CN200985419Y - 工业缝纫机电脑控制装置 - Google Patents

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杨奕昕
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李�杰
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Abstract

本实用新型提供了一种工业缝纫机电脑控制装置，包括由工业控制计算机、运动控制卡和输出接口卡组成的电脑控制单元、由交流伺服电机或步进电机构成的伺服驱动单元、由带触摸屏功能的彩色液晶显示器构成的人机界面单元、由开关电源和变压器及整流板构成的系统供电单元。本实用新型采用模块单元化结构，各单元内部相对独立、自成体系，集成化程度高，可以根据工业缝纫机主机的不同，灵活配置相应部件。可以实现自动高速缝制各种花样、线条和图案，操作方便、打版编程简单，加工速度提高，劳动强度降低。

Description

工业缝纫机电脑控制装置
技术领域
本实用新型属于程序控制的工业缝纫机领域，具体涉及一种工业缝纫机电脑控制装置。本实用新型适宜于缝制加工行业，主要是用在厚料缝制方面，如鞋业、箱包、手套、皮带、皮夹、旅行袋、汽车安全护带等缝制加工，以及制衣中的锁眼、钉扣、打结、订商标等。
背景技术
随着人们生活水平的不断提高，对所购买商品的质量、外观，以及缝线复杂度、美观度的要求也越来越高，这就要求缝制工人具有较高的技术水平，而缝制某些复杂的线条或图案就算是高水平的缝制工人也很难完成，且生产效率非常低，难以保证产品缝制加工的一致性。用电脑控制的工业缝纫机来进行上述缝制加工就非常容易，只需将缝制图案输入电脑，通过电脑控制自动完成该图案的缝制，可大大降低人力成本，生产效率也大幅度提高，使缝制加工的一致性得到充分保证。目前，在国内外已有许多关于工业缝纫机电脑控制装置的文献报道，并有部分产品上市。
公开号为CN1548601中国专利文献，公开了一种名称为《工业缝纫机的电脑控制器》发明专利申请技术，该申请的工业缝纫机的电脑控制器包括操作单元、踏板、调速器、控制单元、应用单元板、电源板和伺服电机，该发明专利申请的主要特点是在控制单元中采用了DSP芯片，解决了用软件方法控制伺服电机和各种缝制程序，同时采用霍尔元件和光电编码器的组合对缝纫机的机针定位控制，还可以和计算机网络连接，进行远程控制和监测。该发明专利申请的不足之处是工业缝纫机电脑控制器存在软硬件平台的通用性差、缺乏灵活性和扩展性，主轴转速低、难以满足用户实际需要，人机界面不友好、操作不方便等问题。
发明内容
为了解决工业缝纫机电脑控制器存在的软硬件平台的通用性差、缺乏灵活性和扩展性，主轴转速低、难以满足用户实际需要，入机界面不友好、操作不方便等问题，本实用新型提供一种工业缝纫机电脑控制装置。
本实用新型的一种工业缝纫机电脑控制装置，包括计算机、电机、电源，其特点是所述的装置还包括电脑控制单元及系统软件、伺服驱动单元、人机界面单元、供电单元；电脑控制单元分别与伺服驱动单元、人机界面单元、供电单元连接，供电单元分别与伺服驱动单元、人机界面单元连接。
电脑控制单元包括工业控制计算机、运动控制卡和输出接口卡，伺服驱动单元包括主轴驱动器和主轴电机、X轴驱动器和X轴电机、Y轴驱动器和Y轴电机，人机界面单元包括带触摸屏功能的彩色液晶显示器，供电单元包括开关电源和变压器及整流板。
工业控制计算机与运动控制卡相连接，运动控制卡与输出接口卡相连接，运动控制卡与主轴驱动器、X轴驱动器、Y轴驱动器相连接，主轴驱动器与主轴电机相连接，X轴驱动器与X轴电机相连接，Y轴驱动器与Y轴电机相连接，带触摸屏功能的彩色液晶显示器与工业控制计算机相连接，系统软件安装在工业控制计算机中。
工业控制计算机还包括：设置有用于存放系统软件及缝制数据文件的CF存储卡，通过RS-232串行通讯接口与触摸屏相连接，通过VGA显示接口与彩色液晶显示器相连接，设置有与外部设备交换数据用的USB接口，通过PC104总线接口与运动控制卡相连接。
