進(jìn)行曲線運(yùn)動(dòng)[5]。中間片在提花片及三角的作用下控制織針的出針狀態(tài)。織針在中間片及三角的共同作用下可走浮現(xiàn)，集圈，成圈3種走針軌跡，從而編織出不同組織結(jié)構(gòu)的大圓機(jī)提花織物[6]。選針器刀頭動(dòng)作的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性是影響大圓機(jī)提花織物的組織結(jié)構(gòu)及質(zhì)量的關(guān)鍵因素。本選針控制技術(shù)結(jié)合電腦提花大圓機(jī)關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)及提花工藝，采用高性能ARM處理器和并行選針控制技術(shù)相結(jié)合，提高了選針器選針?biāo)俣群瓦x針準(zhǔn)確性。

2 總體控制方案

結(jié)合電腦提花大圓機(jī)并行選針控制技術(shù)涉及的關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)及編織工藝，本文采用了高性能的ARM處理器芯片，雙通道高速光耦，8通道總線驅(qū)動(dòng)芯片，D觸發(fā)器芯片來搭建本技術(shù)總體控制方案的硬件平臺(tái)，其總體控制方案如圖2所示。

總體控制方案的硬件平臺(tái)由主控制模塊和選針控制模塊兩部分組成。主控制模塊中ARM處理器產(chǎn)生DATA0～DATA7 8位數(shù)據(jù)信號(hào)和1位CLK時(shí)鐘信號(hào)分別經(jīng)由74LVXC3245MT總線驅(qū)動(dòng)和74AHC1G14 D觸發(fā)器后輸出到主控制模塊的輸出端口上。

選針控制模塊其輸入端口接收來自主控制模塊輸出端口處的8位數(shù)據(jù)信號(hào)和1位時(shí)鐘信號(hào)。總線驅(qū)動(dòng)芯片74AC373M包含8個(gè)輸入口和8個(gè)輸出口，可將主控制模塊輸入的1組并行信號(hào)轉(zhuǎn)換輸出多組信號(hào)輸出，以DATA0信號(hào)為例，將其接入74AC373M的8個(gè)輸入口，則74AC373M輸出8組與DATA0邏輯相關(guān)的輸出信號(hào)。TLP2116高速光耦包含2個(gè)輸入口和2個(gè)輸出口。74HC541D總線芯片，包含8個(gè)輸入口和8個(gè)輸出口，可增強(qiáng)光耦輸出端信號(hào)的總線驅(qū)動(dòng)能力。

3 控制技術(shù)關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控制模塊設(shè)計(jì)電路

主控制模塊是本技術(shù)的關(guān)鍵部分，本技術(shù)涉及的并行選針控制算法由主控制模塊中的ARM處理器實(shí)現(xiàn)。ARM處理器按照并行選針控制算法產(chǎn)生8個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)及1個(gè)時(shí)鐘信號(hào)并通過總線驅(qū)動(dòng)芯片增加信號(hào)的帶負(fù)載能力。主控制模塊設(shè)計(jì)電路如圖3所示。

圖3中R1為上拉電阻，當(dāng)其上拉3.3V電源時(shí)，74LVXC3245MTC總線驅(qū)動(dòng)芯片作為發(fā)送芯片，R2～R11為限流電阻。

主控制模塊采用STM32F407作為ARM處理器，其IO口的工作頻率高達(dá)84MHz，滿足電腦提花大圓機(jī)對選針控制技術(shù)的實(shí)時(shí)性要求。本技術(shù)要求STM32F407產(chǎn)生9個(gè)并行信號(hào)。DATA0～DATA7為8個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)，CLK為1個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。74LVXC3245MTC作為總線驅(qū)動(dòng)芯片將DATA0～DATA7數(shù)據(jù)信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為SAD0～SAD7數(shù)據(jù)信號(hào)，增加了8個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)的帶負(fù)載能力。74AHC1G14作為D觸發(fā)器將CLK時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換為SCLK時(shí)鐘信號(hào)，增加了時(shí)鐘信號(hào)的帶負(fù)載能力。

