平割高低圈绒簇绒机控制系统的研究与开发

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1、重庆大学硕士学位论文摘要中文摘要当前，电脑提花簇绒机的使用越来越多，相对于传统的簇绒机，它既可大大减少传统印花工艺所带来的环境污染，同时所制作的地毯产品质量明显提高。限于控制系统的缺乏，国内企业所使用的电脑提花簇绒机，基本上从国外进口，不仅价格昂贵，而且维修不便，严重制约了地毯企业的市场竞争能力。为此，论文进行了平割高低圈绒簇绒机控制系统的研究与开发，论文研究既具有一定的理论意义，又具有较大的实用价值。首先，论文对平割高低圈绒簇绒控制系统的国内外研究现状进行了综述，阐述了控制系统研发的意义，提出了以工控机为上位机，以单片机为下位机核心，以变频器、PLC 为辅件的控制系统方案。在对平割高低圈绒簇

2、绒机机械原理分析的基础上，进行了簇绒机控制系统的总体方案设计，详细分析了上位机软件原理结构、下位机子系统结构以及控制系统的功能。接着，论文对控制系统开发中的几个关键技术进行了研究。给出了位图文件在上位机中的处理方法以及上下位机之间的通信处理机制，进行了控制系统的下位机电路板硬件设计，分析了下位机系统在运行过程中遇到的干扰问题，并提出了相应的可靠性设计方法。最后，进行了平割高低圈绒簇绒机控制系统各个部分的连接设计，并与机械本体部分一起进行了联机调试，调试表明：所研发的控制系统各项指标均达到设计标准。目前，配备该控制系统的簇绒机已实际用于某地毯生产企业，系统运行正常。系统的成功开发，对开发其它类型

3、簇绒机控制系统有借鉴作用，并可有效提升我国地毯企业的装备技术水平。关键词：平割高低圈，簇绒机，单片机，控制系统I重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTComputer Control Tufting Machine (CCTM) is currently used in textile industrymore and more popularly. Compared with traditional tufting machine, CCTM reducepollution and produces higher quality carpet mate. For lacking of

4、CCTM control system,many CCTMs have to be imported with high price and potential maintenanceinconvenience. This greatly restricts the market competency of domestic textilefactories. For that, this paper presents the research and development of Level Cut andHigh-Low-Loop Pile Tufting Machine Control

5、System (LCHLTMCS). This researchmay have not only theory significance but also practicality value.Firstly, this paper summarizes the status quo of LCHLTMCS at home and abroadand expatiates the importance of researching and developing LCHLTMCS. After that,the blue print of control system is put forwa

6、rd. In the blue print, Industry PC (IPC) actsas upper computer, MCU as a core of lower computer, and transducer and PLC asaccessory. Based on the analysis of Level Cut and High-Low-Loop Pile TuftingMachine machinery principle, the blue print of control system is designed. The softwarearchitecture, l

7、ower computer subsystem and functions of control system are all detailed.Secondly, some key technologies are studied. The method of bitmap file in uppercomputer is proposed. Process of communication between upper computer and lowercomputer is detailed. The kernel PCB design of lower computer system

8、is also presented.Besides, potential interferences for control system and some measurements arediscussed.Finally, this paper presents the control system interconnection and the test ofcontrol system assembled on tufting machine. The test results make clear that thecontrol system reach the target of

9、design.At present, tufting machine (TM) with the control system has successfully run insome carpet factory. The development and research of LCHLTMCS may have referencevalue to develop other similar system and improve the level of equipment technology indomestic carpet factories.Keywords: Level Cut a

10、nd High-Low-Loop Pile, Tufting Machine, MCU, ControlSystemII重庆大学硕士学位论文1 绪论1 绪论1.1 课题来源本文课题是受浙江某工厂的委托，根据现场调研结果拟定的。1.2 课题的提出及研究意义1.2.1 课题的提出簇绒地毯在美国实现商业化生产是在上世纪 40 年代，在我国真正实现规模化生产却是在上世纪 80 年代初才开始。国外的地毯份额除来源于商业用户外，大部分来源于家用，而我国却刚好相反。随着我国人民生活水平的不断提高，人们对居住的条件和环境的要求也越来越高，地毯作为室内铺装的重要组成部分，逐渐走进人们的生活，地毯的广阔前景是勿庸

11、置疑的1。当前西方发达国家在大力倡导绿色制造经济，我国也在“十一五”规划中明确要求我国的制造企业应大力推广绿色制造技术，减少资源消耗和环境污染2。传统地毯上的各色花样图案都是靠人工或者机器着色印上去的，在生产过程中产生了大量的对环境和人体有害的物质，如有机氯化合物、重金属和甲醛等3，从而违背绿色制造的理念。所以，尽量减少地毯生产过程中的染料用量，降低地毯生产环境污染指数是摆在地毯生产企业面前一个迫切需要解决的问题。电脑提花簇绒控制技术通过控制地毯底布上的绒毛高度和形状来形成错落有致立体感强烈的地毯图案。采用这种技术将使地毯生产过程几乎不会用到染料，解决了生产地毯时所带来的环境污染和危害人体健康

