CN101519831B - 电脑花样缝纫机运动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电脑花样机的运动控制方法，该方法是在控制系统在主轴伺服电机匀速运转的同时，通过检测主轴伺服电机的角度来控制X轴和Y轴送料运动。工业控制计算机+现场可编程门阵列FPGA分别进行运算和控制，CPU运算完后的数据依次存储在FPGA提供的队列中，FPGA依次从队列中取数据进行控制，两者并行，大大节省了控制时间，提高了缝制速度。采用本发明的电脑花样缝纫机缝制速度高、且运行平稳，噪音小，线迹美观、均匀。本发明适用于现有的电脑花样缝纫机或其它类似的工业缝纫机的运动控制。

Description

电脑花样缝纫机运动控制方法
技术领域
本发明涉及数控领域中的运动控制方法，尤其是电脑花样缝纫机的运动控制方法。
背景技术
花样缝纫机是箱包、鞋帽等生产过程中不可缺少的重要缝制设备。电脑花样缝纫机采用的运动控制方法直接影响电脑花样缝纫机的性能指标。
公开号为CN1794561A的中国专利文献，公开了一种名称为《电子花样机电机运动控制方法》发明专利申请技术，该申请公开了一种电子花样缝纫机电机运动控制方法。该方法虽然实现了主轴电机的连续运行，但是在缝制每一针时主轴电机的速度都要进行变化，这样的控制方式难以实现高速平稳运行，缝制过程中的速度变化会导致机器运行时抖动。其中提及的在步距小于0.3mm时的最大缝制速度可以达到3000针/分的技术指标没有实用价值。
其它相关领域的技术，2000年6月出版的中国科技杂志《武汉科技学院学报》第12卷发表的名称为《富怡牌电脑绣花机工作原理》（作者赵延雯，吴世林、方晓初）的文章介绍了一种半互斥位置监测协同运动控制方法。该方法是控制系统在主轴伺服电机匀速运转的同时，检测主轴伺服电机的角度来控制X轴和Y轴送料运动。在控制过程中由于运算和控制没有分开，致使控制系统在缝制过程中两者不能同步进行而是顺序进行，减缓了系统的控制速度，使得缝制速度只能达到800针/分。这个指标对于绣花机来说已经足够，但是对于高速缝制设备花样缝纫机来说，这个速度就不能满足需求。
发明内容
为了解决电脑花样缝纫机缝制速度低、高速运行不平稳的问题。本发明提供了一种电脑花样缝纫机运动控制方法。
本发明的电脑花样缝纫机运动控制方法，依次包括下列内容：
花样缝纫机的控制系统在主轴伺服电机匀速运转的同时，通过检测主轴伺服电机的角度来控制X轴和Y轴送料运动过程；将主轴伺服电机停在送料开始角度位置和送料终止角度位置的编码器反馈输入到FPGA定义的相应的I/O地址中；在缝制过程中，主轴伺服电机以一定的速度匀速旋转，当缝纫机针随着主轴电机旋转到送料开始角度位置，此时当前主轴电机编码器返回值与FPGA相应I/O地址的送料开始角度一致，即表明当前位置可以开始驱动X/Y轴步进电机运行送料；FPGA控制步进电机进行升速，达到X/Y轴步进电机的运行速度Vx和Vy；Vx和Vy由FPGA根据主轴电机旋转速度和 X/Y方向移动的针距进行调节（针距范围0.1mm～12.7mm）；在机针从送料开始角度运行到送料终止角度的过程中，X/Y轴步进电机要完成规定的针距的移动；在机针运行到送料终止角度的时候，FPGA控制步进电机进行减速，直到速度为0，机针扎下，完成一针缝纫。以此类推完成后面每一针的缝制。
