姚杰森 史偉民 彭來湖

摘 要：針對(duì)無縫內(nèi)衣機(jī)在調(diào)色編織過程中由于執(zhí)行驅(qū)動(dòng)開環(huán)控制，時(shí)延不可控導(dǎo)致添紗、剪紗、換紗等動(dòng)作不穩(wěn)定的問題，深入分析內(nèi)衣生產(chǎn)的調(diào)色工藝原理及驅(qū)動(dòng)控制特性。以提高調(diào)色編織工藝控制穩(wěn)定性為目的，提出一種無縫內(nèi)衣機(jī)驅(qū)動(dòng)與故障檢測(cè)一體化的調(diào)色控制技術(shù)方案，根據(jù)驅(qū)動(dòng)特性與回路電流特性，設(shè)計(jì)關(guān)鍵硬件電路與軟件程序。測(cè)試結(jié)果表明，該方案穩(wěn)定可靠、低功耗、工作效率高、能有效對(duì)故障信息進(jìn)行判定，滿足無縫內(nèi)衣機(jī)調(diào)色控制要求。

關(guān)鍵詞：無縫內(nèi)衣機(jī);特性分析;脈沖寬度調(diào)制;電流檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TS103.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2022）01-0115-07

Abstract： In view of the problems in the color blending and knitting process of the seamless underwear machine， such as the instability of actions like yarn addition， yarn cutting， and yarn change， due to the implementation of drive open-loop control and uncontrollable time delay， the color blending principle and drive control characteristic of underwear production are deeply analyzed. For the purpose of improving the control stability of color blending and knitting， a color blending control technology scheme that integrates the drive and fault detection of seamless underwear machine is proposed. According to the driving characteristics and characteristics of loop current， key hardware circuits and software programs are designed. The test results show that the proposed scheme is stable and reliable， with low power consumption， high working efficiency and effective judgment of fault information. So it can meet the color blending control requirements of seamless underwear machine.

Key words： seamless underwear machine; characteristic analysis; pulse width modulation; current detection

無縫內(nèi)衣機(jī)是一種采用一次成形技術(shù)的針織圓緯機(jī)，其編織織物具有良好的延展性、彈性與舒適性[1]。國(guó)內(nèi)無縫內(nèi)衣機(jī)發(fā)展迅速，但其控制系統(tǒng)在穩(wěn)定性以及功能性方面仍存在不足，在高速或長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)織物會(huì)出現(xiàn)橫紋、亂花現(xiàn)象[2]，導(dǎo)致織物質(zhì)量下降，甚至?xí)袊?yán)重?fù)p壞紡織設(shè)備的可能，給紡織企業(yè)造成巨大損失。因此對(duì)國(guó)產(chǎn)無縫內(nèi)衣機(jī)控制系統(tǒng)性能優(yōu)化已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。

本文從無縫內(nèi)衣機(jī)的調(diào)色工藝原理以及工況要求出發(fā)，分析驅(qū)檢一體化原理，提出一種驅(qū)動(dòng)與故障檢測(cè)一體化的調(diào)色控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制、故障檢測(cè)等目的，以進(jìn)一步提高生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 調(diào)色工藝分析

無縫內(nèi)衣機(jī)具有八路換紗裝置，織物每橫列由一路換紗裝置負(fù)責(zé)，通過換紗操作變換紗線種類與顏色，每路換紗裝置上有由15個(gè)電磁閥驅(qū)動(dòng)的8個(gè)梭子和1個(gè)開針鉤，其中1#2#梭子穿包芯紗作底紗，3#梭子穿扎口線或橡筋紗，按照?qǐng)D1（a）的A-C軌跡工作;6#梭子穿錦綸紗或棉紗作為主面紗，按照?qǐng)D1（b）的B-A-C-D或B-A-C-E-F軌跡工作;4#5#7#8#梭子主要用于調(diào)色操作，其中7#8#梭子穿色紗，按照?qǐng)D1（a）的A-C軌跡工作;4#5梭子穿錦綸紗，按照?qǐng)D1（b）的B-A-C-D軌跡工作[3]。在編織時(shí)，1#或2#梭子運(yùn)動(dòng)到C工作點(diǎn)位，使織針在選針區(qū)域中勾取包芯紗，根據(jù)織物編織要求，若選擇色紗作為面紗，則7#或8#梭子運(yùn)動(dòng)到C工作點(diǎn)位，織針勾取色紗與底紗同時(shí)成圈;若選擇錦綸作為面紗，則4#或5#梭子按照軌跡運(yùn)動(dòng)，織針勾取錦綸紗與底紗同時(shí)成圈。

