于鴻彬，張浩鵬，邵宏宇

電子多臂機(jī)控制及性能檢測實驗平臺設(shè)計

于鴻彬1，張浩鵬1，邵宏宇2

（1. 天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387；2. 天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072）

針對新組裝的多臂機(jī)需要對其可靠性進(jìn)行檢驗，設(shè)計了一套多臂機(jī)控制及性能檢測系統(tǒng)。通過分析多臂機(jī)工作原理，將嵌入式微控制器、花樣數(shù)據(jù)存儲器、變頻器及電機(jī)驅(qū)動電路、多臂機(jī)電磁鐵驅(qū)動電路、電磁鐵磁性檢測電路、電磁鐵電流檢測電路、多臂機(jī)擺臂運(yùn)動檢測電路以及網(wǎng)絡(luò)通信接口功能模塊集成在嵌入式電子多臂機(jī)控制及性能檢測系統(tǒng)中，可以對電子多臂機(jī)的整體性能進(jìn)行檢測，給出了嵌入式電子多臂機(jī)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、硬件電路的設(shè)計和實現(xiàn)方法，軟件系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方法。工廠實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠用于控制及檢測電子多臂機(jī)性能是否滿足使用要求。

電子多臂機(jī)；性能檢測；實驗平臺

旋轉(zhuǎn)式多臂機(jī)作為紡織機(jī)械中的一種重要紡織配套裝備，其工作性能的優(yōu)劣直接影響產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量[1]。目前，國內(nèi)針對多臂機(jī)的性能檢測方面資料較少，多臂機(jī)檢測技術(shù)相對落后，制造的多臂機(jī)無法保證每一次動作都準(zhǔn)確無誤，制約了多臂機(jī)的研發(fā)和生產(chǎn)。在正?？椩爝^程中，會出現(xiàn)多臂機(jī)開口機(jī)構(gòu)提綜動作錯誤，出現(xiàn)織物花型錯位問題。

起初，對多臂機(jī)的性能檢測，主要是依靠人工方法進(jìn)行，通過目測或聲音進(jìn)行初步簡單的測試。這種測試方法，需要根據(jù)工人豐富的經(jīng)驗找出問題并據(jù)此解決問題，工作量大，時間長，精度及可靠性不高，而且不能長時間不間斷地進(jìn)行檢測，無法滿足高精度和高可靠性的控制及檢測需求。

隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了專業(yè)人員利用專業(yè)設(shè)備進(jìn)行深入檢測的方法，這種方法一定程度上滿足了高精度和高可靠性的要求，但是依然不能長期不間斷地對設(shè)備進(jìn)行性能檢測。隨著微控制器、傳感器技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用微控制器、傳感器技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)構(gòu)建多臂機(jī)控制及性能檢測系統(tǒng)能滿足實際應(yīng)用需求[2]。

本文以江蘇常熟某公司生產(chǎn)的某種型號電子多臂機(jī)為研究對象，設(shè)計開發(fā)嵌入式微控制系統(tǒng)，對電子多臂機(jī)進(jìn)行控制及性能檢測，為電子多臂機(jī)控制和檢測提供有效方法。

1 多臂機(jī)

多臂機(jī)如圖1所示。

圖1 多臂機(jī)

2 系統(tǒng)原理與設(shè)計方案

嵌入式電子多臂機(jī)控制及性能檢測系統(tǒng)（以下簡稱檢測系統(tǒng)）由多臂機(jī)控制驅(qū)動系統(tǒng)和多臂機(jī)性能檢測系統(tǒng)組成，包括嵌入式控制單元（MCU）、電源處理單元、存儲單元、光耦隔離單元、功率放大單元等，通過485通信單元與變頻器通信，通過網(wǎng)絡(luò)模塊與工控上位機(jī)通信，實現(xiàn)功能控制及數(shù)據(jù)傳輸。