控制系统中的用于对花样数据的运算工业控制计算机对控制系统中的存储器中的花样文件进行读取编译，根据用户设置的运行速度控制主轴伺服电机进行匀速运转的速度；并将每针的X轴和Y轴方向的送料增量△x和△y缝纫数据送入运动控制卡中的的FPGA的队列中，等待执行单元的执行。
运动控制卡上的FPGA在控制X/Y轴步进电机的速度的同时还对步进电机的升降速度进行控制；由FPGA产生步进电机不同速度运行时所需的时钟频率，实现步进电机的变速度控制。
所述的控制方法还包括：X轴和Y轴方向的送料增量△x和△y缝纫数据通过运动控制卡上的FPGA芯片实现缓冲，所形成的数据队列由硬件按顺序执行。
本发明的方法，是基于一种电脑花样缝纫机控制系统的平台上实现的。该控制系统包括电脑控制单元、伺服驱动单元、人机界面单元、系统供电单元、系统软件。电脑控制单元由工业控制计算机（IPC）、运动控制卡和输出接口卡组成。
工业控制计算机（IPC）通过标准的PC104总线接口与运动控制卡相连。工业控制计算机（IPC）数据运算处理功能强大，主要负责对花样数据的运算，将每一针数据分割为X方向和Y方向增量，通过标准的PC104总线接口送到运动控制卡上的FPGA的队列中。
运动控制卡主要完成主轴、X轴、Y轴三轴的运动控制。运动控制卡通过1个标准的PC104总线接口与IPC相连；对主轴、X轴、Y轴的运动控制分别由3个接插件与主轴驱动器、X轴驱动器、Y轴驱动器相连；以FPGA为主的高速运动控制卡根据队列中的数据作细插补、伺服控制，对步进电机的运动进行控制。FPGA的运动控制采用位置检测协同运动控制方法。该控制方法主要是主轴伺服电机在缝制过程中匀速运转，由FPGA在主轴运转过程中监测主轴编码器的反馈（即主轴运转角度），从而将各轴的脉冲分配给伺服驱动单元控制两个进给轴X轴和Y轴步进电机运动，达到协同运动。
采用本发明，可以实现电脑花样缝纫机的高速度运动控制，经实验测试：电脑花样缝纫机在2.5mm针距时，缝纫速度为3200针/分；在3mm针距时，速度为2800针/分。采用本发明的电脑花样缝纫机缝制速度高、且运行平稳，噪音小，线迹美观、均匀。本发明适用于现有的电脑花样缝纫机或其它类似的工业缝纫机的运动控制。
附图说明
图1本发明的电脑花样缝纫机运动控制方法的电脑花样缝纫机硬件组成框图
图2本发明的电脑花样缝纫机运动控制方法的花样缝纫机运动控制原理示意图
图3本发明的电脑花样缝纫机运动控制方法的慢速运行时FPGA对X/Y轴步进电机升降速控制曲线 
图4本发明的电脑花样缝纫机运动控制方法的快速运行时FPGA对X/Y轴步进电机升降速控制曲线
图5本发明的电脑花样缝纫机运动控制方法的FPGA运动控制示意图
具体实施方式
以下结合附图对本发明电脑花样缝纫机运动控制方法进行进一步的详细描述。
从图1可以看出，本发明是在一种电脑花样缝纫机控制系统的平台上实现的。该控制系统包括电脑控制单元、伺服驱动单元、人机界面单元、系统供电单元、系统软件。电脑控制单元是本发明的最核心的部分，也是本发明提供方法实现的依托。电脑花样缝纫机由工业控制计算机（IPC）、运动控制卡和输出接口卡组成，电脑花样缝纫机负责系统软件的运行，实现屏幕显示、按键输入、文件管理、3轴（主轴、X轴、Y轴）运动控制、8路带光电隔离的开关量信号输入、8路带光电隔离的开关量信号输出。
