許少寧，汝 欣

(1.浙江省機(jī)械工業(yè)情報(bào)研究所，杭州 310009；2.浙江省機(jī)械工程學(xué)會(huì)，杭州 310009;3.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州 310018)

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無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許少寧1，2，汝 欣3

(1.浙江省機(jī)械工業(yè)情報(bào)研究所，杭州 310009；2.浙江省機(jī)械工程學(xué)會(huì)，杭州 310009;3.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州 310018)

無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)作為一種典型的圓型緯編針織機(jī)械設(shè)備，專門用于生產(chǎn)無(wú)縫針織服裝。目前高檔無(wú)縫針織設(shè)備主要依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)起步較晚，電腦控制系統(tǒng)在功能、可靠性及穩(wěn)定性等方面有待提升。通過(guò)對(duì)無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)、編織工藝及控制需求進(jìn)行分析，提出無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)控制系統(tǒng)人機(jī)交互層、實(shí)時(shí)控制層和驅(qū)動(dòng)層的三層結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案，闡述了控制系統(tǒng)硬件、軟件的設(shè)計(jì)思路。實(shí)時(shí)控制層通過(guò)FPGA芯片內(nèi)部邏輯電路搭建雙口RAM的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互層與實(shí)時(shí)控制層的數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)整體功能的測(cè)試分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性。測(cè)試結(jié)果表明，控制系統(tǒng)整體運(yùn)行可靠、實(shí)時(shí)性好。

無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)；控制系統(tǒng)；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)

無(wú)縫針織技術(shù)是采用專用無(wú)縫設(shè)備生產(chǎn)一次成形衣物的技術(shù)。它可根據(jù)服裝造型的需求設(shè)計(jì)織造過(guò)程與進(jìn)度，以連貫的過(guò)程織出服裝所有部位的立體效果，從而得到一件完整的衣服。

無(wú)縫針織的概念源于20世紀(jì)80年代，生產(chǎn)設(shè)備改造自襪機(jī)，之后逐步向內(nèi)衣及其他種類服裝延伸。無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)采用無(wú)縫針織技術(shù)，該技術(shù)生產(chǎn)的織物僅需簡(jiǎn)單的裁剪縫合便能制成成衣，可避免大量的裁剪、縫合工序，能有效節(jié)約生產(chǎn)時(shí)間、降低生產(chǎn)成本。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，無(wú)縫針織設(shè)備歷經(jīng)了半自動(dòng)、全自動(dòng)到如今的智能控制的變革[1-2]。國(guó)外著名的無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)生產(chǎn)廠商有意大利Santoni、Sangiacomo等公司，其產(chǎn)品采用全成形編織技術(shù)、單面扎口技術(shù)、高速選針技術(shù)、張力控制技術(shù)等高新技術(shù)[3-4]，產(chǎn)品在紗線適性、整機(jī)功能等方面有很大優(yōu)勢(shì)[5]。國(guó)內(nèi)無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)廠商也不斷推陳出新，如高騰機(jī)電自主開發(fā)了GD-NJ08無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)，浙江日發(fā)紡機(jī)開發(fā)了RFSM10無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)等。

雖然近年來(lái)國(guó)內(nèi)無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，但由于國(guó)內(nèi)無(wú)縫針織技術(shù)起步較晚，在各方面仍與國(guó)外無(wú)縫針織設(shè)備存在一定差距，特別是作為無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)運(yùn)行的核心——電腦控制系統(tǒng)，不僅在功能上有所欠缺，可靠性及穩(wěn)定性等方面也有待提升[6]。因此，研發(fā)高效、穩(wěn)定、智能化的無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)控制系統(tǒng)，提升我國(guó)針織工業(yè)實(shí)力，打破國(guó)外無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)的技術(shù)壟斷是當(dāng)務(wù)之急。

1 無(wú)縫內(nèi)衣編織機(jī)構(gòu)及編織工藝分析

一套完整無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)設(shè)備由機(jī)械設(shè)備、控制系統(tǒng)、制版軟件三部分構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)制版系統(tǒng)生成的花型文件控制機(jī)械設(shè)備各部件動(dòng)作，從而完成編織過(guò)程。電腦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，依賴于無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和編織工藝分析。通過(guò)分析，可以確定無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)控制系統(tǒng)控制需求，并據(jù)此設(shè)計(jì)總體方案。