3.2 選針控制模塊設(shè)計(jì)電路

電腦提花大圓機(jī)由于較多的編織路數(shù)導(dǎo)致其所需的選針器數(shù)目相對其他提花機(jī)的選針器數(shù)目要多。主控制模塊產(chǎn)生的9個(gè)信號(hào)無法驅(qū)動(dòng)電腦提花大圓機(jī)較多數(shù)目的選針器負(fù)載，故需要通過選針控制模塊對9個(gè)信號(hào)的總線驅(qū)動(dòng)能力進(jìn)行放大。選針控制模塊的硬件連接圖如圖4所示。

主控制模塊輸出的9個(gè)并行信號(hào)經(jīng)過選針控制模塊后可輸出n組9個(gè)并行信號(hào)。n的取值與電腦提花大圓機(jī)上的選針器數(shù)目有關(guān)，每組中的9個(gè)并行信號(hào)的帶負(fù)載能力有限，當(dāng)掛接的選針器越多，選針器在工作時(shí)9個(gè)并行信號(hào)線上的損耗增大，當(dāng)選針器的個(gè)數(shù)超過26個(gè)，就會(huì)出現(xiàn)部分選針器動(dòng)作故障[7]。故本設(shè)計(jì)每組掛接24個(gè)選針器。筆者以江蘇東臺(tái)某電腦提花大圓機(jī)廠的一臺(tái)寸數(shù)為96.52 cm，總路數(shù)為48路，總針數(shù)為1 700針，上下盤每路各2個(gè)選針器，共192個(gè)8刀壓電陶瓷選針器的雙面電腦提花大圓機(jī)為本技術(shù)的機(jī)械本體，故需要8組選針器。SAD0～SAD7依次經(jīng)過8個(gè)74AC373M總線驅(qū)動(dòng)芯片，32個(gè)TLP2116雙通道光耦芯片，8個(gè)74HC541D總線驅(qū)動(dòng)芯片，CLK依次經(jīng)過1個(gè)74AC373M總線驅(qū)動(dòng)芯片，4個(gè)TLP2116雙通道光耦芯片，1個(gè)74HC541D總線驅(qū)動(dòng)芯片后生成8組并行信號(hào)，n的取值為8。

4 控制技術(shù)關(guān)鍵程序設(shè)計(jì)

4.1 并行選針控制通訊方式

主控制模塊產(chǎn)生的8個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)包含著選針器的地址信息和該地址選針器的刀頭動(dòng)作信息。8個(gè)數(shù)據(jù)信息最多可表示256個(gè)選針器尋址空間及8把刀的動(dòng)作信息。以8刀壓電陶瓷選針器為研究對象對并行選針控制通訊方式進(jìn)行說明。并行選針控制通訊方式如圖5所示。

圖5中DATA0～DATA7代表數(shù)據(jù)信號(hào)，CLK代表時(shí)鐘信號(hào)，1代表邏輯高電平，0代表邏輯低電平。虛線分別表示在CLK時(shí)鐘信號(hào)上升沿及下降沿時(shí)DATA0～DATA7的邏輯狀態(tài)。當(dāng)CLK在時(shí)鐘上升沿時(shí)，此時(shí)DATA0～DATA7上的信號(hào)代表選針器地址信息，其中DATA0為最低位，DATA7為最高位，如5圖所示當(dāng)前時(shí)刻代表的選針器地址為0xff。CLK在時(shí)鐘下降沿時(shí)，此時(shí)DATA0～DATA7上的信號(hào)代表選針器動(dòng)作信息，其中DATA0為第1把刀的動(dòng)作信息，DATA7為第8把刀的動(dòng)作信息，則當(dāng)前時(shí)刻代表的選針器動(dòng)作信息為0x00。若0代表該選針器刀頭打上，則當(dāng)前下降沿時(shí)刻，選針器8把刀全部打上，反之則選針器8把刀全部打下。

4.2 并行選針控制算法

電腦提花大圓機(jī)每走一個(gè)針位，主控制模塊中的ARM處理器芯片將當(dāng)前針位下每路選針器的動(dòng)作信息按照并行選針控制算法依次下發(fā)給電腦提花大圓機(jī)上每個(gè)選針器，以江蘇東臺(tái)某電腦提花大圓機(jī)廠的雙面電腦提花大圓機(jī)為本技術(shù)的機(jī)械本體。并行選針控制算法流程如圖6所示。

