0 引言

    梳櫛橫移機(jī)構(gòu)作為經(jīng)編機(jī)五大基本機(jī)構(gòu)之一，其動(dòng)作性能直接決定著成圈編織過程的成敗與產(chǎn)品品質(zhì)的優(yōu)劣，對(duì)經(jīng)編產(chǎn)品的花式效果、性能和檔次，以及花型研發(fā)的創(chuàng)作空間都有著重要的影響^[1]。電子橫移的應(yīng)用，順應(yīng)了目前全新的個(gè)性化小批量、訂制化多品種的短周期經(jīng)編產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)需求，為經(jīng)編操作提供了極大的便利和靈活性^[2]。目前，國(guó)外經(jīng)編企業(yè)已開發(fā)出了多種適用于不同機(jī)型的電子橫移產(chǎn)品，但其價(jià)格相對(duì)比較昂貴，因此，開發(fā)適合國(guó)內(nèi)經(jīng)編企業(yè)成本低廉、性能穩(wěn)定的高性價(jià)比電子橫移系統(tǒng)有著深遠(yuǎn)的意義。本文結(jié)合并發(fā)揮嵌入式微控制器和專用運(yùn)動(dòng)控制芯片的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一套嵌入式經(jīng)編機(jī)電子橫移系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

    經(jīng)編機(jī)梳櫛橫移運(yùn)動(dòng)具有大加速啟停、高精度定位和高頻率往復(fù)等特點(diǎn)，因此所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)必須滿足運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、定位精確、響應(yīng)快速等要求^[3-4]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用三層架構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃，依次是：運(yùn)動(dòng)管理層、運(yùn)動(dòng)控制層和運(yùn)動(dòng)執(zhí)行層，圖1即為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。運(yùn)動(dòng)管理層，采用工控機(jī)作為系統(tǒng)管理支持，配備編寫或組態(tài)的上位機(jī)軟件向上與操作用戶直接交互，向下與運(yùn)動(dòng)控制層經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。運(yùn)動(dòng)控制層，作為系統(tǒng)控制核心，其主要任務(wù)是完成對(duì)多軸伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制，并與上位機(jī)進(jìn)行通信，獲取并存儲(chǔ)工藝數(shù)據(jù)、系統(tǒng)參數(shù)，執(zhí)行上位機(jī)控制或反饋上位機(jī)監(jiān)測(cè)等。運(yùn)動(dòng)執(zhí)行層，主要包括由伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電動(dòng)機(jī)、電缸組成的電氣伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)和由導(dǎo)紗梳櫛、撐桿與拉簧組成的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分。

2 運(yùn)動(dòng)管理層設(shè)計(jì)

    選用工控機(jī)作為系統(tǒng)管理支持，有著運(yùn)行穩(wěn)定和數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本文采用北京昆侖通態(tài)的MCGSE進(jìn)行系統(tǒng)的上位機(jī)軟件組態(tài)開發(fā)，應(yīng)用Modbus TCP協(xié)議與運(yùn)動(dòng)控制層進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件主界面如圖2所示，其他內(nèi)部界面根據(jù)功能需求開發(fā)設(shè)計(jì)。 

3 運(yùn)動(dòng)控制層設(shè)計(jì)

    經(jīng)編機(jī)電子橫移系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)即為運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是制造業(yè)自動(dòng)化前進(jìn)的旋律，是推動(dòng)新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)^[5]。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，基于嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制日益增多。本文結(jié)合嵌入式微控制器STM32與專用運(yùn)動(dòng)控制芯片PCL6045BL兩者的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一套嵌入式經(jīng)編機(jī)電子橫移控制器，滿足系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜的控制功能和高速、高精度運(yùn)動(dòng)控制的要求，同時(shí)兼顧系統(tǒng)成本和結(jié)構(gòu)。

3.1 運(yùn)動(dòng)控制器硬件設(shè)計(jì)

