CN102774128B

CN102774128B - 基于双控模式的固定台板平网印花机

Info

Publication number: CN102774128B
Application number: CN201210116129.XA
Authority: CN
Inventors: 黄克强; 蒋坤; 陈则煌; 李俊宁; 吴明光
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-04-19
Filing date: 2012-04-19
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2032-04-19
Also published as: CN102774128A

Abstract

本发明公开一种基于双控模式的固定台板平网印花机，印花机包括固定台板和印花台车；伺服系统驱动台车和刮刀，步进电机驱动网框抬升机构。控制系统硬件为上下位机分层结构，下位机基于MCU+CPLD的多机协同架构；分层协同体系将实时/非实时任务分配至各处理单元，硬逻辑门电路则提升了系统的可靠性。台车移动的一个花回由速度开环/位置闭环控制的位移构成，两位移分别按电梯业的“理想速度曲线”、经“预减速度值”修正的“理想速度曲线”实现；“理想速度曲线”无加速度突变和突变引起的冲击，修正的“理想速度曲线”确保台车单一方向移动、降低了传动副的间隙误差；位置检测器检测到台车移至花回的末端、位移脉冲计数器预置末端位移值、消除速度开环控制段的误差，速度开环切换到位置闭环控制模式完成台车末端的位移。

Description

基于双控模式的固定台板平网印花机

技术领域

本发明涉及固定台板平网印花机控制技术，尤其涉及一种基于双控模式的固定台板平网印花机。

背景技术

纺织工业作为国民经济传统的支柱产业、重要的民生产业，也是我国在国际竞争中具有比较优势的产业。2010年，中国纺织品服装出口额2065亿美元，占全球纺织品服装贸易额的比重超过30%。“十二五”时期，我国纺织工业面临发达国家在产业链高端、发展中国家在产业链低端的双重竞争。“纺织工业十二五规划”将“提升传统纺织机械的生产效率和自动控制水平，增强产品可靠性”列入规划的重点。全球纺织生产中印花产品占11％~13％，印花纺织品的58％由圆网印花机生产，平网印花占28％；平网印花机以其花回大，适印大型图案，对花精度高，花型清晰，既适用于轻、薄织物(如丝绸类)，又适合厚、重织物(如毛毯、毛巾被类)，而在纺织品印花领域中占有一席之地。平网印花机可再细分为移动/固定式台板平网印花机，移动（布动）式台板平网印花机贡献平网印花份额的8成、余额2成落在固定式台板平网印花机和人工印花；我国纺织企业购置的大多是移动式台板平网印花机，其生产效率和自动化程度较固定式台板平网印花机高。

国内市场销售平网印花机的厂商众多，国外的有日本Tosin、瑞士Buser、奥地利zinmler、意大利Reggiani；国内的有郑州纺机、上印机、新昌纺机，以及台湾的奇正、宗龙、佑盛等厂家。厂商的重点是移动式台板平网印花机，很少甚至完全不顾及固定式台板平网印花机。无论是瑞士BUSER公司发明、至今己有70余年历史的全球首台自动平网印花机，还是该公司近期推出的e8型平网印花机；奥地利齐玛(ZIMMR)的magnoprint、西安德高的FSM-B、福建信龙和韩国大铱合作的DHP9900S型平网印花机等，无一例外指向移动式台板平网印花机。截止2007年，固定式台板平网印花机的市场容量仍相当有限；取之不尽的廉价熟练工、加上固定式台板平网印花机自身尚存在诸多技术上的不足，机器PK农民工、农民工胜出；2008年，PK场风云突变！

2008年1月l月，新劳动法实施，劳动力成本上升了10~20%；其后劳动力成本呈持续增长态势，2012年1月l月的劳动力成本是4年前的2.5倍，廉价劳动力的时代从此宣告终结；2012年3月，杭州地区的台板平网印花工月薪己突破3000大关；目前印花工的月薪仍处在逐月攀升的通道之中。2009年，凸现的民工荒使平网印花工的招聘陷入困境；随着80后农民工取代父辈逐渐成为农民工的主力，新生代农民工有别于父辈的最大不同点是更关注自身的发展和价值，追求有尊严的工作与生活，而不仅仅是赚钱养家。印花工毎个工班要步行4.5km，卸下、装上5.5kg嵌镶镂空花纹筛网的网框500次，奋力刮印2000次；总之，人工印花的工作单调枯燥、繁重乏味。勿庸置疑这份差亊不会落入80后农民工的法眼成为“有尊严的工作与生活”，从而导致招聘平网印花工生力军的工作陷入绝境；偶有80后农民工进入这一行，浅尝辄止，或“打酱油”或成“浮云”；孤独的守望者几乎清一色为奔50的老一代农民工。固定式台板平网印花业到了“最危险的时刻”--后继乏人！敢问固定式台板平网印花业的“路在何方”？路在技术创新。固定式台板平网印花机的关键技术之一是满足印花工艺要求的高对花精度，巡航导弹的设计理念为本发明揭示了问题的解决之道。对比V2火箭，人们惊奇的发现：巡航导弹的惯性导航仪精度在V2之下，而导航精度却远在V2之上；奥妙就在巡航导弹的动态校准技术--巡航导弹飞行过程中实时获取GPS定位信息修正航线，或根据电子地图的地标定点修正航线。本发明提出简化版的动态校准解决方案--在台车一个花回的移动末端进行一次位置校准--位移（置）脉冲计数器预置末端位移值，即清除台车该花回移动末端前的误差，类似巡航导弹的地标定点修正，满足印花工艺的高对花精度要求。鉴于我国的固定式台板平网印花机生产厂商，以及使用该产品的印染厂商多为中小型企业，因此固定式台板平网印花机的设计必须遵循以下准则：

