周佳超 陳志銘 彭來湖 戴寧

摘 要：針對無縫內(nèi)衣機轉(zhuǎn)速控制不穩(wěn)定造成細(xì)針距高彈性針織內(nèi)衣編織密度不勻、布面容易局部松散的問題，就無縫內(nèi)衣機編織工藝、速度參數(shù)的鏈條文件表達(dá)、細(xì)針距高彈性針織內(nèi)衣的編織特點以及伺服電機控制方式進行研究，提出一種基于工藝參數(shù)的無縫內(nèi)衣機速度動態(tài)控制方法。采用速度閉環(huán)控制的思路，實時采集內(nèi)衣機針筒針位信息，根據(jù)工藝文件中的速度鏈條參數(shù)，動態(tài)調(diào)控內(nèi)衣機主軸轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速下細(xì)針距高彈性針織內(nèi)衣編織的密度均勻化控制。闡述了伺服驅(qū)動及針位檢測電路的硬件設(shè)計，人機鏈條速度獲取程序、速度檢測程序及速度執(zhí)行程序的軟件開發(fā)。結(jié)果表明，這一控制技術(shù)應(yīng)用在細(xì)針距無縫內(nèi)衣機上，生產(chǎn)的細(xì)針距高彈性針織內(nèi)衣組織結(jié)構(gòu)一致性好，密度均勻。

關(guān)鍵詞：無縫內(nèi)衣機;伺服電機;鏈條速度;硬件電路;軟件程序

中圖分類號：TB383

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2020）05-0084-07

Dynamic Speed Adjustment Technology of Seamless UnderwearMachine Based on Process Parameters

ZHOU Jiachao1， CHEN Zhiming2， PENG Laihu1， DAI Ning1

（1.The Center for Engineering Technology of Modern Textile Machinery & Technology of Ministry of

Education， ZHEJIANG SCI-TECH University，Hangzhou 310018， China; 2.Zhejiang Rifa Textile

Machinery Technology Co.， Ltd， Xinchang 312500， China）

Abstract：The unstable speed control of seamless underwear machine causes uneven weaving density and partial looseness of the cloth surface for fine-pitch high-elasticity knitted underwear. For the above problems，the knitting process of seamless underwear machine， the expression of chain file of speed parameters， the weaving characteristics of fine-needle high-elasticity knitted underwear and the control mode of servo motor were studied. Besides， a dynamic speed control method for seamless underwear machine based on process parameters was proposed. Based on the idea of speed closed-loop control， the proposed control method can collect the needle position information of the underwear machine in real time，dynamically adjust the mainshaft speed of the underwear machine according to the speed chain parameters in the process file，and realize the density uniformity control of the fine-pitch high-elasticity knitted underwear at a high rotation speed.The paper elaborates the hardware design of servo drive and needle position detection circuit. Meanwhile，the software for man-machine chain speed acquisition program， speed detection program and speed execution program was developed. The test results indicate that this control technology is applied in the fine-pitch seamless underwear machine， and the fine needle-pitch high-elasticity knitted underwear has good consistency of weave structure and uniform density.

Key words：seamless underwear machine; servo motor; chain speed;hardware circuit; software program

無縫內(nèi)衣機是一種可以連續(xù)編織出內(nèi)衣服裝全部部位且僅需簡單裁剪縫合就能制成成衣的專用無縫生產(chǎn)設(shè)備[1]。無縫內(nèi)衣機的機械部分主要由送紗機構(gòu)、編織機構(gòu)、吸風(fēng)機構(gòu)、傳動機構(gòu)及各輔助機構(gòu)組成[2]。在針筒的運轉(zhuǎn)下，紗線經(jīng)由送紗機構(gòu)進入編織機構(gòu)進行編織，在吸風(fēng)機構(gòu)、輔助機構(gòu)的配合作用下，織物從編織機構(gòu)中吸出并完成編織。

無縫內(nèi)衣機鏈條程序是由制版人員在內(nèi)衣制版軟件中對織物編織所有工藝參數(shù)進行程序編寫，包括花型組織、密度電機指令及鏈條速度等。無縫內(nèi)衣機鏈條速度是指織物編織的設(shè)定速度。織物各部位織物組織和工藝參數(shù)有所差異，故其在織物工藝參數(shù)中不同部位的鏈條速度也不一樣。針筒的運轉(zhuǎn)可由伺服電機通過傳動機構(gòu)來帶動[3]。國產(chǎn)無縫內(nèi)衣機速度動態(tài)控制技術(shù)無論在穩(wěn)定性及實時性方面較國外先進控制技術(shù)還存在一定的差距，從而直接影響無縫內(nèi)衣機織物的產(chǎn)量。

