于啟保，戴惠良，楊延竹，許新軍

(東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201620)

數(shù)控地毯樣機(jī)選紗系統(tǒng)研究

于啟保，戴惠良*，楊延竹，許新軍

(東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201620)

為適應(yīng)快速化、智能化生產(chǎn)需求，在傳統(tǒng)紡機(jī)選紗機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出一種新型數(shù)控地毯樣機(jī)的選紗系統(tǒng)。該系統(tǒng)上位機(jī)采用Visual Basic 6.0進(jìn)行系統(tǒng)軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)地毯圖案花型數(shù)據(jù)讀取與轉(zhuǎn)換等功能。下位機(jī)綜合運(yùn)用GALIL運(yùn)動控制卡、接近開關(guān)、電磁閥等部件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)動控制。結(jié)果證明，該系統(tǒng)可自動進(jìn)行紗線選取與漏紗檢測，準(zhǔn)確高效，滿足生產(chǎn)要求，提高了樣品質(zhì)量和生產(chǎn)速度。

數(shù)控地毯樣機(jī);選紗系統(tǒng);Visual Basic 6.0;GALIL運(yùn)動控制卡;接近開關(guān)

中國地毯業(yè)起步于20世紀(jì)80年代中期，近年來中國旅游業(yè)、酒店業(yè)和房地產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，地毯市場以每年20%的速度持續(xù)增長［1］。阿克明斯特地毯圖案豐富、風(fēng)格細(xì)膩，廣泛用于高級酒店、會議場館，市場需求量持續(xù)增長。阿克明斯特地毯生產(chǎn)中使用紗線等長絡(luò)筒，為了保證紗線滿足生產(chǎn)的需求，需要對紗線進(jìn)行超額投料，成本較高［2］。因此，在批量生產(chǎn)地毯之前，常常生產(chǎn)出地毯樣品以供研究設(shè)計(jì)人員和客戶參考。目前在地毯樣機(jī)研究方面:國外如澳大利亞Modra公司開發(fā)的Mtuft簇絨地毯樣機(jī)技術(shù)相對成熟，可在20min內(nèi)生產(chǎn)出一種地毯樣品［3］;國內(nèi)尚無單位設(shè)計(jì)出專門的新型數(shù)控地毯打樣設(shè)備。

針對阿克明斯特地毯生產(chǎn)工藝以及市場需求，文中設(shè)計(jì)出一種新型數(shù)控地毯樣機(jī)選紗系統(tǒng)。選紗系統(tǒng)是數(shù)控地毯樣機(jī)中的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，其性能的優(yōu)劣將直接影響地毯樣機(jī)以及地毯樣品質(zhì)量。該選紗系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中涉及應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)［4］、軟件開發(fā)技術(shù)、數(shù)控機(jī)床技術(shù)和傳感技術(shù)等相關(guān)技術(shù)，且最終研制出實(shí)體機(jī)構(gòu)。

1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理簡介

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在分析、研究國內(nèi)外先進(jìn)阿克明斯特地毯織機(jī)［5］、簇絨地毯織機(jī)［6～7］等織機(jī)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對其選紗機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，具體機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖1。該機(jī)構(gòu)主要工作部件有紗筒、大帶輪、鳥嘴、小帶輪和氣缸。紗筒共有20個紗線引導(dǎo)孔，最多可供20種不同顏色紗線進(jìn)行絨織。大、小帶輪分別由步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)驅(qū)動，鳥嘴的開閉由氣缸的伸縮控制完成。

1.2 工作原理簡介

當(dāng)選紗系統(tǒng)運(yùn)行時，首先上位機(jī)讀取地毯圖像(bmp格式)各像素點(diǎn)顏色RGB值，接著轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的花型數(shù)據(jù)，最后發(fā)送至下位機(jī)。在下位機(jī)工作時，步進(jìn)電機(jī)通過大帶輪驅(qū)動紗筒按照花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)動到預(yù)定位置后停止;此時伺服電機(jī)通過小帶輪驅(qū)動鳥嘴上升至預(yù)定位置時，氣缸收縮，鳥嘴閉合，夾緊紗線，紗線與鳥嘴共同向下運(yùn)動至預(yù)定位置時，氣缸伸長，鳥嘴打開，這樣即可完成選紗工作。通過紗筒的旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)不同紗線的選取。完整的提花過程在紗線選取之后還有割紗和針刺等運(yùn)動，在此不做贅述。