1、固定式台板平网印花机的生产、安装和调试，技术门槛须适中；日常的保养和使用要简单快捷。

2、固定式台板平网印花机需借鉴圆网印花机、移动式台板平网印花机的最新技术成果，占据技术制高点；而不拘泥于传统的纯机械或普通电机解决方案。

3、综合应用微电子、控制等领域的研究成果，实现高品质印花产品的高效生产。

固定式台板平网印花机的研究成果相对匮乏，本发明旨在补上这一课。较有代表性的知识产权成果综述如下：

1、发明专利“移动式全自动平网印花机”(ZL99111736.0），提出采用电动机输出动力经蜗杆、蜗轮减速传递给凸轮控制机构、行程升降机构、正反刮印机构的平网印花机机械式自动化解决方案。

2、发明专利“一种基于手工台板的平网印花装置”（ZL200710018269.2），提出一种基于手工台板的平网印花装置，平网印花机设置在手工台板上方，位于印花机座的底部安装有行走轮，行走轮设置在轨道上，轨道沿手工台板的长度方向架设。

上述有益探索，提出了固定式台板平网印花机纯机械或普通电机解决方案，有一定的参考价值，但探索成果仍存在局限：技术相对陈旧、效能有限、且高精度对花技术缺位；因此，有必要在现有研究成果基础上作深入的研究与创新。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，借鉴电梯行业的“理想速度曲线”、以及用于台车一个花回末端位置处的“预减速度值”修正的“理想速度曲线”，在分层协同体系的印花机控制系统硬件平台上，提供一种基于双控模式的固定台板平网印花机。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于双控模式的固定台板平网印花机，由固定台板和印花台车（印花单元）组成；敷设电加热温控系统的固定台板由支撑底座、台车驱动同步带、直线导轨、长且平整的台板面构成，印花台车由台车交流伺服驱动系统和控制盒、台车基座、网框架、安装镂空花纹高分子膜筛网的网框、刮刀交流伺服驱动系统和刮刀固定架、刮刀、抬升步进电机驱动系统和抬升机构、位置检测器组成；位置检测器包括左轴承及配套的轴承座、位置检测同步带轮、轴、右轴承及配套的轴承座、联轴器、旋转编码器，位置检测同步带轮与固定于台板上的台车驱动同步带啮合、位置检测同步带轮的轴通过联轴器连到旋转编码器、检测位置检测同步带轮的转动，因位置检测同步带轮无负载、保证了旋转编码测量的高精度；印花机控制系统的硬件采用上下位机结构，下位机则基于MCU+CPLD的多机协同硬件架构；印花机的控制系统由并列的速度开环控制和位置闭环控制两部分组成，印花台车移动的一个花回由速度开环控制的位移及位置闭环控制的位移构成，两位移分别参照电梯行业的“理想速度曲线”、经“预减速度值”修正的“理想速度曲线”进行；位置检测器捡测到台车移至花回的末端位置时，位移脉冲计数器预置末端位移值、清除速度开环控制段的误差，速度开环切换到位置闭环控制模式完成台车末端的位移。

印花机控制系统的硬件采用上下位机分层结构，两者通过RS232接口进行信息交互；上位机是配置触摸屏的嵌入式控制器，用户通过上位机人机交互界面设定平网印花机的工艺参数、借助上位机按键下发控制命令和工艺参数，上位机同时负责存储、显示下位机上传的各种信息；下位机接收上位机发送的参数、命令等信息，转化成速度指令、开环控制台车伺服电机并驱动相应的机构；根据印花台车上安装的位置检测器获取台车移至花回的末端位置信号，位移脉冲计数器预置末端位移值、清除速度开环控制段的误差，速度开环控制立即切换到第2种控制模式--位置闭环控制，完成台车末端的位移；根据印花工位的定位就绪信号，启动步进电机、驱动印花台车的抬升机构带动网框运动；根据网框的就位信号，启动刮刀翻转、刮刀伺服电机驱动刮刀印花；输入的开关量有：各轴的限位信号，紧急停止，人靠近传感器信号，刮刀到位传感器检测信号等；输出的开关量有：通过继电器实现的启动和关闭动作。

