電子多臂機控制及性能檢測實驗平臺設計

于鴻彬，張浩鵬，邵宏宇

電子多臂機控制及性能檢測實驗平臺設計

于鴻彬1，張浩鵬1，邵宏宇2

（1. 天津工業大學 機械工程學院，天津 300387；2. 天津大學 機械工程學院，天津 300072）

針對新組裝的多臂機需要對其可靠性進行檢驗，設計了一套多臂機控制及性能檢測系統。通過分析多臂機工作原理，將嵌入式微控制器、花樣數據存儲器、變頻器及電機驅動電路、多臂機電磁鐵驅動電路、電磁鐵磁性檢測電路、電磁鐵電流檢測電路、多臂機擺臂運動檢測電路以及網絡通信接口功能模塊集成在嵌入式電子多臂機控制及性能檢測系統中，可以對電子多臂機的整體性能進行檢測，給出了嵌入式電子多臂機控制系統的系統架構、硬件電路的設計和實現方法，軟件系統的設計和實現方法。工廠實際應用表明，該系統能夠用于控制及檢測電子多臂機性能是否滿足使用要求。

電子多臂機；性能檢測；實驗平臺

旋轉式多臂機作為紡織機械中的一種重要紡織配套裝備，其工作性能的優劣直接影響產品的產量和質量[1]。目前，國內針對多臂機的性能檢測方面資料較少，多臂機檢測技術相對落后，制造的多臂機無法保證每一次動作都準確無誤，制約了多臂機的研發和生產。在正常織造過程中，會出現多臂機開口機構提綜動作錯誤，出現織物花型錯位問題。

起初，對多臂機的性能檢測，主要是依靠人工方法進行，通過目測或聲音進行初步簡單的測試。這種測試方法，需要根據工人豐富的經驗找出問題并據此解決問題，工作量大，時間長，精度及可靠性不高，而且不能長時間不間斷地進行檢測，無法滿足高精度和高可靠性的控制及檢測需求。

隨著檢測技術的發展，出現了專業人員利用專業設備進行深入檢測的方法，這種方法一定程度上滿足了高精度和高可靠性的要求，但是依然不能長期不間斷地對設備進行性能檢測。隨著微控制器、傳感器技術和計算機技術的發展，利用微控制器、傳感器技術和計算機技術構建多臂機控制及性能檢測系統能滿足實際應用需求[2]。

本文以江蘇常熟某公司生產的某種型號電子多臂機為研究對象，設計開發嵌入式微控制系統，對電子多臂機進行控制及性能檢測，為電子多臂機控制和檢測提供有效方法。

1 多臂機

多臂機如圖1所示。

圖1 多臂機

2 系統原理與設計方案

嵌入式電子多臂機控制及性能檢測系統（以下簡稱檢測系統）由多臂機控制驅動系統和多臂機性能檢測系統組成，包括嵌入式控制單元（MCU）、電源處理單元、存儲單元、光耦隔離單元、功率放大單元等，通過485通信單元與變頻器通信，通過網絡模塊與工控上位機通信，實現功能控制及數據傳輸。

本檢測系統可以實時控制多臂機在不同速度、不同花型下運行，采集到的數據包括運行速度、擺臂運行狀態、運行花樣、錯誤次數、開始運行時間T1、停止運行時間T2、檢測時間T3等。工控上位機通過網絡模塊與檢測系統通信，控制多臂機運行速度、開始檢測、停止檢測、花樣下載、花樣上傳、參數設定、參數讀取、錯誤顯示及預警等。數據接收處理單元將數據進行整理、剔除無效數據，保存有效數據，經網絡模塊將數據發送到工控上位機，同時將有效數據保存到數據庫中，以便查詢及處理，同時可以用來改進及優化電子多臂機。多臂機生產企業車間情況復雜、控制及檢測機臺較多，需要在每個機臺上都配置控制及性能檢測系統，每個系統都在相同的局域網中運行，生產者可以控制并實時監測系統運行狀態，使電子多臂機的運行控制及檢測智能化、精確化，同時確保采集到每臺機器上的生產數據[3]。電子多臂機控制及性能檢測系統原理見圖2。

圖2 電子多臂機控制及性能檢測系統原理框圖

3 系統硬件設計

3.1 微控制器及數據存儲器選取

微控制器采用高性能、低功耗的8位AVR微處理器Atmega128[4]，是嵌入式電子多臂機控制及性能檢測系統的核心部件。Atmega128采用先進的RISC結構和增強型AVR內核，處理速度快并且穩定可靠。133條指令大多數可以在一個時鐘周期內完成，工作于16 MHz時性能高達16 MISP。2路8位PWM,6路分辨率可編程（2到16位）的PWM，8路10位ADC，53個可編程I/O口線，內部資源豐富。