12、的问题。因而，研发簇绒机控制系统，发展簇绒地毯技术成为当前簇绒机生产企业的热门课题。本文研究的平割高低圈绒簇绒机控制系统正是众多簇绒机控制系统中的一种。1.2.2 研究的意义尽管我国国内的一些厂家,如特思特机械制造有限公司、天龙公司和梦都美公司等，都在生产大量的簇绒机，但都是一些台式小型机，像国外一些大公司生产的带提花功能的宽幅机型在国内市场上很难找到国产的成熟产品。因而，国内的许多中小簇绒地毯生产企业不得不以高昂的市场价格从国外进口电脑提花簇绒机。据有关机构调查，一台 1 米宽的高低圈绒簇绒机，国际售价在 90 万人民币以上，高昂的购买价格，将增加簇绒地毯的生产成本。为了提高我国的簇绒地毯技

13、术水平，降低簇绒地毯的生产成本，提高地毯企业的竞争力，实时地开发电脑提花簇绒机控制系统是目前国内地毯机市场的迫切需求。本1重庆大学硕士学位论文1 绪论文研究的平割高低圈绒簇绒机控制系统也是一种电脑提花簇绒机控制系统，它的开发成功可有效提升我国地毯企业的装备技术水平。1.3 国内外研究现状1.3.1 簇绒机控制系统国外研究现状国际上的簇绒生产控制技术仍然以英国的 Cobble 公司，美国的 Tuftco 公司、CMC公司和日本的山口产业株式会社、平岗株式会社等主导世界先进水平，且技术上各有优劣。 Cobble 公司为英国老牌簇绒机制造商，簇绒地毯技术较为全面。公司生产的一系列簇绒机和提花装置，能

14、够满足不论在生产速度还是在图案设计等方面的不同需求。其生产的超级簇绒者（ST）系列和潘特拉（PANTERA）系列可以为客户提供较大的灵活性和生产的准确性6。对于簇绒提花控制装置，该公司可以提供如下的选择：1) 满幅循环图案提花装置（FRS） 这是一种复杂的图案提花装置，通过独立控制每根纱线不同的喂入量来达到毯面绒毛高高低低的效果。该装置甚至能够使机器每织一针都有能力改变不同的绒毛高度，这种高度具有两种或者三种之分。2) 平割平圈图案提花装置（LCL） 该装置能够控制生产带平割平圈的地毯，绒面高度只有两种。3) 满幅多辊轮斯可罗（SCROLL）控制装置 此装置是一种复杂设备，可生产两个、三个和五

15、个绒高层次，每个层次的高度都可渐进。为了更加提升设计的潜能，绝大多数的图案提花装置都可以和伺服马达控制的或凸轮驱动的移动针床配合使用。 Tuftco 公司为美国主要地毯编织控制技术提供商，在上世纪 60 年代，它就开始不断向国际市场推出其先进的簇绒生产技术。它的最大优势是能够根据市场需要为客户提供完备的地毯技术解决方案。该公司的全幅宽控制喂纱提花附件采用每一根纱线由一个独立的伺服附件来控制，可实现数层绒头高度，在全幅宽上实现不重复图案，该技术在 2001 年第三届中国地面材料及铺装技术展览会上已经推出。在软件方面，Tuftco 公司采用基于 Windows95 的地毯设计及控制软件，能够设计、

16、存储图案，编排针床上纱线排列、即时设计和修改针床移动图案，模拟带有纱线的图案，能够设计喂纱辊速度、喂布辊速度、底基布张力、针床移动轨迹等7。日本山口产业株式会社尽管推出的簇绒控制技术要比其它欧美企业稍晚一些，但在平割平圈技术方面有其独到之处。只带平割平圈控制附件的机器可织出机器全幅宽上任意变化的圈绒割绒组合地毯图案，也可织出类似 Cobble 公司生产的 MiniLCL 机器织出的小图案。该机器可生产纯毛圈、纯割绒、平割平圈三种地毯，其最大的优势是价格比欧美企业生产的具有类似功能的机器要低得多。以上这些国外厂商的簇绒机控制技术都经过长时间的技术演化，目前正朝着控制2重庆大学硕士学位论文1 绪论

17、速度高、编织簇绒地毯的花形更加复杂的方向发展。1.3.2 簇绒机控制系统国内研究现状国内专职生产簇绒机整机的企业不多，目前比较出名的几家分别是威海的特思特机械制造有限公司、浙江的天龙公司和广东的梦都美有限公司。这些厂家有些是专门生产纺织机械的企业，有些却是专职生产纺织品的公司，如梦都美有限公司，生产纺织机械只不过是它的产业扩展而已。由于自主研发簇绒控制技术起步比发达国家晚一些，投入相对也少，使得我国的簇绒控制技术与国外著名厂家的相比还存在不小的差距。目前国内企业生产的簇绒机多是一些台式机，系统控制的针数多在 12 针以内，只能生产一些简单重复的高低绒高小规格产品，难以编织宽幅花形地毯。由于技术