無縫內(nèi)衣機(jī)調(diào)色控制實(shí)際上是通過切換不同梭子來引導(dǎo)不同顏色的紗線到選針區(qū)域上進(jìn)行編織，當(dāng)需要某一顏色紗線進(jìn)行編織時(shí)，將對(duì)應(yīng)顏色紗線靠近選針區(qū)域進(jìn)行編織，其余顏色紗線則不參與編織。在不同梭子間的共同作用下，多色紗線編織成多色織物，達(dá)到多色編織目的[4-5]。多色織物的結(jié)構(gòu)意匠圖如圖2所示，其中B代表黑色，G代表綠色，R代表紅色，Y代表黃色。

梭子動(dòng)作的迅速性與穩(wěn)定性是影響調(diào)色工藝優(yōu)劣的關(guān)鍵因素，并且實(shí)時(shí)檢測(cè)梭子工作狀態(tài)，有助于對(duì)編織機(jī)構(gòu)進(jìn)行有效監(jiān)控。梭子的動(dòng)作由換紗裝置上電磁閥來驅(qū)動(dòng)，電磁閥導(dǎo)通時(shí)，在壓縮空氣的作用下梭子沿旋轉(zhuǎn)軸上下轉(zhuǎn)動(dòng)或做直線運(yùn)動(dòng);當(dāng)電磁閥斷開時(shí)，彈簧的彈力使梭子復(fù)位。本調(diào)色控制技術(shù)結(jié)合調(diào)色工藝與執(zhí)行結(jié)構(gòu)，采用驅(qū)檢一體化技術(shù)，提高調(diào)色動(dòng)作的迅速性、穩(wěn)定性和自檢能力。

2 驅(qū)檢原理分析及總體方案

2.1 驅(qū)動(dòng)原理分析

調(diào)色梭子動(dòng)作的迅速性與穩(wěn)定性是無縫內(nèi)衣機(jī)調(diào)色正常工作的前提，影響調(diào)色梭子響應(yīng)速度的關(guān)鍵因素是電磁閥鐵磁質(zhì)對(duì)閥芯的吸力。根據(jù)麥克斯韋吸力公式[6]，電磁吸力為：

Fm=Φ22u0S0=12u0S0H2（1）

式中：Φ為磁通量，Wb;u0為氣隙磁導(dǎo)率，H/m;S0為氣隙面積，mm2;H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m。

電磁閥閥芯在運(yùn)動(dòng)過程中，在電磁閥鐵磁質(zhì)的影響下，由電磁滯回特性產(chǎn)生的一種不可避免的滯后現(xiàn)象，電磁滯回特性使得電磁閥的響應(yīng)速度變慢，影響電磁閥的控制精度[7-8]。電磁滯回特性示意圖如圖3所示，鐵磁質(zhì)在磁化過程中，若磁化不充分，即磁場(chǎng)強(qiáng)度H不足，則會(huì)導(dǎo)致得到的磁滯回線面積較小，鐵磁質(zhì)的剩磁、矯頑力變小，電磁吸力偏小，最終影響電磁閥閥芯狀態(tài)保持時(shí)間;若磁化過充分，實(shí)際磁滯回線仍為最大磁滯回線，即不能再增強(qiáng)鐵磁質(zhì)的磁化強(qiáng)度，造成資源浪費(fèi)。

磁場(chǎng)強(qiáng)度與電磁閥線圈安匝值Iw關(guān)系為：

H=Φu0s0=12δ·2Φδu0s0=12δ·Iw（2）

式中：δ為初始?xì)庀秾挾?，mm。

結(jié)合式（1）與式（2），電磁吸力受磁化強(qiáng)度的影響，磁化強(qiáng)度受電磁閥線圈安匝值的影響，電磁閥線圈安匝值可通過改變脈沖寬度調(diào)制（PWM）的占空比來調(diào)節(jié)。因此，可從分析電磁吸力角度出發(fā)，調(diào)整電磁閥線圈安匝值，以降低電磁滯回特性的影響，有助于提高電磁閥的響應(yīng)進(jìn)度。為保證鐵磁質(zhì)充分磁化，線圈在通電初期先采用高電平驅(qū)動(dòng)，后采用PWM脈沖驅(qū)動(dòng)，其中高電平保持時(shí)間至少為PWM周期的5倍[9]。

