自动刷花机的嵌入式控制系统设计

陈益飞

CHEN Yi-fei

（盐城工学院，盐城 224051）

1 概述

刷花机是在研究多种运动合成的基础上开发生产的毛绒后整理设备。刷花是利用镂空花纹滚筒内的毛刷不停地转动，对正在加热的热塑性纤维绒面进行刷或压的处理，达到使绒面呈现凹凸分明的立体毛茸花纹。适用于化纤、混纺织物、长毛绒、丝绒及短毛绒的梳毛及刷花后处理。毛绒表面经刷花定型后形成各种规格的花纹，美观大方，且不易变形。

刷花机控制箱的发展是伴随着嵌入式技术的发展而不断发展的。在单片机的时代里，出现了单片机实现的控制箱，但随着企业要求的提高，如性能、稳定性、界面等问题，单片机己经不能满足用户的需求，随着嵌入式的发展，32位的嵌入式处理器被广泛应用，因此我们所做的基于ARM S3C2410控制系统。自动刷花机正是在这一背景下产生的，它解决了微型机和单片机的缺点，有功能强大，成本低等。

2 自动刷花机原理

自动刷花机由机架、紧布部分、织物牵引部分、刷花部分、气定型部分、烘干部分、走布传动和控制部分。它配置气蒸喷装置，通过上下、横向的复合运动，使毛绒成球状，其表面经定型后形成滚球绒。它通过调整螺栓来控制气缸的行程来调节刷花压力，不同毛高间距不同，不同的刷花转速刷出的花形蓬松度不同。

机架：两侧箱体为钢板结构，由四根横撑进行连接，机架、立柱及横梁均采用12号槽钢，由横撑进行连接。

图1 刷花机工作原理结构简图

紧布部分由支撑、紧布辊、棘轮等组成，织物穿布后，由紧布装置来调整织物的紧布力。

织物牵引部分：织物由前后牵引带动，牵引辊外表面裹粒面橡胶，两牵引辊之间用链条等速比刚性传动，主动力由电磁离合器机构传入。

刷花部分：刷花头由齿轮及同步带传动，变频调速。各部件采用的铜铝或采用防锈处理，毛刷材料为不锈钢或棕毛。刷花头的旋转运动由一个变频器控制两台电机，通过同步带传动带动四根齿轮轴转动，从而带动所有刷花头做旋转运动。刷花座的纵横向运动。刷花座的横向运动分为两种：一种为间歇运动；另一种方式为连续运动。刷花座的纵向运动比较简单，它主要用于当刷花座横向运动为间歇运动时，在偏移前先使刷花头离开织物，防止造成织物花型混乱，同时该项动作也可用于织物缝头的避让。

气定型部分：由气室，铜制喷嘴及垫板组成，刷花架由气缸（或电机）带动往复运动，刷花头与布面的接触压力由限位机构来实现。

烘干部分：有烘干室、通风机及加热装置等组成，烘干室由2mm钢板焊接而成，通风由热风循环风机完成，风量由风门可调节，加热装置由三根电加热管组成。

走布传动：变频调速电机通过电磁离合器带动摆线针轮减速机实现走步动作的变换。

控制部分：安装在右侧的控制器来完成，面板有操作开关和按钮等，操作方便。

3 自动刷花机嵌入式控制系统方案设计

根据目前刷花机功能特点，应用最新人机界面设计成果，将刷花机的功能、状态全部显示在屏幕上，为用户提供良好的工作界面，并具有在线帮助功能。刷花机嵌入式系统除了体积小、资源受限等特点外，还需要满足快速启动、图形界面、实时控制、特殊设备驱动等要求。综合考虑系统的功能、研发成本及自主技术等因素，系统基础软件选择WINCE 操作系统。

3.1 显示器界面信息的设计

刷花机花样的走向在屏幕上以图的形式表示，用两种颜色交替走动；而对刷花头步长、转速等用数值来表示。例如，刷花机的六大功能在屏幕左边排列；设备的状态信息在屏幕底行排列，包括电机故障、开车保护、产量、电机速度等。

3.2 输入控制键的设计

考虑到用户操作方便，所以本系统选用触摸和按键相结合的方法实现。屏幕界面的设计质量影响人的视觉，而键盘的设计水平影响信息输入的质量，设计的合理会减少输入的错误。例如∶ 刷花头步长、刷花座的运动、走布速度、温度等数据增加选用↑键，减少选用↓键；对刷花机的功能的选择用F1到F6键。

3.3 花样形成技术

刷花座作横向间歇运动，可在织物表面形成周期性交替的直线型涡旋状花纹。刷花座作横向连续运动，在走布运动的共同作用下在织物表面形成周期性地类似于正弦曲线的花纹形状。当走布运动为间歇运动时，若刷花座相对不动，可在刷花机上获得普通的拧花效果，若刷花座横向间歇运动，可在织物表面形成周期性交替的直线型涡旋状花纹；当走布运动与刷花座横向运动均为连续运动时，可在刷花机上获得正弦曲线状的涡旋状花形，具有汽蒸定型机上的某些花形效果。