通過對無縫內(nèi)衣機速度的控制要求、工藝參數(shù)中鏈條速度及伺服電機的控制方式進行研究，并針對無縫內(nèi)衣機現(xiàn)場存在的問題（現(xiàn)場工人無法直接根據(jù)當(dāng)前機器現(xiàn)狀進行鏈條速度設(shè)置），提出一種基于工藝參數(shù)的無縫內(nèi)衣機鏈條速度動態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)，設(shè)計分段加減速控制算法并通過不同頻率的方波進行速度的調(diào)節(jié)。人機交互模塊讀取花型中的鏈條速度數(shù)據(jù)并顯示各步下的鏈條速度值，現(xiàn)場工人可根據(jù)當(dāng)前機器實際運行狀態(tài)進行鏈條速度值的微調(diào)，滿足了工業(yè)現(xiàn)場對無縫內(nèi)衣機產(chǎn)量的要求。

1 細(xì)針距織物編織速度要求及總體控制方案

無縫內(nèi)衣機的針筒隨伺服電機的轉(zhuǎn)動而運轉(zhuǎn)，紗線從紗筒上繞下，經(jīng)輸紗器進入編織機構(gòu)，紗線在織針的作用下，完成編織工藝，脫去舊線圈，形成新線圈[4-5]。采用本無縫內(nèi)衣機速度動態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)的無縫內(nèi)衣機機械結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

如圖1所示，伺服控制器控制伺服電機的運轉(zhuǎn)，伺服電機與針筒通過減速盤進行速度的傳遞，感應(yīng)裝置隨針筒運轉(zhuǎn)，當(dāng)其經(jīng)過零位傳感器時，零位傳感器產(chǎn)生一次零位信號，織針隨針筒轉(zhuǎn)動，并完成對通過喂紗裝置的紗線的編織。無縫內(nèi)衣機編織速度與伺服電機的轉(zhuǎn)速成正比，伺服電機的轉(zhuǎn)速受到工藝參數(shù)中的鏈條速度影響，故伺服電機的速度控制直接關(guān)系到無縫內(nèi)衣機織物的產(chǎn)量效益。

針對細(xì)針距無縫內(nèi)衣機，針數(shù)多針距細(xì)，在編織高密織物的過程中，要求無縫內(nèi)衣機編織速度變化快，進入下一步數(shù)時在短時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定速度。若速度變化不及時，則可能會導(dǎo)致細(xì)針距內(nèi)衣機在進入下一步數(shù)時，紗嘴氣閥或三角來不及轉(zhuǎn)動的情況，某些織針無法吃紗;若變化后的速度存在不穩(wěn)定的情況，則細(xì)針距無縫內(nèi)衣機在編織時會出現(xiàn)密度不均勻，甚至出現(xiàn)破洞現(xiàn)象。

針對上述問題，本研究提出一種基于工藝參數(shù)無縫內(nèi)衣機速度動態(tài)控制技術(shù)總體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

在硬件電路上首先設(shè)計零位檢測及編碼器采集電路，再則設(shè)計伺服電機驅(qū)動電路。在軟件程序上，首先ARM讀取并分析各步數(shù)工藝參數(shù)中的鏈條速度值，以及內(nèi)衣機現(xiàn)場工人根據(jù)讀取的速度值對不同狀態(tài)的內(nèi)衣機做出鏈條速度實際調(diào)整;再則根據(jù)其工藝參數(shù)鏈條速度值產(chǎn)生相應(yīng)頻率的方波來控制伺服電機的運轉(zhuǎn)速度。當(dāng)鏈條速度變化時，通過實時檢測無縫內(nèi)衣機編碼器信號，運用分段加減速控制算法快速跟隨鏈條速度做出響應(yīng)變化。

采用伺服電機位置控制方式[6-7]，可通過脈沖個數(shù)及脈沖頻率來對位置和速度進行精密控制。編碼器采集電路捕獲伺服驅(qū)動器處的編碼脈沖信號來實現(xiàn)伺服電機當(dāng)前轉(zhuǎn)速的計算，零位檢測電路采集針筒的圈信號來實現(xiàn)無縫內(nèi)衣機當(dāng)前步數(shù)的更新。