18、含量低，单台市场价格不超过 2 万元人民币，企业获得的利润比较小。尽管一些厂家已经开始向市场出售自己的宽幅簇绒机，但也仍停留在平割机或者圈绒机的水平上，真正的带有花形编织功能的国产簇绒机，当前在国内市场上还很难见到技术比较成熟的产品。而利用宽幅平割机或者圈绒机生产出来的簇绒地毯是没有花形图案的，要想得到带有花形的地毯还得通过印染技术把图案印上去，这与通过提花簇绒机直接编织出花形图案的原理是不一样的。总之，目前国内具有自主知识产权的簇绒机控制技术发展还比较落后，为提高我国的簇绒控制技术水平，相关的企业、科研院所必须加大在其上面的开发投入力度。1.4 本文研究的目的和研究内容1.4.1 本文研究的

19、目的根据相关机构调查，我国地毯生产行业的宽幅簇绒机基本上都是引进 Cobble、Tuftco 和 CMC 这三家公司的，国产同类型号功能的簇绒机很少在行业中出现。我国加入世界贸易组织之后，世界地毯市场的一体化进程明显加快，地毯的竞争更加激烈。生产簇绒地毯的厂家，只有了解国内外的市场需求，采用性价比更高的簇绒控制系统技术，提高簇绒地毯生产效率，改善产品质量，增加簇绒地毯花色品种和科技含量，才能在地毯市场竞争中居于有利地位。本文研究的目的在于通过对平割高低圈绒簇绒机控制系统的开发，为簇绒机生产企业提供一个符合我国当前市场要求，性价比比较高的簇绒地毯控制技术，以满足地毯生产企业降低生产成本的需要。同

20、时，平割高低圈绒簇绒机控制系统的研究也有利于进一步提高我国的簇绒地毯技术水平。1.4.2 本文研究的主要内容本文将在明确研发目的和技术要求的基础上，定位于服务国内的中小簇绒地毯生产企业，围绕着开发一个经济实用的平割高低圈绒簇绒机控制系统的目标，进行了如3重庆大学硕士学位论文1 绪论下的主要研究工作： 分析国内国外簇绒机控制技术的发展现状，阐述开发平割高低圈绒簇绒机控制系统的意义； 根据平割高低圈绒簇绒机机械原理，确定控制系统的总体结构，分析构建控制系统的上位机软件结构、下位机子系统的系统结构，同时还对整个控制系统的功能作了详细的论述； 在研究系统总体结构的基础上，本文针对平割高低圈绒控制系统的

21、一些关键技术做了进一步的研究，具体包括位图文件的处理方法、上下位机系统的通信设计和下位机子系统的控制电路板硬件设计，同时针对下位机子系统的可靠性设计，论文也进行了一定的论述； 对控制系统具体的施工连接，进行了总体设计，提出了控制系统储存运输、安装调试时应注意的事项。4重庆大学硕士学位论文2 平割高低圈绒簇绒机控制系统总体结构设计2 平割高低圈绒簇绒机控制系统总体结构设计统总体结构具有的各项功能，此后论述了平割高低圈绒簇绒机控制系统的上位机软件原理结构、下位机子系统结构。2.1 平割高低圈绒簇绒机控制系统总体结构根据工厂的实地调查研究，平割高低圈绒簇绒机编织地毯的机械原理结构如图2.1 所示8。

22、压轮助动片2气缸2送线筒针电气阀2刺筒2纱线底布刺筒1气缸1针板簧片割刀勾刀助动片1电气阀1图 2.1 簇绒机机械原理图Figure 2.1Principle Map of Tufting Machine Machinery对图中所示的原理分析如下：簧片、勾刀、助动片 1 和气缸 1 组成一个组合件整体装在连杆机构上随着连杆一起作左右摆动运动。送线筒在机器上有两组，分为高速送线筒组和低速送线筒组，而每组又有两个送线筒分别与另一组的两个送线筒分成上下两排间隔排列，每根纱线间隔地放在两组送线筒的其中两个高低速送线筒的槽中。气缸 2 的动作通过助动片 2推动压轮把纱线压紧在送线筒上，送线筒转动时，将

23、使纱线以一定的送线筒的线速度往下运动。根据对地毯编织原理的分析，可知送线筒的转速决定了纱线的运行速度，5重庆大学硕士学位论文2 平割高低圈绒簇绒机控制系统总体结构设计也决定了簇绒地毯上的绒毛高度。在纱线往下运动的过程中，底布在刺筒 1、2 的带动下，向着刺筒 1 的方向运动。当纱线随着针一起穿过底布运行到下死点时，勾刀同时也穿过针与纱线之间的间隙向刺筒 2 的方向运行到最左端位置。此后,在针往上运动的过程中，如果簧片相对于勾刀处于最左端（出来）位置，那么，当簧片、勾刀、助动片 1 和气缸 1 整体向刺筒 1 方向摆动（摆动的线速度大于底布向左移动的速度）时，簧片将钩住纱线随底布一起向刺筒 1

