基于嵌入式技術(shù)的毛巾劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金永敏

（浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江 紹興　321000）

基于嵌入式技術(shù)的毛巾劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金永敏

（浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江 紹興321000）

為了設(shè)計(jì)一套適應(yīng)廣的毛巾劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)，文章在分析毛巾織造工藝與織機(jī)機(jī)械部件運(yùn)動(dòng)時(shí)序的基礎(chǔ)上，提出一套以32位嵌入式處理器為硬件基礎(chǔ)，基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)軟件μC/OS-Ⅱ開(kāi)發(fā)平臺(tái)的劍桿毛巾織機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬設(shè)計(jì)方案。實(shí)現(xiàn)了電子送經(jīng)、伺服卷取、變緯密等功能。同時(shí)，該控制系統(tǒng)還具有24路電子龍頭控制與8色電子選緯功能。

劍桿織機(jī)；控制系統(tǒng)；LPC1766；μC/OS-Ⅱ

近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)劍桿毛巾織機(jī)在市場(chǎng)需求的推動(dòng)下得到了巨大的發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也越來(lái)越激烈，需要不斷更新和開(kāi)發(fā)產(chǎn)品［1］。在此背景下，文章在分析毛巾織造原理與織機(jī)機(jī)械部件運(yùn)動(dòng)時(shí)序的基礎(chǔ)上，提出一套以32位嵌入式處理器為硬件基礎(chǔ)，基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)軟件μC/OS-Ⅱ開(kāi)發(fā)平臺(tái)的劍桿毛巾織機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬設(shè)計(jì)方案。該控制系統(tǒng)在技術(shù)上達(dá)到了以下指標(biāo)：1）開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)適用于主軸最高轉(zhuǎn)速為300 轉(zhuǎn)/分鐘的劍桿毛巾織機(jī)。2）具有電子送經(jīng)、伺服卷取功能，能實(shí)現(xiàn)變緯密、織物須長(zhǎng)停車自走與定位停車后補(bǔ)償?shù)裙δ堋?）具有24路電子龍頭控制與8色電子選緯功能。4）織物起毛高度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，能夠?qū)崿F(xiàn)波浪型花紋編織。5）具有軟件自動(dòng)尋緯功能。6）毛巾劍桿織機(jī)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)功能，并在LCD液晶上顯示。同時(shí)，該系統(tǒng)還具備各類故障報(bào)警功能。

1　毛巾劍桿織機(jī)核心運(yùn)動(dòng)部件與控制時(shí)序

根據(jù)劍桿毛巾織機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與毛巾織造工藝，確定了毛巾劍桿織機(jī)的核心運(yùn)動(dòng)部件：電子龍頭開(kāi)口控制裝置、引緯裝置、起毛伺服機(jī)構(gòu)、打緯裝置、送經(jīng)裝置和卷取裝置等；輔助裝置包括：主軸旋轉(zhuǎn)角度檢測(cè)裝置、啟動(dòng)離合控制裝置、剎車離合控制裝置、斷經(jīng)紗與斷緯紗檢測(cè)裝置、8色電子選緯裝置等。由于開(kāi)口、引緯、起毛、打緯、送經(jīng)和卷取等6大運(yùn)動(dòng)都是以織機(jī)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)間為運(yùn)動(dòng)周期［2］。因此，可以采用以主軸旋轉(zhuǎn)角度來(lái)確立毛巾劍桿織機(jī)的基本控制時(shí)序，即控制各種運(yùn)動(dòng)與織機(jī)狀態(tài)檢測(cè)的開(kāi)始，結(jié)束時(shí)間、織機(jī)各種運(yùn)動(dòng)的相互協(xié)調(diào)關(guān)系、控制信息操作時(shí)間節(jié)點(diǎn)等［3］。毛巾劍桿織機(jī)的基本控制時(shí)序如圖1所示。

圖1　毛巾劍桿織機(jī)基本控制時(shí)序圖

2　毛巾劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

毛巾劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)以LPC1766芯片為核心，從電路的功能看可以劃分為兩大模塊，即LPC1766主控模塊與各種外圍信號(hào)接口模塊。其中LPC1766主控模塊包括：LCD液晶顯示與鍵盤接口電路、USB接口電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、電源模塊、CPU最小系統(tǒng)、RS232通信接口電路、狀態(tài)量輸入輸出接口電路。外圍接口電路包括：經(jīng)紗檢測(cè)信號(hào)接口電路、緯紗檢測(cè)信號(hào)接口電路、24路電子龍頭接口電路、8色選緯接口電路、織機(jī)工作狀態(tài)開(kāi)關(guān)量輸入接口電路、卷取伺服控制接口電路、主軸轉(zhuǎn)速信號(hào)控制接口電路、啟停與故障保護(hù)電路、起毛伺服控制接口電路以及其他控制信號(hào)輸入輸出接口電路。毛巾劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖與信號(hào)傳輸方向如圖2所示。由于毛巾生產(chǎn)車間的電磁環(huán)境比較惡劣，毛巾劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)的各種外圍接口電路與LPC1766的主控制電路采用的電氣隔離的方法來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能。系統(tǒng)的電氣隔離主要采用光電隔離方案實(shí)現(xiàn)。

