基于電腦橫機(jī)應(yīng)用的一種新型織物密度調(diào)節(jié)裝置

李 寧，吳曉光，張 馳，張成俊，朱 里

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基于電腦橫機(jī)應(yīng)用的一種新型織物密度調(diào)節(jié)裝置

李 寧，吳曉光*，張 馳，張成俊，朱 里

(武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430073)

密度調(diào)節(jié)裝置是電腦橫機(jī)編織的關(guān)鍵部件，其可以改變織物密度，編制出較復(fù)雜的嵌花組織。本文提出了一種新型的密度調(diào)節(jié)裝置，該裝置利用棘輪、凸輪及滑塊機(jī)構(gòu)，并通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪傳動(dòng)，快速精確的實(shí)現(xiàn)了橫機(jī)度目密度調(diào)節(jié)功能。利用該裝置可將現(xiàn)有國產(chǎn)雙系統(tǒng)電腦橫機(jī)所需配置的八個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制的密度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，簡化為僅需要四個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)，且機(jī)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、準(zhǔn)確，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本、管理和維修方便，具有實(shí)際工程價(jià)值。文中控制部分采用DSP以及CAN總線控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

電腦橫機(jī)；織物；密度調(diào)節(jié)裝置；DSP

我國電腦橫機(jī)發(fā)展迅速，尤其是近年來，從國外引進(jìn)了不少發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)的電腦橫機(jī)，如德國的CMS系列、日本的SEC等系列電腦橫機(jī)。迄今為止，國產(chǎn)電腦橫機(jī)總體而言是以消化吸收、再創(chuàng)新的基礎(chǔ)上形成了我國電腦橫機(jī)品牌，如郁翔的FS系列，天元TY系列等[1]。由于電腦橫機(jī)編織原理相對其它針織機(jī)的編織過程復(fù)雜，因此，國產(chǎn)電腦橫機(jī)的織物密度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式仍參考國外機(jī)型，其結(jié)果造成所需的控制度目電機(jī)過多，控制繁瑣等缺點(diǎn)。

本文提出一種實(shí)現(xiàn)雙系統(tǒng)電腦橫機(jī)織物密度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)新的方法，該機(jī)構(gòu)簡化了國產(chǎn)現(xiàn)有雙系統(tǒng)密度調(diào)節(jié)過程中的驅(qū)動(dòng)方式，利用文中所提出的密度調(diào)節(jié)裝置可頂替原有織物密度調(diào)節(jié)裝置，且機(jī)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定，易實(shí)現(xiàn)織物密度調(diào)節(jié)和控制自動(dòng)化。

1 雙系統(tǒng)橫機(jī)密度調(diào)節(jié)裝置

本文以12G雙系統(tǒng)電腦橫機(jī)為例。圖1所示為雙系統(tǒng)機(jī)頭單面結(jié)構(gòu)圖，其中，分為左右度目機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)有雙系統(tǒng)雙機(jī)頭需配置八個(gè)度目，分別由八個(gè)二相四拍度目電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)）獨(dú)立控制。

圖1 雙系統(tǒng)機(jī)頭單面結(jié)構(gòu)圖

圖2所示為度目在雙系統(tǒng)電腦橫機(jī)中的簡化圖，圖中度目編號依次為M1、M2、M3、M4（后板度目），M5、M6、M7、M8（前板度目）。當(dāng)機(jī)頭右行時(shí)，奇數(shù)度目（M1、M3、M5、M7）工作；當(dāng)機(jī)頭左行時(shí)，偶數(shù)度目（M2、M4、M6、M8）工作。工作度目通過上下（前后）運(yùn)動(dòng)完成織物的密度調(diào)節(jié)。

圖2 度目在雙系統(tǒng)電腦橫機(jī)中的簡化圖

1.1 雙系統(tǒng)密度調(diào)節(jié)裝置的工作原理

所謂調(diào)密是指調(diào)節(jié)針織織物的線圈結(jié)構(gòu)的松緊程度，即調(diào)節(jié)密度三角的壓針深度。目前，雙系統(tǒng)電腦橫機(jī)主要是通過步進(jìn)電機(jī)（度目電機(jī)）控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)密度調(diào)節(jié)。如圖3所示，采用步進(jìn)電機(jī)控制螺旋凸輪，然后由凸輪驅(qū)動(dòng)滑塊（圖4度目斜槽）上下運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)度目沿著450的斜槽滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)密度的調(diào)節(jié)[2]。如圖5所示為度目初始位置，圖6所示為度目處于最低位置，其高度間連續(xù)可調(diào)，可調(diào)范圍在[0,649]區(qū)間內(nèi)，且數(shù)值越大，織物越松。

