提花袜机控制系统的设计:东莞高速提花控制系统

　　文章就电脑提花袜机提花原理、编织过程控制数据准备、控制系统实现等方面进行了讨论，针对提花袜机的核心技术，如选针器电磁阀驱动、CPLD时序控制、Flash花型数据存储等问题进行了相关研究。
　　The basic theory of computerized jacquard, preparation of knitting process controlling data and control system implementation have been discussed in this paper. The relevant study on the core technology of jacquard hosiery machine, such as solenoid valve drive of needle selection, CPLD timing control, Flash-pattern data storage, have been carried out.
　　提花袜机是目前使用较为广泛的一种袜机。其按智能程度可以分为机械式、半电脑式、全电脑式等 3 种。全电脑式袜机所有编织机构都使用电脑来控制，使得袜机的机械结构最简化，进一步提高了编织效率，其产品的种类也不再仅限于编织袜子，还包括护腕、护袖、头带、无缝内衣、连体袜、裤袜等。
　　1袜机提花原理研究
　　1.1自动提花袜机的工艺流程
　　提花袜机的工艺流程分为两大模块：后台处理机完成花型设计及处理，形成控制计算机能够接受并处理的花型文件；控制计算机根据花型数据完成对袜机的提花控制。其实现。
　　1.2袜机提花构件概述
　　袜机的提花动作由喂纱机构、选针机构和成圈机构相互配合完成。喂纱机构由喂纱手指、气缸、电磁阀和弹簧等组成；选针器由操刀片、永久磁铁、电磁线圈、接线板和保护外壳等组成；成圈机构就是一个成圈三角。该 3 个机构安装示意图。
　　电脑袜机的提花过程如下：在开始每个编织行前，先将存有此行所需要色纱的喂纱手指顶出，使纱线到达织针可以钩取的位置；织针在针筒的带动下依次经过 5 个喂纱器。当织针当前所编织色点颜色与喂纱手指送入的纱线颜色相同时，该处选针器中与该织针针号相对应的操刀片推出，织针在操刀片的作用下从等待针道上升至钩线钩线针道，并钩取色纱。然后，织针在退针三角的作用下回到等待针道中继续转动，直到织针到达成圈位置才在成圈三角的作用下完成成圈，从而完成对每个色点的编织过程。
　　2多CPU控制系统硬件设计
　　2.1多CPU控制平台组成
　　本袜机系统设计内容包括花型设计（花型、编织工艺等）、数据转换（从工艺设计获得控制数据）、编织过程控制等部分，其涉及的内容比较复杂。因此，本系统分为计算机机软件设计和控制系统硬件设计两大部分。经过对袜机提花原理分析，拟定控制系统框架。
　　通过系统框架图可以看出，本设计把袜机控制过程分为了 3 个部分，每一个部分由各自CPU完成控制。
　　（1）控制数据准备部分。它包括花型设计和控制数据生成两方面内容。袜子花型设计包括要编织的花型图案设计和编织工艺设计（每个编织工序需要编织的圈数，是否需要加厚或者加橡筋等），此过程设计完成后，得到表示图形和编织工艺的一系列点阵。控制数据生成部分则是通过软件算法，将上述点阵转换成相应的控制数据。然后，通过串口通讯，控制CPU将控制数据存储在控制数据存储器中。花型数据准备由PC机完成。
　　（2）时序控制部分。它负责袜机状态数据采集，并依据这些状态数据为电磁阀控制CPU和选针器控制CPU提供工序脉冲和针距脉冲，从而控制袜子编织流程。时序控制部分由上位机PC104完成。