下位机基于MCU+CPLD的多机协同硬件架构；MCU（P89LV51RD2）负责与上位机通信、获取运行参数和命令，负责数据处理和运行状态的管理、协调印花工艺流程的进程，将控制命令下传给CPLD（EPM1270T144C5N）、实时读取CPLD的运行状态、上传给上位机显示；CPLD控制伺服电机和步进电机，经双路高速光耦与外设相连，读取外设的输入，输出外设所需的脉冲、开关量等；MCU与CPLD采用总线方式（19根IO口线）互连：MCU的P0口与CPLD的管脚73--81相连、MCU的P2口与CPLD的管脚102--93相连、ALE用作锁存信号、CPLD产生的中断信号通过管脚84、85分别接入MCU的引脚INT0和INT1，提升下位机的实时响应能力。下位机的电源设计方案：伺服电机和伺服驱动器的工作电压为两相交流220V，直接取自动力电；伺服驱动器信号电源需24V直流，采用型号S-120W-24V/5A的AC-DC开关电源；步进电机驱动器的5V直流电源，将S-120W-24V/5A输出的24V直流与LM2596开关电源芯片的管脚1（VIN）相连、电容C₇₁和CP₁并联后一端接地另一端与管脚1相连，LM2596的管脚3、6接地，管脚2与稳压管D₂（1N5822）、电感L₁（330uh）相连，稳压管D₂的另一端接地、电感L₁的另一端与LM2596管脚4相连输出5V电源，5V电源输出端并接CP₂接地电容。

下位机的CPLD借助VHDL描述CPLD的逻辑功能，CPLD包含主控制模块、总线接口模块、外设控制模块；外设控制模块包括伺服电机控制模块、步进电机控制模块、位置计数处理模块和输入输出模块；主控制模块处理、存储和管理MCU下传的数据，响应MCU下传的控制命令，通过外设控制模块控制外设。

双控模式固定台板平网印花机的“理想速度曲线”和经“预减速度值”修正的“理想速度曲线”借鉴的是电梯行业的“理想速度曲线”；“理想速度曲线”的加减速过程可分为加加速、匀加速、减加速、匀速、加减速、匀减速、减减速7个阶段，又可分成起动加速、匀速运行和制动减速三部分，理想速度曲线无加速度的突变和加速度突变引起的冲击；“预减速度值”修正“理想速度曲线”的内涵是理想速度值减去预设的固定微小速度值，目的是确保台车移动方向的单一性。

印花机控制系统的双控模式由并列的速度开环控制和位置闭环控制组成；印花台车移动的一个花回由速度开环控制的位移及位置闭环控制的位移构成，两位移分别参照电梯行业的“理想速度曲线”、经“预减速度值”修正的“理想速度曲线”进行控制；控制流程按时间先后排序：第一步，台车启动至台车移动至该花回的末端，即“理想速度曲线”的加加速、匀加速、减加速、匀速、加减速、匀减速段及减减速段的前段，双控模式中的开环控制使能，CPLD读取“理想速度曲线”对应的“理想速度频率表”、速度开环控制台车移动；第二步，位置检测器捡测台车到达该花回的末端位置，位移脉冲计数器预置台车花回的末端位移值（驱动伺服电机的脉冲数），消除速度开环控制段的误差，控制切换至第2种控制模式--位置闭环控制；第三步，CPLD读取经“预减速度值”修正的“理想速度频率表”，位置闭环控制台车移动：CPLD逐一读取修正的“理想速度频率表”的脉冲频率，脉冲计数器预置的位移值减去脉冲频率*采样周期，直至读完“理想速度频率表”；此时，预置的伺服电机脉冲数仍大于0，按理想速度频率表的最小值继续驱动伺服电机，并从脉冲计数器中扣除脉冲数，直至位移脉冲计数器为零。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：印花机控制系统的硬件采用上下位机分层结构，下位机基于MCU+CPLD的多机协同架构；分层协同体系使实时/非实时任务能在各处理单元间合理分配，硬逻辑门电路则提升了系统的可靠性。台车移动的一个花回由速度开环/位置闭环控制的位移构成，两位移分别参照电梯业的“理想速度曲线”、经“预减速度值”修正的“理想速度曲线”实现；“理想速度曲线”无加速度突变、消除了加速度突变引起的冲击，修正的“理想速度曲线”确保台车移动方向的单一性、降低了机械传动副的间隙误差。位置检测器捡测到台车移至花回的末端位置时、位移脉冲计数器预置台车花回的末端位移值、清除速度开环控制段的误差，速度开环控制切换到第2种控制模式--位置闭环控制，完成台车花回末端的位移；速度开环控制在一定精度前提下、保证了印花效率，位置闭环控制在一定效率前提下、保证了印花品质。

