基于CAN总线的压电贾卡控制系统

本文以CAN总线为主要通讯设备,单片机为处理器,工控机为系统支持,匹艾州电子贾卡为执行机构,使该系统具有通讯灵活可靠、耐疲劳性好、花型通讯准确、稳定性好等特点。

In this paper, a electronic jacquard control system based on CAN field bus is brought forward,using CAN bus as the main communication equipment, single-chip as the processor, IPC as the system support, piezo jacquard as the implementation of state institutions, making the communications of the system flexible and reliable, fatigue resistance and stability good, transmission of the pattern correctly, and so on. Hope to provide a theoretical support for China's development of China-made electronic jacquard control system.

国外许多先进的新型的贾卡经编机都已采用了压电贾卡控制系统,该系统具有起花性能优异、系统稳定性好、执行机构简单、能耗小等优势,但国内对这方面的研究还不够深入。本文将对一种基于CAN总线的压电贾卡控制系统进行研究,为研制国产的压电贾卡控制系统提供一定的理论支持。

1压电贾卡控制系统原理

压电陶瓷贾卡系统组成如图 1 所示。系统由花型设计系统、工控机、贾卡控制板、贾卡驱动板、主轴信号装置、贾卡压电陶瓷元件等组成。

在产品设计时,一般首先由花型设计系统(经编CAD)进行花型设计与效果仿真。设计完成的花型通过USB接口或者网盘从上位机输入织物的花型信息,上位机进行数据处理后通过CAN总线与贾卡控制板进行数据交换,将贾卡花型信息存贮到控制板上,再从主轴信号装置(接近开关)上得到偏移的信号,当贾卡针可以进行针前或针背偏移时,贾卡控制板结合花型偏移信息,向贾卡驱动板发送偏移信号,驱动板将偏移信号进行转化和放大,进而驱动各个贾卡导纱针进行花型要求的偏移。

2压电贾卡控制系统的特点与工艺要求

主轴一转,横移机构推动贾卡梳栉做横移运动,同时每一个贾卡导纱针可以独立地在针前或者针背做偏移运动,显然,贾卡花型的垫纱运动是梳栉横移和贾卡针偏移的复合。贾卡针在针前、针背的偏移和复位,可以在织物表面形成薄、厚、网孔、立体等花纹效应,可见,这种复杂的复合运动具有超强的起花功能,同时也给压电贾卡控制系统提出了很高的要求。

2.1花型通讯要求

一台贾卡经编机上贾卡导纱针的数量较多,以MRPJ43/1的机型为例,幅宽为 132″时,贾卡针块数为 198,每块有导纱针 16 根,总数达到 3 168 之多,每根导纱针都要独立的受到控制信号的驱动做偏移运动。所以通常一个贾卡花型数据文件大小为几十kB至上百kB,比电子横移系统的一个花型文件要大的多,显然压电贾卡控制系统必须采用一种具有高效稳定的通讯功能的通讯方式,同时要求通讯快速、准确。

2.2反复偏移的疲劳性要求

以MRPJ43/1机型为例,机速 450 r/min,假设平均一枚贾卡导纱针每 5 个横列偏移 1 次,机器效率为 90% 时,每枚导纱针平均要偏移 81 次/min之多,这对贾卡导纱针的反复偏移性能要求很高。本文采用的压电贾卡导纱针,运用逆压电效应使电能转化为机械能,具有用电量少、发热少、使用寿命长的特点,因而具有良好的耐疲劳性能。

2.3运动精确性和响应性要求

贾卡针的配置都是一般都采取半机号配置的形式,导纱针间设置有定位块,贾卡针在定位块之间的偏移距离是很小的。偏移量过小,会引起檫针撞针现象,并导致花型形成错花,影响织物质量;偏移量过大,则导纱针与定位块的撞击激烈,影响针块寿命。

偏移时间短、频率高,这就要求压电贾卡控制系统的要具有很高的响应速度。否则会引起擦针撞针等现象,直接导致织针和贾卡导纱针损坏的严重后果。

2.4稳定性要求

为适应经编生产阔幅化的趋势,许多现代经编机上配置有大量的贾卡针块,每一根贾卡导纱针都是一个独立的控制单元,为使每一根针独立运动而不受干扰,系统的通讯和信号传输势必要有很好的抗干扰性,从而达到花型准确无误的系统稳定系。