工业控制计算机（IPC）采用低功耗、嵌入式NS Geode GX1 300MHz CPU，128M SDRAM，单5V DC电源；IPC上的CF（Compact Flash）存储卡用于存放系统软件，以及系统运行过程中生成的各种数据文件。 IPC具有标准的PC104总线接口（插座），通过该接口与运动控制卡相连。工业控制计算机（IPC）数据运算处理功能强大，主要负责对花样数据的运算。由工业控制计算机（IPC）对花样文件进行编译，根据用户设置的运行速度决定主轴伺服电机以什么样的速度进行匀速运转；将每针的X轴和Y轴方向的增量△x和△y送入FPGA的队列中等待执行单元的执行，图5即是FPGA运动控制示意图，由CPU和FPGA并行处理运算和控制，大大提高了运行速度，节省控制时间。
运动控制卡主要完成3轴（主轴、X轴、Y轴）运动控制。运动控制卡采用150万门现场可编程门阵列（FPGA），芯片型号XC2S150-5PQ208C，花样缝纫机所需的所有控制信号、输入信号、输出信号均由该芯片进行处理。运动控制卡通过1个标准的PC104总线接口（插针）与IPC相连；对主轴、X轴、Y轴的运动控制分别由3个接插件与主轴驱动器、X轴驱动器、Y轴驱动器相连，运动控制信号采用位置控制方式，即脉冲、方向控制，既支持交流伺服驱动器，也支持步进电机驱动器；
图2详细说明本发明的运动控制方法。将主轴伺服电机停在A送料开始角度位置和B送料终止角度位置的编码器反馈输入到FPGA定义的相应的I/O地址中。在缝制过程中，主轴伺服电机以一定的速度匀速旋转，当缝纫机针随着主轴电机旋转按照图2中箭头所指示的方向运行到A点，此时当前主轴电机编码器返回值与FPGA相应I/O地址的送料开始角度一致，即表明当前位置可以开始驱动X/Y轴步进电机运行送料。FPGA控制步进电机进行升速，达到X/Y轴步进电机的运行速度Vx和Vy。Vx和Vy由FPGA根据主轴电机旋转速度和 X/Y方向移动的针距进行调节（针距范围0.1mm～12.7mm）。在机针从A点送料开始角度到B点送料终止角度的过程中，X/Y轴步进电机要完成规定的针距的移动，在机针运行到B点送料终止角度的时候，FPGA控制步进电机进行减速，直到速度为0，机针扎下，完成一针缝纫。以此类推完成后面每一针的缝制。
在电脑花样缝纫机控制系统的控制过程中，只有更好的解决主轴交流伺服电机和进给轴步进电机之间的同步，才能有效的提高电脑花样缝纫机的运行速度。在电脑花样缝纫机运行时，主轴交流伺服电机匀速旋转，运动控制卡中的FPGA根据主轴的转速、允许送料角度及禁止送料角度控制步进电机的脉冲频率。FPGA对步进电机进行启动和停止控制是整个方法的关键。因为步进电机启动和停止的时候最容易出现丢步和过冲现象。一般情况下，花样缝纫机缝制过程都是要求步进电机启动时间短，而运行速度往往比较高。如果FPGA以要求的运行速度直接启动，因为该速度已超过极限启动频率而不能正常启动，运行速度越高，越容易出现丢步，严重的可能导致不能运行，发生堵转；电机运行起来以后，如果达到终点时立即停止发送脉冲串，令其停止运转，则由于惯性，电机转子会转过平衡位置，如果负载惯性很大，则会使步进电机转到接近终点平衡位置的下一个平衡位置停下，这样就形成了过冲，导致缝制过程中机针停止位置不准。目前国内电脑花样缝纫机运行速度就是受步进电机加速特性的限制。本方法在FPGA控制X/Y轴步进电机同时加入了对步进电机升降速的处理。由FPGA产生步进电机不同速度所需的时钟频率，可以实现步进电机的可变速度控制。如图3所示，FPGA对步进电机进行变速控制，实际就是改变输出脉冲的时间间隔，升速时使脉冲串逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐稀疏。从而良好的控制步进电机的运行，避免丢步或者过冲现象，大大提高了电脑花样缝纫机的缝制速度。
