戴 寧， 彭來湖， 胡旭東， 呂明來， 未 印

(1. 浙江理工大學(xué) 現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)教育部工程研究中心, 杭州 浙江 310018；2. 杭州旭仁紡織機(jī)械有限公司， 杭州 浙江 310018)

Keywordscirclular weft knitting machine; active dynamical yarn feed control technology; position following; speed following

圓緯機(jī)一般由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)紗機(jī)構(gòu)、成圈機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)以及輔助牽拉機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)組成[1-2]。各機(jī)構(gòu)在針筒的運(yùn)轉(zhuǎn)下,協(xié)同工作,編織成不同組織,不同密度的織物[3]。

目前市場上的圓緯機(jī)采用的都是機(jī)械式的齒輪與皮帶連接，編織過程中，紗線的松緊及成圈大小等均不能調(diào)整，這不利于滿足市場對布料多樣化的需求[4]，且傳統(tǒng)的機(jī)械式送紗機(jī)構(gòu)安裝復(fù)雜，維護(hù)困難，輸紗速度在機(jī)械結(jié)構(gòu)不變的情況下與針筒轉(zhuǎn)速的比值是一個(gè)定值，要改變其比值需要重新改變機(jī)械結(jié)構(gòu)[5]。紗線輸送速度的穩(wěn)定性對織物的質(zhì)量起到了一定作用，當(dāng)紗線輸送速度不均勻時(shí)，織物布面將出現(xiàn)橫紋，破布等情況[6]。圓緯機(jī)主動(dòng)式動(dòng)態(tài)送紗控制技術(shù)融合了嵌入式技術(shù)，伺服電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)，正交編碼采集技術(shù)等，具有實(shí)時(shí)性好，可擴(kuò)展能力強(qiáng)，跟隨效果顯著等特點(diǎn)。面料上不同成圈大小的紗線之間過渡流暢。

本文采用伺服電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)，位置跟隨算法，速度跟隨算法，提出一種圓緯機(jī)主動(dòng)式動(dòng)態(tài)送紗控制技術(shù)以期實(shí)現(xiàn)圓緯機(jī)成圈大小可變，紗線松緊現(xiàn)場可調(diào)，筒型織物直徑大小可變等功能。

1 總體設(shè)計(jì)概述

圓緯機(jī)編織原理是通過針筒轉(zhuǎn)動(dòng)使三角作用于織針針踵，并且織針在針筒針槽內(nèi)作有規(guī)律的上下運(yùn)動(dòng)，織針的每次運(yùn)動(dòng)都鉤入新的紗線，在布面上形成一個(gè)線圈，從而完成針織物的編織[7]。采用主動(dòng)式動(dòng)態(tài)送紗控制技術(shù)的圓緯機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 采用主動(dòng)式動(dòng)態(tài)送紗控制技術(shù)的圓緯機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Diagram of machine structure of circular weft knitting machine adopting active dynamical yarn feeding control technology

由圖1可知，編碼器通過傳動(dòng)齒輪采集針筒的位置及速度信息。伺服電機(jī)通過帶動(dòng)皮帶來控制儲(chǔ)紗器，進(jìn)而控制喂入針織里的紗線量。

圖2示出主動(dòng)式動(dòng)態(tài)送紗控制技術(shù)總體結(jié)構(gòu)圖。該裝置是針對在送紗過程中，編碼器信號采集模塊將針筒位置及轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變?yōu)檎痪幋a信號并交由ARM(advanced RISC machine)處理器，ARM處理器根據(jù)正交編碼信號及人機(jī)交互界面?zhèn)鱽淼漠?dāng)前圈脈沖調(diào)節(jié)系數(shù)，并結(jié)合位置及速度跟隨算法進(jìn)行分析技術(shù)，從而控制伺服電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速來調(diào)整送紗量及送紗速度。

圖2 主動(dòng)式動(dòng)態(tài)送紗控制技術(shù)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Overall structural diagram at adopting active dynamical yarn feeding control technology

傳統(tǒng)圓緯機(jī)的編織物直徑大小一般固定不變，如圖3所示，d1=d2(其中d1為織物頭部直徑大小,d2為織物尾部直徑大小),而采用主動(dòng)式動(dòng)態(tài)送紗控制技術(shù)的圓緯機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)織物直徑可控，編織物如圖4所示,d3