    運(yùn)動(dòng)控制器硬件結(jié)構(gòu)主要包含兩大部分：STM32主控板和PCL6045BL運(yùn)動(dòng)控制板，兩塊板之間通過STM32的FSMC(Flexible Static Memory Controller)總線進(jìn)行通信，系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。其中，主控芯片STM32F103ZET6是ST公司生產(chǎn)的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，主頻可達(dá)72 MHz，具有高性能、低成本、穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)^[6]。運(yùn)動(dòng)控制芯片PCL6045BL是日本NPM公司設(shè)計(jì)的一款功能強(qiáng)大的專用運(yùn)動(dòng)控制芯片，是一種CMOS大規(guī)模集成電路，專門用于提供驅(qū)動(dòng)步進(jìn)馬達(dá)或伺服馬達(dá)所需的高速振蕩脈沖，可提供多種脈沖輸出功能，可以控制多達(dá)4個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，采用總線方式接收MCU命令，同時(shí)可向MCU提供PCL的工作狀態(tài)，使得MCU通過簡(jiǎn)單的指令便可實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)控制，這種智能化設(shè)計(jì)理念很好地減少了MCU的負(fù)擔(dān)^[7-8]。雙針床經(jīng)編機(jī)為增強(qiáng)花型變換能力，梳櫛數(shù)一般在4~8把之間，因此該系統(tǒng)采用兩塊運(yùn)動(dòng)控制器來完成對(duì)伺服執(zhí)行系統(tǒng)的控制，兩塊控制器通過交換機(jī)轉(zhuǎn)換，與上位機(jī)之間采用Modbus TCP協(xié)議進(jìn)行通信。

3.2 運(yùn)動(dòng)控制器軟件設(shè)計(jì)

    控制器軟件設(shè)計(jì)主要包括PCL6045BL運(yùn)動(dòng)控制器驅(qū)動(dòng)程序及運(yùn)動(dòng)控制功能程序設(shè)計(jì)、Modbus TCP通信設(shè)計(jì)和系統(tǒng)主體程序設(shè)計(jì)三大部分。

3.2.1 PCL6045BL的控制

    PCL6045BL通過將IF0端子拉高、IF1端子置低配置其與STM32的接口模式為16位的H8接口。STM32通過FSMC總線來驅(qū)動(dòng)PCL6045BL，將PCL6045BL當(dāng)作16位的SRAM來控制，F(xiàn)SMC的工作模式配置為模式A。由于外擴(kuò)的SRAM、以太網(wǎng)接口芯片DM9000A和PCL6045BL均掛載在FSMC總線上，它們使用不同的片選進(jìn)行區(qū)分，SRAM接FSMC_NE3，對(duì)FSMC_NE2配合FSMC_A19和FSMC_A20通過74HC138進(jìn)行地址譯碼輸出，DM9000A接74HC138的Y2#輸出端，PCL6045BL接Y4#輸出端，如此一來，便可計(jì)算得到其對(duì)應(yīng)的基地址分別為0x64100006（注：DM9000采用FSMC_A2作命令和數(shù)據(jù)區(qū)分線）和0x64200000，然后每個(gè)軸的內(nèi)部寄存器地址由A1、A2地址線確定（注：A0接地），軸地址范圍由輸入端子A3和A4進(jìn)行選擇，從而各軸控制地址映射范圍依次為：X軸=基地址、Y軸=基地址+0x10、Z軸=基地址+0x20、U軸=基地址+0x30。STM32對(duì)PCL6045BL的訪問實(shí)際上是對(duì)寄存器的操作。圖4(a)和(b)分別給出了STM32讀寫操作PCL6045BL寄存器的流程圖。

    在實(shí)現(xiàn)基本的讀寫操作后，就可利用這些基本的讀寫操作函數(shù)編寫所需要的運(yùn)動(dòng)控制API，這里只對(duì)重點(diǎn)使用到的相對(duì)(即增量)定長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)模式作簡(jiǎn)單介紹。首先，寫入相對(duì)定長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)指令到運(yùn)動(dòng)模式寄存器PRMD，接著配置運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)寄存器，然后寫入運(yùn)動(dòng)偏移量到運(yùn)動(dòng)距離寄存器PRMV，最后寫入啟動(dòng)指令等待完成即可。

3.2.2 Modbus TCP通信

    Modbus通信協(xié)議是工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言，通過此協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)控制器與控制器之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)與其他設(shè)備之間的通信^[9]。Modbus主從式或CS（Client/Server）架構(gòu)很好地滿足了確定性的要求，目前世界上絕大部分網(wǎng)絡(luò)都使用TCP/IP，通過在應(yīng)用層使用Modbus協(xié)議，將Modbus信息幀嵌入到TCP幀的數(shù)據(jù)段中，就可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換，具有很高的性價(jià)比，是一種很好的解決方案^[10]?？刂破鬈浖浦睱WIP到平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，在通信應(yīng)用層上將Modbus幀嵌入到TCP幀中簡(jiǎn)單可靠地實(shí)現(xiàn)嵌入式Modbus TCP協(xié)議。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)控制器作為服務(wù)器（Server），上位機(jī)作為客戶端（Client）經(jīng)由交換機(jī)與兩塊控制器建立通信連接?？刂破鞫薓odbus服務(wù)器設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