2.2 回路電流檢測(cè)原理分析

通過對(duì)電磁閥狀態(tài)檢測(cè)，有助于判斷調(diào)色梭子工作情況，以對(duì)調(diào)色動(dòng)作進(jìn)行有效監(jiān)控。采用回路電流檢測(cè)方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)色裝置電磁閥的異常故障檢測(cè)，首先使用型號(hào)為WK-6500B的阻抗分析儀對(duì)電磁閥的線圈進(jìn)行阻抗分析，可得到如圖4所示的等效電路模型[10-11]，其中線圈可等效為電阻R與電感L串聯(lián)電路。線圈電流變化可用微分方程表示為：

U=Ri+Ldidt+idLdxv（3）

電磁閥工作時(shí)其線圈開啟時(shí)電流波形圖如圖5所示。當(dāng)線圈通電初期，線圈存在初始電感，電流i由零逐漸增大到觸動(dòng)電流，同時(shí)電磁閥吸力也逐漸增大，但其吸力不足以使閥芯進(jìn)行動(dòng)作，即氣隙寬度，閥芯運(yùn)動(dòng)速度，則微分方程可轉(zhuǎn)化為：

U=Ri+L1didt（4）

根據(jù)t=0，i=0，的初始條件，可得微分方程的一個(gè)特解為：

i=UR1-eRL1t（5）

因此可得在閥芯運(yùn)動(dòng)前，線圈電流呈指數(shù)上升，如圖5中的觸動(dòng)階段0～t1。當(dāng)電流i增大到達(dá)觸動(dòng)電流時(shí)，即電磁閥吸力足夠克服流體力與彈力而使閥芯向下運(yùn)動(dòng)。通常情況下，在閥芯運(yùn)動(dòng)過程中線圈電流i比觸動(dòng)電流的數(shù)值要小，即電流i偏離指數(shù)上升曲線呈下降趨勢(shì)，如圖中的運(yùn)動(dòng)階段t1～t2，直到氣隙寬度δ=δmax，此時(shí)電感值為，微分方程則為：

U=Ri+L2didt（6）

設(shè)氣隙寬度達(dá)到δmax的時(shí)間為t=t2，電流值為i=i2，則有微分方程特解：

i=i2-URe-RL2（t-t2）+UR（7）

此時(shí)電磁閥線圈電流i呈指數(shù)上升，如圖5中的恢復(fù)階段t2～t3，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)值i=UR，即圖中穩(wěn)態(tài)階段t3～t4，達(dá)到電流最大值。

通過檢測(cè)電磁閥線圈電流情況，以判定電磁閥的工作狀態(tài)，若檢測(cè)到電流值偏離正常電流曲線，則證明電磁閥出現(xiàn)故障，若偏離情況過大，則出現(xiàn)電磁閥線圈短路或斷路情況。

2.3 總體設(shè)計(jì)方案

無縫內(nèi)衣機(jī)具有八路編織機(jī)構(gòu)，故需要八路調(diào)色控制單元對(duì)調(diào)色動(dòng)作進(jìn)行控制，每路調(diào)色控制單元的動(dòng)作受來自核心控制模塊的CAN總線協(xié)議指令來決定，無縫內(nèi)衣機(jī)調(diào)色控制總體設(shè)計(jì)方案如圖6所示。八路調(diào)色控制單元等間距安裝在圓形針筒外側(cè)，通過差分傳輸模式下的CAN總線與核心控制模塊的CAN接口連接組成CAN圓形網(wǎng)絡(luò)，并采用2個(gè)阻值為120Ω的終端電阻以減少CAN總線上的信號(hào)反射干擾[12]。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制單元框架

通過對(duì)無縫內(nèi)衣機(jī)調(diào)色工藝特性和調(diào)色梭子控制方式進(jìn)行分析與研究，可得到調(diào)色控制單元框架如圖7所示，由驅(qū)動(dòng)控制模塊（MCU）、電源轉(zhuǎn)換模塊、地址設(shè)置按鍵、LED指示燈、CAN通訊模塊及15路電磁閥驅(qū)檢模塊組成。電源轉(zhuǎn)換模塊為其他模塊提供電源;當(dāng)CAN通訊模塊接收到數(shù)據(jù)指令幀后，驅(qū)動(dòng)控制模塊從該幀數(shù)據(jù)中提取屬于自身地址編號(hào)的動(dòng)作信息，并根據(jù)動(dòng)作信息驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)電磁閥動(dòng)作;當(dāng)發(fā)生異常故障情況時(shí)，LED指示燈從呼吸燈狀態(tài)切換到頻閃狀態(tài)，以顯示調(diào)色控制單元檢測(cè)到的異常。