附图说明

图1是基于双控模式的固定台板平网印花机结构图；

图2是旋转编码器安装结构图；

图3是平网印花机控制系统的结构框图；

图4是平网印花机下位机控制系统的结构框图；

图5是P89LV51RD2连接EPM1270T144C5N的电路原理图；

图6是步进电机驱动器的电源电路图；

图7是CPLD功能模块结构图；

图8是CPLD主控制模块的结构图；

图9是印花方向的台车速度/时间、加速度/时间曲线图；

图10是双控模式平网印花机的控制系统结构图；

图中，支撑底座1、位置检测器2、台车驱动同步带3、直线导轨4、台板面5、控制盒6、台车基座7、网框架8、具有镂空花纹高分子膜筛网的网框9、刮刀固定架10、刮刀11、抬升机构12、刮刀行走支撑座13、左轴承座21、位置检测同步带轮22、轴23、右轴承座24、联轴器25、旋转编码器26。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明基于双控模式的固定台板平网印花机包括固定台板和印花台车（印花单元）两部分；固定台板主要由支撑底座1、台车驱动同步带3、直线导轨4和台板面5组成；印花台车主要由台车交流伺服驱动系统（台车交流伺服驱动系统在图背面，图中未显示）和控制盒6、台车基座7、网框架8、网框9、刮刀交流伺服驱动系统（刮刀交流伺服驱动系统在图背面，图中未显示）和刮刀固定架10、刮刀11、抬升步进电机驱动系统（抬升步进电机驱动系统在图背面，图中未显示）、抬升机构12、刮刀行走支撑座13和位置检测器2组成；位置检测器2包括左轴承及配套的左轴承座21、位置检测同步带轮22、轴23、右轴承及配套的右轴承座24、联轴器25和旋转编码器26。

位置检测同步带轮22与固定于台板上的台车驱动同步带3啮合、位置检测器2的轴23通过联轴器25连到旋转编码器26、旋转编码器26检测位置检测同步带轮22的转动，因位置检测同步带轮22无负载、保证了旋转编码测量的高精度。

印有镂空花纹的高分子膜筛网（花版）固定在网框9上，筛网的镂空花纹区域可以透过色浆，而无花纹区域因高分子膜的存在彻底阻断了色浆到达织物的通道。印花工艺的第一步，待印织物粘贴在固定台板上固定不动，印花台车的台车交流伺服驱动系统与台车驱动同步带3通过齿轮啮合驱动台车、使其精确定位到相应的印花工位，直线导轨4的作用是支撑印花台车、且在其运动时起导向作用；印花工艺的第二步，抬升步进电机驱动系统驱动抬升机构12，从而带动网框9下降紧压织物，再由刮刀交流伺服驱动系统驱动刮刀11、推动网框9上的色浆反复刮印，色浆透过网框9完成一个花色（套色）的印花，网框9抬起、待筛网面与织物分离后，印花台车移动一个花回、到下一个印花工位，直至固定台板上的最后一个印花工位；印花工艺的专业术语“花回”是指印花台车在织物上所印图案的长度。平网印花机根据织物印制图案的套色要求，通常需配置几个或几十个不同镂空花纹的套色筛网；一旦完成一个套色的全部印花工序，就更换下一个不同花色的筛网和不同颜色的色浆进行下一轮印花；直至完成最后一个不同花色（套色）筛网的印花；印花工艺的专业术语“对花精度”是指台车不同套色筛网到达同一印花工位的位置精度，亦称重复定位精度。固定台板下敷设电加热温控系统，确保第N+1套色印花时、第N（N>0）套色印花的色浆已完全干透，从而杜绝了织物上不同色浆间的串色、有助于获取高清晰的精细织物图案。

如图3所示，平网印花机控制系统属典型的上下位机分层结构，两者通过RS232接口进行信息交互。上位机是配置触摸屏的嵌入式控制器，用户通过上位机人机交互界面设定平网印花机的工艺参数，借助上位机按键下发控制命令和工艺参数；上位机同时负责存储、显示下位机上传的各种信息。下位机接收上位机发送的参数、命令等信息，转化成速度指令、开环控制台车伺服电机并驱动相应的机构；根据印花台车上安装的位置检测器获取台车移至花回末端的位置信号，位移脉冲计数器预置末端位移值、清除速度开环控制段的误差，速度开环控制立即切换到第2种控制模式--印花台车花回末端的位置闭环控制。根据印花工位的定位就绪信号，启动步进电机、驱动印花台车的抬升机构带动网框运动；根据网框的就位信号，启动刮刀翻转、刮刀伺服电机驱动刮刀印花。输入的开关量有：各轴的限位信号，紧急停止，人靠近传感器信号，刮刀到位传感器检测信号等；输出的开关量有：通过继电器实现的启动和关闭动作，例如电机紧急刹车、刮刀翻转等。

台车交流伺服驱动系统可以采用杭州日鼎控制技术有限公司的伺服电机130ST-M077C2C及配套的数字式交流伺服驱动器DAS3206，系统自带内嵌的“三控制环”：电流环、速度环及位置环（杭州日鼎控制有限公司.伺服驱动器说明书，2008）；抬升步进电机驱动系统可以采用杭州思科赛电子有限公司的85BYGH250B两相混合式步进电机及配套的步进电机驱动器HB-5030，驱动器采用双极性恒流斩波驱动技术，提高了步进电机的驱动能力（杭州思科赛电子有限公司.HB-5030使用手册，2008）。印花台车在台车交流伺服驱动系统和台车驱动同步带3共同作用下移动，带动位置检测同步带轮22和旋转编码器26一起转动；旋转编码器26可以采用欧姆龙的增量型编码器E6D-CWZ1E，分辨率6000脉冲/转，响应频率200kHz（欧姆龙，E6D-C说明书，2007）；刮刀11的刮刀到位传感器可以采用南京施科传感器有限责任公司生产的电涡流传感器LG4-S12-3E1，检测距离4mm。