圖6中t代表定時(shí)器產(chǎn)生中斷的時(shí)間，xn代表第n個(gè)選針器8把刀的狀態(tài)，每把刀有0，1兩個(gè)狀態(tài)，所有xn的數(shù)據(jù)長度為8位，數(shù)據(jù)從低位到高位，分別代表第1把刀到第8把刀的狀態(tài)。n代表當(dāng)前選針器的序號(hào)。N代表進(jìn)入中斷的次數(shù)。IO1～I(xiàn)O8代表ARM控制8個(gè)并行數(shù)據(jù)的輸入輸出口，IO9代表ARM處理器控制時(shí)鐘數(shù)據(jù)的輸入輸出口。

由圖6可知，完成對一個(gè)8刀選針器的控制，包括發(fā)送地址數(shù)據(jù)和發(fā)送地址數(shù)據(jù)兩個(gè)過程，需進(jìn)4次定時(shí)器中斷，共計(jì)花費(fèi)4μs時(shí)間。本電腦提花大圓機(jī)機(jī)械本體含有192個(gè)選針器，當(dāng)對所有選針器完成提花控制需要768 μs。本電腦提花大圓機(jī)總針數(shù)X為1700針，在該總針數(shù)下，電腦提花大圓機(jī)生產(chǎn)過程中，最高轉(zhuǎn)速R一般不超過40 r/min[8-9]，則轉(zhuǎn)過每個(gè)針位所需最短時(shí)間T的計(jì)算式如下。

式中：R為電腦提花大圓機(jī)最高轉(zhuǎn)速，r/min;X為總針數(shù)。

經(jīng)過計(jì)算，轉(zhuǎn)過每個(gè)針位所需最短時(shí)間T為1.133 ms，即壓電陶瓷選針器需要在最短時(shí)間T內(nèi)完成動(dòng)作，取定時(shí)器中斷時(shí)間t為1 μs，則采用本次并行選針控制算法完成所有選針器的提花控制需要768 μs，滿足電腦提花大圓機(jī)選針控制技術(shù)的實(shí)時(shí)性要求。

5 系統(tǒng)測試

筆者采用灰排線連接主控制模塊的輸出端口和選針控制模塊的輸入端口。選針控制模塊輸出端口共8路輸出，每路外接24個(gè)8刀壓電陶瓷選針器。本技術(shù)應(yīng)用在江蘇東臺(tái)某臺(tái)96.52 cm，1700針，48路雙面三工位電腦提花大圓機(jī)上。在20 r/min的針筒轉(zhuǎn)速下正常工作24h進(jìn)行系統(tǒng)測試，以此來驗(yàn)證本技術(shù)的可行性。

系統(tǒng)測試結(jié)果顯示，采用本控制技術(shù)的電腦提花大圓機(jī)工作穩(wěn)定，編織過程中無錯(cuò)花亂花現(xiàn)象產(chǎn)生，且織物表面無掛紗，無破洞現(xiàn)象。整個(gè)系統(tǒng)測試過程中，機(jī)器出現(xiàn)報(bào)警次數(shù)較少，機(jī)器效率較高。該雙面電腦提花大圓機(jī)織物圖如下圖7所示。

6 結(jié) 語

本文通過對電腦提花大圓機(jī)主要機(jī)械結(jié)構(gòu)和編織工藝進(jìn)行分析，提出了一種電腦提花大圓機(jī)并行選針控制技術(shù)。并介紹了本控制的總體設(shè)計(jì)思路，主要分析了主控制模塊和選針控制模塊硬件設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)方法。

經(jīng)測試，采用本技術(shù)的電腦提花大圓機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，選針器刀頭動(dòng)作響應(yīng)快速且準(zhǔn)確。編織過程中織物次品率較低且編織效率高。滿足電腦提花大圓機(jī)對選針控制技術(shù)實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性的高要求，該控制技術(shù)結(jié)合電腦提花大圓機(jī)編織工藝以及嵌入式控制技術(shù)，提高了選針控制技術(shù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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