圖3 傳統(tǒng)圓緯機(jī)編織的織物Fig.3 Fabric by conventional circular weft knitting machine

圖4 采用主動(dòng)式動(dòng)態(tài)送紗控制技術(shù)圓緯機(jī)編織的織物Fig.4 Fabric by circular weft knitting machine with adopting avtive dynamical yarn feeding control technology

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 編碼器信號采集電路設(shè)計(jì)

編碼器信號采集模塊傳遞給ARM處理器的正交編碼信號的完整性是主動(dòng)式動(dòng)態(tài)送紗控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的前提，為了保證編碼器輸出的信號不被干擾，本文采用差分編碼器。圖5示出編碼器差分信號。當(dāng)編碼器隨針筒運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生A、B兩相正交編碼信號，圖中A+與A-為編碼器A相差分信號，B+與B-為編碼器B相差分信號。A+與A-、B+與B-之間有一個(gè)正電壓差，兩相信號頻率相等，相位上相差90°。

圖5 編碼器差分信號Fig.5 Differential signal of encoder

編碼器信號采集模塊輸出的差分信號不能直接輸入到ARM處理器中，需要采用光耦來實(shí)現(xiàn)ARM處理器與編碼器信號采集模塊之間的電平轉(zhuǎn)換及隔離，結(jié)合A+與A-、B+與B-的波形特點(diǎn)，編碼器信號采集電路如圖6所示。圖中O1、O2為光耦，R1、R3為限流電阻，R2、R4為上拉電阻，C1～C4為濾波電容。光耦前后端正交編碼信號如圖7所示，經(jīng)光耦轉(zhuǎn)換后的編碼器信號被ARM處理器采集并計(jì)算處理。

圖6 編碼器信號采集電路Fig.6 Encoder circuit of signal acquisition

圖7 光耦前后端正交編碼信號Fig.7 Quadrature coded signal of front and rear photocoupler

A、B的信號是否完整取決于光耦的特性[8]。編碼器轉(zhuǎn)速越高，對光耦的特性要求也越高。本文對編碼器信號采集模塊輸出的差分信號的最大頻率進(jìn)行計(jì)算。在生產(chǎn)過程中，圓緯機(jī)針筒轉(zhuǎn)速ω1一般不超過500 r/min[9-10]，針筒與編碼器通過齒輪連接，本文設(shè)置其減速比n1為0.1,即針筒旋轉(zhuǎn)1圈，編碼器旋轉(zhuǎn)10圈，則編碼器轉(zhuǎn)速ω2的計(jì)算公式為

式中：ω1為圓緯機(jī)針筒轉(zhuǎn)速,r/min；n1為針筒對編碼器的減速比。

經(jīng)過計(jì)算編碼器轉(zhuǎn)速ω2最高轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，本文采用的編碼器的分辨率k1代表編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)1圈發(fā)出k1個(gè)脈沖，其值取2 500，則編碼器輸出頻率f1的計(jì)算公式如下：

經(jīng)過計(jì)算，可得編碼器輸出的最高頻率約為208.5 KHz,由TLP113的數(shù)據(jù)手冊可知，此光耦的轉(zhuǎn)換速度能達(dá)到10 MHz,故可滿足工藝要求。光耦前后端的電容起到了電磁濾波的作用，一般電容值1 000 pF的電容能濾除大部分的雜波。光耦前端的電路起到了限流的作用，根據(jù)TLP113的數(shù)據(jù)手冊，光耦前端的電阻取值1 000 Ω能滿足光耦前端的電流要求。光耦后端的電阻起到了上拉作用，使A、B相的初始高電平為3.3 V,與ARM處理器的IO口電平進(jìn)行匹配[11]。

2.2 伺服電動(dòng)機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

ARM處理器根據(jù)編碼器信號采集電路傳來的正交編碼信號，計(jì)算出針筒位置及轉(zhuǎn)速信息，進(jìn)而根據(jù)人機(jī)交互界面?zhèn)鱽淼漠?dāng)前圈脈沖調(diào)節(jié)系數(shù)來輸出一定數(shù)目及頻率的矩形波。伺服電動(dòng)機(jī)控制的結(jié)構(gòu)如圖8所示。POUT代表輸入伺服控制器的脈沖控制信號。