2 硬件設(shè)計

2.1 伺服電機驅(qū)動電路

通過對無縫內(nèi)衣機針筒轉(zhuǎn)速特性及伺服驅(qū)動器的控制方式進行研究與總結(jié)。如圖3所示ARM與伺服驅(qū)動器系統(tǒng)設(shè)計框圖，采用不同頻率的方波對伺服電機的轉(zhuǎn)速進行控制，并采用控制光耦后端的導(dǎo)通狀態(tài)來對伺服電機的使能狀態(tài)進行控制。圖3中EN_IN代表ARM處理器輸出的使能控制信號，當(dāng)EN_IN為高電平時，伺服電機處于失能狀態(tài);反之，伺服電機處于使能狀態(tài)。P代表ARM處理器輸出的脈沖控制信號，以此來控制伺服電機的轉(zhuǎn)速，P-，P+為U1后端輸出的差分脈沖信號。

當(dāng)EN_IN為低電平時，伺服電機處于使能狀態(tài)，此時當(dāng)伺服驅(qū)動器脈沖輸入端口檢測到有脈沖輸入時，伺服電機轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動速度與脈沖頻率的大小成正比，轉(zhuǎn)動角度與脈沖個數(shù)成正比。伺服驅(qū)動器上可設(shè)置電子齒輪比來設(shè)置其比例系數(shù)的大小，電子齒輪比的計算如式（1）所示。

G=PC（1）

式中：P為輸入指令的脈沖數(shù);C為伺服電機轉(zhuǎn)動一圈對應(yīng)的所需脈沖數(shù);G為電子齒輪比。

本研究C=10 000，G=1，則電機旋轉(zhuǎn)1圈，所需的輸入指令脈沖數(shù)為10 000，本系統(tǒng)采用的減速盤傳動比為1/16，即伺服電機旋轉(zhuǎn)16圈，針筒轉(zhuǎn)速1圈，則針筒旋轉(zhuǎn)一圈所需脈沖為160 000個脈沖。目前常用無縫內(nèi)衣機最高轉(zhuǎn)速r可達(dá)130 r/min[8]，將r代入式（2）可得所需脈沖最高頻率f1。

f1=160 000×r60（2）

式中：f1為所需脈沖頻率，Hz;r為無縫內(nèi)衣機轉(zhuǎn)速，r/min。

2.2 針位信號采集及零位檢測電路

針位信號采集電路采集伺服驅(qū)動器輸出的A，B相編碼器信號，并將其進行電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換輸出的編碼器信號被ARM處理器的編碼器捕獲端口進行捕獲。零位檢測電路用以檢測零位傳感器處的電平信號來計算針筒的圈信號并按照工藝參數(shù)中鏈條數(shù)據(jù)在相應(yīng)步數(shù)進行鏈條速度的更新。針位及零位信號檢測框圖如圖4所示，ARM處理器由捕獲到的編碼器信號計算針筒的實時轉(zhuǎn)速。圖4中ZERO_IN為零位傳感器輸入信號，ZERO_OUT為經(jīng)光耦轉(zhuǎn)換后輸入到ARM芯片的零位傳感器的輸出信號，A+，A-與B+，B-為伺服驅(qū)動器輸出的2相差分編碼信號，A與B為經(jīng)編碼器轉(zhuǎn)換后輸入到ARM芯片的2相編碼信號[9]。本文伺服電機每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)為625，采用的減速盤傳動比為1/16，無縫內(nèi)衣機最高轉(zhuǎn)速r=130 r/min代入式（3）可得編碼器隨伺服電機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的最高頻率f2。

f2=10 000×r60（3）

式中：f2為伺服電機運轉(zhuǎn)，編碼器產(chǎn)生的頻率，Hz;r為無縫內(nèi)衣機轉(zhuǎn)速，r/min。

3 軟件開發(fā)

3.1 無縫內(nèi)衣機工藝參數(shù)鏈條速度信息讀取程序

無縫內(nèi)衣機鏈條速度獲取流程圖如圖5（a）所示。將每步獲取到的無縫內(nèi)衣機鏈條速度Data1[s]發(fā)送到人機交互模塊并顯示在操作屏幕上?，F(xiàn)場工人可根據(jù)當(dāng)前機器實際運行狀態(tài)，在人機交互界面對鏈條速度值的微調(diào)，如圖5（b）所示。

圖5（a）中c為當(dāng)前步當(dāng)前圈數(shù)，Cs為當(dāng)前步總循環(huán)圈數(shù)，s為當(dāng)前步步數(shù)，S為總步數(shù)，Vs為當(dāng)前步鏈條速度值。Data1[s]為一個一維數(shù)組，用來存放從工藝參數(shù)文件中每一步對應(yīng)的鏈條速度。讀取每一步的鏈條速度，將對應(yīng)的Data1[s]發(fā)送到人機交互模塊。