圖3 度目電機(jī)與螺旋凸輪實(shí)物圖

圖4 度目三角斜槽實(shí)物圖

圖5 度目三角初始位置示意圖

圖6 度目三角最低位置示意圖

圖7 傳統(tǒng)密度調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)圖

由圖1至圖6可知，雙系統(tǒng)電腦橫機(jī)度目密度調(diào)節(jié)是以一對一的控制，即一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制一個(gè)度目三角。

為了滿足編織出不同密度的織物，應(yīng)根據(jù)花型的需要對密度三角進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，如圖7所示，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)量根據(jù)密度要求進(jìn)行控制，密度三角嵌于螺旋凸輪凹槽中。在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)下，帶動(dòng)凸輪槽轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使密度三角沿著密度軌道上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)密度調(diào)節(jié)。

1.2 雙系統(tǒng)密度調(diào)節(jié)裝置存在的不足

現(xiàn)有密度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式是采用單片機(jī)控制，從控制數(shù)量來看，共需控制八個(gè)步進(jìn)電機(jī)完成密度調(diào)節(jié)，其缺點(diǎn)是處理信號速度慢，編織效率低；所需步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器過多，增加了控制工作量，生產(chǎn)效率低。本文提出一種新型密度調(diào)節(jié)裝置，該裝置只需四個(gè)步進(jìn)電機(jī)來代替原有八個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使控制系統(tǒng)大大簡化，而且驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)便于加工制造，同時(shí)控制系統(tǒng)采用DSP以及CAN總線控制，系統(tǒng)集成度高，實(shí)時(shí)響應(yīng)快等特點(diǎn)。

2 新型密度調(diào)節(jié)裝置

本密度調(diào)節(jié)裝置是用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制兩個(gè)度目（圖1中左右度目）運(yùn)動(dòng)，其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為對稱關(guān)系，圖8所示為該調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為該調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)圖（圖8）中的棘輪棘爪機(jī)構(gòu)示意圖。圖8中，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)1逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)棘爪11作用于齒輪6與齒輪5進(jìn)行嚙合，最終作用于左側(cè)凸輪4與滑塊機(jī)構(gòu)及左側(cè)度目3上下運(yùn)動(dòng)來完成調(diào)節(jié)工作。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)1順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)棘爪10作用于齒輪2與齒輪7進(jìn)行嚙合，最終作用于右側(cè)凸輪8與滑塊機(jī)構(gòu)及右側(cè)度目9上下運(yùn)動(dòng)來完成調(diào)節(jié)工作。因此，采用本機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)上述步進(jìn)電機(jī)控制螺旋凸輪，然后由凸輪驅(qū)動(dòng)滑塊上下運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)度目沿著45°的斜槽滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)密度的調(diào)節(jié)，其過程簡單，控制電機(jī)數(shù)量少，左右度目互瑣性好，可靠性高，不易出錯(cuò)等優(yōu)點(diǎn)。

圖8 新型密度調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 棘輪棘爪機(jī)構(gòu)示意圖

3 硬件設(shè)計(jì)

如圖10所示為控制總體結(jié)構(gòu)方案圖，每個(gè)控制器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，每個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制兩個(gè)度目的運(yùn)動(dòng)，兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立。

圖10 控制總體結(jié)構(gòu)方案圖

系統(tǒng)通信采用CAN現(xiàn)場總線，下位機(jī)各節(jié)點(diǎn)由控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)和度目組成，上位機(jī)PC通過CAN適配卡負(fù)責(zé)控制和監(jiān)控步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，從而控制電腦橫機(jī)中所有度目的上下運(yùn)動(dòng)。

步進(jìn)電機(jī)的控制器以DSP芯片TMS320LF2407為核心，該芯片帶有CAN控制模塊，可以與CAN總線通信[3]。TMS320LF2407事件管理器A、B分別控制2臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，在TMS320LF2407與步進(jìn)電機(jī)間選用脈沖分配和驅(qū)動(dòng)電路芯片THB6064AH，硬件連接如圖11所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 步進(jìn)電機(jī)位置控制

若步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，奇數(shù)度目（圖2中的度目）參加編織工作；步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，偶數(shù)度目（圖2中的度目）參加編織工作。對度目的位置控制需要2個(gè)參數(shù)：絕對位置即度目的當(dāng)前位置，相對位置(移動(dòng)到目標(biāo)的距離)將被折算成電機(jī)步數(shù)。位置控制的一般做法是：步進(jìn)電機(jī)每走1步，步數(shù)減1，當(dāng)度目到達(dá)目標(biāo)位置時(shí),步數(shù)正好為0。位置控制子程序流程圖如圖12所示。

