摘 要：在分析毛巾織造工藝的基礎(chǔ)上，提出了一套以ARM技術(shù)為核心的新型毛巾劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。對(duì)控制系統(tǒng)的硬件組成與軟件設(shè)計(jì)作了詳細(xì)的論述。并對(duì)控制系統(tǒng)軟件的具體開發(fā)流程與設(shè)計(jì)完成的控制系統(tǒng)所具有的特色作了說明。

關(guān)鍵詞：毛巾劍桿織機(jī)；Cortex-M3；嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

引言

劍桿毛巾織機(jī)以其靈活多變、適應(yīng)性廣、技術(shù)發(fā)展成熟而深受毛巾生產(chǎn)企業(yè)的青睞。當(dāng)前劍桿毛巾織機(jī)逐步替代了老舊的有梭織機(jī)，成為了毛巾織造行業(yè)的主流設(shè)備。近年來，國產(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，但是遍布江浙地區(qū)的中小型劍桿毛巾織機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的自主研發(fā)能力普遍還很弱，現(xiàn)有的劍桿毛巾織機(jī)產(chǎn)品大多數(shù)是在測(cè)繪國外中低檔產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，高性能與新機(jī)型的研發(fā)能力以及自動(dòng)控制系統(tǒng)的研發(fā)能力普遍不足，而市場(chǎng)競爭越來越激烈，需要不斷更新和開發(fā)產(chǎn)品。因此，在完成機(jī)械部件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能控制系統(tǒng)，逐漸成為國內(nèi)中小型劍桿毛巾織機(jī)生產(chǎn)廠家關(guān)注的重點(diǎn)。

文章以劍桿毛巾織機(jī)樣機(jī)（如圖1所示）為控制對(duì)象，在分析毛巾織造工藝的基礎(chǔ)上，提出了一套以ARM技術(shù)為核心的新型毛巾劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并制作樣機(jī)。文章的研究成果將在合作單位首先試用并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣，有利于推動(dòng)紹興以及浙江地區(qū)中小型劍桿毛巾織機(jī)生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品的升級(jí)換代，提高其市場(chǎng)競爭力。

圖1 劍桿毛巾織機(jī)樣機(jī)

1 硬件設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)的毛巾劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)以ARM技術(shù)為核心，采用的主控芯片為LPC1766。硬件電路設(shè)計(jì)過程為：首先，根據(jù)控制系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，完成電路原理圖設(shè)計(jì)，并計(jì)算相關(guān)電路參數(shù)，采購電路元器件。其次，對(duì)關(guān)鍵電路模塊進(jìn)行功能仿真或制作實(shí)物電路論證電路設(shè)計(jì)的合理性與可靠性。最后，繪制電路PCB板圖，重點(diǎn)考慮電路布局與電路板抗干擾性能。在拿到PCB樣板后，焊接控制系統(tǒng)電路板。其核心電路如下所述：

1.1 主控制板硬件電路設(shè)計(jì)

主控制板硬件電路設(shè)計(jì)包括：LPC1766芯片供電模塊、電源電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘電路、USB輸入輸出接口、19264液晶顯示屏控制電路、掉電復(fù)位保護(hù)電路、劍桿毛巾織機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)量輸入模塊、起毛伺服控制器接口、鍵盤接口電路以及電子多臂龍頭控制板、伺服電機(jī)連接控制板與8色選緯控制板的接口等電路模塊的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與制作調(diào)試工作。其中液晶顯示電路如圖2所示。

1.2 卷取伺服電機(jī)連接控制板設(shè)計(jì)

卷取伺服電機(jī)連接控制板主要解決主控制板與卷取系統(tǒng)的伺服電機(jī)控制器之間的通信問題，具有獨(dú)立的控制芯片STCF1104。該連接控制板與主控制板之間的通信采用RS232實(shí)現(xiàn)。卷取伺服電機(jī)連接控制板與伺服控制器之間需要實(shí)現(xiàn)伺服使能信號(hào)、伺服硬件異常報(bào)警信號(hào)、伺服系統(tǒng)定位完成、伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與脈沖數(shù)等信息的讀取與設(shè)置。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

劍桿毛巾織機(jī)控制系統(tǒng)的軟件將以實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)μC/OS-II與FAT32文件管理系統(tǒng)為平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。其設(shè)計(jì)流程如下：