24、的方向移动。此时，割刀的刃口与勾刀形成了类似与剪刀形状的夹口，一旦纱线与底布一起移动到最右端，割刀的刃口和勾刀形成的夹口也会闭合从而把纱线形成的圈绒头割断，在底布上就编织出割绒，也即是所谓的平割绒。若要在底布上形成圈绒，则应当在针的上下运动过程中，控制簧片相对于勾刀始终处在最右端（进去）位置，从而当簧片、勾刀、助动片 1 和气缸 1 一起向右摆动时，由于其速度大于底布移动的速度，纱线将在没有被簧片钩住的情况下从勾刀上面脱离出来，以至于在底布上形成了圈绒。圈绒的高低两种形状的绒毛形成，则受纱线是由高速送线筒带动还是由低速送线筒带动控制的。通过对上面簇绒机机械原理的分析，得知平割高低圈绒簇绒机编织

25、地毯的关键在于控制纱线的送线速度和簧片相对于勾刀的位置。考虑到簇绒机上纱线是由两组高低速送线筒带动的，研究决定只要分别调整高低速送线筒的转速就能控制纱线的送线速度，而纱线应由高速送线筒带动还是由低速送线筒带动则可以控制压线轮把其压在哪个筒上来决定（每根纱线都有两个压线轮分别对应高低速送线筒）。关于簧片和勾刀的相对位置，则可以通过电气阀带动气缸 1 和助动片 1 的动作来控制簧片相对于勾刀的相对运动来实现。根据本系统的开发任务书，设计的平割高低圈绒簇绒机控制系统的总体结构见图 2.2。M上位机下位机系统簇绒机机械图 2.2 平割高低圈绒簇绒机控制系统总体结构Figure 2.2Architect

26、ure of Control System for Level Cut and High-Low-Loop PileTufting Machine6重庆大学硕士学位论文2 平割高低圈绒簇绒机控制系统总体结构设计该系统总体结构中，上位机用工控机（IPC）来代替，主要完成产品 BMP 图形 文件的转换及与下位机的通信操作。下位机系统以 PHILIPS 单片机 P89V51RD2 为中央微控制器部件，除完成与上位机的通信之外，还负责现场电气阀的控制和信号的采集处理等。整个系统与国外的同类控制系统相比，具有造价低廉、硬件占用空间小的优势。2.2 平割高低圈绒簇绒机控制系统功能分析上一节论述的平割高低圈

27、绒簇绒机控制系统的总体结构是在研究簇绒机机械原理和国外现有的簇绒机运行原理的基础上确定的方案，采用此方案设计控制系统要求考虑系统将来具有操作简便、易于维护的特点，同时还要保证整个系统制造成本不应太高（按照设计要求，成本应低于国外的一半）。基于这些要求，本文研究的平割高低圈绒簇绒机控制系统将在满足设计要求的基础上尽量简化一些功能。关于系统在简化之后所具有的一些功能，有以下几点： 上位机操作权限管理。有两种，包括操作者权限和管理员权限。操作者权限只能监测现场设备的状态，操作机器的启动、停止，复位机器的故障和修改班产量等；管理员权限除了包括操作者的所有权限外，还具有修改控制系统密码、修改记录文件的权

28、限。 系统的历史管理。系统能够保存每种产品的总产量和记录、显示当日的班产量，能够保存每种产品的图形文件。 上位机软件能够显示、监控下位机系统的状态，如驱动系统异常、下位机未准备好、地毯数据文件或参数设定不完整、定位开关损坏、编织机运行准备好和地垫编织中等。 上位机软件能够预览当前正在编织的地毯的图形，能够将预生产产品的 BMP位图（颜色只有红、绿和蓝三种，RGB 值为别为（255，0，0）、（0，255，0）和（0，0，255）文件转化为所需的数据文件并保存下来。 能够设定当前编织簇绒地毯时所选定的针的范围。 能够在 COM1、COM2、COM3 和 COM4 之间任选一个 RS232 串口作

29、为通信端口。 控制系统能够对电机拖动进行无级调速，能够采集处理机械周边的少量信号，还能够实现对机器的安全锁定。 当簇绒机停止运转时，能够自动将针停止在行程的上死点位置。 簇绒机运转具有点动和自动两种功能模式。 控制系统能够根据文件数据的要求控制簇绒机上 1000 多个电气阀的动作，使机器编织出高质量的簇绒地毯产品。7重庆大学硕士学位论文2 平割高低圈绒簇绒机控制系统总体结构设计2.3 平割高低圈绒簇绒机控制系统上位机软件原理结构平割高低圈绒簇绒机控制系统上位机软件要求操作简便，界面简单，以便操作者操作机器的要求条件相对不高。设计本控制系统的上位机软件时，基本风格采用对话框式的结构，这主要是因为

