專利名稱：電腦花樣縫紉機運動控制方法
技術領域：
本發明涉及數控領域中的運動控制方法，尤其是電腦花樣縫紉機的運動控制方法。
背景技術：
花樣縫紉機是箱包、鞋帽等生產過程中不可缺少的重要縫制設備。電腦花樣縫紉機采用 的運動控制方法直接影響電腦花樣縫紉機的性能指標。
公開號為CN1794561A的中國專利文獻，公開了一種名稱為《電子花樣機電機運動控制方 法》發明專利申請技術，該申請公開了一種電子花樣縫紉機電機運動控制方法。該方法雖然 實現了主軸電機的連續運行，但是在縫制每一針時主軸電機的速度都要進行變化，這樣的控 制方式難以實現高速平穩運行，縫制過程中的速度變化會導致機器運行時抖動。其中提及的 在步距小于0. 3mm時的最大縫制速度可以達到3000針/分的技術指標沒有實用價值。
其它相關領域的技術，2000年6月出版的中國科技雜志《武漢科技學院學報》第12巻 發表的名稱為《富怡牌電腦繡花機工作原理》(作者趙延雯，吳世林、方曉初)的文章介紹了 一種半互斥位置監測協同運動控制方法。該方法是控制系統在主軸伺服電機勻速運轉的同時， 檢測主軸伺服電機的角度來控制X軸和Y軸送料運動。在控制過程中由于運算和控制沒有分 開，致使控制系統在縫制過程中兩者不能同步進行而是順序進行，減緩了系統的控制速度， 使得縫制速度只能達到800針/分。這個指標對于繡花機來說已經足夠，但是對于高速縫制設 備花樣縫紉機來說，這個速度就不能滿足需求。
發明內容
為了解決電腦花樣縫紉機縫制速度低、高速運行不平穩的問題。本發明提供了一種電腦 花樣縫紉機運動控制方法。
本發明的電腦花樣縫紉機運動控制方法，依次包括下列內容-
花樣縫紉機的控制系統在主軸伺服電機勻速運轉的同時，通過檢測主軸伺服電機的角度 來控制X軸和Y軸送料運動過程；
控制系統中的用于對花樣數據的運算工業控制計算機對控制系統中的存儲器中的花樣文 件進行讀取編譯，根據用戶設置的運行速度控制主軸伺服電機進行勻速運轉的速度；并將每 針的X軸和Y軸方向的送料增量厶x和Ay縫紉數據送入運動控制卡中的的FPGA的隊列中， 等待執行單元的執行；
運動控制卡上的FPGA在控制X/Y軸步進電機的速度的同時還對步進電機的升降速度進 行控制；由FPGA產生步進電機不同速度運行時所需的時鐘頻率，實現步進電機的變速度控制。
所述的控制方法還包括X軸和Y軸方向的送料增量厶x和厶y縫紉數據通過運動控制 卡上的FPGA芯片實現緩沖，所形成的數據隊列由硬件按順序執行。本發明的方法，是基于一種電腦花樣縫紉機控制系統的平臺上實現的。該控制系統包括 電腦控制單元、伺服驅動單元、人機界面單元、系統供電單元、系統軟件。電腦控制單元由 工業控制計算機(IPC)、運動控制卡和輸出接口卡組成。
工業控制計算機(IPC)通過標準的PC104總線接口與運動控制卡相連。工業控制計算機 (IPC)數據運算處理功能強大，主要負責對花樣數據的運算，將每一針數據分割為X方向和 Y方向增量，通過標準的PC104總線接口送到運動控制卡上的FPGA的隊列中。
運動控制卡主要完成主軸、X軸、Y軸三軸的運動控制。運動控制卡通過1個標準的PC104 總線接口與IPC相連；對主軸、X軸、Y軸的運動控制分別由3個接插件與主軸驅動器、X軸 驅動器、Y軸驅動器相連；以FPGA為主的高速運動控制卡根據隊列中的數據作細插補、伺服 控制，對步進電機的運動進行控制。FPGA的運動控制采用位置檢測協同運動控制方法。該控 制方法主要是主軸伺服電機在縫制過程中勻速運轉，由FPGA在主軸運轉過程中監測主軸編碼 器的反饋(即主軸運轉角度)，從而將各軸的脈沖分配給伺服驅動單元控制兩個進給軸X軸和 Y軸步進電機運動，達到協同運動。
采用本發明，可以實現電腦花樣縫紉機的高速度運動控制，經實驗測試電腦花樣縫紉 機在2. 5咖針距時，縫紉速度為3200針/分；在3mm針距時，速度為2800針/分。采用本發 明的電腦花樣縫紉機縫制速度高、且運行平穩，噪音小，線跡美觀、均勻。本發明適用于現 有的電腦花樣縫紉機或其它類似的工業縫紉機的運動控制。
圖1本發明的電腦花樣縫紉機運動控制方法的電腦花樣縫紉機硬件組成框圖 圖2本發明的電腦花樣縫紉機運動控制方法的花樣縫紉機運動控制原理示意圖 圖3本發明的電腦花樣縫紉機運動控制方法的慢速運行時FPGA對X/Y軸步進電機升降速 控制曲線