電腦無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)使用電子選針器作為選針裝置，通過(guò)選針器刀片的打上/打下實(shí)現(xiàn)選針功能。當(dāng)選針器刀片打上時(shí)，對(duì)應(yīng)位置的針被壓入針槽，不能沿三角軌道上升，無(wú)法達(dá)到編織高度。當(dāng)選針器刀片打下時(shí)對(duì)應(yīng)位置的針與刀片不接觸，選中的針可沿著三角軌道上升，達(dá)到編織高度，進(jìn)行編織。如圖1所示。

圖1 電子選針

圖2為無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)三角裝置展開簡(jiǎn)化后的三角系統(tǒng)圖，其黑色標(biāo)示的三角為可動(dòng)三角，由電磁閥或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

1、2.選針器，3、4選針片三角，5、6中間片三角，7-15舌針三角圖2 無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)三角展開

圖2中1、2為選針器，3、4為選針片三角，當(dāng)選針片被選中時(shí)則沿著固定三角3、4運(yùn)動(dòng)。選針三角3比4略低，當(dāng)選針片運(yùn)動(dòng)到3時(shí)為集圈高度，運(yùn)動(dòng)到4為退圈高度。5、6為中間片三角，其中6為壓針中間片三角，5為頂針中間片三角。當(dāng)三角5參與工作時(shí)，中間片沿其軌道上升，將之前已經(jīng)運(yùn)動(dòng)到集圈高度的舌針繼續(xù)頂高到退圈高度。7～15為舌針三角，在選針片不被選中的情況下，它們?yōu)樯噌樳\(yùn)行提供軌道，從而完成相應(yīng)編織。7為集圈舌針三角；8為退圈舌針三角；10～12為收針舌針三角；14、15為成圈三角也叫密度三角，舌針在14與15三角形成的軌道中下降成圈[7]。

2 無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

對(duì)無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)械機(jī)構(gòu)及編織工藝分析可知，無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)的控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)選針器、步進(jìn)電機(jī)(密度調(diào)節(jié)以及風(fēng)向轉(zhuǎn)換電機(jī))、電磁閥(包括三角氣閥以及剪刀氣閥的控制)、伺服電機(jī)(針筒以及哈夫針盤的驅(qū)動(dòng))、送紗裝置、各類傳感器等裝置的控制。

無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)控制系統(tǒng)總體方案如圖3所示。系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，將整個(gè)控制系統(tǒng)分為人機(jī)交互層、實(shí)時(shí)控制層以及驅(qū)動(dòng)層三層。人機(jī)交互層與實(shí)時(shí)控制層之間通過(guò)FPGA數(shù)字邏輯處理單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，實(shí)時(shí)控制層使用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)控制驅(qū)動(dòng)層各個(gè)單元[8]。

圖3 無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)控制系統(tǒng)總體方案

2.1 人機(jī)交互層

人機(jī)交互層主要提供一個(gè)圖形化交互平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)用戶與設(shè)備間的信息交換。系統(tǒng)的輸入設(shè)備為鍵盤、觸摸屏，用戶通過(guò)輸入設(shè)備操作控制系統(tǒng)。輸出設(shè)備為顯示屏，對(duì)設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)等實(shí)時(shí)顯示，對(duì)用戶的操作進(jìn)行反饋。除最基本的交互功能外，鑒于嵌入式控制系統(tǒng)資源有限，人機(jī)交互層需具備存儲(chǔ)功能，能對(duì)花型文件、系統(tǒng)參數(shù)、編織參數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，節(jié)約實(shí)時(shí)控制層的系統(tǒng)資源。人機(jī)交互層還需與實(shí)時(shí)控制層進(jìn)行交互，這就需要與實(shí)時(shí)控制層之間的數(shù)據(jù)交互功能。此外，為滿足設(shè)備聯(lián)網(wǎng)需求，需預(yù)留以太網(wǎng)或其他網(wǎng)絡(luò)接口。