运动控制卡还包括：通过在运动控制卡中设置的FPGA芯片对主轴、X轴、Y轴的运动进行控制，同时对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进行控制，通过运动控制卡中设置的接插件与主轴驱动器、X轴驱动器、Y轴驱动器相连接。
输出接口卡通过输入插座与运动控制卡相连接，输出接口卡上还设置有用于与外部元器件连接的输出插座。
主轴电机、X轴电机、Y轴电机分别采用交流伺服电机或步进电机。
电脑控制单元是本实用新型的最核心的部分，由工业控制计算机(IPC)、运动控制卡和输出接口卡组成，它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)上设置的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的RS-232串行通讯接口与触摸屏相连，用于接收触摸屏发送来的触摸位置信号；IPC的VGA显示接口通过VGA线与彩色液晶显示器相连，控制彩色液晶显示器的图形和字符显示；IPC的USB接口通过转接线引到控制箱外壳，作为与外部设备交换数据之用；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。
运动控制卡主要完成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功能。运动控制卡的核心器件为1片现场可编程门阵列(FPGA)芯片，由它及周围的接口电路芯片实现了3轴运动控制、开关量输入和输出控制功能。运动控制卡也和工业控制计算机(IPC)一样，有1个标准的PC104总线接口(插针)，通过它与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，运动控制信号既支持交流伺服驱动器，也支持步进电机驱动器；8路带光电隔离开关量输入信号通过1个接插件连接到控制箱外部各输入开关，不管是机械开关还是电子开关，也不管这些开关给出的信号是常开还是常闭，运动控制卡都能正确接收；8路带光电隔离开关量输出信号通过1个接插件与输出接口卡相连，如外部被控元器件所需电流小于100mA，可不经过输出接口卡，而直接将控制信号输出，对该元件进行控制。
输出接口卡的主要功能是将运动控制卡来的输出控制信号进行放大处理，以完成对需要较大驱动电流元器件的控制。输出接口卡有2个插座，其中的输入插座接收运动控制卡来的输出信号，并对这些信号进行放大处理，然后由输出插座连接到外部，用于驱动那些所需电流较大的元器件，如电磁铁等。
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，是整个系统的执行单元。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，它可为工业缝纫机带来高针速和大力矩。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。对于工业缝纫机机针上定位，装置通过主轴电机反馈的转角检测信号来确定，而不用安装工业缝纫机机针上定位传感器。
X轴电机采用步进电机，它适合中、小类型的工业缝纫机，如果是大型的工业缝纫机，X轴电机将采用交流伺服电机。X轴电机的旋转轴与工业缝纫机X轴机械传动系统相连，X轴电机的旋转运动带动工业缝纫机X轴左右运动。在X轴左右运动范围的中间点位置安装1个接近开关，该接近开关的输出信号进入系统控制单元，作为X轴的机械原点位置指示。X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。
Y轴电机采用步进电机，它适合中、小类型的工业缝纫机，如果是大型的工业缝纫机，Y轴电机将采用交流伺服电机。Y轴电机的旋转轴与工业缝纫机Y轴机械传动系统相连，Y轴电机的旋转运动带动工业缝纫机Y轴前后运动。在Y轴前后运动范围的中间点位置安装1个接近开关，该接近开关的输出信号进入系统控制单元，作为Y轴的机械原点位置指示。Y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。