圖4本發明的電腦花樣縫紉機運動控制方法的快速運行時FPGA對X/Y軸步進電機升降速 控制曲線
圖5本發明的電腦花樣縫紉機運動控制方法的FPGA運動控制示意圖
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明電腦花樣縫紉機運動控制方法進行進一步的詳細描述。 從圖1可以看出，本發明是在一種電腦花樣縫紉機控制系統的平臺上實現的。該控制系 統包括電腦控制單元、伺服驅動單元、人機界面單元、系統供電單元、系統軟件。電腦控制 單元是本發明的最核心的部分，也是本發明提供方法實現的依托。電腦花樣縫紉機由工業控 制計算機(IPC)、運動控制卡和輸出接口卡組成，電腦花樣縫紉機負責系統軟件的運行，實 現屏幕顯示、按鍵輸入、文件管理、3軸(主軸、X軸、Y軸)運動控制、8路帶光電隔離的 開關量信號輸入、8路帶光電隔離的開關量信號輸出。工業控制計算機(IPC)采用低功耗、嵌入式NS Geode GX1 300MHz CPU, 128M SDRAM, 單5VDC電源；IPC上的CF (CompactFlash)存儲卡用于存放系統軟件，以及系統運行過程 中生成的各種數據文件。IPC具有標準的PC104總線接口 (插座)，通過該接口與運動控制 卡相連。工業控制計算機(IPC)數據運算處理功能強大，主要負責對花樣數據的運算。由工 業控制計算機(IPC)對花樣文件進行編譯，根據用戶設置的運行速度決定主軸伺服電機以什 么樣的速度進行勻速運轉；將每針的X軸和Y軸方向的增量Ax和Ay送入FPGA的隊列中等 待執行單元的執行，圖5即是FPGA運動控制示意圖，由CPU和FPGA并行處理運算和控制， 大大提高了運行速度，節省控制時間。
運動控制卡主要完成3軸(主軸、X軸、Y軸)運動控制。運動控制卡采用150萬門現場 可編程門陣列(FPGA)，芯片型號XC2S150-5PQ208C，花樣縫紉機所需的所有控制信號、輸入 信號、輸出信號均由該芯片進行處理。運動控制卡通過1個標準的PC104總線接口 (插針) 與IPC相連；對主軸、X軸、Y軸的運動控制分別由3個接插件與主軸驅動器、X軸驅動器、 Y軸驅動器相連，運動控制信號采用位置控制方式，即脈沖、方向控制，既支持交流伺服驅 動器，也支持步進電機驅動器；
圖2詳細說明本發明的運動控制方法。將主軸伺服電機停在A送料開始角度位置和B送 料終止角度位置的編碼器反饋輸入到FPGA定義的相應的I/O地址中。在縫制過程中，主軸伺 服電機以一定的速度勻速旋轉，當縫紉機針隨著主軸電機旋轉按照圖2中箭頭所指示的方向 運行到A點，此時當前主軸電機編碼器返回值與FPGA相應I/0地址的送料開始角度一致，即 表明當前位置可以開始驅動X/Y軸步進電機運行送料。FPGA控制步進電機進行升速，達到X/Y 軸步進電機的運行速度l和Vy 。 V,和Vy由FPGA根據主軸電機旋轉速度和X/Y方向移動的針 距進行調節(針距范圍O. lmm 12.7咖)。在機針從A點送料開始角度到B點送料終止角度的 過程中，X/Y軸步進電機要完成規定的針距的移動，在機針運行到B點送料終止角度的時候， FPGA控制步進電機進行減速，直到速度為O，機針扎下，完成一針縫紉。以此類推完成后面 每一針的縫制。
在電腦花樣縫紉機控制系統的控制過程中，只有更好的解決主軸交流伺服電機和進給軸 步進電機之間的同步，才能有效的提高電腦花樣縫紉機的運行速度。在電腦花樣縫紉機運行 時，主軸交流伺服電機勻速旋轉，運動控制卡中的FPGA根據主軸的轉速、允許送料角度及禁 止送料角度控制步進電機的脈沖頻率。FPGA對步進電機進行啟動和停止控制是整個方法的關 鍵。因為步進電機啟動和停止的時候最容易出現丟步和過沖現象。 一般情況下，花樣縫紉機 縫制過程都是要求步進電機啟動時間短，而運行速度往往比較高。如果FPGA以要求的運行速 度直接啟動，因為該速度已超過極限啟動頻率而不能正常啟動，運行速度越高，越容易出現 丟步，嚴重的可能導致不能運行，發生堵轉；電機運行起來以后，如果達到終點時立即停止 發送脈沖串，令其停止運轉，則由于慣性，電機轉子會轉過平衡位置，如果負載慣性很大，則會使步進電機轉到接近終點平衡位置的下一個平衡位置停下，這樣就形成了過沖，導致縫 制過程中機針停止位置不準。