圖2　毛巾劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)要求，所設(shè)計(jì)的毛巾劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)具有以下的控制信息點(diǎn)：1）24路電子龍頭控制信號(hào)；2）8路緯紗選色控制信號(hào)；3）8路織機(jī)工作方式控制信號(hào)；4）4路指示燈控制信號(hào)；5）2路離合器控制信號(hào)；6）3路主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)；7）10路織機(jī)工作狀態(tài)信號(hào)；8）1路100 V輔助高壓控制信號(hào)；9）2組伺服電機(jī)控制信號(hào)；10）1組RS232通信接口。其中第1至5項(xiàng)是開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)、第6 至8項(xiàng)是開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)、第9項(xiàng)至第10項(xiàng)是綜合控制信號(hào)組，包含多個(gè)信號(hào)量的輸入輸出。

3　控制系統(tǒng)核心硬件電路設(shè)計(jì)

毛巾劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路包含以LPC1766為核心的主控制電路與外圍各類信號(hào)接口電路，其中主控制電路涉及的各種芯片及其外圍電路都是典型應(yīng)用電路，因此文章不對(duì)其展開(kāi)討論。毛巾劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)使用到的各種外圍接口電路，主要用于完成電氣隔離型開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入與輸出、8位數(shù)據(jù)總線型控制信息輸出、啟動(dòng)離合器與剎車離合器以及輔助高壓的控制［4］。同時(shí)，還包含了伺服電機(jī)的控制接口以及其它諸如隔離RS232通信接口電路。具體電路實(shí)現(xiàn)方案與功能如下所述：

1）隔離型開(kāi)關(guān)量輸入/輸出電路

隔離型開(kāi)關(guān)量輸入電路用于毛巾劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量輸入與織機(jī)工作狀態(tài)量輸入，主要由P521光耦與施密特觸發(fā)器74HC14芯片組成。開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入時(shí)，低電平有效。當(dāng)信號(hào)輸入時(shí)，將使P521光耦的輸出端導(dǎo)通，從而改變施密特觸發(fā)器74HC14輸入端的電壓，信號(hào)經(jīng)整形后輸入到LPC1766的數(shù)據(jù)端口，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量信號(hào)的讀入。為了增強(qiáng)抗干擾性能，在74HC14的輸入端與地之間加一0.01 nF的陶瓷電容進(jìn)行濾波。隔離型開(kāi)關(guān)量輸出電路與開(kāi)關(guān)量輸入電路類似，也采用P521光耦進(jìn)行電氣隔離，只是信號(hào)傳輸方向相反。

2）8位數(shù)據(jù)總線型控制信號(hào)輸出

為了提高LPC1766端口的使用效率，對(duì)24路電子龍頭控制信號(hào)、8路緯紗選色控制信號(hào)與8路織機(jī)工作方式控制信號(hào)共40路信號(hào)的控制采用8位數(shù)據(jù)總線方式實(shí)現(xiàn)［5］。該電路采用了 5片 74HC573和 5片 ULN2803芯片。其中74HC573芯片作為數(shù)據(jù)總線擴(kuò)展端口與LPC1766的8位數(shù)據(jù)總線相連。各個(gè)74HC573芯片的/OE引腳相互連接后接到LPC1766的一根地址線，用于控制數(shù)據(jù)的輸出。同時(shí)，各個(gè)74HC573芯片的LE引腳作為片選信號(hào)各占一根LPC1766的地址線。ULN2803作為總線驅(qū)動(dòng)芯片，其輸入端與74HC573的輸出端相連，輸出端連接到外部信號(hào)接口。

3）啟動(dòng)離合器與剎車離合器以及輔助高壓控制電路

啟動(dòng)離合器與剎車離合器控制電路類似，LPC1766發(fā)出的控制信號(hào)通過(guò)P521光耦進(jìn)行電氣隔離后，通過(guò)IRF640N功率管控制外部離合器。2路功率管的S腳相連后，經(jīng)過(guò)一個(gè)電流采用電阻接地。該電流采樣電阻的參數(shù)為0.22 Ω/5 W，用于離合器驅(qū)動(dòng)電流監(jiān)測(cè)，防止電路電流過(guò)大［6］。100 V輔助高壓用于提高離合器控制電路的驅(qū)動(dòng)電壓，高電壓驅(qū)動(dòng)可以加快外部離合器電磁鐵的吸合速度，輔助高壓在離合器吸合后撤銷。100 V輔助高壓的控制電路與離合器控制電路類似，由光耦P521與IRF640組成，該電路中的IRF640的S引腳通過(guò)一個(gè) 36 Ω的功率電阻與 FR307與離合器控制電路IRF640的D引腳相連。離合器電磁鐵的維持電壓為24 V，該電壓通過(guò)6A10管子與100 V輔助高壓控制電路IRF640的S腳相連。具體電路如圖3所示。

圖3　離合器與輔助高壓控制電路

圖4　織機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制與工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)流程圖