本檢測系統(tǒng)可以實時控制多臂機(jī)在不同速度、不同花型下運(yùn)行，采集到的數(shù)據(jù)包括運(yùn)行速度、擺臂運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行花樣、錯誤次數(shù)、開始運(yùn)行時間T1、停止運(yùn)行時間T2、檢測時間T3等。工控上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)模塊與檢測系統(tǒng)通信，控制多臂機(jī)運(yùn)行速度、開始檢測、停止檢測、花樣下載、花樣上傳、參數(shù)設(shè)定、參數(shù)讀取、錯誤顯示及預(yù)警等。數(shù)據(jù)接收處理單元將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、剔除無效數(shù)據(jù)，保存有效數(shù)據(jù)，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到工控上位機(jī)，同時將有效數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，以便查詢及處理，同時可以用來改進(jìn)及優(yōu)化電子多臂機(jī)。多臂機(jī)生產(chǎn)企業(yè)車間情況復(fù)雜、控制及檢測機(jī)臺較多，需要在每個機(jī)臺上都配置控制及性能檢測系統(tǒng)，每個系統(tǒng)都在相同的局域網(wǎng)中運(yùn)行，生產(chǎn)者可以控制并實時監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，使電子多臂機(jī)的運(yùn)行控制及檢測智能化、精確化，同時確保采集到每臺機(jī)器上的生產(chǎn)數(shù)據(jù)[3]。電子多臂機(jī)控制及性能檢測系統(tǒng)原理見圖2。

圖2 電子多臂機(jī)控制及性能檢測系統(tǒng)原理框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 微控制器及數(shù)據(jù)存儲器選取

微控制器采用高性能、低功耗的8位AVR微處理器Atmega128[4]，是嵌入式電子多臂機(jī)控制及性能檢測系統(tǒng)的核心部件。Atmega128采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)型AVR內(nèi)核，處理速度快并且穩(wěn)定可靠。133條指令大多數(shù)可以在一個時鐘周期內(nèi)完成，工作于16 MHz時性能高達(dá)16 MISP。2路8位PWM,6路分辨率可編程（2到16位）的PWM，8路10位ADC，53個可編程I/O口線，內(nèi)部資源豐富。

對于多臂機(jī)的控制及性能檢測需要多種花型，且需要精確穩(wěn)定的驅(qū)動提花擺臂。綜合以上因素，本文選用美國Ramtron公司生產(chǎn)的具有高可靠性、高速、耐久性數(shù)據(jù)讀寫、抗干擾能力強(qiáng)、接近無限次擦寫等優(yōu)點的512K非易失性FRAM（Ferro electric RAM）芯片作為花型數(shù)據(jù)存儲器。FM24C512的總線頻率高達(dá)1 MHz，可擦除次數(shù)1010次，寫入速度快（Flash的1000倍以上），非常適用于多臂機(jī)控制需要的非易失性，且需要頻繁、快速、穩(wěn)定存儲及讀取數(shù)據(jù)的要求。數(shù)據(jù)存儲單元電路見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)存儲單元電路

3.2 無線通信設(shè)計

為了實際需要，采用無線通信的方式實現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信，采用Wi-Fi轉(zhuǎn)串口模塊實現(xiàn)無線通信。無線通信單元電路圖見圖4，USR-WiFi232無線模塊采用3.3 V直流電源供電，將RELOAD引腳拉低1~3 s可實現(xiàn)無線模塊初始化，拉低RESET引腳超過0.5 s實現(xiàn)復(fù)位操作，模塊與主芯片通過串行接口連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

圖4 無線通信單元

Wi-Fi模塊設(shè)置為STA模式，通信協(xié)議采用UDP- Server，波特率為115 200 bit/s，系統(tǒng)采用VB.NET開發(fā)上位機(jī)，通過Winsock控件實現(xiàn)TCP連接[5]，上位機(jī)通過路由器與無線模塊相連，實現(xiàn)無線通信。

3.3 濾波電路設(shè)計

多臂機(jī)實際工作環(huán)境比較惡劣，采集到的信號混雜著許多高頻噪聲信號。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，如果設(shè)置的采樣頻率不滿足Nyquist采樣定理的要求時，會導(dǎo)致采集結(jié)果出現(xiàn)頻率混疊現(xiàn)象。為了有效地避免這一現(xiàn)象，需要加入濾波器來消除高頻干擾信號對數(shù)據(jù)采集的影響[6]。濾波電路見圖5。