圖1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

2 選紗系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件設(shè)計(jì)流程

Visual Basic(VB)是一種由微軟公司開發(fā)的包含協(xié)助開發(fā)環(huán)境的事件驅(qū)動編程語言，她源自于BASIC編程語言。VB的易用性就是它的最大優(yōu)勢，可以讓經(jīng)驗(yàn)豐富的VB程序員或是剛剛懂得程序設(shè)計(jì)的人都能以自己的方式快速開發(fā)程序［8］。本系統(tǒng)在Windows環(huán)境中采用Visual Basic 6.0進(jìn)行軟件系統(tǒng)開發(fā)。經(jīng)研究分析，選紗系統(tǒng)軟件功能應(yīng)包括地毯圖像的載入、尺寸修改、RGB值讀取和花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化等，因此軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 軟件設(shè)計(jì)流程圖

2.2 花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

為自動獲取花型數(shù)據(jù)，系統(tǒng)軟件采用 Visual Basic中圖片框Point方法［9］讀取地毯圖像各像素點(diǎn)的RGB值，并記:

(i，j)代表像素點(diǎn)在圖像中的位置，但該值不能作為控制下位機(jī)運(yùn)動數(shù)據(jù)。在讀取圖像每個像素點(diǎn)RGB值后，將RGB值存入ppoint數(shù)組中進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理。將顏色進(jìn)行分類編號并將圖像中每個位置像素點(diǎn)顏色對應(yīng)的編號標(biāo)定出來。具體花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法如圖3所示。

圖3 花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法

算法中color_amount(k)記錄顏色編號;color_kind記錄顏色種類;color_place(i，j)記錄圖像(i，j)位置像素點(diǎn)顏色編號。花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換運(yùn)行實(shí)例如圖4所示。

圖4 花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換運(yùn)行實(shí)例

圖4中顯示了地毯圖像第10號顏色編號信息，顏色編號即代表該種顏色紗線在紗筒中的位置。為方便工作人員穿引紗線，還需顯示出各編號顏色具體信息，運(yùn)行實(shí)例結(jié)果如圖5所示。

圖5 圖像顏色信息運(yùn)行實(shí)例

工作人員可按照圖5在紗筒1號～20號紗孔中穿入相應(yīng)顏色紗線。例如可在1號孔穿入淺棕色紗線，在2號孔中穿入深褐色紗線等，沒有對應(yīng)顏色的顯示黑色。

3 硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)原理

3.1 控制系統(tǒng)及功能

本文設(shè)計(jì)的選紗系統(tǒng)控制系統(tǒng)及功能圖如圖6所示。

圖6中運(yùn)動控制卡選用DMC-21X3系列g(shù)alil運(yùn)動控制卡，該卡具有運(yùn)動控制—反饋接口和I/O信號接口等，并通過工業(yè)以太網(wǎng)與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊。紗筒接近開關(guān)、鳥嘴磁性開關(guān)、中間繼電器、漏紗檢測端口與24VDC電流串聯(lián)接入運(yùn)動控制卡I/O端口，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、伺服電機(jī)驅(qū)動器接入運(yùn)動控制—反饋接口。紗筒接近開關(guān)選用圓形電容式接近開關(guān)，氣缸選用磁性氣缸，并選用相應(yīng)的鳥嘴磁性開關(guān)，其他控制部件選型不做贅述。

3.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

3.2.1 紗筒原點(diǎn)檢測原理

為確保選紗系統(tǒng)能夠正常工作，正確選取紗線，因此在系統(tǒng)運(yùn)行之前，必須準(zhǔn)定位紗筒轉(zhuǎn)動原點(diǎn)位置，系統(tǒng)將1號紗線孔位置作為紗筒轉(zhuǎn)動原點(diǎn)位置。系統(tǒng)紗筒原點(diǎn)檢測原理如圖7所示。

圖7 紗筒原點(diǎn)檢測原理

系統(tǒng)檢測原點(diǎn)位置時，紗筒在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動下開始轉(zhuǎn)動。當(dāng)紗筒1號紗孔中心位置旋轉(zhuǎn)至接近開關(guān)(常開型)前方，由于1號紗孔中心位置相對其他紗筒位置相對高出，觸發(fā)接近開關(guān)電路轉(zhuǎn)換為低電平。galil運(yùn)動控制卡檢測到接近開關(guān)輸入口為低電平，隨即觸發(fā)步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動指令，從而檢測出紗筒原點(diǎn)位置。

3.2.2 紗筒旋轉(zhuǎn)原理

紗線在紗筒的位置相對固定不變，在選紗過程中，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)將指定紗線轉(zhuǎn)動到鳥嘴夾紗位置。為提高選紗工作效率，系統(tǒng)采用增量方式控制電機(jī)轉(zhuǎn)動并規(guī)定順時針方向?yàn)檎?。為避免紗線塑料管纏繞在一起，規(guī)定紗筒旋轉(zhuǎn)不超過180°。求算步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)增量算法如圖8所示。

圖8 電機(jī)旋轉(zhuǎn)增量算法

算法中k(i，j)表示地毯圖像(i，j)位置像素點(diǎn)顏色編號，pic_height表示圖像高度即行數(shù)，pic_ width表示圖像寬度即列數(shù)，increment表示圖片中每個位置后一個像素點(diǎn)顏色編號相對前者的增量。

