于啟保，戴惠良，楊延竹，許新軍

(東華大學機械工程學院，上海201620)

數(shù)控地毯樣機選紗系統(tǒng)研究

于啟保，戴惠良*，楊延竹，許新軍

(東華大學機械工程學院，上海201620)

為適應快速化、智能化生產(chǎn)需求，在傳統(tǒng)紡機選紗機構(gòu)基礎上，提出一種新型數(shù)控地毯樣機的選紗系統(tǒng)。該系統(tǒng)上位機采用Visual Basic 6.0進行系統(tǒng)軟件開發(fā)，實現(xiàn)地毯圖案花型數(shù)據(jù)讀取與轉(zhuǎn)換等功能。下位機綜合運用GALIL運動控制卡、接近開關、電磁閥等部件實現(xiàn)系統(tǒng)運動控制。結(jié)果證明，該系統(tǒng)可自動進行紗線選取與漏紗檢測，準確高效，滿足生產(chǎn)要求，提高了樣品質(zhì)量和生產(chǎn)速度。

數(shù)控地毯樣機;選紗系統(tǒng);Visual Basic 6.0;GALIL運動控制卡;接近開關

中國地毯業(yè)起步于20世紀80年代中期，近年來中國旅游業(yè)、酒店業(yè)和房地產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，地毯市場以每年20%的速度持續(xù)增長［1］。阿克明斯特地毯圖案豐富、風格細膩，廣泛用于高級酒店、會議場館，市場需求量持續(xù)增長。阿克明斯特地毯生產(chǎn)中使用紗線等長絡筒，為了保證紗線滿足生產(chǎn)的需求，需要對紗線進行超額投料，成本較高［2］。因此，在批量生產(chǎn)地毯之前，常常生產(chǎn)出地毯樣品以供研究設計人員和客戶參考。目前在地毯樣機研究方面:國外如澳大利亞Modra公司開發(fā)的Mtuft簇絨地毯樣機技術(shù)相對成熟，可在20min內(nèi)生產(chǎn)出一種地毯樣品［3］;國內(nèi)尚無單位設計出專門的新型數(shù)控地毯打樣設備。

針對阿克明斯特地毯生產(chǎn)工藝以及市場需求，文中設計出一種新型數(shù)控地毯樣機選紗系統(tǒng)。選紗系統(tǒng)是數(shù)控地毯樣機中的關鍵機構(gòu)，其性能的優(yōu)劣將直接影響地毯樣機以及地毯樣品質(zhì)量。該選紗系統(tǒng)在設計過程中涉及應用虛擬樣機技術(shù)［4］、軟件開發(fā)技術(shù)、數(shù)控機床技術(shù)和傳感技術(shù)等相關技術(shù)，且最終研制出實體機構(gòu)。

1 系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設計及工作原理簡介

1.1 機械結(jié)構(gòu)設計

在分析、研究國內(nèi)外先進阿克明斯特地毯織機［5］、簇絨地毯織機［6～7］等織機機構(gòu)的基礎上，對其選紗機構(gòu)進行改進和創(chuàng)新設計，具體機械結(jié)構(gòu)見圖1。該機構(gòu)主要工作部件有紗筒、大帶輪、鳥嘴、小帶輪和氣缸。紗筒共有20個紗線引導孔，最多可供20種不同顏色紗線進行絨織。大、小帶輪分別由步進電機和伺服電機驅(qū)動，鳥嘴的開閉由氣缸的伸縮控制完成。

1.2 工作原理簡介

當選紗系統(tǒng)運行時，首先上位機讀取地毯圖像(bmp格式)各像素點顏色RGB值，接著轉(zhuǎn)化為相應的花型數(shù)據(jù)，最后發(fā)送至下位機。在下位機工作時，步進電機通過大帶輪驅(qū)動紗筒按照花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)動到預定位置后停止;此時伺服電機通過小帶輪驅(qū)動鳥嘴上升至預定位置時，氣缸收縮，鳥嘴閉合，夾緊紗線，紗線與鳥嘴共同向下運動至預定位置時，氣缸伸長，鳥嘴打開，這樣即可完成選紗工作。通過紗筒的旋轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)不同紗線的選取。完整的提花過程在紗線選取之后還有割紗和針刺等運動，在此不做贅述。

圖1 系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)

2 選紗系統(tǒng)軟件設計

2.1 軟件設計流程

Visual Basic(VB)是一種由微軟公司開發(fā)的包含協(xié)助開發(fā)環(huán)境的事件驅(qū)動編程語言，她源自于BASIC編程語言。VB的易用性就是它的最大優(yōu)勢，可以讓經(jīng)驗豐富的VB程序員或是剛剛懂得程序設計的人都能以自己的方式快速開發(fā)程序［8］。本系統(tǒng)在Windows環(huán)境中采用Visual Basic 6.0進行軟件系統(tǒng)開發(fā)。經(jīng)研究分析，選紗系統(tǒng)軟件功能應包括地毯圖像的載入、尺寸修改、RGB值讀取和花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化等，因此軟件設計流程如圖2所示。