圖8 伺服電動(dòng)機(jī)控制結(jié)構(gòu)簡圖Fig.8 Diagram of servo motor control

伺服電動(dòng)機(jī)的控制精度可通過伺服控制器來設(shè)定，本文對伺服控制器線數(shù)設(shè)定為5 000，即當(dāng)伺服控制器接收到5 000個(gè)POUT脈沖時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)1圈。

為了簡化伺服電動(dòng)機(jī)模塊的電路設(shè)計(jì)，本文將ARM處理器輸出的矩形波只經(jīng)過光耦隔離后,輸入到伺服電機(jī)控制器中，進(jìn)而控制伺服電動(dòng)機(jī)的位置及轉(zhuǎn)速。

圖9示出伺服電動(dòng)機(jī)脈沖控制電路圖。圖中R5為限流電阻，R6為上拉電阻，C5為濾波電容，O3為光耦。PIN代表光耦前端脈沖控制信號。

圖9 伺服電動(dòng)機(jī)脈沖控制電路圖Fig.9 Circuit diagram of impulse control of servo motor

光耦后端POUT信號的完整性是保證伺服電動(dòng)機(jī)精密控制的前提。一般市場上伺服電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速ω3一般不超過6 000 r/min[12-13]，則POUT的頻率f2計(jì)算公式為

f2=k2ω3

式中：k2為伺服控制設(shè)定的線數(shù)，本文取值為5 000。

經(jīng)過計(jì)算，POUT的頻率f2一般不超過3 MHz，此光耦的轉(zhuǎn)換速度能達(dá)到10 MHz，故能適用市場上大多數(shù)的伺服電動(dòng)機(jī)。光耦前端的電容C5起到了電磁濾波的作用，一般電容值為1 000 pF，光耦前端的電阻起到了限流的作用，根據(jù)TLP113的數(shù)據(jù)手冊，光耦前端的電阻取值1 000 Ω能滿足光耦前端的電流要求。光耦后端的電阻起到了上拉作用，使POUT的電平與伺服控制的脈沖控制口電平進(jìn)行匹配。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 伺服電動(dòng)機(jī)位置跟隨算法

當(dāng)針筒運(yùn)轉(zhuǎn)了某個(gè)角度時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)也要走過特定的角度來保證輸送設(shè)定的紗線量。紗線輸送偏多偏少都會(huì)影響布面的質(zhì)量，甚至引起斷紗等報(bào)警的產(chǎn)生。所以伺服電動(dòng)機(jī)的位置跟隨算法能夠保證準(zhǔn)確的紗線輸送量。

在針筒轉(zhuǎn)動(dòng)了某個(gè)角度時(shí)，編碼器將會(huì)產(chǎn)生對應(yīng)數(shù)量的正交編碼信號，伺服電動(dòng)機(jī)的送紗量大小應(yīng)該在最短時(shí)間內(nèi)確定，即需要及時(shí)調(diào)整ARM處理器待發(fā)脈沖數(shù)目。為了提高ARM處理器對編碼脈沖信號響應(yīng)的實(shí)時(shí)性,采用ARM芯片的外部中斷來進(jìn)行對編碼脈沖信號的捕捉，圖10示出位置跟隨算法簡圖。

圖10 位置跟隨算法簡圖Fig.10 Diagram of algorithm of position following

圖中α為當(dāng)前圈脈沖調(diào)節(jié)系數(shù)，β為1次外部中斷所增加的待發(fā)脈沖數(shù)目。α的值由用戶自行設(shè)定，主要實(shí)現(xiàn)筒型編織物直徑的設(shè)定，當(dāng)α的值越大，單位時(shí)間的送紗量越多，織物的直徑就越大，反之，當(dāng)α的值越小，單位時(shí)間的送紗量越少，編織物的直徑就越小。用戶可根據(jù)不同織物的樣式要求，在不同的針位中設(shè)置不同α的值，針位信息通過編碼脈沖信息不斷更新，即α的值也隨之更新，從而筒型織物的直徑可以根據(jù)用戶設(shè)置的α值實(shí)現(xiàn)大小的改變。β的值由針筒與編碼器的齒輪減速比，伺服電動(dòng)機(jī)與儲(chǔ)紗器之間的減速比以及圓緯機(jī)成圈三角的角度等機(jī)械結(jié)構(gòu)來共同決定，代表當(dāng)進(jìn)入1次外部中斷時(shí)，ARM處理器需要發(fā)送的脈沖基數(shù)，當(dāng)上述減速比及機(jī)械結(jié)構(gòu)確定好后，β的大小為定值。