如图4所示，下位机基于MCU+CPLD的多机协同架构：MCU可以采用飞利浦公司P89LV51RD2的产品，P89LV51RD2是一款以80C51为内核的微控制器，CPLD可以选用ALTERA公司MAXII系列的EPM1270T144C5N--内含1270个逻辑单元（LE）、等价于980宏单元、最大用户可用I/O 212；MCU负责与上位机的通信，获得运行参数和运行命令、负责数据处理和运行状态的管理、协调印花工艺流程的进程，将控制命令下传给CPLD、实时读取CPLD的运行状态、上传给上位机显示；CPLD控制伺服电机和步进电机，经双路高速光耦HCPL2630与外设相连，读取外设的输入，输出外设所需要的脉冲、开关量等。

如图5所示，EPM1270T144C5N采用总线方式接入P89LV51RD2、通过19根IO口线实现数据与控制信息的传输；MCU P89LV51RD2的P0口作为地址总线低8位地址且和数据总线复用、P2口定义为地址总线的高8位，CPLD EPM1270T144C5N的管脚73--81分配给地址总线的低8位且和数据总线复用、102--93管脚配置成地址总线的高8位；CPLD产生的中断信号通过管脚84、85分别接入MCU的引脚INT0和INT1，从而有效提升了下位机的实时响应能力。MCU在第一个读写周期开始后，把低8位地址送到PO口总线、高8位地址送至P2口总线，ALE用作锁存信号、在其下降沿时刻把低8位地址锁存到地址锁存器中，而高8位地址信息一直锁存在P2口锁存器中；在第二个读写周期，读写信号WR/RD有效（低电平）时，选通外部存储器芯片，然后从P0口读入外部存储器数据，或将数据写入到外部存储器。下位机的电源设计方案：伺服电机和伺服驱动器的工作电压为两相交流220V，直接取自动力电；伺服驱动器信号电源需24V直流电，采用杭州普星电器有限公司的AC-DC开关电源（S-120W-24V/5A），输入交流220V，输出直流24V、120W；步进电机驱动器的控制信号电源为5V直流、电路如图6所示，S-120W-24V/5A输出的24V直流与LM2596开关电源芯片的管脚1（VIN）相连、电容C₇₁和CP₁并联后一端接地另一端与管脚1相连，LM2596的管脚3、6接地，管脚2与稳压管D₂（1N5822）、电感L₁（330uh）相连，稳压管D₂的另一端接地、电感L₁的另一端与LM2596管脚4相连输出5 V电源，5V电源输出端并接CP₂接地电容。

如图7虚线框内所示，借助硬件描述语言VHDL (Very high speed integrated circuit HDL)描述CPLD的逻辑功能，包含主控制模块、总线接口模块、外设控制模块；外设控制模块包括伺服电机控制模块、步进电机控制模块、位置计数处理模块和输入输出模块；主控制模块处理、存储和管理MCU下传的数据，响应MCU下传的控制命令，通过外设控制模块控制外设。印花机控制系统双控模式的CPLD VHDL示例代码的说明如下：SpeedOpenloop_end为速度开环控制结束标志符，值为1时表明速度开环控制结束，0表示未结束；PositionLoop_begin为位置闭环控制开始标志符，值为1时表明位置闭环控制开始，0表示未开始。

VHDL模块根据“速度开环控制结束标志符” SpeedOpenloop_end和“闭环控制开始标志符”PositionLoop_begin的值对“理想速度频率表”的地址进行操作；速度开环控制时，从理想速度频率表的起始地址读取理想速度频率，SpeedOpenloopTable_addr是理想速度频率表的地址指针，输出预存的“理想速度频率表”中相应的频率值， SpeedOpenloopTable_addr递增。当速度开环控制结束，SpeedOpenloopTable_addr返回理想速度频率表的起始地址，位移脉冲计数器预置台车花回末端位置的末端位移值（位移脉冲数）；从位置闭环速度曲线对应的频率表地址PositionLoopTable_addr开始、即经“预减速度值”修正的“理想速度频率表”的起始地址读取频率值--位置闭环速度频率值，输出相应的脉冲，PositionLoopTable_addr递增；脉冲计数器预置的花回末端位移脉冲数减去脉冲频率*采样周期，直至读完“理想速度频率表”；此时，预置的伺服电机脉冲数仍大于0，按最小速度继续驱动伺服电机，并从脉冲计数器的位移脉冲数中扣除脉冲数，直至脉冲计数器为零；PositionLoopTable_addr返回经“预减速度值”修正的“理想速度频率表”的起始地址。示例代码如下：

PROCESS(Scant_1ms,Scan_begin)

BEGIN

IF (Scan_begin = '0') THEN

SpeedOpenloopTable_addr <= (OTHERS => '0');

PositionLoopTable_addr <= (OTHERS => '0');