依據(jù)以上功能需求分析，人機(jī)交互層硬件采用核心板結(jié)構(gòu)，將處理器、存儲(chǔ)器及引腳整合在一塊板上，通過(guò)引腳與底板連接。該結(jié)構(gòu)具備一定的通用性、可互換性，便于系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)。人機(jī)交互層軟件采用基于定制Windows CE 6.0操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序，配備8.0寸液晶顯示及電阻觸摸屏，操作便捷。采用FPGA數(shù)字邏輯處理單元與實(shí)時(shí)控制層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2.2 實(shí)時(shí)控制層

實(shí)時(shí)控制層是整個(gè)無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)控制系統(tǒng)的核心模塊，該模塊不僅需要對(duì)人機(jī)交互層發(fā)送的花型文件、控制指令進(jìn)行解析，還需與人機(jī)交換層、驅(qū)動(dòng)層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。實(shí)時(shí)控制層最核心的功能是對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行控制，包括針筒伺服電機(jī)、密度電機(jī)、氣閥等，還需對(duì)運(yùn)行過(guò)程中由傳感器采集來(lái)的報(bào)警信息、開關(guān)的輸入信息、人機(jī)交互層的操作信息等進(jìn)行處理。

實(shí)時(shí)控制層承擔(dān)著大量的運(yùn)算及控制任務(wù)，因此配備FPGA、ARM實(shí)時(shí)控制層的雙核心架構(gòu)。以ARM為核心的主控制單元來(lái)完成運(yùn)算及其他部分的控制，以FPGA為核心的數(shù)字邏輯處理單元主要作為與人機(jī)交互層的通訊媒介及承擔(dān)部分的控制任務(wù)，通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)驅(qū)動(dòng)層發(fā)送控制指令。

2.3 驅(qū)動(dòng)層

驅(qū)動(dòng)層包括了選針器控制驅(qū)動(dòng)單元、電磁閥控制驅(qū)動(dòng)單元、密度電機(jī)調(diào)密驅(qū)動(dòng)單元等。實(shí)時(shí)控制層通過(guò)工業(yè)總線對(duì)選針器、三角氣閥、剪刀氣閥等執(zhí)行器件發(fā)送控制指令，驅(qū)動(dòng)層將執(zhí)行狀況反饋至實(shí)時(shí)控制層。

現(xiàn)階段常用的總線方案有CAN總線、RS485總線、工業(yè)以太網(wǎng)總線等。鑒于選針器、電磁閥在內(nèi)衣機(jī)工作過(guò)程中對(duì)控制頻率的要求較高、控制功能較為單一，選用RS485總線與實(shí)時(shí)控制層通訊。而密度電機(jī)使用頻率較低，控制功能比較復(fù)雜，因此選用CAN總線與實(shí)時(shí)控制層進(jìn)行通訊。

3 無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 人機(jī)交互層硬件設(shè)計(jì)

人機(jī)交互層的硬件設(shè)計(jì)仍然采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，整個(gè)硬件電路由核心板(包括CPU、存儲(chǔ)器及引腳整合)、外圍電路(通訊接口等)和輸入輸出(液晶屏、液晶電源、液晶背光、觸摸屏)三大模塊構(gòu)成。硬件部分整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 人機(jī)交互層硬件設(shè)計(jì)方案

3.2 實(shí)時(shí)控制層硬件設(shè)計(jì)

采用雙核心結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)控制層硬件框圖如圖5所示。以FPGA為核心的部分除負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)控制層與人機(jī)交互層之間的通訊外，還處理傳感器、輸入信號(hào)并通知以ARM為核心的控制單元。ARM芯片負(fù)責(zé)花型解析，同時(shí)實(shí)現(xiàn)一路伺服電機(jī)的控制、多路傳感器信號(hào)的處理、按鈕和指示燈的處理以及對(duì)驅(qū)動(dòng)層的控制等任務(wù)。

圖5 實(shí)時(shí)控制層硬件設(shè)計(jì)方案

核心ARM芯片選擇意法半導(dǎo)體公司的STM32F407ZET6，具備ARM公司設(shè)計(jì)的Cortex-M4核心，內(nèi)建浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)以提供中低階DSP應(yīng)用所需，且芯片運(yùn)行頻率能夠達(dá)到168MHz，可以滿足花型文件的運(yùn)算以及大量需要極高實(shí)時(shí)性任務(wù)的需求。