目前國內電腦花樣縫紉機運行速度就是受步進電機加速特性的 限制。本方法在FPGA控制X/Y軸步進電機同時加入了對步進電機升降速的處理。由FPGA產 生步進電機不同速度所需的時鐘頻率，可以實現步進電機的可變速度控制。如圖3所示，FPGA 對步進電機進行變速控制，實際就是改變輸出脈沖的時間間隔，升速時使脈沖串逐漸加密， 減速時使脈沖串逐漸稀疏。從而良好的控制步進電機的運行，避免丟步或者過沖現象，大大 提高了電腦花樣縫紉機的縫制速度。
伺服驅動單元由交流伺服驅動器或步進電機驅動器，以及與它們相連的電機組成，是本 發明實現的執行單元。主軸、X軸、Y軸驅動器的控制信號來自電腦控制單元的運動控制卡， 控制信號經驅動器放大處理后直接驅動各自的電機。主軸、X軸、Y軸電機的旋轉軸與工業縫 紉機的機械傳動系統相連，電機的旋轉運動通過機械傳動系統帶動工業縫紉機的主軸、X軸、 Y軸完成各自的運動。
主軸電機采用交流伺服電機。主軸電機的旋轉軸與工業縫紉機主軸機械傳動系統相連， 它們之間的連接關系為1:1。主軸電機的旋轉運動帶動工業縫紉機機針上下運動，主軸電機 旋轉1圈，工業縫紉機機針上下運動1次。主軸電機旋轉運動的同時將轉角檢測信號反饋至 控制箱構成閉環系統。
從圖4可以看出，步進電機升速——勻速——降速的時間隨花樣縫紉機運行速度的升高 而縮短。
本發明的方法對縫制速度有以下兩方面的提高-
1. 工業控制計算機(IPC) +現場可編程門陣列FPGA分別進行運算和控制，CPU運算完 后的數據依次存儲在FPGA提供的隊列中，FPGA依次從隊列中取數據進行控制，兩者并行， 大大節省了控制時間，提高了縫制速度。
2. FPGA對步進電機進行升降頻控制，依照步進電機的升速以及降速特性，進行變速度 控制，從而避免丟步和過沖，使得縫制速度得到了更高的提高。
本方法在采用了上述兩種關鍵技術后，電腦花樣縫紉機的縫制速度在實際應用當中可以 達到3ram以下針距3200針/分；3,針距2800針/分。完全能滿足目前國內市場以及國際市 場對電腦花樣縫紉機的速度要求。
權利要求
1. 一種電腦花樣縫紉機運動控制方法，其特征在于，所述的控制方法依次包括下列內容花樣縫紉機的控制系統在主軸伺服電機勻速運轉的同時，通過檢測主軸伺服電機的角度來控制X軸和Y軸送料運動過程；控制系統中的用于對花樣數據的運算工業控制計算機對控制系統中的存儲器中的花樣文件進行讀取編譯，根據用戶設置的運行速度控制主軸伺服電機進行勻速運轉的速度；并將每針的X軸和Y軸方向的送料增量△x和△y縫紉數據送入運動控制卡中的的FPGA的隊列中，等待執行單元的執行；運動控制卡上的FPGA在控制X/Y軸步進電機的速度的同時還對步進電機的升降速度進行控制；由FPGA產生步進電機不同速度運行時所需的時鐘頻率，實現步進電機的變速度控制。
2. 根據權利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述的控制方法還包括下列內容X軸和Y軸方向的送料增量厶x和Ay縫紉數據通過運動控制卡上的FPGA芯片實現緩沖， 所形成的數據隊列由硬件按順序執行。
全文摘要
本發明提供了一種電腦花樣機的運動控制方法，該方法是在控制系統在主軸伺服電機勻速運轉的同時，通過檢測主軸伺服電機的角度來控制X軸和Y軸送料運動。工業控制計算機+現場可編程門陣列FPGA分別進行運算和控制，CPU運算完后的數據依次存儲在FPGA提供的隊列中，FPGA依次從隊列中取數據進行控制，兩者并行，大大節省了控制時間，提高了縫制速度。采用本發明的電腦花樣縫紉機縫制速度高、且運行平穩，噪音小，線跡美觀、均勻。本發明適用于現有的電腦花樣縫紉機或其它類似的工業縫紉機的運動控制。
文檔編號D05B21/00GK101519831SQ20081014796
公開日2009年9月2日 申請日期2008年12月20日 優先權日2008年12月20日
發明者玲 劉, 杰 李, 楊奕昕, 王泓仁, 袁敏娟, 趙毅忠, 趙逸鳴 申請人:中國兵器工業第五八研究所