30、对话框具有类似于工业控制现场控制面板的风格，便于操作者熟悉控制系统的功能。根据控制系统的功能要求，平割高低圈绒簇绒机控制系统上位机软件模型结构主要由通信模块、数据转换模块和人机界面三大模块组成，见图 2.3。人机对话数据转换通讯下位机数据存储人机界面图 2.3上位机软件原理结构Figure 2.3Architecture of Software for the Upper Computer该软件模型中通信模块主要负责上位机与下位机控制系统的数据交换，如 BMP图形文件转化后的数据传递、针脚设定数据下传和机械设备的运行状态上传等。通信模块在处理数据传递时，有些是实时传递，有些是非实时传递，这主要

31、根据簇绒机当前的工作状态来确定。数据转换模块在人机界面模块和通信模块之间起着桥梁的作用。操作者下达的操作指令必须通过它的转换才能由通信模块进行处理并下传给下位机控制系统。同样，下位机子系统向上位机回传的数据也必须通过它的解析才能为人机界面模块读取并随后进行相应的处理。人机界面模块是本软件系统的核心模块。无论是操作者的操作指令还是 BMP 图形文件的读取、保存，都必须通过人机界面来达到与工控机的交互式操作。为了降低操作者操作控制系统的要求，设计上位机软件时，要求把人机界面模块的风格设计为对话框式的结构。整个软件结构之所以采用以上三大模块的架构，主要是基于对象编程模式的要求。这样，在今后的软件升级

32、维护过程中，后续研究开发人员可以做到在短时间内进行及时的软件升级。8重庆大学硕士学位论文2 平割高低圈绒簇绒机控制系统总体结构设计2.4 平割高低圈绒簇绒机控制系统下位机子系统结构设计平割高低圈绒簇绒机要在簇绒地毯上编织出高割、高圈和低圈的簇绒头，必须有一个与机械设备紧密相连的电子控制系统，有效地控制机械系统各个部件根据簇绒编织的机械原理协调运行。根据平割高低圈绒簇绒机机械原理的论述，得知编织簇绒地毯的关键要求是控制纱线的送线速度和簧片相对于勾刀的相对位置。为了满足这个要求，平割高低圈绒簇绒机控制系统可以通过控制电气阀的通电顺序来保证气缸 1 和气缸 2 的协调动作，然后再由气缸分别带动各自的

33、助动片来实现。平割高低圈绒簇绒机作为现场单机设备，无论是对操作者的人身安全还是设备的安全都必须进行充分的考虑。例如，要求下位机控制系统能够实时地监控机械机构的运行状态，使得机器在出现紧急情况或者运行出现异常情况下能够进行及时安全的动作。本文在进行这方面的研究时，根据簇绒机工作现场的调查情况，确定了以下几点安全保障措施： 图形文件数据未传给下位机时，禁止簇绒机的电机运转； 簇绒机的针脚选择未设定时，禁止簇绒机编织地毯； 簇绒机的针定位接近开关损坏时，提示报警信号，同时必须等待解除故障才允许进行其它方面的机器操作； 编码器损坏时，禁止机器运转并给出报警提示信号； 变频器出现故障时，给出提示报警信号

34、； 任何一个操作按钮损坏，机器停止运转并报警提示； 分别在操作台和簇绒机的针杆位置安装一个紧急停止按钮，以备出现紧急情况时，操作者能够瞬间控制机器停下来； 在操作台上必须安装一个复位按钮，以便当机器故障解除时能够恢复机械正常状态； 严禁簇绒机电机反转； 系统重新上电后，操作者必须给出一个系统准备好信号，才能允许其操作机器。为达到上述的安全指标要求，控制系统采用市场上品种繁多的可编程逻辑控制器（PLC）与设计的电路控制板系统一起来协调实现机器的控制。平割高低圈绒簇绒机在运行的过程中，针的上下运行和簧片的“进出”运动必须按照时间的顺序来控制，否则将使簧片“倒勾”与针的穿线孔相干涉而损坏针或者簧片，

35、如图 2.4 所示。为防止簧片“倒勾”与针穿线孔之间的干涉，控制系统采用一个脉冲编码器跟踪针的上下运动位置。当针刚好在行程的上死点时，由编码器发出一个同步脉冲，下位机控制电路板利用此脉冲信号随后将根据图形文件的数据控制与气缸 1 相连的电气9重庆大学硕士学位论文2 平割高低圈绒簇绒机控制系统总体结构设计阀通电状态，从而控制簧片相对于勾刀的位置。这一动作过程的延时时间非常短，一般不会超过 10 毫秒，而针的上下行程的时间根据计算大概 100 毫秒左右。这样当针与簧片、勾刀接触时，簧片已经处在适当的位置，从而簧片的“倒勾”就不会“勾”到针的穿线孔，也就不会发生簧片或者针损坏的现象。(a)针在行程上