FPGA主要作為人機(jī)交互層與實(shí)時(shí)控制層的通訊媒介，其控制功能僅是對(duì)輸入的傳感器信號(hào)進(jìn)行判斷并將其發(fā)送至STM32F407芯片，而考慮到系統(tǒng)整體成本等問題，選用Altera公司的最小規(guī)模FPGA芯片EP4CE6。

4 無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)控制系統(tǒng)軟件開發(fā)

4.1 人機(jī)交互應(yīng)用程序開發(fā)

人機(jī)交互層應(yīng)用程序主要需實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、測(cè)試、設(shè)置、交互四大功能，如圖6。

圖6 人機(jī)交互層應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)

監(jiān)控功能包括設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、報(bào)警信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控。設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)包括針筒轉(zhuǎn)速、當(dāng)前針位、當(dāng)前編織花型等。報(bào)警信息包括斷紗、漏針、撞針報(bào)警等。

測(cè)試功能包括電機(jī)、選針器、電磁閥、其他I/O測(cè)試。測(cè)試功能一般在新機(jī)裝機(jī)完成、執(zhí)行部件進(jìn)行更換等需要對(duì)執(zhí)行部件進(jìn)行測(cè)試的情況下使用。

設(shè)置功能分為設(shè)備編織參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置兩部分。編織參數(shù)包含設(shè)備編織過(guò)程中需要明確的所有參數(shù)，包括運(yùn)行速度、點(diǎn)動(dòng)速度、選針器起始角度等。系統(tǒng)參數(shù)是電腦控制系統(tǒng)的參數(shù)，包括系統(tǒng)時(shí)間、用戶密碼等。

交互功能包括與操作者的交互功能及與實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的交互功能。系統(tǒng)通過(guò)液晶顯示、觸摸屏、USB接口等輸入輸出設(shè)備實(shí)現(xiàn)與用戶交互，通過(guò)FPGA的RAM作為共享內(nèi)存與實(shí)時(shí)控制層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，包括花型文件及控制、報(bào)警等指令的傳輸。

系統(tǒng)中的監(jiān)控、設(shè)置與測(cè)試三個(gè)功能在無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)同時(shí)使用，是互斥的關(guān)系。而交互功能與其他三個(gè)功能息息相關(guān)，在監(jiān)控、設(shè)置與測(cè)試的各自運(yùn)行中都存在交互過(guò)程。交互過(guò)程中，由用戶操作而人機(jī)交互層發(fā)送指令、數(shù)據(jù)，為主動(dòng)方式，可在各界面中等待用戶操作后發(fā)送指令、數(shù)據(jù)。人機(jī)交互層接收數(shù)據(jù)為被動(dòng)方式，需監(jiān)聽實(shí)時(shí)控制層發(fā)送到人機(jī)交互層的數(shù)據(jù)和指令，因此需在人機(jī)交互層單獨(dú)建立一個(gè)實(shí)時(shí)層數(shù)據(jù)接收線程。

綜上，人機(jī)交互應(yīng)用程序至少需建立人機(jī)界面、實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)接收兩個(gè)線程。人機(jī)界面線程負(fù)責(zé)各界面的顯示以及控制數(shù)據(jù)、參數(shù)、花型文件等數(shù)據(jù)的發(fā)送，并對(duì)接收線程中接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示等處理。實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)接收線程通過(guò)不停掃描實(shí)時(shí)控制層交互協(xié)議中的接收仲裁位判斷是否有數(shù)據(jù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議解析等處理并發(fā)送消息至人機(jī)界面線程進(jìn)行顯示。

4.2 實(shí)時(shí)控制層控制程序開發(fā)