圖5（b）中Vn為當(dāng)前步鏈條速度的微調(diào)值，Data2[s]用來存放ARM處理器發(fā)送過來的鏈條速度值，Data2[s]為每一步調(diào)整后的鏈條速度。內(nèi)衣機現(xiàn)場工人通過對數(shù)組表格的調(diào)整，解決不同機器狀態(tài)下可能達(dá)不到原制版程序中鏈條速度的問題。

3.2 無縫內(nèi)衣機轉(zhuǎn)速檢測程序

當(dāng)無縫內(nèi)衣機獲取到當(dāng)前步鏈條速度時，需根據(jù)當(dāng)前針筒的實時轉(zhuǎn)速進行速度的更新。ARM通過A，B相正交編碼信號來計算針筒的實時轉(zhuǎn)速，采用四倍頻進行編碼脈沖信號的捕獲[10]。無縫內(nèi)衣機實時轉(zhuǎn)速計算流程圖如圖6所示。

圖6中Tg，Sg為狀態(tài)標(biāo)記變量，TIM3為內(nèi)部的定時器，EncoderGatherTIM5（）為讀取編碼脈沖值的函數(shù)，p1，p2為讀取的編碼脈沖值臨時保存變量，p為針筒轉(zhuǎn)動一圈讀取的編碼脈沖值，TIM3采

用四倍頻計數(shù)，故p值為40 000，v為當(dāng)前時刻無縫內(nèi)衣機的轉(zhuǎn)速，單位為r/min，k為比例系數(shù)，其值大小與TIM計數(shù)中斷周期相關(guān)。k的計算如式（4）所示。

k=60 000T（4）

式中：T為TIM3定時器計數(shù)中斷時間，ms。其值大小可根據(jù)具體機型進行修改，本文T取值為30 ms，即每30 ms進行一次當(dāng)前速度的計算。

3.3 無縫內(nèi)衣機鏈條速度實時調(diào)整控制程序

當(dāng)ARM獲取到當(dāng)前步所需的鏈條速度數(shù)據(jù)后，計算當(dāng)前針筒的實時轉(zhuǎn)速，若當(dāng)前實時轉(zhuǎn)速與當(dāng)前步鏈條速度值不同時，需及時調(diào)整輸入到伺服驅(qū)動器處的脈沖頻率。定時器產(chǎn)生的伺服脈沖頻率的計算如式（5）所示。

ftr=fTAr（5）

式中：fT為在針筒轉(zhuǎn)速r下定時器時鐘頻率，Hz;Ar為在針筒轉(zhuǎn)速r下定時器內(nèi)部自動裝載值變量;ftr為在針筒轉(zhuǎn)速r時，定時器輸出比較模式下產(chǎn)生的伺服脈沖信號頻率，Hz。

由式（2）可知，針筒轉(zhuǎn)速為r時，產(chǎn)生的伺服脈沖信號頻率ftr的計算如式（6）所示。

ftr=160 000r60（6）

由式（5），式（6）及fT設(shè)置為30 MHz可知，在針筒轉(zhuǎn)速r下，定時器內(nèi)部自動裝載值變量Ar的計算如式（7）所示。

Ar=11 250r（7）

ARM獲取當(dāng)前步鏈條速度后，通過計算當(dāng)前步鏈條速度值與實時轉(zhuǎn)速值之間的偏差來分段調(diào)整Ar的值，并根據(jù)所得的Ar值調(diào)整伺服脈沖信號的頻率，從而控制無縫內(nèi)衣機的針筒轉(zhuǎn)速。無縫內(nèi)衣機鏈條速度執(zhí)行程序流程圖如圖7所示。

圖7中X為當(dāng)前步鏈條速度與針筒實時轉(zhuǎn)速的差值，I，j，i，F(xiàn)g，t為輔助變量，TIM11->ARR，TIM11->CCR1為定時器內(nèi)部寄存器。本文分段對伺服電機進行加減速控制，結(jié)合無縫內(nèi)衣機鏈條速度控制工藝，每段每隔t ms時間并按照5 r/min的速度改變值來控制伺服電機的轉(zhuǎn)速。延遲時間t的值與伺服驅(qū)動器的加減速參數(shù)有關(guān)，可根據(jù)無縫內(nèi)衣機實際運轉(zhuǎn)情況進行設(shè)定。