當(dāng)1個(gè)編碼脈沖信號進(jìn)來時(shí)，就會(huì)觸發(fā)ARM處理器的外部中斷，所需的待發(fā)脈沖總數(shù)就會(huì)進(jìn)行1次更新；當(dāng)所需的待發(fā)脈沖總數(shù)大于0的時(shí)候，ARM處理器開啟芯片內(nèi)部定時(shí)器1(TIM1)的輸出比較模式來進(jìn)行待發(fā)脈沖的產(chǎn)生,TIM1每產(chǎn)生1個(gè)脈沖，就會(huì)觸發(fā)TIM1的輸出比較中斷，同時(shí)在定時(shí)器1的中斷服務(wù)函數(shù)里實(shí)現(xiàn)當(dāng)前所需待發(fā)脈沖總數(shù)沖減1；當(dāng)所需待發(fā)脈沖總數(shù)減為0的時(shí)候，關(guān)閉ARM處理器芯片內(nèi)部定時(shí)器TIM1。具體的位置跟隨算法軟件程序框圖如圖11所示。圖中，xn為當(dāng)前所需待發(fā)編碼脈沖總數(shù)值，xn-1為上1個(gè)外部中斷到當(dāng)前外部中斷這段時(shí)間內(nèi)剩余待發(fā)編碼脈沖總數(shù)值。

圖11 位置跟隨算法程序框圖Fig.11 Program flowchart of algorithm of position following

3.2 伺服電動(dòng)機(jī)速度跟隨算法

除了保證準(zhǔn)確的紗線輸送量外，伺服送紗電動(dòng)機(jī)的送紗速度必須實(shí)時(shí)跟隨針筒的速度變化，否則當(dāng)針筒加速或者減速時(shí)就會(huì)出現(xiàn)因送紗速度響應(yīng)慢而出現(xiàn)斷紗、亂花等情況。為了最大限度地提高響應(yīng)的實(shí)時(shí)性，本文算法采用與位置跟隨同樣的外部中斷口來對編碼器信號進(jìn)行捕獲，采用與位置跟隨同樣的定時(shí)器1來產(chǎn)生控制伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的脈沖信號，采用定時(shí)器2來計(jì)算相鄰2個(gè)編碼脈沖信號之間的時(shí)間，ARM處理器根據(jù)相鄰2個(gè)編碼脈沖信號之間的時(shí)間來實(shí)時(shí)調(diào)整定時(shí)器1的脈沖輸出頻率，具體的速度跟隨算法程序流程圖如圖12所示。

圖12 速度跟隨算法程序框圖Fig.12 Program flowchart of algorithm of speed following

圖12中TIM1->ARR，TIM1->CCR1，TIM1->CNT為定時(shí)器1中的寄存器，ω1為針筒轉(zhuǎn)速，f1為編碼器頻率，f2為伺服電動(dòng)機(jī)脈沖頻率，T為定時(shí)器1的周期重載值，TIM2為定時(shí)器2，TIM為定時(shí)器，t為計(jì)算時(shí)間。

如圖12所示當(dāng)ARM芯片進(jìn)入外部中斷時(shí)，在外部中斷服務(wù)程序中首先獲取TIM2的計(jì)數(shù)值，并將其換算成時(shí)間t(ms)，針筒實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為

式中：ω1為圓緯機(jī)針筒轉(zhuǎn)速,r/min；Tp代表針筒轉(zhuǎn)動(dòng)1圈編碼器產(chǎn)生的總脈沖數(shù)；t代表進(jìn)入1次中斷的時(shí)間，ms。

編碼器頻率f1的計(jì)算公式為

式中：k1為編碼器的分辨率，本文為2 500;n1為針筒對編碼器的減速比,本文為0.1。

伺服電動(dòng)機(jī)脈沖頻率f2的計(jì)算公式為

f2=k3f1

式中：k3為比例計(jì)算系數(shù)，由用戶自行設(shè)定的α值，針筒與編碼器的齒輪減速比，伺服電動(dòng)機(jī)與儲(chǔ)紗器之間的減速比以及圓緯機(jī)成圈三角的角度等機(jī)械結(jié)構(gòu)決定。