3.2.3 系統(tǒng)主程序

    在上電完成系統(tǒng)初始化后，讀取花型重要參數(shù)如花型高度、當(dāng)前橫列等，開啟服務(wù)器端，等待上位機(jī)建立網(wǎng)絡(luò)通信連接，接收由上位機(jī)傳入的花型工藝數(shù)據(jù)或參數(shù)修改信息，然后在經(jīng)編機(jī)運(yùn)行過程當(dāng)中，實(shí)時(shí)采集主軸絕對(duì)值編碼器獲取主軸位置信息，根據(jù)主軸位置信息和當(dāng)前橫列，獲取并計(jì)算出相應(yīng)的橫移驅(qū)動(dòng)指令，橫移角度到達(dá)時(shí)發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而使伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電缸帶動(dòng)導(dǎo)紗梳櫛完成橫移墊紗運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)主體程序?qū)崿F(xiàn)流程圖如圖6所示。

4 運(yùn)動(dòng)執(zhí)行層設(shè)計(jì)

    運(yùn)動(dòng)執(zhí)行層作為最終的輸出，對(duì)系統(tǒng)的精度有著重要的影響，該層在設(shè)計(jì)過程中主要是對(duì)一些器件的選型。伺服電動(dòng)機(jī)選用的是松下的低慣量MSMF082L1U2M交流伺服電動(dòng)機(jī)，其額定輸出功率為750 W，額定轉(zhuǎn)速3 000 rpm，最大轉(zhuǎn)矩為2.39 N·m。伺服驅(qū)動(dòng)器選擇的是松下MINAS A6系列MCDLN35SG通用通信型驅(qū)動(dòng)器，采用位置控制模式，具有控制簡(jiǎn)單且定位精確的優(yōu)勢(shì)。伺服電動(dòng)缸選用的是常州博控自動(dòng)化科技有限公司的BKB060伺服電動(dòng)缸，行程60 mm，導(dǎo)程10 mm，傳動(dòng)精度高，安裝方便，使用壽命長(zhǎng)。

5 測(cè)試結(jié)果

    系統(tǒng)以企業(yè)生產(chǎn)的RD7-EL-138-E22雙針床拉舍爾經(jīng)編機(jī)（針距1.155mm）為實(shí)用對(duì)象，系統(tǒng)平臺(tái)搭建實(shí)物圖如圖7所示，測(cè)定的梳櫛橫移起始角度如表1所示，使用的是8位絕對(duì)值編碼器所對(duì)應(yīng)的實(shí)際值而非實(shí)際的角度值。根據(jù)花型工藝要求所使用到的梳櫛為GB3~GB7，本文以GB5為主要測(cè)試對(duì)象，其對(duì)應(yīng)的工藝墊紗數(shù)碼值如表2所示。圖8為使用松下伺服PANATERM測(cè)試軟件實(shí)測(cè)的在主軸轉(zhuǎn)速300 r/min運(yùn)行條件下的GB5伺服系統(tǒng)的絕對(duì)式單圈數(shù)據(jù)(即位置)波形圖，圖中標(biāo)注的數(shù)字即為對(duì)應(yīng)的工藝墊紗數(shù)碼。測(cè)試結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用都表明，系統(tǒng)橫移定位精確，響應(yīng)速度較高，運(yùn)行平穩(wěn)，布面質(zhì)量良好，滿足正常生產(chǎn)需求。

6 結(jié)論

    本文采用三層架構(gòu)完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，著重對(duì)運(yùn)動(dòng)控制層主要模塊的軟硬件設(shè)計(jì)做了介紹，充分發(fā)揮了嵌入式微處理器和專用運(yùn)動(dòng)控制芯片的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，并在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得了成功的驗(yàn)證，滿足雙針床拉舍爾經(jīng)編機(jī)800橫列/分鐘的生產(chǎn)能力。

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作者信息:

郭偉軍，章國(guó)青，孫以澤

（東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海201620）