鑒于無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)高實(shí)時(shí)性、高精度的控制要求，實(shí)時(shí)控制層程序不使用操作系統(tǒng)，采用基本的前后臺(tái)系統(tǒng)：即后臺(tái)程序?yàn)閃hile(1)死循環(huán)函數(shù)，函數(shù)中順序執(zhí)行各個(gè)任務(wù)；前臺(tái)程序?yàn)楦黝愔袛嗪瘮?shù)。圖7為實(shí)時(shí)控制后臺(tái)程序流程圖，程序通過(guò)伺服電機(jī)編碼器采集的數(shù)據(jù)計(jì)算出內(nèi)衣機(jī)當(dāng)前針位，將花型文件中當(dāng)前針位的各個(gè)部件的動(dòng)作轉(zhuǎn)換為各驅(qū)動(dòng)單元的控制數(shù)據(jù)，通過(guò)總線中斷形式發(fā)送至各驅(qū)動(dòng)單元，同時(shí)將編碼器、當(dāng)前針位、針筒轉(zhuǎn)速等信息發(fā)送至人機(jī)交互層顯示。

圖7 主控后臺(tái)程序流程

前臺(tái)系統(tǒng)包括各類傳感器中斷、總線發(fā)送接收中斷、定時(shí)器中斷等中斷函數(shù)。中斷函數(shù)處理實(shí)時(shí)性較高的事件。如斷紗傳感器中斷，當(dāng)紗線斷開時(shí)，斷紗傳感器發(fā)送信號(hào)到實(shí)時(shí)控制層，實(shí)時(shí)控制層接收到信息并中產(chǎn)生中斷，立即停止無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)的運(yùn)行并產(chǎn)生報(bào)警，同時(shí)將斷紗信息發(fā)送至人機(jī)交互層顯示。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)、編織工藝的研究，提出無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)電腦控制系統(tǒng)的控制需求。根據(jù)此控制需求，設(shè)計(jì)了一種無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)采用人機(jī)交互層、實(shí)時(shí)控制層和驅(qū)動(dòng)層的三層模塊化設(shè)計(jì)。通過(guò)FPGA搭建形成RAM功能作為共享內(nèi)存，形成雙口RAM架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互層和實(shí)時(shí)控制層數(shù)據(jù)快速穩(wěn)定交互。本文硬件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，使得系統(tǒng)可根據(jù)客戶不同內(nèi)衣機(jī)的機(jī)械控制需求，對(duì)各驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行定制，縮短了開發(fā)周期。同時(shí)，該設(shè)計(jì)方式也提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、便于后期維護(hù)。經(jīng)測(cè)試，本文設(shè)計(jì)的無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)控制系統(tǒng)可以滿足無(wú)縫內(nèi)衣機(jī)的生產(chǎn)需求，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，效率高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。此外，該系統(tǒng)留有網(wǎng)絡(luò)接口，可根據(jù)客戶需求進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)機(jī)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，符合行業(yè)發(fā)展需求。

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(責(zé)任編輯：陳和榜)

Control System Design of Seamless Underwear Machine

XUShaoning1,2,RUXin3

(1.Zhejiang Information Institute of Machinery Industry, Hangzhou 310009; 2.Zhejiang Mechanical Engineering Society, Hangzhou 310009; 3.Faculty of Mechanical Engineering & Automation, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018)

As a typical circular weft knitting machine, seamless underwear machine was designed to produce seamless knitwear. Currently, high-grade seamless knitting equipment is mainly imported. Domestic research of seamless knitting technology started late. The computer control system remains improving in terms of function and reliability. Through the analysis of mechanical structure, knitting technology and control requirements of seamless underwear machine, this paper puts forward a design scheme for three-layer structure of seamless underwear machine, i.e. human-computer interaction layer, real-time control layer and driving layer. Besides, the design thought of hardware and software of control system is described. The real-time control layer achieves data transmission between the human-computer interaction layer and the real-time control layer through dual-port RAM circuit which is built by internal logic circuit of FPGA chip. The test and analysis of overall functions of control system verify the feasibility of this deisgn scheme. The test result indicates that the overall control system is reliable and real-time.

seamless underwear machine; control system; hardware design; software design

2016-06-14

許少寧(1957-)，男，杭州人，本科，高極工程師，主要從事智能制造、數(shù)控技術(shù)及信息方面的研究。

TS183.92

B

1009-265X(2016)06-0051-05