ELSE

IF Scant_1ms'event and Scant_10us = '1' THEN

CASE (SpeedOpenloop_end & PositionLoop_begin ) IS

WHEN"00"=>SpeedOpenloopTable_addr<=SpeedOpenloopTable_addr + 1;

WHEN "11" => SpeedOpenloopTable_addr <= SpeedOpenloopTable_addr;

PositionLoopTable_addr <= PositionLoopTable_addr + 1

WHEN "10" => PositionLoopTable_addr <= PositionLoopTable_addr;

WHEN OTHERS => NULL;

END CASE;

END IF;

END PROCESS;

如图8所示，主控制模块由命令缓冲区、命令解码分配器、数据储存区组成；命令缓冲区将总线接口模块获得的命令进行缓冲同步，数据储存区按照地址存放数据；命令解码分配器将命令缓冲区的16位命令码进行解码分配给各个外设控制模块，同时命令解码分配器还根据命令码确定数据储存区的数据流向，当命令码要求上传信息时，命令解码分配器将数据储存区中的位置信息和运行状态发送给总线接口模块；当命令码要求运行外设时，命令解码分配器按照地址分配数据给外设模块。

印花方向的台车速度/时间、加速度/时间曲线如图9所示，图9（a）借鉴的是电梯行业推崇的“理想速度曲线”，俗称“梯形速度曲线”，始自点O、终至点G。从台车的加速度视角，V_O-V_A、V_A-V_B、V_B-V_C、V_C-V_D、V_D-V_E、V_E-V_F和V_F-V_G将台车运行中的加减速过程分为7个阶段：加加速段、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段、减减速段（参阅图9（b））；“梯形速度曲线”避免了加速度的突变，消除了印花过程中因加速度突变引起的冲击，有助于减少伺服/同步电机丢步的发生率、延長设备的使用寿命、提升印花的质量。从台车的速度视角，“梯形速度曲线”又分为起动加速、匀速运行和制动减速三段，而且起、制动段曲线呈镜像对称；要提高印花机效率，势必要增大台车的运行速度、以缩短印花机的运行时间，但提升运行速度对印花品质造成的影响是负面的--对花精度下降，因此印花效率和印花品质是印花机设计中的一对矛盾。现以固定台板平网印花机的典型运行参数为例展开讨论。给定：花回2.5m，“梯形速度曲线”的匀速运行距离2m，起动加速和制动减速距离均为0.25m；匀速速度值2m/S，匀加速值20m/S²。可推导出加加速值和减加速值，以及加加速、匀加速和减加速的运行距离。本发明的匀速值升至2.5m/S，其它参数同上，不难得出：加加速值和减加速的绝对值，以及加加速、匀加速和减加速的运行距离，制动减速与起动加速段类似，其中末端最后5mm处的速度值=0.1997m/s。

高清晰精细织物图案的平网印花工艺要求“对花精度”≤0.1mm，换言之，系统精度为0.1mm÷(2.5m*1000mm/m)=0.00004、即0.04‰。近十年来，全数字式交流伺服系统日趋成熟，诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度等关键技术指标均取得重大进步，0.4‰精度的开环速度伺服系统技术已完全成熟；但综合考虑电气传动，网框制作精度、平网印花机安装的平直度，齿轮间隙或驱动轴扭力形变、以及长期连续作业导致的台车驱动同步带拉长和机械磨损等造成的误差，平网印花机的综合“对花精度”一般只能达到1‰。因此，在印花台车移动末端--最后5mm处，采用位置检测器捡测台车位置，并将速度开环控制切换到位置闭环控制。显然，一个2.5m花回行程的前2.495m执行的是高效的开环速度伺服控制，即按图9（a）的“理想速度曲线”运行；目的是提高印花机的工作效率。对开环速度伺服控制可能造成的千分之一误差：± 2.495mm，则在启动位置闭环控制时设定台车花回的末端位置（移）值（伺服电机的脉冲数K>0）时予以消除；借助“预减速度值”技术措施、确保台车移动方向的单一性，避免台车移动变向引入机械传动副的间隙误差；图9（a）台车花回末端的虚线速度曲线仅是移动的理论曲线，实际速度的取值略小于理论值。所谓的“预减速度值”，其内涵是位置闭环控制启动后，伺服电机的给定脉冲频率f(t)=fs(t)-∆f；式中的fs(t)正是图9（a）“理想速度曲线”速度值对应的伺服电机脉冲频率，是预设的固定微小脉冲频率值；引入，能确保读完“理想速度频率表”时，上述预置的伺服电机脉冲数K >0；按fmin（等价台车速度V_min）继续驱动伺服电机，并从K中扣除脉冲数（fmin*T_S，T_S为采样周期），直至K为零；此处借鉴的是电梯行业的“桥厢对平爬行技术”。必须指出,伺服驱动器输出的是2路脉冲，凭借2路脉冲的相位决定伺服电机的转向。