定時(shí)器1的周期重載值T的計(jì)算公式為

式中：f3為定時(shí)器1的時(shí)鐘周期,us。

根據(jù)上式重置TIM1的脈沖發(fā)送周期T的值，從而實(shí)時(shí)調(diào)整送紗電動(dòng)機(jī)的速度，起到速度跟隨的作用。

4 實(shí)驗(yàn)調(diào)試及裝機(jī)測試

4.1 伺服電動(dòng)機(jī)位置及速度跟隨實(shí)驗(yàn)調(diào)試

伺服電動(dòng)機(jī)的位置跟隨及速度跟隨主要體現(xiàn)于在相同時(shí)間段，無論針筒速度如何變化，針筒旋轉(zhuǎn)的角度與伺服送紗電動(dòng)機(jī)所給的送紗量的比值應(yīng)該是一個(gè)定值，由圖10～12可知，該值等于α和β的乘積值(也就是比例計(jì)算系數(shù)k3)，取α和β的乘積值為4進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測試，通過示波器對編碼器脈沖信號和伺服電動(dòng)機(jī)脈沖控制信號進(jìn)行捕獲，如圖13所示。

圖13 不同速度編碼器脈沖信號和伺服電動(dòng)機(jī)脈沖控制信號Fig.13 Pulse signal of encoder and servo motor with different speeds. (a) Low speed; (b) High speed

圖13中曲線代表針筒在低速和高速運(yùn)行下的編碼器脈沖信號和伺服電動(dòng)機(jī)脈沖控制信號，示波器界面從上到下分別顯示的是編碼器脈沖信號、伺服電動(dòng)機(jī)脈沖控制信號(示波器橫向代表時(shí)間，縱向代表電壓。圖13(a)中，每個(gè)小方格的橫向距離代表為時(shí)間1 ms,縱向距離代表電壓5 V,圖13(b)中，每個(gè)小方格的橫向距離代表為時(shí)間200 μs,縱向距離代表電壓5 V)。

編碼器的脈沖個(gè)數(shù)及脈沖頻率反映的是針筒的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度，伺服電動(dòng)機(jī)脈沖控制信號的個(gè)數(shù)和脈沖頻率反映的是伺服電動(dòng)機(jī)的送紗量及送紗速度。由圖13可知，無論在低速運(yùn)行下還是在高速運(yùn)行下，每個(gè)編碼器脈沖信號時(shí)間段里都含有4個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)脈沖控制信號，即本文控制技術(shù)的位置跟隨及速度跟隨顯著。符合圓緯機(jī)主動(dòng)式動(dòng)態(tài)送紗控制技術(shù)。

4.2 裝機(jī)調(diào)試

為了驗(yàn)證本文控制技術(shù)的可操作性，在雙面小圓機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證測試，實(shí)際裝機(jī)調(diào)試表明，本文技術(shù)穩(wěn)定可行，編織物件如圖14所示。

圖14 編織物布面整體圖Fig.14 Overall chart of woven surface

由圖14可知，編織物布面平整，無橫紋，破洞等現(xiàn)象出現(xiàn)，筒型織物直徑大小控制效果顯著，滿足緯編物面料的要求。

5 結(jié)束語

生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)果表明，圓緯機(jī)主動(dòng)式動(dòng)態(tài)送紗控制技術(shù)在滿足傳統(tǒng)的機(jī)械式送紗基礎(chǔ)下，采用高性能的ARM處理器，高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的伺服電動(dòng)機(jī)及高精度的編碼器可滿足圓緯機(jī)送紗的實(shí)時(shí)性要求。使用本文技術(shù)的圓緯機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，斷紗、破布等故障情況發(fā)生概率較低且適用于急停、加減速等的機(jī)況。

同時(shí)圓緯機(jī)主動(dòng)式動(dòng)態(tài)送紗控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了圓緯機(jī)能動(dòng)態(tài)無級調(diào)節(jié)送紗功能，其織物線圈大小在不同部位可變，紗線的松緊程度可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)且筒型織物的直徑大小可隨時(shí)改變，滿足了不同身材人群對織物的各種要求，改善了織物面料的外觀和體感。本文技術(shù)對于提高圓緯機(jī)的送紗控制技術(shù)具有重大意義。