圖5 低通濾波器電路

根據(jù)基爾霍夫電路定律建立濾波模型：

式中為傳遞函數(shù)中的變量。

根據(jù)模型可以得到該濾波器的傳遞函數(shù)為

利用二階低通濾波模型的標(biāo)準(zhǔn)形式：

為了保證濾波系統(tǒng)的穩(wěn)定，系統(tǒng)的全部極點應(yīng)配置在平面的左半平面，即需滿足：

根據(jù)上述計算，令3=1000 Ω，4=500 Ω，3=0.1 μf，4=0.01 μF，此時理論截止頻率可已達(dá)到50 kHz。

3.4 同步信號檢測設(shè)計

同步傳感器用于檢測多臂機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)以產(chǎn)生同步信號，采用工控系統(tǒng)中常用的接近開關(guān)（C1、C2）。根據(jù)其提供的同步信號，嵌入式電子多臂機(jī)能自動、智能地按照花型信息執(zhí)行動作。根據(jù)用戶的需要，同步傳感器產(chǎn)生的同步信號可以發(fā)送到工控上位機(jī)，再由工控機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送給嵌入式電子多臂機(jī)控制板，也可以通過專用信號線直接并行發(fā)送給嵌入式電子多臂機(jī)控制板，使之脫離工控上位機(jī)獨(dú)立工作。多臂機(jī)運(yùn)行時序圖如圖6所示。

圖6 控制多臂機(jī)運(yùn)行時序圖

3.5 性能檢測

3.5.1 電磁鐵磁性、電流檢測

在電子多臂機(jī)中，多臂機(jī)用的電磁鐵是電控系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)之間的“接口”，電磁鐵的響應(yīng)速度和可靠性在一定程度上影響著多臂機(jī)的響應(yīng)速度和可靠性[7]。高速多路電磁鐵和擺臂作為高速電子多臂機(jī)系統(tǒng)第一級信號執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對整個多臂機(jī)的性能起著至關(guān)重要的作用。

將線性霍爾元件安置在電磁鐵上，每一個霍爾元件與電磁鐵的一路對應(yīng)，利用光耦及功率放大單元ULN2803為多路電磁鐵獨(dú)立工作提供條件。在每一路電磁鐵穩(wěn)定工作時，霍爾元件會產(chǎn)生相應(yīng)的電信號，微控制器對這些電信號進(jìn)行采集，再通過霍爾元件的線性方程，計算出每路電磁鐵穩(wěn)定工作時的磁場，將這些信息傳輸給工控上位機(jī)總控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對電磁鐵性能的檢測。通過在每一路電磁鐵中串聯(lián)電流檢測器件，記錄隨著電磁鐵工作時間的變化，流過每一路電磁鐵電流。把電磁鐵每一路的磁性、電流與正常工作參數(shù)比較，記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)及錯誤信息并在工控上位機(jī)中顯示及預(yù)警[8]。

3.5.2 擺臂運(yùn)動狀態(tài)檢測

將型號為GL-8HX10的傳感器放在擺臂運(yùn)行的高位，當(dāng)擺臂運(yùn)行到位時，微控制器就會收到信號，可以獲知擺臂是否正常運(yùn)動，從而驗證多臂機(jī)裝配是否準(zhǔn)確，各零部件質(zhì)量是否可靠等。

由于控制信號和檢測信號電壓不同，如果直接相連，會由于電壓過高使控制系統(tǒng)無法正常工作，為解決這一問題，通過使用光電耦合器來實現(xiàn)隔離[9]，實現(xiàn)低電壓控制高電壓。圖7為光電耦合器電路圖。

圖7 光電耦合器電路圖

3.5.3 油溫及液位檢測

多臂機(jī)箱體由于存在摩擦損失，以及軸承、齒輪等摩擦損失，工作中會產(chǎn)生較多熱量。傳動裝置的熱損失不僅對系統(tǒng)的潤滑和冷卻有重要影響，而且對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的正常工作也有很大影響，將會直接影響到機(jī)械傳動效果和傳動系統(tǒng)的動力性能。