4　毛巾劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

毛巾劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)的軟件基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/ OS-Ⅱ開(kāi)發(fā)完成，分為L(zhǎng)CD液晶顯示、數(shù)據(jù)輸入輸出與保存、按鍵處理、串口通信、U盤文件操作等任務(wù)模塊。這些任務(wù)模塊在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的協(xié)調(diào)下完成對(duì)毛巾的織造過(guò)程中的紡機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制?？刂葡到y(tǒng)軟件的核心功能有：

1）通過(guò)移植周立功公司推出的ZLGUSB軟件包，在毛巾劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)利用U盤讀寫(xiě)FAT32文件操作，完成了對(duì)外部毛巾花型數(shù)據(jù)文件的讀入與管理。

2）劍桿毛巾織機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制與工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)，該項(xiàng)功能是控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心部分。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)劍桿毛巾織機(jī)控制信息點(diǎn)、織機(jī)動(dòng)作時(shí)序，控制時(shí)間節(jié)點(diǎn)等信息了編寫(xiě)正確的控制邏輯關(guān)系，完美的匹配了毛巾織造工藝，實(shí)現(xiàn)了織機(jī)的各個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)了的控制與運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，使得織機(jī)能準(zhǔn)確完成毛巾布料的織造流程。其中引緯與打緯不需要控制。同時(shí)，還對(duì)織機(jī)各部件的工作狀態(tài)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控，確?？椩爝^(guò)程的安全性。并預(yù)留了工藝調(diào)整接口，使得設(shè)計(jì)的毛巾劍桿織機(jī)控制軟件能適用于更多機(jī)型。其設(shè)計(jì)思路如圖4所示。

3）人機(jī)界面與控制參數(shù)輸入模塊，設(shè)計(jì)毛巾劍桿織機(jī)的人機(jī)界面，通過(guò)薄膜型按鈕與LCD液晶顯示屏配合，實(shí)現(xiàn)了2級(jí)菜單界面，可設(shè)置與查閱織機(jī)的控制參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)信息以及查看毛巾花型數(shù)據(jù)文件［7］。特別是能通過(guò)軟件自由設(shè)置電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈返回的脈沖數(shù)、電子齒輪比與刺毛管周長(zhǎng)系數(shù)，提高了控制系統(tǒng)的靈活性。

5　結(jié)論

設(shè)計(jì)完成后的毛巾劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)，在合作單位提供的毛巾劍桿織機(jī)上，進(jìn)行了軟硬件聯(lián)合調(diào)試，在修正了一些設(shè)計(jì)上的瑕疵后，達(dá)到了預(yù)定設(shè)計(jì)指標(biāo)。實(shí)現(xiàn)了，電子送經(jīng)、伺服卷取功能，變緯密、織物須長(zhǎng)停車自走與定位停車后補(bǔ)償、24路電子龍頭控制與8色電子選緯、織物起毛高度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，、波浪型花紋編織、劍桿毛巾織機(jī)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)與故障報(bào)警等功能。同時(shí)，通過(guò)適當(dāng)?shù)膮?shù)修改，該控制系統(tǒng)還可以應(yīng)用于平布紡織。

［1］董春蘭．淺議劍桿織機(jī)發(fā)展趨勢(shì)［J］．機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2012 （1）:37-40．

［2］章玉銘．毛巾劍桿織機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］．杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2011．

［3］章玉銘．毛巾劍桿織機(jī)的經(jīng)紗張力控制系統(tǒng)［J］．西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（6）:295-297.

［4］王慶九，陳宗農(nóng)，詹建潮．電子多臂劍桿織機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的研制［J］．機(jī)電工程，2005，22（3）:11-13．

［5］李春明，王欽若，肖華軍．基于ARM和FPGA的劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2010，29（6）:29-32．

［6］何勇，程宇昕．基于CAN總線的劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2011（6）:135-137．

［7］張峰，張團(tuán)善，呂雙慶，等.emWin在LPC1788上的移植與應(yīng)用［J］．電子設(shè)計(jì)工程，2015（6）:156-160.

Design of control system for towel loom based on embedded technology

JIN Yong-min
（Zhejiang Industry Polytechnic College，Shaoxing 312000，China）

In order to design a well-adopted control system structure of towels rapier loom，on the basis of analyzing towel weaving process and motion sequence of machine，a control solution for towels rapier loom was is put forward in this paper. The core chip of the hardware circuit of control system is lpc1766.The Control system software was development based on μC/ OS-Ⅱ.The main functions of the control system for towels rapier loom are electronic transfer of warp、Servo coiling、variable weft density and so on.In addition，the control system can control 24 Electromagnets of brown box and 8 color electronic weft selectors.

rapier loom；control system；LPC1766；μC/OS-Ⅱ

TN-9

A

1674－6236（2016）13-0161-03

2015-06-23稿件編號(hào)：201506210

浙江省教育廳科研項(xiàng)目（Y201329833）

金永敏（1978—），男，浙江仙居人，碩士，講師。研究方向：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用、控制理論與控制工程。