36、死点时，簧片变换位置，不产生干涉(b)针移到行程中点时，簧片变换位置，产生干涉图 2.4 簧片针眼干涉示意(c)针移到行程中点时，簧片不变换位置，不产生干涉Figure 2.4Illustration of Interference between Barbof PCL Spring and Hole of Stitch根据第 2.1 节分析的簇绒机机械原理，可以得知平割高低圈绒簇绒机运行时，纱线的送线速度非常重要。为降低成本，平割高低圈绒簇绒机把送线筒的转动、底布的卷动和针的上下运动统一由一台电机来驱动，然后通过链轮、凸轮、连杆和无级变速器来分解得到。根据对簇绒机机械设计图纸的分析得知，只要

37、控制电机的速度就能控制底布的线速度，而纱线的送线速度控制可以通过调整机器上安装的无级变速器来调整送线筒的转速来实现。电机转速的控制可以采用伺服驱动系统驱动，也可以采用简单的变频调速器控制。显然用伺服驱动系统来拖动电机，能够保证运行速度的平稳和转动的位置精度，但成本高是它的不足之处。变频调速器控制电机的运行速度和位置精度没有伺服驱动系统那么高，但它具有价格便宜、安装要求不高的特点。对于平割高低圈绒簇绒机来说，对电机的运行状态要求并不太高，因此在进行控制系统设计时选定变频调速器来驱动电机。下位机电路板系统是平割高低圈绒簇绒机控制系统的核心子系统之一，因为它要控制机器上电气阀的动作和协调 PLC、上

38、位机的控制。本论文将在第 3 章第 3.3 节作详细的研究论述。综合上面所述，设计的平割高低圈绒簇绒机控制系统的下位机系统结构原理框图如图 2.5 所示。10重庆大学硕士学位论文上位机2 平割高低圈绒簇绒机控制系统总体结构设计输出板电路控制板系统PLC变频器图 2.5电机下位机控制系统结构机械Figure 2.5Architecture of Lower Computer Controller本控制系统经过后来的现场实践证明，方案是切实可行的。2.5 本章小结本章介绍了平割高低圈绒簇绒机编织簇绒地毯的机械原理，根据此原理论述了控制系统的总体结构设计，随后分析了该系统应当具有的一些功能。功能分析

39、完之后，还具体论述了上位机软件原理结构和下位机子系统结构设计。11重庆大学硕士学位论文3 平割高低圈绒簇绒机控制系统关键技术研究3 平割高低圈绒簇绒机控制系统关键技术研究本章论述一些平割高低圈绒簇绒机控制系统的关键技术研究，包括 BMP 图形文件处理方法、上下位机的串行通信设计、下位机子系统硬件电路板设计和下位机子系统的可靠性设计。3.1 平割高低圈绒簇绒机控制系统 BMP 图形文件处理2224平割高低圈绒簇绒机控制系统中，下位机电路板系统是以 8 位单片机为处理器核心，通过控制各个输出板来控制簇绒机上的电气阀动作。由于数据处理的工作量相对比较大，对于此系统来说如果将 BMP 图形文件的数据全

40、部由它处理，将会使其负担过重而影响其它的控制任务。所以，平割高低圈绒簇绒机控制系统需要上位机完成 BMP图形文件的大部分处理，下位机电路板只是在接收到文件数据之后进行存储，然后再作相应的分析控制处理。3.1.1 图形知识普通的显示器屏幕由许许多多点构成，称之为象素。显示时采用扫描的方法在屏幕上从左至右扫描一行并为每个象素着色，然后由上到下扫描若干行，按如此方法扫描整个显示器的屏幕。显示器为了防止闪烁，每秒要重复上述过程几十次。例如，常说的屏幕分辨率 640480，刷新频率 70Hz 规格的显示器，就是说每行要扫描 640 个象素，一共扫描 480 行，且此过程在每秒钟内重复 70 次。BMP

41、图形文件是采用位映象的方法显示和存储的文件，而所谓的位映象则是指一个二维的象素矩阵。自然界中的所有颜色都可以由红、绿、蓝（R，G，B）组合而成。有的颜色含有红色成分多一些，如深红；有的则含有红色成分少一些，如浅红。针对含有红色成分的多少，可以分成 0 到 255 共 256 个等级。其中 0 级不含红色成分，255级表示含有 100的红色成分。同样，绿色和蓝色也被分成 256 个等级。根据红、绿、蓝各种不同的组合，可以表示出 256256256 约 1600 万种颜色。如此丰富的颜色，将使自然界的各种颜色图案很方便地表现出来。对于有些图片，它只有固定的几种颜色，这种情况下若使用 3 个字节在计