圖2 軟件設計流程圖

2.2 花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

為自動獲取花型數(shù)據(jù)，系統(tǒng)軟件采用 Visual Basic中圖片框Point方法［9］讀取地毯圖像各像素點的RGB值，并記:

(i，j)代表像素點在圖像中的位置，但該值不能作為控制下位機運動數(shù)據(jù)。在讀取圖像每個像素點RGB值后，將RGB值存入ppoint數(shù)組中進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理。將顏色進行分類編號并將圖像中每個位置像素點顏色對應的編號標定出來。具體花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法如圖3所示。

圖3 花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法

算法中color_amount(k)記錄顏色編號;color_kind記錄顏色種類;color_place(i，j)記錄圖像(i，j)位置像素點顏色編號?；ㄐ蛿?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換運行實例如圖4所示。

圖4 花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換運行實例

圖4中顯示了地毯圖像第10號顏色編號信息，顏色編號即代表該種顏色紗線在紗筒中的位置。為方便工作人員穿引紗線，還需顯示出各編號顏色具體信息，運行實例結(jié)果如圖5所示。

圖5 圖像顏色信息運行實例

工作人員可按照圖5在紗筒1號～20號紗孔中穿入相應顏色紗線。例如可在1號孔穿入淺棕色紗線，在2號孔中穿入深褐色紗線等，沒有對應顏色的顯示黑色。

3 硬件控制系統(tǒng)設計及功能實現(xiàn)原理

3.1 控制系統(tǒng)及功能

本文設計的選紗系統(tǒng)控制系統(tǒng)及功能圖如圖6所示。

圖6中運動控制卡選用DMC-21X3系列g(shù)alil運動控制卡，該卡具有運動控制—反饋接口和I/O信號接口等，并通過工業(yè)以太網(wǎng)與PC機實現(xiàn)通訊。紗筒接近開關、鳥嘴磁性開關、中間繼電器、漏紗檢測端口與24VDC電流串聯(lián)接入運動控制卡I/O端口，步進電機驅(qū)動器、伺服電機驅(qū)動器接入運動控制—反饋接口。紗筒接近開關選用圓形電容式接近開關，氣缸選用磁性氣缸，并選用相應的鳥嘴磁性開關，其他控制部件選型不做贅述。

3.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

3.2.1 紗筒原點檢測原理

為確保選紗系統(tǒng)能夠正常工作，正確選取紗線，因此在系統(tǒng)運行之前，必須準定位紗筒轉(zhuǎn)動原點位置，系統(tǒng)將1號紗線孔位置作為紗筒轉(zhuǎn)動原點位置。系統(tǒng)紗筒原點檢測原理如圖7所示。

圖7 紗筒原點檢測原理

系統(tǒng)檢測原點位置時，紗筒在步進電機驅(qū)動下開始轉(zhuǎn)動。當紗筒1號紗孔中心位置旋轉(zhuǎn)至接近開關(常開型)前方，由于1號紗孔中心位置相對其他紗筒位置相對高出，觸發(fā)接近開關電路轉(zhuǎn)換為低電平。galil運動控制卡檢測到接近開關輸入口為低電平，隨即觸發(fā)步進電機停止轉(zhuǎn)動指令，從而檢測出紗筒原點位置。

3.2.2 紗筒旋轉(zhuǎn)原理

紗線在紗筒的位置相對固定不變，在選紗過程中，步進電機旋轉(zhuǎn)將指定紗線轉(zhuǎn)動到鳥嘴夾紗位置。為提高選紗工作效率，系統(tǒng)采用增量方式控制電機轉(zhuǎn)動并規(guī)定順時針方向為正。為避免紗線塑料管纏繞在一起，規(guī)定紗筒旋轉(zhuǎn)不超過180°。求算步進電機旋轉(zhuǎn)增量算法如圖8所示。

圖8 電機旋轉(zhuǎn)增量算法

算法中k(i，j)表示地毯圖像(i，j)位置像素點顏色編號，pic_height表示圖像高度即行數(shù)，pic_ width表示圖像寬度即列數(shù)，increment表示圖片中每個位置后一個像素點顏色編號相對前者的增量。

具體的旋轉(zhuǎn)方法如圖9所示。

圖9 紗筒旋轉(zhuǎn)方法

假設連續(xù)3種紗線分別是1號-20號-6號，按照上述增量算法得其增量分別為1，-6，因此從一號紗孔到20號紗孔順時針旋轉(zhuǎn)1格，從20號紗孔到6號紗孔逆時針旋轉(zhuǎn)6格即可將相應紗線轉(zhuǎn)送至鳥嘴夾持位置。