4 伺服電機速度控制穩(wěn)定測試

伺服電機速度控制穩(wěn)定性是無縫內(nèi)衣機正常工作的前提，當(dāng)伺服電機實際運轉(zhuǎn)速度低于其當(dāng)前步鏈條速度時，將會影響無縫內(nèi)衣機織物的產(chǎn)量，當(dāng)伺服電機實際運轉(zhuǎn)速度高于其當(dāng)前鏈條速度時，會增加無縫內(nèi)衣機的故障率，甚至出現(xiàn)撞針，破布等情況。市場上大多數(shù)無縫內(nèi)衣機的速度不會超過130 r/min，為了驗證伺服電機速度控制的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性，本文采用制版軟件設(shè)計了無縫內(nèi)衣機鏈條動作程序，其中涉及各步數(shù)下的鏈條速度數(shù)據(jù)如表1所示。

4.1 伺服電機速度穩(wěn)定時測試波形

鏈條速度數(shù)據(jù)分別為30 r/min與60 r/min時，波形如圖8所示。

圖8（a），圖8（b）代表無縫內(nèi)衣機分別在提取30 r/min及60 r/min的鏈條速度數(shù)據(jù)，控制伺服電機運行穩(wěn)定后，采集到經(jīng)編碼器采集電路轉(zhuǎn)換后的A相編碼器信號波形。

由圖8（a）可知，示波器捕獲到的A相編碼器信號波形的周期為200 μs，其頻率為5 kHz，將其代入式（3）可得，當(dāng)前實時轉(zhuǎn)速為30 r/min，與鏈條速度數(shù)據(jù)一致。同理可知，圖8（b）中編碼器A相波形測試頻率為10 kHz，將其代入式（3）可得，當(dāng)前實時轉(zhuǎn)速為60 r/min，與鏈條速度數(shù)據(jù)一致。通過觀察捕獲到的波形，說明鏈條速度確定時，伺服電機以一個穩(wěn)定的速度在編織，達(dá)到控制的穩(wěn)定性。

4.2 伺服電機速度變化測試波形

根據(jù)實際針筒直徑46.67cm，1 440針無縫內(nèi)衣機運行狀況分析得出，伺服電機速度執(zhí)行程序按照5 r/min 的速度改變值并通過延時25 ms保持波形頻率，進行分段控制系統(tǒng)控制達(dá)到快速穩(wěn)定控制。以30～60 r/min加速變化為例進行實驗波形檢測，截取實驗過程波形變化如圖9所示。

通過觀察捕獲到的波形，伺服電機轉(zhuǎn)速與鏈條速度不一致時，ARM在短時間內(nèi)改變脈沖頻率，使得伺服電機改變轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到控制的實時性和快速性。

4.3 現(xiàn)場編織測試

通過現(xiàn)場驗證編織測試，織物從圖案花型部分進入正常編織時，鏈條速度變化如圖10（a）所示，現(xiàn)場調(diào)試人員可根據(jù)機器實際情況微調(diào)鏈條速度。通知織物可明顯觀察得出退出花型組織編制步驟后，無縫內(nèi)衣機速度變快、成圈變密集，且織物前后成圈均勻平整、無破洞，如圖10（b）所示，說明該技術(shù)能夠有效地滿足伺服電機的控制需求。

5 結(jié) 語

結(jié)合無縫內(nèi)衣機工藝參數(shù)中鏈條速度控制工藝及伺服電機與針筒之間的傳動關(guān)系，以及考慮到內(nèi)衣機現(xiàn)場工人操作存在不便等問題，提出了一種基于工藝參數(shù)的無縫內(nèi)衣機速度動態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)。依據(jù)嵌入式控制技術(shù)、伺服電機控制技術(shù)、人機交互技術(shù)構(gòu)建了無縫內(nèi)衣機速度動態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)的總體結(jié)構(gòu)。

此技術(shù)通過零位檢測電路和鏈條速度獲取程序來獲取當(dāng)前步的鏈條速度數(shù)據(jù)，通過人機界面來細(xì)微調(diào)整不同狀態(tài)內(nèi)衣機的鏈條速度，通過編碼器采集電路和轉(zhuǎn)速檢測程序來計算當(dāng)前狀態(tài)下針筒的實時轉(zhuǎn)速，通過伺服控制電路和速度執(zhí)行程序來實時控制伺服電機所需的脈沖頻率，并通過實驗測試無縫內(nèi)衣機在鏈條速度數(shù)據(jù)為30 r/min與120 r/min時的針筒實時轉(zhuǎn)速以及測試當(dāng)鏈條速度變化時，伺服電機脈沖頻率跟隨變化響應(yīng)時間，測試結(jié)果表明，針筒轉(zhuǎn)速與鏈條速度數(shù)據(jù)一致，且運轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定;針筒轉(zhuǎn)速能在較短時間內(nèi)達(dá)到指定速度，滿足了針織市場對無縫內(nèi)衣機的速度控制要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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