42、算机的显示屏幕上表示颜色，就显得有些浪费计算机的资源。要解决这个问题，可以制定一张颜色表，表中每一行记录一种颜色的 R、G、B 值，当表示一个象素的颜色时，只需要指出该颜色在第几行，即该颜色在颜色表中的索引值。举个例子，如表 3.1 第 0行颜色值为 RGB（255，0，0）（红色），那么当某个象素为红色时，只需要标明 0 即可。这张表就是所谓的调色板（Palette）。12重庆大学硕士学位论文表 3.13 平割高低圈绒簇绒机控制系统关键技术研究颜色与颜色分量Table 3.1Color and RGB还有一种图，它的颜色数高达 256256256 种，也就是说包含上述介绍的红（R）、绿（G）

43、、蓝（B）颜色表示方法中所有的颜色，这种图叫着真彩色图（True Color）。真彩色图并不是说图中包含了所有的颜色，而是说它具有显示所有颜色的能力，即最多可以包含所有的颜色。表示真彩色图时，每个象素直接用 R、G、B 三个分量字节表示，而不采用调色板技术。原因是如果用调色板表示一个象素也要用 24 位。这是因为每种颜色的索引要用 24 位，和直接用 R、G、B 三个分量表示的字节数一样，此外还要加上一个 2562562563 个字节的大调色板。所以真彩色图直接用 R、G、B三个分量表示，这种图也被称为 24 位位图。3.1.2 深入了解 BMP 图形文件格式位图文件大体上分成 4 个部分，如

44、表 3.2 所示。表 3.2位图文件结构Table 3.2Structure of Bitmap位图文件头 BITMAPFILEHEADER位图信息头 BITMAPINFOHEADER调色板 Palette实际的位图数据 ImageData第一部分为位图文件头 BITMAPFILEHEADER，是一个结构，其定义如下：typedef struct tagBITMAPFILEHEADER13索引颜色RGB0深红255001深蓝002552深绿025503黄25525504紫25502555青02552556白2552552557黑0008灰128128128重庆大学硕士学位论文unsigned

45、shortbfType;3 平割高低圈绒簇绒机控制系统关键技术研究unsigned long bfSize;unsigned short bfReserved1;unsigned short bfReserved2;unsigned long bfOffBits; BITMAPFILEHEADER;这个结构的长度是固定的，为 14 个字节（unsigned short 为无符号 16 位整数，unsigned long 为无符号 32 位整数），各个结构体变量说明如下:bfType指定文件类型，必须是 0x424D，即字符B、 P，也就是说所有的位图文件（扩展名.bmp）头两个字节都是B、P。

46、bfSize指定位图文件的大小，包括头文件结构的 14 个字节。bfReserved1，bfReserved2为保留字节，不用考虑。bfOffBits为从文件头到实际的位图数据的偏移字节数。第二部分为位图信息头 BITMAPINFOHEADER，也是一个结构，其定义如下：Typedef struct tagBITMAPINFOHEADERunsigned long biSize;longlongbiWidth;biHeight;unsigned short biPlanes;unsigned short biBitCount;unsigned long biCompression;unsign

47、ed long biSizeImage;longlongbiXPelsPerMeter;biYPelsPerMeter;unsigned long biClrUsed;unsigned long biClrImportant; BITMAPINFOHEADER;这个结构的长度是固定的，为 40 个字节，结构体的各个变量的说明如下：biSize指定这个结构的长度，为 40。14重庆大学硕士学位论文3 平割高低圈绒簇绒机控制系统关键技术研究biWidth指定图像的宽度，单位为象素。biHeight指定图像的高度，单位为象素。biPlanes必须是 1，不用考虑。biBitCount指定表示颜色时要

48、用到的位数，常用的值为 1（黑白二色位图），4（16 色位图），8（256 色位图），24（真彩色位图）（新的位图文件格式支持 32 位色彩，这里就不做讨论了）。biCompression指定位图是否压缩，有效的值为 BI_RGB，BI_RLE8，BI_RLE4，BI_BITFIELDS，这些值都是 Windows 定义好的常量。Windows 位图可以采用 RLE4 和 RLE8 的压缩格式，但用的不多，本文所研究的位图文件是一种未经压缩处理的文件，即 biCompression的值为 BI_RGB。biSizeImage指定实际的位图数据占用的字节数，也可以从以下的公式中计算出来，即：bi

49、SizeImage=biWidthbiHeight上述公式中的 biWidth必须是 4 的整数倍（所以不是 biWidth 而是 biWidth，表示大于或等于 biWidth 的最接近 4 的整数倍，也即 4 字节对齐）。如果 biCompression 为 BI_RGB，则该项可能为零。biXPelsPerMeter指定目标设备的水平分辨率，单位是每米的象素个数。biYPelsPerMeter指定目标设备的垂直分辨率，单位是每米的象素个数。biClrUsed指定本图像实际用到的颜色数，如果该值为零，则用到的颜色数为 2 biBitCount。biClrImportant指定本图像中重要的