伺服驱动单元由交流伺服驱动器或步进电机驱动器，以及与它们相连的电机组成，是本发明实现的执行单元。主轴、X轴、Y轴驱动器的控制信号来自电脑控制单元的运动控制卡，控制信号经驱动器放大处理后直接驱动各自的电机。主轴、X轴、Y轴电机的旋转轴与工业缝纫机的机械传动系统相连，电机的旋转运动通过机械传动系统带动工业缝纫机的主轴、X轴、Y轴完成各自的运动。
主轴电机采用交流伺服电机。主轴电机的旋转轴与工业缝纫机主轴机械传动系统相连，它们之间的连接关系为1:1。主轴电机的旋转运动带动工业缝纫机机针上下运动，主轴电机旋转1圈，工业缝纫机机针上下运动1次。主轴电机旋转运动的同时将转角检测信号反馈至控制箱构成闭环系统。
从图4可以看出，步进电机升速——匀速——降速的时间随花样缝纫机运行速度的升高而缩短。
本发明的方法对缝制速度有以下两方面的提高：
1. 工业控制计算机（IPC）+现场可编程门阵列FPGA分别进行运算和控制，CPU运算完后的数据依次存储在FPGA提供的队列中，FPGA依次从队列中取数据进行控制，两者并行，大大节省了控制时间，提高了缝制速度。
2. FPGA对步进电机进行升降频控制，依照步进电机的升速以及降速特性，进行变速度控制，从而避免丢步和过冲，使得缝制速度得到了更高的提高。
本方法在采用了上述两种关键技术后，电脑花样缝纫机的缝制速度在实际应用当中可以达到3mm以下针距3200针/分；3mm针距2800针/分。完全能满足目前国内市场以及国际市场对电脑花样缝纫机的速度要求。

Claims (2)

1.一种电脑花样缝纫机运动控制方法，其特征在于，所述的控制方法依次包括下列内容：
花样缝纫机的控制系统在主轴伺服电机匀速运转的同时，通过检测主轴伺服电机的角度来控制X轴和Y轴送料运动过程；将主轴伺服电机停在送料开始角度位置和送料终止角度位置的编码器反馈输入到FPGA定义的相应的I/O地址中；在缝制过程中，主轴伺服电机以一定的速度匀速旋转，当缝纫机针随着主轴电机旋转到送料开始角度位置，此时当前主轴电机编码器返回值与FPGA相应I/O地址的送料开始角度一致，即表明当前位置可以开始驱动X/Y轴步进电机运行送料；FPGA控制步进电机进行升速，达到X/Y轴步进电机的运行速度Vx和Vy；Vx和Vy由FPGA根据主轴电机旋转速度和 X/Y方向移动的针距进行调节；在机针从送料开始角度运行到送料终止角度的过程中，X/Y轴步进电机要完成规定的针距的移动；在机针运行到送料终止角度的时候，FPGA控制步进电机进行减速，直到速度为0，机针扎下，完成一针缝纫；
控制系统中的用于对花样数据的运算工业控制计算机对控制系统中的存储器中的花样文件进行读取编译，根据用户设置的运行速度控制主轴伺服电机进行匀速运转的速度；并将每针的X轴和Y轴方向的送料增量△x和△y缝纫数据送入运动控制卡中的FPGA的队列中，等待执行单元的执行；
运动控制卡上的FPGA在控制X/Y轴步进电机的速度的同时还对步进电机的升降速度进行控制；由FPGA产生步进电机不同速度运行时所需的时钟频率，实现步进电机的变速度控制。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述的控制方法还包括下列内容：
X轴和Y轴方向的送料增量△x和△y缝纫数据通过运动控制卡上的FPGA芯片实现缓冲，所形成的数据队列由硬件按顺序执行。
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