3.2 關(guān)鍵驅(qū)檢電路設(shè)計(jì)

電磁閥驅(qū)檢模塊為調(diào)色控制單元關(guān)鍵模塊，如圖8所示，其中Valve_Control為電磁閥控制引腳標(biāo)識(shí)符，MCU通過該引腳輸出由驅(qū)動(dòng)特性分析得到的PWM脈沖;Valve_Feedback為線圈電流檢測(cè)引腳標(biāo)識(shí)符，MCU通過該引腳輸入值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換與計(jì)算，得到線圈回路電流值;Q1為N溝道場(chǎng)效應(yīng)管（MOS管），作為輸出開關(guān)控制電磁閥驅(qū)動(dòng)輸出;D1為二極管，用于防止電磁閥線圈在通斷瞬間產(chǎn)生過大的反電動(dòng)勢(shì)而對(duì)電路造成損傷，通過二極管構(gòu)成泄放回路則有效將感生出來的反電動(dòng)勢(shì)予以泄放;Rf為采樣電阻，用于檢測(cè)計(jì)算電磁閥線圈工作電流變化情況。

通過檢測(cè)電磁閥線圈電流變化情況，結(jié)合線圈回路電流特性以判斷電磁閥工作狀態(tài)，若MCU檢測(cè)到電流值偏離正常工作電流曲線，則判定為出現(xiàn)異常故障事件，偏離過大則有線圈短路或斷路的情況。

4 程序開發(fā)

調(diào)色裝置控制單元需要實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的運(yùn)行環(huán)境，采用FreeRTOS作為平臺(tái)框架對(duì)調(diào)色裝置進(jìn)行調(diào)度與管理，其任務(wù)調(diào)度器能夠在各個(gè)任務(wù)間迅速切換[13-15]，滿足多任務(wù)調(diào)度操作。

4.1 電磁閥驅(qū)動(dòng)任務(wù)程序

當(dāng)CAN接收處理任務(wù)將指令數(shù)據(jù)幀解析后，通過釋放電磁閥控制信號(hào)量指示電磁閥驅(qū)動(dòng)任務(wù)做出動(dòng)作。電磁閥驅(qū)動(dòng)任務(wù)程序先從FLAH中讀取驅(qū)動(dòng)配置信息到緩存區(qū)，然后根據(jù)動(dòng)作指令數(shù)據(jù)，判斷具體各個(gè)點(diǎn)位的通斷狀態(tài)，若需要斷開則直接將相應(yīng)驅(qū)動(dòng)IO口輸出低電平;若需要導(dǎo)通則相應(yīng)驅(qū)動(dòng)IO口需要先輸出高電平一段時(shí)間后，切換到PWM脈沖輸出模式，同時(shí)釋放相應(yīng)電流檢測(cè)信號(hào)量。電磁閥驅(qū)動(dòng)任務(wù)軟件流程如圖9所示。

4.2 線圈電流檢測(cè)任務(wù)程序

線圈電流檢測(cè)任務(wù)程序通過軟件定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)，設(shè)定定時(shí)時(shí)間為300ms，即每300ms對(duì)ADC引腳的模擬量進(jìn)行采樣，并將轉(zhuǎn)化后的數(shù)字量存儲(chǔ)

在臨時(shí)數(shù)組ADC_Result_Temp[]中。當(dāng)請(qǐng)求到相應(yīng)電流檢測(cè)信號(hào)量后，抽取相應(yīng)臨時(shí)數(shù)組數(shù)據(jù)位到檢測(cè)結(jié)果數(shù)組ADC_Result[]中，其余檢測(cè)結(jié)果數(shù)組數(shù)據(jù)清零。最后依次檢驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)是否超限，若出現(xiàn)異常，則通過故障事件消息隊(duì)列傳遞給故障處理任務(wù)以產(chǎn)生報(bào)警信息。線圈電流檢測(cè)任務(wù)程序流程如圖10所示。

5 測(cè) 試

5.1 測(cè)試平臺(tái)搭建

將八路調(diào)色控制單元以級(jí)聯(lián)形式搭建如圖11所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過人機(jī)交互平臺(tái)將控制指令逐級(jí)下發(fā)，并通過示波器對(duì)電磁閥控制情況進(jìn)行觀察，以驗(yàn)證調(diào)色控制單元的驅(qū)檢功能。