50、颜色数，如果该值为零，则认为所有的颜色都是重要的。第三部分为调色板 Palette，当然，这里是对那些需要调色板的位图文件而言的。有些位图，如真彩色位图，前面已经提到过，是不需要调色板的，因此BITMAPINFOHEADER 后直接是位图数据。调色板实际上是一个数组，共有 biClrUsed 个元素（如果该值为零，则有2biBitCount 个元素）。数组中每个元素的类型是一个 RGBQUAD 结构，占 4 个字节，15重庆大学硕士学位论文3 平割高低圈绒簇绒机控制系统关键技术研究其定义如下：Typedef struct tagRGBQUADunsigned char rgbBlue; /蓝色

51、分量unsigned char rgbGreen; /绿色分量unsigned char rgbRed; /红色分量unsigned char rgbReserved;/保留值 RGBQUAD;这个结构的长度是固定的，为 4 个字节。第四部分就是实际的图像数据了。对于用到调色板的位图，图像数据就是象素颜色在调色板中的索引值。对于真彩色图（24 位位图），图像数据就是实际的三个颜色分量的 R、G、B 值。下面针对 2 色（黑白），16 色，256 色和真彩色位图分别简单做一下介绍。对于 2 色位图，用 1 位就可以表示该象素的颜色（一般 0 表示黑色，1 表示白色），所以 1 个字节可以表示 8

52、 个象素。对于 16 色位图，用 4 位可以表示一个象素的颜色，所以 1 个字节可以表示 2 个象素。对于 256 色位图，1 个字节刚好可以表示一个象素。对于真彩色图像，3 个字节才能表示 1 个象素。对于位图文件来说，要注意 2 点： 每一行的字节数是 4 的整数倍，如果不是，则需要补齐。这在前面介绍biSizeImage 时已经提到过。 通常位图文件的数据是从下到上，从左到右的。也就是说，从文件中最先读到的是图像最下面一行的左边第一个象素，然后是第二个象素接下来是倒数第二行左边第一个象素，左边第二个象素依此类推，最后得到的是最上面一行的最右一个象素。3.1.3 簇绒地毯产品 BMP 图形

53、文件处理第 2 章分析平割高低圈绒簇绒机的机械原理时提出簇绒机需要编织簇绒地毯的三种绒毛，即高割绒毛、高圈绒毛、低圈绒毛。根据现场的调查研究，簇绒地毯企业的技术人员在设计簇绒地毯的花形图案时，一般用不同的颜色来标定簇绒地毯上某点的绒毛高度及形状，也就是将高割绒毛、高圈绒毛、低圈绒毛用不同颜色表示出来，如图 3.1 所示。16重庆大学硕士学位论文图 3.1 中所示的深红（RGB（255，0，0）、深绿（RGB（0，255，0）、深蓝（RGB（0，0，255）分别代表不同的绒毛。用不同的颜色表示不同的绒毛在国际国内的地毯生产行业中是一种通行的办法，差别仅在于不同厂家生产的簇绒机可能采用不同的颜色来

54、表示不同的绒毛形式。平割高低圈绒簇绒机控制系统方案中，确定颜色分量为 RGB（255，0，0）的颜色表示高割，颜色分量为 RGB（0，255，0）的颜色表示3 平割高低圈绒簇绒机控制系统关键技术研究图 3.1 簇绒地毯图案Figure 3.1 Pattern of Tufting Carpet低圈，颜色分量为 RGB（0，0，255）的颜色表示高圈，见表 3.3。所以根据图 3.1 织出的地毯应该是在低圈绒的基础上形成一个高割的圆面和高圈的方块。表 3.3颜色与绒毛对应关系Table 3.3Reference of Tufting Yarn Corresponding to Color根据对簇

55、绒机的机械原理分析得知高割、高圈和低圈是由簇绒机电气阀通电状态控制簧片和压线轮的组合方式实现的。平割高低圈绒簇绒机控制系统设定用 0 表示阀不通电，1 表示阀通电，这样可以设计如下一张阀通电状态表。表 3.4阀通电状态与绒毛对应关系Table 3.4Action of Valve Corresponding Tufting Yarn根据以上两个表，可以推导出下面的电气阀的通电状态与颜色的关系对照表。17阀高割毛高圈毛低圈毛高速压线轮阀110低速压线轮阀001簧片阀100绒毛高割毛高圈毛低圈毛颜色深红 RGB(255,0,0)深蓝 RGB(0,0,255)深绿 RGB(0,255,0)重庆大学硕士学位论文表 3.53 平割高低圈绒簇绒机控制系统关键技术研究阀通电状态与颜色对应关系Table 3.5Action of Valve Corresponding Color表 3.5 就是平割高低圈绒簇绒机控制系统进行簇绒地毯图形处理时的核心算法，根据此算法，任何以这三种颜色表示的 24 位 BMP 位图图形文件只要象素满足设定的值都可以转化为下位机系统所需的图形文件数据，至于控制电气阀的通电状态则由下位机系统的电路板来进行解析处理。3.2 平割高低圈绒簇绒机控制系统上下位机串行通信设计RS232 串口通信设计是平割高低圈绒簇绒机控制系统协调上下位机子系统协同