3.2.3 鳥嘴開閉原理

鳥嘴開閉原理示意圖如圖10所示。

圖10 鳥嘴開閉原理

在系統(tǒng)正常運行之前，需要調(diào)整磁性開關在氣缸上的安裝位置，應保證鳥嘴夾片運動至最高點時，氣缸內(nèi)磁環(huán)接近磁性開關感應區(qū)，磁性開關導通。具體工作原理為:鳥嘴與氣缸共同做上升運動，此時氣缸下方氣口進氣，上方氣口排氣，活塞桿伸長，鳥嘴處于張開狀態(tài)。當鳥嘴夾片運動至最高點時，磁性開關導通，galil運動控制卡檢測到磁性開關輸入口為高電平，隨即觸發(fā)打開中間繼電器指令，電磁閥得電。電磁閥得電后，氣缸上方氣口進氣，下方氣口排氣，活塞桿收縮，鳥嘴閉合，閉合一定時間后，鳥嘴再次打開，循環(huán)運動實現(xiàn)鳥嘴開閉功能。鳥嘴的閉合時間需根據(jù)系統(tǒng)的實際工作情況調(diào)試設定。

3.2.4 漏紗檢測原理

為避免地毯樣品由于漏紗問題產(chǎn)生瑕疵，本選紗系統(tǒng)設計了漏紗檢測機構(gòu)，其檢測原理如圖11所示。

鳥嘴旋轉(zhuǎn)夾片與鳥嘴固定夾片通過塑料套筒、橡膠墊片實現(xiàn)兩者絕緣，galil運動控制卡輸出端口串聯(lián)24V直流電源，并連接固定在鳥嘴兩夾片上。當鳥嘴閉合時，若鳥嘴夾住紗線則鳥嘴兩夾片之間不導通，輸出端口為低電平;若鳥嘴間沒有夾住紗線，此時鳥嘴兩夾片之間導通，輸出端口為高電平，隨即觸發(fā)停機檢查指令。

圖11 漏紗檢測原理

4 結(jié)語

本文設計的數(shù)控地毯樣機選紗系統(tǒng)針對阿克明斯特地毯生產(chǎn)工藝，結(jié)合數(shù)控機床技術(shù)、傳感技術(shù)等技術(shù)，在機械結(jié)構(gòu)、花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)控制方面進行了創(chuàng)新性設計和研究。事實證明，本選紗系統(tǒng)準確高效，故障率低，滿足了數(shù)控化設備的性能要求及生產(chǎn)需求。

［1］ 李琳.淺談現(xiàn)代地毯的應用于發(fā)展［J］.輕紡工業(yè)與技術(shù)，2011，40(2):57-59.

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［3］ 李剛.Modra技術(shù)公司新型簇絨地毯小樣機［J］.國際紡織導報，2007，20(4):35-36.

［4］ 雷良玉，周曉軍.基于虛擬樣機技術(shù)的汽車平順性仿真分析［J］.傳感技術(shù)學報，2006，19(6):2646-2649.

［5］ 孟晶，戴惠良，潘慧.地毯打樣機的夾絨與割絨機構(gòu)設計［J］.機床與液壓，2012，40(18):29-30.

［6］ 賀斌，李文斌，馮行磊.基于PC的小型簇絨機數(shù)控系統(tǒng)研究與開發(fā)［J］.機械工程與自動化，2009，6(3):126-128.

［7］ 程杭杭.地毯簇絨機簇絨針傳動機構(gòu)動力學分析［J］.制造業(yè)自動化，2012，34(6):117-119.

［8］ 隋麗娜，遲劍，郭立峰.Visual Basic范例開發(fā)大全［M］.北京:清華大學出版社，2010:6-8.

［9］ 明日科技.Visual Basic從入門到精通［M］.北京:清華大學出版社，2012:1-10.

于啟保(1986- )，男，漢族，江蘇宿遷人，東華大學碩士研究生，主要研究方向為數(shù)控機床技術(shù)、數(shù)字圖像處理與識別，yqb_email@126.com;

戴惠良(1963- )，男，漢族，東華大學機械學院副教授，碩士生導師，主要研究方向為計算機集成制造技術(shù)(CIMS)，CAD/CAM、現(xiàn)代紡織數(shù)字化制造裝備，daihl@dhu.edu.cn。

Research on Yarn Selection System of NC Carpet Sampling Machine

YU Qibao，DAI Huiliang*，YANG Yanzhu，XU Xinjun
(College of Mechanical Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China)

In order to adapt to the quick，intelligent production demand，this paper presents a new kind of yarn selection system for NC(Numerical Control)carpet sampling machine based on traditional structure.PC system software is developed based on Visual Basic 6.0 to read and convert carpet pattern data.The lower-computer control yarn selection system motion by using GALIL motion control card，proximity switches，solenoid valve and other components.The results prove that this system can automatically select the yarn and check those missing yarn.This system works accurately and efficiently to meet production requirements，improving the sample quality and production rate.

NC carpet sampling machine;yarn selection system;Visual Basic 6.0;GALIL motion control card; proximity switches

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.034

TP271.4

A

1005－9490(2014)02－0328－04

2013-06-12修改日期:2013-07-13

EEACC:7200;1265F