對于多臂機的控制及性能檢測需要多種花型，且需要精確穩定的驅動提花擺臂。綜合以上因素，本文選用美國Ramtron公司生產的具有高可靠性、高速、耐久性數據讀寫、抗干擾能力強、接近無限次擦寫等優點的512K非易失性FRAM（Ferro electric RAM）芯片作為花型數據存儲器。FM24C512的總線頻率高達1 MHz，可擦除次數1010次，寫入速度快（Flash的1000倍以上），非常適用于多臂機控制需要的非易失性，且需要頻繁、快速、穩定存儲及讀取數據的要求。數據存儲單元電路見圖3。

圖3 數據存儲單元電路

3.2 無線通信設計

為了實際需要，采用無線通信的方式實現上位機與下位機之間的通信，采用Wi-Fi轉串口模塊實現無線通信。無線通信單元電路圖見圖4，USR-WiFi232無線模塊采用3.3 V直流電源供電，將RELOAD引腳拉低1~3 s可實現無線模塊初始化，拉低RESET引腳超過0.5 s實現復位操作，模塊與主芯片通過串行接口連接，實現數據的傳輸。

圖4 無線通信單元

Wi-Fi模塊設置為STA模式，通信協議采用UDP- Server，波特率為115 200 bit/s，系統采用VB.NET開發上位機，通過Winsock控件實現TCP連接[5]，上位機通過路由器與無線模塊相連，實現無線通信。

3.3 濾波電路設計

多臂機實際工作環境比較惡劣，采集到的信號混雜著許多高頻噪聲信號。當系統進行數據采集時，如果設置的采樣頻率不滿足Nyquist采樣定理的要求時，會導致采集結果出現頻率混疊現象。為了有效地避免這一現象，需要加入濾波器來消除高頻干擾信號對數據采集的影響[6]。濾波電路見圖5。

圖5 低通濾波器電路

根據基爾霍夫電路定律建立濾波模型：

式中為傳遞函數中的變量。

根據模型可以得到該濾波器的傳遞函數為

利用二階低通濾波模型的標準形式：

為了保證濾波系統的穩定，系統的全部極點應配置在平面的左半平面，即需滿足：

根據上述計算，令3=1000 Ω，4=500 Ω，3=0.1 μf，4=0.01 μF，此時理論截止頻率可已達到50 kHz。

3.4 同步信號檢測設計

同步傳感器用于檢測多臂機的運行狀態以產生同步信號，采用工控系統中常用的接近開關（C1、C2）。根據其提供的同步信號，嵌入式電子多臂機能自動、智能地按照花型信息執行動作。根據用戶的需要，同步傳感器產生的同步信號可以發送到工控上位機，再由工控機通過網絡模塊發送給嵌入式電子多臂機控制板，也可以通過專用信號線直接并行發送給嵌入式電子多臂機控制板，使之脫離工控上位機獨立工作。多臂機運行時序圖如圖6所示。

圖6 控制多臂機運行時序圖

3.5 性能檢測

3.5.1 電磁鐵磁性、電流檢測

在電子多臂機中，多臂機用的電磁鐵是電控系統和機械系統之間的“接口”，電磁鐵的響應速度和可靠性在一定程度上影響著多臂機的響應速度和可靠性[7]。高速多路電磁鐵和擺臂作為高速電子多臂機系統第一級信號執行機構，對整個多臂機的性能起著至關重要的作用。

將線性霍爾元件安置在電磁鐵上，每一個霍爾元件與電磁鐵的一路對應，利用光耦及功率放大單元ULN2803為多路電磁鐵獨立工作提供條件。在每一路電磁鐵穩定工作時，霍爾元件會產生相應的電信號，微控制器對這些電信號進行采集，再通過霍爾元件的線性方程，計算出每路電磁鐵穩定工作時的磁場，將這些信息傳輸給工控上位機總控制系統，實現對電磁鐵性能的檢測。通過在每一路電磁鐵中串聯電流檢測器件，記錄隨著電磁鐵工作時間的變化，流過每一路電磁鐵電流。把電磁鐵每一路的磁性、電流與正常工作參數比較，記錄相應數據及錯誤信息并在工控上位機中顯示及預警[8]。

3.5.2 擺臂運動狀態檢測

將型號為GL-8HX10的傳感器放在擺臂運行的高位，當擺臂運行到位時，微控制器就會收到信號，可以獲知擺臂是否正常運動，從而驗證多臂機裝配是否準確，各零部件質量是否可靠等。

由于控制信號和檢測信號電壓不同，如果直接相連，會由于電壓過高使控制系統無法正常工作，為解決這一問題，通過使用光電耦合器來實現隔離[9]，實現低電壓控制高電壓。圖7為光電耦合器電路圖。

圖7 光電耦合器電路圖

3.5.3 油溫及液位檢測

多臂機箱體由于存在摩擦損失，以及軸承、齒輪等摩擦損失，工作中會產生較多熱量。傳動裝置的熱損失不僅對系統的潤滑和冷卻有重要影響，而且對關鍵結構部件的正常工作也有很大影響，將會直接影響到機械傳動效果和傳動系統的動力性能。