3压电贾卡控制系统的硬件结构

3.1上位机

上位机主要由工控机和触摸屏组成。工控机内置CAN卡,外接CAN总线。CAN总线属于现场总线(Field Bus)的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络,使经编机压电贾卡控制系统具有通讯灵活、实时性好、靠干扰能力强、出错率低等特点。工控机的作用是将外部花型设计系统的花型通过USB或者网盘进行花型输入,接受来自贾卡控制板的数据信息,并进行数据分析和处理后向控制板发送花型信息,通过触摸屏完成对系统状态的检测、显示、修改、加载和参数设定等。

3.2压电贾卡控制板

单片机是贾卡控制板的核心,P89C51RD21单片机内置看门狗,有 6 时钟和 12 时钟两种工作模式,6 时钟工作模式下工作速度是 51 单片机的 2 倍,花型每一横列的读取速度不超过 30 ms,这正是采用这款单片机的原因。贾卡控制板的作用是储存花型信息并结合输入的主轴位置信号进行处理后,输出控制信号给贾卡导纱针驱动板。

如图 2 所示,串行信号由CAN控制模块输入单片机进而储存在Flash数据存储器,由于贾卡花型文件比较大,所以单片机必须连接外部扩展存储器才能存储庞大的贾卡花型文件。结合花型信息和主轴位置信号,控制板通过串口输出模块向驱动板输出控制信号。

3.3导纱针驱动板

导纱针驱动板上配置有传入并出芯片、总线驱动器、光电耦合放大装置等,其作用是将控制板输出的信号进行转化和放大,从而驱动压电贾卡导纱针完成花型要求的偏移动作。

所有的压电贾卡导纱针必须能同时被控制做偏移或复位的动作,但是 1 台贾卡经编机的贾卡导纱针的数量较多,不能采取并行方式输出控制信号。所以,如图 3 所示,控制信号先经过具有串行并出功能的芯片。为了提高单片机的驱动能力,并行信号还必须经过总线驱动器。从总线驱动器出来的信号必要时要经过反向电路,使导纱针得以复位。通过转化的偏移控制信号太微弱,必须经过放大后才能驱动贾卡导纱针,光电耦合放大装置很好地完成了这项功能,其自带高压光耦,不仅实现了弱电控制信号与强电的隔离,而且有效地抑制了干扰。

3.4压电陶瓷贾卡导纱针

贾卡贾卡导纱针元件由压电陶瓷片、玻璃纤维层、导纱针支架、贾卡导纱针等组成。在每一贾卡导纱针的两面各贴上压电陶瓷片,中间用玻璃纤维层隔离,起绝缘的作用。可替换的导纱针由导纱针支座固定在玻璃纤维层上。在每个导纱针的左右位置安装 2 个定位块,从而保证偏移的准 确性。

4控制系统软件设计

4.1上位机主控制程序

上位机主控制程序采用模块化的设计思路,借助于高级编程语言,完成对系统的通讯、显示、诊断,花型软件的输入、加载以及人机界面管理。包括文件CAN通讯模块、状态监测和显示模块、文件管理模块、参数修改模块等。主程序流程图如图 4 所示。

4.2CAN通信程序

CAN通讯程序将贾卡花型文件从上位机下载到控制板上的单片机。花型文件的传输由两部分组成:贾卡花型和花高、花宽和花型数据。CAN通讯程序流程如图 5 所示,程序启动时自动完成单片机串行通信的初始化工作,包括:波特率设置、数据传输格式及工作模式设置等。用户下载花型数据时,按下装置相应按键系统进入片外Flash擦除模式。约 5 ～ 10 s,Flash擦除完毕。传输的花型数据中,前两个字节为花型宽度,第 3、4 个字节为花型高度,紧接着就是贾卡导纱针动作的花型数据。花型数据的下载进度主要是通过这前 4 个字节来判断和控制。

4.3单片机程序

单片机子程序主要完成对花型文件和主轴位置信号相同步后对位输出偏移控制信号。如图 6 所示,当看门狗程序对系统的检测完成后,单片机通过CAN总线完成与上位机通讯,之后读取单片机的存储数据和位置信号,同步后进行信号输出。另外,当系统出现故障时(如掉电),花型数据等信息可以很好的保存。

5结语

基于CAN总线的压电贾卡控制系统充分发挥了CAN总线强大的通讯能力和抗干扰性能,采用了单片机的强大储存、快速处理以及压电贾卡的快速响应性,实现了贾卡控制系统的通讯灵活、长久耐疲劳、精确定位、快速响应和很高的可靠性,为我国研制国产的电子贾卡控制系统提供了一定的理论支持。

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