（1）在控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)：首先，進(jìn)性詳細(xì)的市場(chǎng)調(diào)研，分析市場(chǎng)上主流的劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)（包括平布與毛巾織機(jī)）的功能特點(diǎn)，借鑒其好的設(shè)計(jì)思想，使其為我所用，并設(shè)法改進(jìn)其不足之處，確保設(shè)計(jì)的劍桿毛巾織機(jī)控制系統(tǒng)符合當(dāng)前的技術(shù)潮流，并具有自己的特色。其次，與合作單位的機(jī)械部件設(shè)計(jì)人員進(jìn)行充分的交流，在深刻領(lǐng)會(huì)其整機(jī)設(shè)計(jì)思想、織機(jī)控制要求與控制系統(tǒng)制造成本要求后撰寫劍桿毛巾織機(jī)控制系統(tǒng)用戶需求分析報(bào)告與總體方案設(shè)計(jì)報(bào)告，并提交合作單位審核通過。確保項(xiàng)目研究成果能在合作單位使用推廣，并被市場(chǎng)接受。

（2）控制系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)：首先，詳細(xì)分析毛巾織造工藝流程，理清劍桿毛巾織機(jī)控制信息點(diǎn)、研究織機(jī)動(dòng)作時(shí)序，確立控制時(shí)間節(jié)點(diǎn)與控制信息間的邏輯關(guān)系。其次，根據(jù)用戶需求分析報(bào)告，對(duì)總體方案進(jìn)行細(xì)化，提出各個(gè)控制模塊與相關(guān)控制算法的具體實(shí)現(xiàn)方案，并完成關(guān)鍵芯片與外購部件的選型工作。

（3）控制系統(tǒng)軟件編寫：首先，選擇合適的軟件開發(fā)工具，建立嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，并完成嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II與FAT32文件系統(tǒng)在LPC1766芯片上的移植工作。其次，理清控制系統(tǒng)所有控制信息之間的邏輯關(guān)系，編寫控制系統(tǒng)軟件流程圖與狀態(tài)向量圖。再次，對(duì)控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行模塊劃分，編寫各個(gè)子函數(shù)的輸入輸出接口，并設(shè)計(jì)控制信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型與控制算法。最后，項(xiàng)目組軟件編寫人員通過分工合作完成軟件代碼編寫與調(diào)試。

（4）劍桿毛巾織機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)試：在完成控制系統(tǒng)硬件電路制作與控制軟件設(shè)計(jì)后進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件聯(lián)合調(diào)試，驗(yàn)證各項(xiàng)控制功能是否完備、織機(jī)動(dòng)作流程控制是否合理、各個(gè)控制模塊工作是否穩(wěn)定。通過軟硬件聯(lián)合調(diào)試，發(fā)現(xiàn)并修正控制方案、硬件電路、控制系統(tǒng)參數(shù)、軟件設(shè)計(jì)中的缺陷與錯(cuò)誤。

（5）劍桿毛巾織機(jī)整機(jī)調(diào)試：在完成控制系統(tǒng)軟硬件調(diào)試后，將劍桿毛巾織機(jī)控制系統(tǒng)安裝到合作單位提供的樣機(jī)上進(jìn)行整機(jī)調(diào)試，驗(yàn)證劍桿毛巾織機(jī)的整機(jī)功能是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、能否正確合理完成毛巾布料制造全部工藝流程與安全性要求。通過整機(jī)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)并修正控制方案、硬件電路、控制系統(tǒng)參數(shù)、軟件設(shè)計(jì)中的缺陷與錯(cuò)誤，使得設(shè)計(jì)開發(fā)的控制系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

控制系統(tǒng)軟件具體的開發(fā)流程如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)開發(fā)流程圖

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)完成的毛巾劍桿織機(jī)控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）設(shè)計(jì)了電子送經(jīng)、伺服卷取功能模塊。由變頻器、交流電機(jī)與接近式張力傳感器組成的電子送經(jīng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了毛巾織造過程中相對(duì)穩(wěn)定的經(jīng)紗張力控制，簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，又具有成本優(yōu)勢(shì)。伺服卷取機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了變緯密織造、毛巾須長停車自走、定位停車后自動(dòng)補(bǔ)償消除停車擋等功能，并簡化了機(jī)械零部件設(shè)計(jì)，如取消緯密齒等。（2）在不增加硬件設(shè)備情況下，設(shè)計(jì)了軟件自動(dòng)尋緯算法，能提高布面拼擋效果，而且將減輕擋車工的勞動(dòng)強(qiáng)度與操作技能要求。（3）在起毛高度控制中，采用伺服電機(jī)控制起毛凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)了毛巾織物起毛高度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)任意變化，能夠?qū)崿F(xiàn)波浪型花紋編織。（4）劍桿毛巾織機(jī)控制系統(tǒng)軟件基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II構(gòu)建，改變了傳統(tǒng)織機(jī)控制系統(tǒng)軟件普遍采用的前后臺(tái)模式，提高了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，也有利于提高劍桿毛巾織造工藝。

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作者簡介：金永敏，工學(xué)碩士，講師，工作單位：浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院。