在多臂機箱體內放置溫度傳感器及液位傳感器，實時采集多臂機箱體內的溫度及潤滑油的液位情況[10]。

上述檢測的有效數據及錯誤次數都會在工控上位機中顯示，并且將數據上傳到數據庫中，對多臂機進行記錄及跟蹤。系統印刷電路板（PCB）圖如圖8所示。

圖8 控制板PCB圖

4 系統軟件設計

4.1 提花控制

將CAD軟件設計的花樣文件下載到片外存儲器FM24C512中，單片機處于等待狀態，當工控上位機向單片機發送指令時，微控制單元按照花樣信息執行高低電平變換，使電磁鐵按照花樣信息執行吸合與釋放動作，實現多臂機提花控制[11]。

4.2 性能檢測

該測試系統在完成了所需要的測試功能的同時，還實現了測試系統的數字化、圖形化和檢測自動化等功能，具有界面友好、操作簡便等特點。測試傳感器在測試系統中的作用是測量數據，并在多臂機運轉過程中實時反饋測試信息，起到監測多臂機樣機運轉狀況是否穩定的作用。安裝的測試傳感器通過其他設備與測試軟件相連接，使監測過程始終實時、穩定、高效地進行。

進行遠程監控軟件的開發：開發基于Windows系統的花型編輯軟件，通過工控上位機即可實現對多臂機運行動作的設定[12]。檢測界面如圖9所示。

圖9 監測界面

電子多臂機控制及性能檢測系統已經在多臂機生產廠實際使用，用作電子多臂機出廠檢測系統不間斷運行，反復進行各種提花及性能檢測操作測試。使用結果表明，該系統可以穩定、可靠地檢測出多臂機裝配不當、電磁鐵性能不達標、零部件質量問題、潤滑油缺少、油溫過高等問題，對多臂機的控制和性能檢測結果令人滿意。幫助生產者驗證多臂機性能優劣，不斷改進技術優化設備，生產出符合需求的電子多臂機，促進紡織機械的發展。實驗平臺如圖10所示。

圖10 實驗平臺

5 結語

該檢測系統現在已經投入使用，實現了擺臂24小時200萬次運動檢測，達到了企業檢測要求，并將檢測過程中產生的生產信息儲存在數據庫，實現了數據的原始積累，該系統目前運行情況良好。

[1] 劉春雷.高速旋轉式多臂機機構分析及設計[D].杭州：浙江理工大學，2012.

[2] 沈毅，楊明，鄧文俊.基于LabVIEW的3620電子多臂機測試系統研究[J].現代紡織技術，2015, 23(4): 24–28.

[3] 李智.面向離散制造過程的數據采集與處理系統研究與設計[D].南京：南京理工大學，2013.

[4] 宋亞男，陳永安，徐榮華，等.機器人運動控制實驗設計與實現[J].實驗技術與管理，2013, 30(1): 115–118.

[5] 黃皎，吳明春，陸曉春，等. Wi-Fi與嵌入式設備的融合技術研究[J].計算機工程，2011, 37(8): 244–245.

[6] 孫華敏.面向設備監測的嵌入式數采分析系統軟硬件設計與實現[D].北京：北京交通大學，2014.

[7] 郭月洋，陳瑞琪.電子多臂機電磁鐵吸合過程分析及加速措施探討[J].棉紡織技術，2000(10): 16–19.

[8] 熊飛.高速數據采集系統實現及其應用[D].南京：南京理工大學，2017.

[9] 唐玉兵，晏劍輝.光耦電路在智能遠程控電系統中的應用[J].數字通信世界，2018(8): 192.

[10] 康偉，鄭正奇. Windows下實時數據采集的實現[J].計算機應用研究，2001(3): 105–106.

[11] 凌六一，伍龍.基于軟件模擬的51單片機IIC總線的實現[J].電子技術，2004(5): 13–16.

[12] 鐘曉強.一種基于VB實現的變頻器可視化界面設計[J].電工技術，2010(7): 34–36.

Design of experimental platform for control and performance testing of electronic dobby machine

YU Hongbin1, ZHANG Haopeng1, SHAO Hongyu2

(1. School of Mechanical Engineering, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China; 2. School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

In view of the need of reliability testing for the newly assembled dobby machine, a control and performance testing system for the dobby machine is designed. By analyzing the working principle of the dobby machine, an embedded microcontroller, pattern data memory, frequency converter and motor drive circuit, dobby electromagnet drive circuit, electromagnet magnetic detection circuit, electromagnet current detection circuit, dobby swing arm motion detection circuit and network communication interface module are designed, which is integrated in the embedded electronic dobby control and performance detection system. The overall performance of the electronic dobby machine can be tested, and the system architecture, hardware circuit design and implementation method, software system design and implementation method of the embedded electronic dobby control system are presented. Practical application in factories shows that the system can be used to control and test whether the performance of the electronic dobby machine meets the requirements of operation.

electronic dobby machine; performance detection; experimental platform

TS103.33；G484

A

1002-4956(2019)11-0079-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.020

2019-03-27

國家重點研發計劃項目（2016YFB1102003）

于鴻彬（1974—），男，天津，博士，副教授，主要研究方向為智能控制理論及應用。E-mail: 349334292@qq.com