　　（3）动作控制部分。该部分包括电磁阀控制和选针器控制两个方面。它们一方面与PC机结合，共同管理本子系统的控制文件，另一方面根据时序控制部分发送来的控制脉冲，结合控制数据，并通过相应驱动器控制电磁阀和选针器的动作状态。电磁阀控制和选针器控制由两片从单片机完成。
　　由于控制的需要，底层系统控制分为时序控制、电磁阀控制、选针器控制等 3 个部分，一共使用了 3 个控制器。各个部分控制内容不相同，需要这 3 个部分协调工作才能完成整个袜子的编织。
　　2.2选针器电磁线圈驱动电路设计
　　在本控制系统中，选针器操刀片控制电磁线圈的控制电压为 12 V，而控制系统电压为 5 V，在此使用了TP181光耦来完成电压转换。同时由于电磁线圈需要能够切换磁场方向，即可以根据控制需要连接 ＋12 V或 －12 V电压。
　　2.3CPLD时序控制
　　本系统中CPLD位于从单片机2与选针器线圈驱动部分之间。单片机2负责从FLASH存储器从读取数据，并对数据进行初步处理。CPLD在接收到控制数据后，对需要选针操刀片的电磁线圈通以正向电压（＋12 V），推出操刀片；对退出操刀片的电磁线圈通以负向电压（－12 V），收回操刀片；对需要保持状态操刀片的电磁线圈不通电，使其在磁化铁芯的作用下工作状态保持不变。
　　本设计将CPLD硬件系统分为 3 个部分：数据处理模块、计时模块、数据输出管理模块。模块关系图。其中，AddCLK、DataCLK、TimeCLK都为1位的控制信号；InAdd为 4 位地址数据，外接 1 个 4 位拨码开关，用于设置本CPLD控制器在系统中的地址；InData为 8 位数据信号，负责输入CPLD地址和选针器的控制数据。CPLD硬件功能模块组成。
　　2.4FLASH存储接口设计
　　本控制系统采用多CPU控制平台，需要存储多个控制文件，以增强其控制灵活性和使用方便性。但是电脑袜机控制文件数据一般较大（选针器控制数据一般在 60 k 以上，电磁阀控制数据也达到了 10 k），不可能全部存储在控制芯片上，而必须在外围扩展存储器。因此，系统中选用了AT29C020（空间为 256 k）FLASH作为控制数据存储器。AT29C020的驱动由重单片机1完成，单片机选用HMS30C72O2。
　　3软件数据构成
　　3.1系统控制软件流程
　　系统完成一次编织的工序流程图。
　　袜机编织一只袜子需要经历 13 个编织动作，图例中的大撑杆用于编制动作的切换，针筒为工序筒，完成一个工序总共需要 108 针。该流程图提供了本设备完成一次完整的编制所需的进程。
　　3.2花型的数据转换
　　由于袜机针筒上的织针是可以相互替代的，而本设计使用增量式旋转编码器来获取针筒的转动针距，就可以忽略针筒的绝对位置，直接开始编织。因此，在编织开始时，设正对第 1 个选针器选针位置的织针为第一针，与A、B、C、D、G等 5 个喂纱器正对的织针针号分别为第I、I＋b、I＋c、I＋c、I＋g针，这样就确定出了在编织过程中每个选针器的喂纱时机（即正对某一织针才能喂纱）。每组选线电磁阀控制数据由四位二进制数据组成，前 0、1、2 三位分别代表该组选针器的第 1、2、3 喂纱手指是否喂纱。图 6 为某提花示意花型。
　　在设计花型时，软件设置允许使用 22 种颜色，并按照这些颜色色纱在喂纱器上排列顺序进行编号（从 0 号颜色到 21 号颜色）。故可以把花型数据看成一个内容为颜色代号的二维数组。现以编织图 6 花型为例，说明电磁阀控制数据的生成过程。假定图 6 中黑色为主色，颜色代号为 21，白色和灰色为花型色，颜色代号分别为 2、7。
　　4结论
　　本文就电脑提花袜机提花原理、花型数据准备、控制系统实现等方面进行了设计，为改进机械式袜机、替换半自动袜机控制系统，提供了一种工作稳定的解决方案。