印花台车的“理想速度曲线”采用静态曲线法生成，上位机输入的印花工艺参数如下：花回長度、匀速运行的位移、起动加速和制动减速的位移、匀速速度值和匀加速值；离线计算出“理想速度曲线”，再以采样周期T_S=1ms离散速度曲线，取出各采样点的速度并换祘成对应的频率值，形成“理想速度频率表”；对印花台车移动末端最后5mm对应的频率值进行“预减速度值”频率修正，即减去预设的固定微小脉冲频率值（本发明中）,“理想速度频率表”见表1。

表1：理想速度频率表

N*T_S	运行速度（m/s）	对应频率(HZ)	备注
				1	0.00125	62.5	启动，脉冲数62.5*0.001=0.0625
2	0.0075	375	速度开环控制，脉冲数累加
				3	……	……	速度开环控制，累加的整数输出
……	……	……	速度开环控制，……
				N+1	0.1997	9985-1=9984	位置闭环控制（末段5mm处）
……	……	……	位置闭环控制（末段<5mm处）
				N+M	0.00125	62.5-1=61.5	台车速度V_min，转入“桥厢对平爬行” 程序，停止。

上位机生成的“理想频率表” 通过RS232接口下传至下位机，作为下位机的运行参数。脉冲当量

定义为每一个脉冲对应的印花台车直线位移，单位为mm/脉冲，本发明实例中的

=0.02mm/pulse; 控制器发出一个脉冲，印花台车前行0.02mm；印花工艺要求“对花精度”0.1mm，因此，位置误差不能超过5个脉冲当量。

如图10所示，双控模式平网印花机的控制系统由并列的速度开环控制和位置闭环控制两部分组成；印花台车移动的一个花回由速度开环控制的位移及位置闭环控制的位移构成，两位移分别参照电梯行业的“理想速度曲线”、经“预减速度值”修正的“理想速度曲线”实现。详细的流程按时间可划分为以下三阶段：第一阶段，台车启动至台车移至花回的末端位置处（本发明示例为待定印花工位的前5mm），即“理想速度曲线”的加加速段、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段、减减速段的前段；双控模式中的开环控制使能，CPLD读取“理想速度频率表”、速度开环控制台车移动。第二阶段，位置检测器检测台车到达花回的末端位置（本发明示例为待定印花工位的前5mm），控制切换至第2种控制模式--位置闭环控制；位移脉冲计数器预置K=5mm÷=5mm÷0.02mm/脉冲=250，消除速度开环控制段的误差。第三阶段，CPLD读取经“预减速度值”修正的“理想速度频率表”，位置闭环控制台车的移动：CPLD逐一读取台车速度对应的脉冲频率，脉冲计数器预置的K中减去脉冲频率f(t)*T_S，直至读完“理想速度频率表”；此时，预置的伺服电机脉冲数K >0，按f_min继续驱动伺服电机，并从K中扣除脉冲数，直至脉冲计数器的K为零。

“预减速度值”是基于机械传动的一个基本常识，机械传动副存在固有的不可避免的间隙；传动一旦换向，随机的间隙误差对0.1mm对花精度将是致命的，“预减速度值”确保了台车移动方向的单一性。速度开环控制在一定精度前提下，关注的是印花效率；位置闭环控制在一定效率前提下，关注的是印花品质。鉴于末端位移量十分有限（本发明示例为5mm），“预减速度值”对印花效率的影响可忽略不计。

Claims

1.一种基于双控模式的固定台板平网印花机，它由固定台板、印花台车和印花机控制系统组成；其中，固定台板由支撑底座（1）、台车驱动同步带（3）、直线导轨（4）和长且平整的台板面（5）构成，印花台车由台车交流伺服驱动系统、控制盒（6）、台车基座（7）、网框架（8）、安装镂空花纹高分子膜筛网的网框（9）、刮刀交流伺服驱动系统、刮刀固定架（10）、刮刀（11）、抬升步进电机驱动系统、抬升机构（12）、刮刀行走支撑座（13）和位置检测器（2）组成；所述位置检测器（2）包括左轴承及配套的左轴承座（21）、位置检测同步带轮（22）、轴（23）、右轴承及配套的右轴承座（24）、联轴器（25）和旋转编码器（26）；位置检测同步带轮（22）与固定于台板上的台车驱动同步带（3）啮合、位置检测器（2）的轴（23）通过联轴器（25）连到旋转编码器（26），旋转编码器（26）检测位置检测同步带轮（22）的转动；其特征在于，印花机控制系统的硬件采用上下位机结构，上下位机通过RS232接口进行信息交互，上位机是配置触摸屏的嵌入式控制器，下位机则基于MCU+CPLD的多机协同硬件架构；印花机的控制系统由并列的速度开环控制和位置闭环控制两部分组成，印花台车移动的一个花回由速度开环控制的位移及位置闭环控制的位移构成，两位移分别参照电梯行业的“理想速度曲线”、经“预减速度值”修正的“理想速度曲线”进行；位置检测器（2）检测到台车移至花回的末端位置时，位移脉冲计数器预置末端位移值、清除速度开环控制段的误差，速度开环切换到位置闭环控制模式完成台车末端的位移；