具體的旋轉(zhuǎn)方法如圖9所示。

圖9 紗筒旋轉(zhuǎn)方法

假設(shè)連續(xù)3種紗線分別是1號-20號-6號，按照上述增量算法得其增量分別為1，-6，因此從一號紗孔到20號紗孔順時針旋轉(zhuǎn)1格，從20號紗孔到6號紗孔逆時針旋轉(zhuǎn)6格即可將相應(yīng)紗線轉(zhuǎn)送至鳥嘴夾持位置。

3.2.3 鳥嘴開閉原理

鳥嘴開閉原理示意圖如圖10所示。

圖10 鳥嘴開閉原理

在系統(tǒng)正常運(yùn)行之前，需要調(diào)整磁性開關(guān)在氣缸上的安裝位置，應(yīng)保證鳥嘴夾片運(yùn)動至最高點(diǎn)時，氣缸內(nèi)磁環(huán)接近磁性開關(guān)感應(yīng)區(qū)，磁性開關(guān)導(dǎo)通。具體工作原理為:鳥嘴與氣缸共同做上升運(yùn)動，此時氣缸下方氣口進(jìn)氣，上方氣口排氣，活塞桿伸長，鳥嘴處于張開狀態(tài)。當(dāng)鳥嘴夾片運(yùn)動至最高點(diǎn)時，磁性開關(guān)導(dǎo)通，galil運(yùn)動控制卡檢測到磁性開關(guān)輸入口為高電平，隨即觸發(fā)打開中間繼電器指令，電磁閥得電。電磁閥得電后，氣缸上方氣口進(jìn)氣，下方氣口排氣，活塞桿收縮，鳥嘴閉合，閉合一定時間后，鳥嘴再次打開，循環(huán)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)鳥嘴開閉功能。鳥嘴的閉合時間需根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際工作情況調(diào)試設(shè)定。

3.2.4 漏紗檢測原理

為避免地毯樣品由于漏紗問題產(chǎn)生瑕疵，本選紗系統(tǒng)設(shè)計(jì)了漏紗檢測機(jī)構(gòu)，其檢測原理如圖11所示。

鳥嘴旋轉(zhuǎn)夾片與鳥嘴固定夾片通過塑料套筒、橡膠墊片實(shí)現(xiàn)兩者絕緣，galil運(yùn)動控制卡輸出端口串聯(lián)24V直流電源，并連接固定在鳥嘴兩夾片上。當(dāng)鳥嘴閉合時，若鳥嘴夾住紗線則鳥嘴兩夾片之間不導(dǎo)通，輸出端口為低電平;若鳥嘴間沒有夾住紗線，此時鳥嘴兩夾片之間導(dǎo)通，輸出端口為高電平，隨即觸發(fā)停機(jī)檢查指令。

圖11 漏紗檢測原理

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的數(shù)控地毯樣機(jī)選紗系統(tǒng)針對阿克明斯特地毯生產(chǎn)工藝，結(jié)合數(shù)控機(jī)床技術(shù)、傳感技術(shù)等技術(shù)，在機(jī)械結(jié)構(gòu)、花型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)控制方面進(jìn)行了創(chuàng)新性設(shè)計(jì)和研究。事實(shí)證明，本選紗系統(tǒng)準(zhǔn)確高效，故障率低，滿足了數(shù)控化設(shè)備的性能要求及生產(chǎn)需求。

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于啟保(1986- )，男，漢族，江蘇宿遷人，東華大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)閿?shù)控機(jī)床技術(shù)、數(shù)字圖像處理與識別，yqb_email@126.com;

戴惠良(1963- )，男，漢族，東華大學(xué)機(jī)械學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)集成制造技術(shù)(CIMS)，CAD/CAM、現(xiàn)代紡織數(shù)字化制造裝備，daihl@dhu.edu.cn。

Research on Yarn Selection System of NC Carpet Sampling Machine

YU Qibao，DAI Huiliang*，YANG Yanzhu，XU Xinjun
(College of Mechanical Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China)

In order to adapt to the quick，intelligent production demand，this paper presents a new kind of yarn selection system for NC(Numerical Control)carpet sampling machine based on traditional structure.PC system software is developed based on Visual Basic 6.0 to read and convert carpet pattern data.The lower-computer control yarn selection system motion by using GALIL motion control card，proximity switches，solenoid valve and other components.The results prove that this system can automatically select the yarn and check those missing yarn.This system works accurately and efficiently to meet production requirements，improving the sample quality and production rate.

NC carpet sampling machine;yarn selection system;Visual Basic 6.0;GALIL motion control card; proximity switches

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.034

TP271.4

A

1005－9490(2014)02－0328－04

2013-06-12修改日期:2013-07-13

EEACC:7200;1265F