人机界面单元是人机交互的平台，它由带触摸屏功能的彩色液晶显示器构成。彩色液晶显示器所需的工作电源直接由供电单元提供，而不用外接电源。彩色液晶显示器通过标准的VGA控制线与电脑控制单元的工业控制计算机(IPC)相连，通过IPC控制彩色液晶显示器的图形、字符显示。触摸屏产生的触摸位置信号通过RS-232串行通讯传送给IPC，IPC对此进行接收并作出相应的处理。系统软件在液晶显示屏上规划出全部的人机交互画面，由操作者点击触摸屏来完成人机对话，在操作过程中完全不用键盘、鼠标等输入设备。
供电单元为整个装置提供电源，它由开关电源、变压器及整流板组成。系统输入电源为交流220V，通过1个3线插头(L、N、PE)引入控制箱。交流220V电源提供给开关电源、变压器、交流伺服驱动器，作为它们的输入。
开关电源输出+5V DC、+12V DC提供给电脑控制单元的工业控制计算机、运动控制卡，同时还将+12VDC提供给彩色液晶显示器。
变压器具有2组输出，经整流以后成为+24V DC和+64V DC。+24V DC提供给电脑控制单元的输出接口卡，以及与输出接口卡相连的外部被控元器件(如电磁铁、电磁阀等)。+64V DC提供给步进电机驱动器。对于一些小的工业缝纫机，X轴、Y轴采用+24V DC供电的步进电机及驱动器，可将变压器更换为开关电源(+24V DC输出)，以简化系统结构。而对于那些大的工业缝纫机，X轴、Y轴采用交流伺服电机及驱动器，也可将变压器更换为开关电源(+24V DC输出)。
采用本实用新型的电脑控制的工业缝纫机可以实现自动缝制各种线条或图案、主轴转速高、人机界面友好、操作方便；系统软硬件基于通用PC平台，能很好的利用PC平台现有的各种资源，使系统扩展软硬件功能非常方便；系统软件提供点、线、圆、圆弧、多点拟合曲线、多边形等作图工具，由用户根据需要自己设计缝制的线条或图案，并将设计好的缝制图案以文件形式保存在机器中，也可对缝制图案形状及工艺过程进行修改，如针距修改、坐标平移、比例缩放、旋转、镜像等；系统软件具有自动缝制、手动操作、参数设置、接口测试等功能。
本实用新型的工业缝纫机电脑控制装置采用模块单元化的结构，各单元内部相对独立，自成体系，集成化程度高，结构简单。还可以根据工业缝纫机主机的不同，灵活配置相应部件。
附图说明
图1为本实用新型的工业缝纫机电脑控制装置总体结构示意框图
图2为本实用新型的工业缝纫机电脑控制装置原理框图
图3为本实用新型的工业缝纫机电脑控制装置供电部分原理框图
图4为本实用新型的工业缝纫机电脑控制装置的软件流程图
图中，1工业控制计算机2.运动控制卡3.输出接口卡4.主轴驱动器5.主轴电机6.X轴驱动器7.X轴电机8.Y轴驱动器9.Y轴电机10.彩色液晶显示器11.开关电源12.变压器及整流板
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型工业缝纫机电脑控制装置进行详细的描述。
本实用新型的工业缝纫机电脑控制装置，包括电脑控制单元、伺服驱动单元、人机界面单元、供电单元。电脑控制单元包括工业控制计算机(IPC)1、运动控制卡2和输出接口卡3；伺服驱动单元包括主轴驱动器4和主轴电机5、X轴驱动器6和X轴电机7、Y轴驱动器8和Y轴电机9，主轴电机采用交流伺服电机，X轴、Y轴电机采用步进电机或交流伺服电机；人机界面单元包括带触摸屏功能的彩色液晶显示器10；供电单元包括开关电源11和变压器及整流板12。
工业控制计算机(IPC)的RS-232串行通讯接口与触摸屏相连；IPC的VGA显示接口通过VGA线与彩色液晶显示器相连；IPC的USB接口通过转接线引到控制箱外壳，作为与外部设备交换数据之用；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。