所述的“理想速度曲线”和经“预减速度值”修正的“理想速度曲线”借鉴的是电梯行业的“理想速度曲线”；“理想速度曲线”的加减速过程可分为加加速、匀加速、减加速、匀速、加减速、匀减速、减减速7个阶段，又可分成起动加速、匀速运行和制动减速三部分，理想速度曲线无加速度的突变和加速度突变引起的冲击；“预减速度值”修正“理想速度曲线”的内涵是理想速度值减去预设的固定微小速度值，目的是确保台车移动方向的单一性；

所述的印花机控制系统由并列的速度开环控制和位置闭环控制的双控模式组成；印花台车移动的一个花回由速度开环控制的位移及位置闭环控制的位移构成，两位移分别参照电梯行业的“理想速度曲线”、经“预减速度值”修正的“理想速度曲线”进行控制；控制流程按时间先后排序：第一步，台车启动至台车移动至该花回的末端，即“理想速度曲线”的加加速、匀加速、减加速、匀速、加减速、匀减速段及减减速段的前段，双控模式中的开环控制使能，CPLD读取“理想速度曲线”对应的“理想速度频率表”、速度开环控制台车移动；第二步，位置检测器捡测台车到达该花回的末端位置，位移脉冲计数器预置台车花回的末端位移值，消除速度开环控制段的误差，控制切换至第2种控制模式，即位置闭环控制，所述台车花回的末端位移值为驱动伺服电机的脉冲数；第三步，CPLD读取经“预减速度值”修正的“理想速度频率表”，位置闭环控制台车移动：CPLD逐一读取修正的“理想速度频率表”的脉冲频率，脉冲计数器预置的位移值减去脉冲频率*采样周期，直至读完“理想速度频率表”；此时，预置的伺服电机脉冲数仍大于0，按理想速度频率表的最小值继续驱动伺服电机，并从脉冲计数器中扣除脉冲数，直至位移脉冲计数器为零。

2.根据权利要求1所述的基于双控模式的固定台板平网印花机，其特征在于，所述印花机控制系统的硬件采用上下位机分层结构，两者通过RS232接口进行信息交互；上位机是配置触摸屏的嵌入式控制器，用户通过上位机人机交互界面设定平网印花机的工艺参数、借助上位机按键下发控制命令和工艺参数，上位机同时负责存储、显示下位机上传的各种信息；下位机接收上位机发送的参数、命令信息，转化成速度指令、开环控制台车伺服电机并驱动相应的机构；根据印花台车上安装的位置检测器获取台车移至花回的末端位置信号，位移脉冲计数器预置末端位移值、清除速度开环控制段的误差，速度开环控制立即切换到第2种控制模式，即位置闭环控制，完成台车末端的位移；根据印花工位的定位就绪信号，启动步进电机、驱动印花台车的抬升机构带动网框运动；根据网框的就位信号，启动刮刀翻转、刮刀伺服电机驱动刮刀印花；输入的开关量有：各轴的限位信号、紧急停止信号、人靠近传感器信号和刮刀到位传感器检测信号；输出的开关量有：通过继电器实现的启动和关闭动作。

3.根据权利要求2所述的基于双控模式的固定台板平网印花机，其特征在于，所述下位机基于MCU+CPLD的多机协同硬件架构；MCU负责与上位机通信、获取运行参数和命令，负责数据处理和运行状态的管理、协调印花工艺流程的进程，将控制命令下传给CPLD、实时读取CPLD的运行状态、上传给上位机显示；CPLD控制伺服电机和步进电机，经双路高速光耦与外设相连，读取外设的输入，输出外设所需的脉冲、开关量；MCU与CPLD采用总线方式互连：MCU的P0口与CPLD的管脚73-80相连、MCU的P2口与CPLD的管脚93-98、101-102相连、ALE用作锁存信号、CPLD产生的中断信号通过管脚84、85分别接入MCU的引脚INT0和INT1，提升下位机的实时响应能力。

4.根据权利要求2所述的基于双控模式的固定台板平网印花机，其特征在于，所述下位机的电源设计方案：伺服电机和伺服驱动器的工作电压为两相交流220V，直接取自动力电；伺服驱动器信号电源需24V直流，采用型号S-120W-24V/5A的AC-DC开关电源；步进电机驱动器的5V直流电源，将S-120W-24V/5A输出的24V直流与LM2596开关电源芯片的管脚1（VIN）相连、电容C₇₁和CP₁并联后一端接地另一端与管脚1相连，LM2596的管脚3、6接地，管脚2与稳压管D₂、电感L₁相连，稳压管D₂的另一端接地、电感L₁的另一端与LM2596管脚4相连输出5V电源，5V电源输出端并接CP₂接地电容。

5.根据权利要求3所述的基于双控模式的固定台板平网印花机，其特征在于，所述下位机的CPLD借助VHDL描述CPLD的逻辑功能，CPLD包含主控制模块、总线接口模块、外设控制模块；外设控制模块包括伺服电机控制模块、步进电机控制模块、位置计数处理模块和输入输出模块；主控制模块处理、存储和管理MCU下传的数据，响应MCU下传的控制命令，通过外设控制模块控制外设。