圖11 TMS320LF2407與電機(jī)連接圖

圖12 位置控制子程序圖

4.2 步進(jìn)電機(jī)加減速控制

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)過程中要經(jīng)歷加速、恒速、減速過程，這樣可以在最短的時(shí)間里完成度目的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也避免了失步現(xiàn)象與過沖現(xiàn)象的發(fā)生，提高了電腦橫機(jī)編織的工作效率。

步進(jìn)電機(jī)的加減速控制就是控制度目通過加速、恒速、減速過程，從一個(gè)位置運(yùn)行到另一個(gè)位置。這就有2個(gè)要求：總步數(shù)要符合給定值；總的走步時(shí)間要盡量短。用DSP對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速控制實(shí)際上就是控制每次換相的時(shí)間間隔。升速時(shí)，使脈沖串逐漸加密，減速時(shí)則相反，即不斷改變定時(shí)器的裝載值。加減速子程序流程圖如圖13所示。

圖13 加減速子程序圖

4.3 脈寬調(diào)制PWM程序設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)1是由DSP芯片中的事件管理器EVA控制的，步進(jìn)電機(jī)2是由事件管理器EVB控制的。

EVA模塊的PWM設(shè)置程序代碼如下：

int pwm1() ／*電機(jī)1初始化*／

{

／*產(chǎn)生PWM1*／

*DBTCONA=0x0000； ／*不使能死區(qū)控制*／

*T1PR=0x07d0； ／*設(shè)置定時(shí)器1周期寄存器*／

*CMPR1=0x03e8； ／*決定PWM1，PWM2占空比*／

*ACTRA=0x000D； ／* PWM1低有效，PWM2強(qiáng)制高*／

*COMCONA=0x8200； ／*使能比較操作*／

*T1CON=0x1002； ／*使能比較操作，分頻系數(shù)為1*／

}

EVB模塊的PWM設(shè)置程序代碼如下：

int pwm2() ／*電機(jī)2初始化*／

{

／*產(chǎn)生 PWM7*／

*DBTCONB=0x0000； ／*不使能死區(qū)控制*／

*T3PR=0x07d0； ／*設(shè)置定時(shí)器3周期寄存器*／

*CMPR4=0x03e8； ／*決定PWM7，PWM8占空比*／

*ACTRB=0x000D； ／* PWM7低有效，PWM8強(qiáng)制高*／

*COMCONB=0x8200； ／*使能比較操作*／

*T3CON=0x1002； ／*使能比較操作，分頻系數(shù)為1*／

}

5 結(jié)語

本文以雙系統(tǒng)電腦橫機(jī)中的密度調(diào)節(jié)裝置為研究對象，在分析現(xiàn)有的密度調(diào)節(jié)裝置原理及控制方式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型的密度調(diào)節(jié)裝置。該裝置通過實(shí)際運(yùn)用，從原理上滿足了雙系統(tǒng)電腦橫機(jī)密度調(diào)節(jié)，同時(shí)，密度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)簡單，易于制造加工；而控制步進(jìn)電機(jī)的硬軟件系統(tǒng)因數(shù)量比現(xiàn)有機(jī)型少，又因采用DSP芯片與CAN總線技術(shù)，信號處理速度快，企業(yè)投資成本低。本裝置已在12G雙系統(tǒng)電腦橫機(jī)應(yīng)用，效果顯著。

[1] 宋廣禮. 電腦橫機(jī)實(shí)用手冊[M]. 北京：中國紡織出版社，2010.

[2] 吳興良. 電腦橫機(jī)密度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)[J]. 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011,24（1）：83-84.

[3] 劉和平. TMS320LF240x DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

A New Type of Fabric Density Regulating Device Base on The Application of Computer Flat Knitting Machine

LI Ning, WU Xiao-guang, ZHANG Chi, ZHANG Cheng-jun, ZHU Li

(College of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073,China)

The density regulating device is the key weaving component of computer knitting machine, which can change the fabric density and produce more complex intarsia organization. In this paper, it presents a new density adjusting device using ratchet mechanisms, cams, slide mechanisms, also fast and accurately implement the stitch density adjusting function of computer knitting machine through the stepper motor to drive the gear drive. Using the device can simplify the control from the eight stepper motor of the density adjusting mechanisms of the existing domestic dual system computer knitting machine to only require four stepper motor. The structure of the mechanism is simple, the operation is stable and accurate, reducing the cost of the enterprise production, management and repair convenient and having the practical engineering value, the control part in the paper adopts DSP chip and the CAN bus control system.

Computer Knitting Machine; Fabric; Density Regulating Device; DSP

TS183.92

A

2095－414X(2013)03－0023－05

湖北省科技廳自然基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目（20074023）.

吳曉光（1954-），男，教授，研究方向：數(shù)字化紡織裝備及其關(guān)鍵技術(shù).