运动控制卡通过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，3个驱动器通过各自的输出插座连接到主轴电机、X轴电机、Y轴电机；8路带光电隔离开关量输入信号通过1个接插件连接到控制箱外部各输入开关；8路带光电隔离开关量输出信号通过1个接插件与输出接口卡相连，或直接连接所需电流不大(小于100mA)的外部元器件(如电磁阀)。
输出接口卡的输入插座与运动控制卡相连，输出插座连接所需电流较大的外部元器件(如电磁铁)。
外部交流220V电源连接到开关电源、变压器及整流板、交流伺服驱动器、散热风机的输入端。开关电源的输出端与运动控制卡、工业控制计算机、彩色液晶显示器相连。变压器的输出经整流以后连接到X轴驱动器、Y轴驱动器、运动控制卡、输出接口卡。
本实用新型的工业缝纫机电脑控制装置控制的对象为工业缝纫机，本实用新型与工业缝纫机结合在一起就成为先进的电脑控制工业缝纫机。
电脑控制单元是本系统最核心的部分，由工业控制计算机(IPC)、运动控制卡和输出接口卡组成，它负责系统软件的运行，实现屏幕显示、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，该CF卡的存储容量为256M；IPC的RS-232串行通讯接口与触摸屏相连，用于接收触摸屏发送来的触摸位置信号；IPC的VGA显示接口通过VGA线与彩色液晶显示器相连，控制彩色液晶显示器的图形和字符显示；IPC的USB接口通过转接线引到控制箱外壳，作为与外部设备交换数据之用；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。
运动控制卡主要完成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功能。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，工业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。运动控制卡有1个标准的PC104总线接口(插针)，通过它与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，它可支持交流伺服驱动器，也可支持步进电机驱动器；8路带光电隔离开关量输入信号通过1个接插件连接到控制箱外部各输入开关；8路带光电隔离开关量输出信号通过1个接插件与输出接口卡相连，以及连接外部所需电流不大(小于100mA)的元器件(如电磁阀)。
输出接口卡的主要功能是将运动控制卡来的输出控制信号进行放大处理，以完成对需要较大驱动电流元器件的控制。输出接口卡有2个插座，其中的输入插座接收运动控制卡来的输出信号，并对这些信号进行放大处理，然后由输出插座连接到外部，用于驱动那些所需电流较大的元器件(如电磁铁)。
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，是整个系统的执行单元。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400W交流伺服电机，它可为工业缝纫机带来高针速和大力矩。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。对于工业缝纫机机针上定位，装置通过主轴电机反馈的转角检测信号来确定，而不用安装工业缝纫机机针上定位传感器。
X轴、Y轴电机采用57mm步进电机，它具有响应速度快、控制简单等优点。X轴、Y轴电机的旋转轴与工业缝纫机X轴、Y轴机械传动系统相连；X轴电机的旋转运动带动工业缝纫机X轴左右运动；Y轴电机的旋转运动带动工业缝纫机Y轴前后运动。在X轴、Y轴各自运动范围的中间点位置各安装1个接近开关，该接近开关的输出信号进入系统控制单元，作为X轴、Y轴的机械原点位置指示。