4 嵌入式系统体系结构

嵌入式控制系统采用嵌入式控制器＋运动控制子系统的结构，如图2所示。

图2 嵌入式控制系统结构

嵌入式控制器用于处理图像显示、文件管理、任务调度等，可采用较为通用的嵌入式软硬件；而运动控制子系统主要是接收数据并实时控制机电部件，因此需要采用专业化运动控制部件及相关软硬件技术。基于该体系结构的刷花机嵌入式系统主要具有以下几个特点：1）嵌入式控制器采用ARM高性能嵌入处理器S3C2410，运动控制子系统采用专用控制芯片，如FPGA、CPLD 等；2）主、从系统通过通信接口实时通信，协同完成缝制任务；3）控制器采用嵌入实时操作系统作为基础软件平台；4）嵌入式控制器支持网络化、图形化数据加载与刷花任务管理等。

5 应用程序设计与实现

嵌入式软件是设备的控制核心，负责接收用户操作行为，驱动各硬件构成要素在系统的监控下完成相应的功能。嵌入式软件划分为：主控制系统软件、运动控制和温度控制三块，如图3所示。

主控制系统软件面向用户，以应用为中心，是刷花机嵌入式系统软件的主体部分。本系统开发环境为Window XP操作系统，软件运行环境为通过Windows CE.NET 4.2的 Platform Builder 4.2定制的WinCE 操作系统。内核裁减的主要工作在于确定应用需求，并完成应用需求与内核选项的映射。根据刷花机嵌入式系统的图形化启动、模块实时加载、网络化支持、串口通信、文件存储与管理等功能，在裁减过程中需要支持核心运行库支持，C Libraries and Runtimes；显示驱动支持，Geode/Media GX；标准输入设备（鼠标键盘等）支持，Input Devices；USB总线支持，USB Host；文件系统支持，Fat file system；串行通信支持，Serial等选项，并对其相关子项进行细化。

主程序入口WinMain，如触摸屏有信息反馈，则调用MAINLOOP 处理该信息；如触摸屏没有信息反馈，则依次检索输入信号并做出对应处理。主循环程序MAINLOOP，在没有错误信息的情况下对触摸反馈信息进行处理，进行用户界面的管理。

对液晶屏进行触摸操作,判断界面的按键响应是否在定义的按键范围之内,若为真,则在消息处理程序WndProc中处理响应的消息。按键消息处理经判断为真后，进入主循环MAINLOOP，在该界面执行界面调用程序。接下来，在该界面中执行触摸屏的按键消息响应和消息，在各界面均按该设计流程进行循环操作。

应用软件的运动控制和温度控制软件是应用平台基于eMbedded Visual C++ 4.0开发，为满足轻量级、高可靠、可配置等要求，采用WIN32API组件开发，可在占用最少资源的情况下达到最大效率。 在开发中运用动态链接库的方式，预留对扩展功能的支持，实现了直观、友好、易操作的图形应用界面。应用程序主流程图如图4所示。

应用软件提供用户对于刷花机的各种功能需求。当用户所选功能需要执行机构响应时，应用软件将用户操作转化为向运动控制器发出的一系列命令，通过监视执行机构的反馈状态可以感知设备的运行状况，在需要的时候可以对执行动作进行校正。这样，在应用软件的监控下，整个控制系统形成“闭环”回路，从而保证了系统的稳定、可靠运行。其温度控制流程如图5所示。

图3 嵌入式系统软件构成

图4 应用程序流程图

图5 温度控制程序流程图

刷花机集光机电气等多种技术于一体，外围I/O设备种类丰富，因此扩展操作系统内核实现对非通用硬件的驱动非常重要。目前，主要采用内核模式和模块模式方式来扩展操作系统。为提高系统稳定性，采用内核方式支持扩展设备。在内核模式下，每次添加新的软件功能时均要求开发人员修改操作系统源码并重新编译、生成新的内核。在核心态模块中，依照WINCE系统的驱动模型，开发人员通过编程可以完成对特定设备I/O、中断、时钟等的驱动。实际应用证明，基于该方式的WINCE内核功能扩展非常有效。

6 结束语

采用ARMS3C2410自动刷花机加工织物, 刷毛辊速度、温度、布速等得到比较精确的控制，获得较高的控制精度，织物花型的持久。嵌入式自动刷花机的设计的方案不仅应用于全自动刷花机，它完全可以应用到电子织带机等其他纺织机器，实际上它完全可以直接应用到电子商标机上。开发人员只需要修改机器上的刷花原理就可以应用到其他机器上，而基本的显示、键盘、网络完全可以参考本系统的方案。

[1]田东风.WINDOWS CE应用程序设计[M].机械工业出版社, 1990.

[2]傅曦.嵌入式系统Windows CE开发技巧与实例[M].化学工业出版社, 2004.

[3]叶宏材.Windows CE.NET嵌入式工业用控制器及自动控制系统设计[M].清华大学出版社, 2005.

[4]冯玉良.经编短绒织物的刷花工艺研究[J].针织工业,1994(1)∶ 25-27.

[5]殷丹.基于WinCE 的特种缝纫机人机界面的研究与设计[J].兵工自动化2010(4)∶ 92-94.

[6]陈福芹,李高贵,吴圣云等.刷花与拧花一体设备的研制[J].纺织机械,2008(4)∶ 54-55.