在多臂機(jī)箱體內(nèi)放置溫度傳感器及液位傳感器，實時采集多臂機(jī)箱體內(nèi)的溫度及潤滑油的液位情況[10]。

上述檢測的有效數(shù)據(jù)及錯誤次數(shù)都會在工控上位機(jī)中顯示，并且將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫中，對多臂機(jī)進(jìn)行記錄及跟蹤。系統(tǒng)印刷電路板（PCB）圖如圖8所示。

圖8 控制板PCB圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 提花控制

將CAD軟件設(shè)計的花樣文件下載到片外存儲器FM24C512中，單片機(jī)處于等待狀態(tài)，當(dāng)工控上位機(jī)向單片機(jī)發(fā)送指令時，微控制單元按照花樣信息執(zhí)行高低電平變換，使電磁鐵按照花樣信息執(zhí)行吸合與釋放動作，實現(xiàn)多臂機(jī)提花控制[11]。

4.2 性能檢測

該測試系統(tǒng)在完成了所需要的測試功能的同時，還實現(xiàn)了測試系統(tǒng)的數(shù)字化、圖形化和檢測自動化等功能，具有界面友好、操作簡便等特點。測試傳感器在測試系統(tǒng)中的作用是測量數(shù)據(jù)，并在多臂機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中實時反饋測試信息，起到監(jiān)測多臂機(jī)樣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況是否穩(wěn)定的作用。安裝的測試傳感器通過其他設(shè)備與測試軟件相連接，使監(jiān)測過程始終實時、穩(wěn)定、高效地進(jìn)行。

進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件的開發(fā)：開發(fā)基于Windows系統(tǒng)的花型編輯軟件，通過工控上位機(jī)即可實現(xiàn)對多臂機(jī)運(yùn)行動作的設(shè)定[12]。檢測界面如圖9所示。

圖9 監(jiān)測界面

電子多臂機(jī)控制及性能檢測系統(tǒng)已經(jīng)在多臂機(jī)生產(chǎn)廠實際使用，用作電子多臂機(jī)出廠檢測系統(tǒng)不間斷運(yùn)行，反復(fù)進(jìn)行各種提花及性能檢測操作測試。使用結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定、可靠地檢測出多臂機(jī)裝配不當(dāng)、電磁鐵性能不達(dá)標(biāo)、零部件質(zhì)量問題、潤滑油缺少、油溫過高等問題，對多臂機(jī)的控制和性能檢測結(jié)果令人滿意。幫助生產(chǎn)者驗證多臂機(jī)性能優(yōu)劣，不斷改進(jìn)技術(shù)優(yōu)化設(shè)備，生產(chǎn)出符合需求的電子多臂機(jī)，促進(jìn)紡織機(jī)械的發(fā)展。實驗平臺如圖10所示。

圖10 實驗平臺

5 結(jié)語

該檢測系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)投入使用，實現(xiàn)了擺臂24小時200萬次運(yùn)動檢測，達(dá)到了企業(yè)檢測要求，并將檢測過程中產(chǎn)生的生產(chǎn)信息儲存在數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的原始積累，該系統(tǒng)目前運(yùn)行情況良好。

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Design of experimental platform for control and performance testing of electronic dobby machine

YU Hongbin1, ZHANG Haopeng1, SHAO Hongyu2

(1. School of Mechanical Engineering, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China; 2. School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

In view of the need of reliability testing for the newly assembled dobby machine, a control and performance testing system for the dobby machine is designed. By analyzing the working principle of the dobby machine, an embedded microcontroller, pattern data memory, frequency converter and motor drive circuit, dobby electromagnet drive circuit, electromagnet magnetic detection circuit, electromagnet current detection circuit, dobby swing arm motion detection circuit and network communication interface module are designed, which is integrated in the embedded electronic dobby control and performance detection system. The overall performance of the electronic dobby machine can be tested, and the system architecture, hardware circuit design and implementation method, software system design and implementation method of the embedded electronic dobby control system are presented. Practical application in factories shows that the system can be used to control and test whether the performance of the electronic dobby machine meets the requirements of operation.

electronic dobby machine; performance detection; experimental platform

TS103.33；G484

A

1002-4956(2019)11-0079-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.020

2019-03-27

國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFB1102003）

于鴻彬（1974—），男，天津，博士，副教授，主要研究方向為智能控制理論及應(yīng)用。E-mail: 349334292@qq.com