供电单元为整个装置提供电源，它由1个50W开关电源和1个300W变压器及整流板组成。系统输入电源为交流220V，通过1个3线插头(L、N、PE)引入控制箱。交流220V电源提供给开关电源、变压器、交流伺服驱动器，作为它们的输入。
开关电源输出+5V DC提供给电脑控制单元的工业控制计算机、运动控制卡，另一输出+12VDC提供给彩色液晶显示器。变压器经整流后输出+24V DC和+64V DC，+24V DC提供给电脑控制单元的运动控制卡、输出接口卡，+64V DC提供给步进电机驱动器。
系统软件工作流程如下：
工业缝纫机电脑控制装置加电后首先进行初始化，系统软件初始化完成后，则开始装配数据和模块，即读取存储于工业控制计算机(IPC)上的数据和配置文件，以此来配置运动控制卡以及与之相连的各种设备。等待配置结束后，进行系统完整性测试，验证各设备状态，如有错误，则发出警告；如未发现错误，则软件启动完毕，进入工作状态。
软件进入工作状态后，通过总控调度模块调度整个系统的运行。依据用户的操作，读取来自触摸屏的信号，并选择相应的功能模块进行对应的操作。运动控制卡根据软件指令对交流伺服电机、步进电机和工业缝纫机上的相关点实施控制，并对工业缝纫机的各种状态进行在线监测。
用户设计缝制图案则调用示教编程模块，软件内部对用户设计的缝制图案自动计算与分割，并生成缝制数据，以文件形式保存在系统的存储器中。用户可对缝制图案文件进行复制、删除，也可对缝制数据进行修改、组合。
用户设计好缝制图案后，需自动缝制加工，则调用自动运行模块；用户调试、检修缝纫机，则调用手动操作模块；用户设置或修改参数，则调用参数设置模块；用户检测系统硬件及外部电气元件，则调用接口测试模块。系统运行期间如发生错误，则在液晶屏上显示报警信息。
系统持续运行直至关机，正常关机前将保存当前设置，并将数据和配置文件写入系统的内置存储器。

Claims (6)

1.一种工业缝纫机电脑控制装置，包括计算机、电机、电源，其特征在于：所述的装置还包括电脑控制单元及系统软件、伺服驱动单元、人机界面单元、供电单元；电脑控制单元分别与伺服驱动单元、人机界面单元、供电单元连接，供电单元分别与伺服驱动单元、人机界面单元连接。
2.根据权利要求1所述的工业缝纫机电脑控制装置，其特征在于：所述的装置的电脑控制单元包括工业控制计算机(1)、运动控制卡(2)和输出接口卡(3)，伺服驱动单元包括主轴驱动器(4)和主轴电机(5)、X轴驱动器(6)和X轴电机(7)、Y轴驱动器(8)和Y轴电机(9)，人机界面单元包括带触摸屏功能的彩色液晶显示器(10)，供电单元包括开关电源(11)和变压器及整流板(12)；
工业控制计算机(1)与运动控制卡(2)相连接，运动控制卡(2)与输出接口卡(3)相连接，运动控制卡(2)与主轴驱动器(4)、X轴驱动器(6)、Y轴驱动器(8)相连接，主轴驱动器(4)与主轴电机相连接(5)，X轴驱动器(6)与X轴电机相连接(7)，Y轴驱动器(8)与Y轴电机(9)相连接，带触摸屏功能的彩色液晶显示器(10)与工业控制计算机(1)相连接。
3.根据权利要求2所述的工业缝纫机电脑控制装置，其特征在于：所述的工业控制计算机(1)还包括，设置有用于存放系统软件及缝制数据文件的CF存储卡，通过RS-232串行通讯接口与触摸屏相连接，通过VGA显示接口与彩色液晶显示器相连接，设置有与外部设备交换数据用的USB接口，通过PC104总线接口与运动控制卡(2)相连接。
4.根据权利要求2所述的工业缝纫机电脑控制装置，其特征在于：所述的运动控制卡(2)中设置的接插件与主轴驱动器(4)、X轴驱动器(6)、Y轴驱动器(8)相连接。
5.根据权利要求2所述的工业缝纫机电脑控制装置，其特征在于：所述的输出接口卡(3)通过输入插座与运动控制卡(2)相连接，输出接口卡(3)上还设置有用于与外部元器件连接的输出插座。
6.根据权利要求2所述的工业缝纫机电脑控制装置，其特征在于：所述的主轴电机(5)、X轴电机(7)、Y轴电机(9)分别采用交流伺服电机或步进电机。
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