5.2 驅(qū)動(dòng)測(cè)試

調(diào)色梭子動(dòng)作的迅速性與穩(wěn)定性是無縫內(nèi)衣機(jī)調(diào)色正常工作的前提，采用6組驅(qū)動(dòng)輸出項(xiàng)作為測(cè)試，以對(duì)比在不同PWM驅(qū)動(dòng)輸出下，調(diào)色控制單元對(duì)調(diào)色梭子的驅(qū)動(dòng)能力。對(duì)比情況如表1所示。

從測(cè)試項(xiàng)1、2、4、6可得到，在占空比固定的情況下，PWM頻率偏小，無法正常驅(qū)動(dòng)電磁閥，此時(shí)電磁閥不斷進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，不能提供穩(wěn)定的壓縮控制來驅(qū)動(dòng)調(diào)色梭子;當(dāng)PWM頻率增大，電磁閥驅(qū)動(dòng)趨于穩(wěn)定;PWM頻率偏大，對(duì)電磁閥驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性提升不大，反而增加調(diào)色控制單元的開關(guān)損耗。從測(cè)試項(xiàng)3、4、5可得到，在PWM頻率固定的情況下，占空比過小則無法正常驅(qū)動(dòng)電磁閥，此時(shí)電磁閥處于斷開狀態(tài)，無法提供壓縮空氣來驅(qū)動(dòng)調(diào)色梭子;當(dāng)占空比增大，電磁閥驅(qū)動(dòng)趨于穩(wěn)定，并提高響應(yīng)速度;占空比偏大，并長(zhǎng)時(shí)間處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電磁閥產(chǎn)生微熱現(xiàn)象，若繼續(xù)長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)通，則對(duì)電磁閥造成損害。

對(duì)比6組測(cè)試項(xiàng)，得到第4組驅(qū)動(dòng)情況較好，即PWM頻率為2000Hz，占空比為60%時(shí)電磁閥以較優(yōu)的驅(qū)動(dòng)性能使調(diào)色梭子以穩(wěn)定、迅速的狀態(tài)運(yùn)動(dòng)到指定點(diǎn)位，符合調(diào)色工藝驅(qū)動(dòng)要求。通過示波器對(duì)比指令下發(fā)到動(dòng)作執(zhí)行時(shí)間，可截取觀察到調(diào)色控制單元的驅(qū)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間，如圖12所示，響應(yīng)時(shí)間約為6 ms，滿足調(diào)色動(dòng)作要求。

5.3 檢測(cè)測(cè)試

在電磁閥正常導(dǎo)通后，通過短路接線端口以模擬電磁閥短路狀態(tài)，對(duì)調(diào)色裝置控制單元進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證能否實(shí)現(xiàn)故障處理。結(jié)果顯示調(diào)色控制單元LED指示燈加快閃爍頻率，通過CAN調(diào)試工具可觀察到異常反饋指令，說明產(chǎn)生異常報(bào)警，同理，通過迅速斷開電磁閥以模擬電磁閥斷路狀態(tài)，可觀察到同樣異常故障處理情況。經(jīng)多次試驗(yàn)，驗(yàn)證了本調(diào)色控制單元軟件具有實(shí)時(shí)性與可靠性。

5.4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

以浙江某紡織廠的一款型號(hào)為RFSM20的無縫內(nèi)衣機(jī)為測(cè)試對(duì)象，將八路調(diào)色控制單元安裝在機(jī)器上，在連續(xù)工作運(yùn)行編織8 h的情況下，觀察織物組織與花型圖案來判斷控制系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試照片如圖13所示，測(cè)試結(jié)果表明，RFSM20無縫內(nèi)衣機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，織物無橫紋、亂花等現(xiàn)象，調(diào)密裝置能夠準(zhǔn)確根據(jù)大量的動(dòng)作指令，有效實(shí)現(xiàn)調(diào)色工藝，提高控制系統(tǒng)的工作效率，滿足現(xiàn)場(chǎng)工作要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)無縫內(nèi)衣機(jī)調(diào)色工藝進(jìn)行分析，并針對(duì)調(diào)色裝置電磁閥的驅(qū)動(dòng)特性與回流電流特性，提出一種無縫內(nèi)衣機(jī)驅(qū)檢一體化調(diào)色控制技術(shù)方案，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該控制技術(shù)可靠性好、運(yùn)行穩(wěn)定，減少橫紋、亂花現(xiàn)象的產(chǎn)生，減少干擾，提高工作效率，滿足無縫內(nèi)衣機(jī)的控制要求。

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