基于Visual C#.NET绗缝机智能控制软件系统的研发

赵福英 倪俊芳

摘 要：目前国内纺织行业对绗缝机控制系统的操作多数在DOS平台下进行，针对其操作界面不直观、软件升级困难、频繁死机等缺点，提出一种以WinCE系统为核心，采用C#开发应用软件，实现加工模拟的设计方法。该软件采用模块化设计，通过对花样文件进行解析获取花样相关信息，并基于平面力系求矩原理的新算法绘制花样矢量图，调用MACRO宏程序，将DAT文件编译成G代码，利用网络传输线将G代码传输给控制器，从而实现了软件系统的花樣预览、仿真加工、文件编译等功能。结果表明，该软件界面友好、运行稳定、实时性强、操作简便、便于升级与维护。

关键词：C#；绗缝机；花样文件；G代码；仿真加工

中图分类号：TS17；TH39

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2018）02-0085-05

Research on Intelligent Software System of QuiltingMachine Based on Visual C#.NET

ZHAO Fuying， NI Junfang

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Soochow University， Suzhou 215021， China）

Abstract：At present， the domestic textile industries operate the quilting machine control system most in the DOS platform. Aiming at the shortcomings of the system， such as boring interfaces， upgrading difficultly and frequent shutdown， a design method is proposed， which takes the WinCE system as the core， uses Visual C#.NET to develop the application software and thus realizes the processing simulation. The software adopts modular design and gains pattern-related information through analyzing the pattern file. Besides， pattern vector diagram is drawn by the new algorithm based on the principles of plane moment， which can call the MACRO program to compile DAT files into G codes transmitted to the controller by using the network line， so as to realize the pattern preview， simulation processing， files compilation and other functions of software system. The application results show that it has friendly interface， stable operation， strong real-time performance， convenient operation， easy upgrade and maintenance.

Key words：C#； quilting machine； pattern file； G code； simulation processing

绗缝机是用于缝制被褥、窗帘、毛毯等线形图案的纺织设备，其核心是X、Y、Z、C四轴运动控制系统[1]，X、Y轴控制机头前后、左右的相对运动，Z、C轴控制机针与旋梭的耦合运动[2]。目前国外的绗缝智能控制系统多采取PC与DSP组合的方式，其对花样文件处理、识别能力强、精度高，但设备价格昂贵[3]。国内郭鑫[4]在缝纫机的花型CAD系统方面作了相关研究，蔡立挺等[5]对电脑横机的花样数据编译作了细致地分析，都取得了一定进展。而基于WIN系统研发的绗缝机控制系统尚不成熟、应用少，而现时DOS开发的人机交互界面可读性差、软件升级困难，不能实现多机联网监控、累积总产量等，已无法满足企业更高的要求。因此，本绗缝机智能控制软件系统将划分功能模块，采用C#开发，基于平面力系求矩原理的新算法处理DAT文件，准确编译DAT文件，实现绗缝机的仿真加工。

1 软件总体设计

1.1 控制系统与软件结构

电脑绗缝机运动控制结构，如图1所示。首先计算机读入由打版系统生成的花样数据文件，然后将DAT文件编译成G代码，再经网络线传输给控制器，最后控制器与伺服驱动进行信息传输，控制各轴向电机运转，实现绗缝机自动加工，同时前台计算机监控后台加工过程，绗缝异常时，系统发出报警。

1.2 软件功能模块划分

根据绗缝机的绗缝工艺要求，将软件系统主要划分为以下8个模块[6]，如图2所示。

1.3 人机界面的功能

人机界面主要分为花样查看、DAT编译成G代码、设定参数、移绷设置、系统检测、花样管理、绗缝监控、历史警报、帮助、退出系统等多个操作界面。主要功能可分为以下部分：

a）绗缝机启动后，计算机直接进入加工主界面，客户在花样列表ListBox中预览花样文件，系统对花样数据进行读取并获取绗缝尺寸、针速、针距、图案等信息；

b）当客户在确定要加工的花样时，系统将DAT文件编译成后台控制器可识别的G代码格式，并在前台计算机上实现仿真加工与监控；

c）通过参数设定可以改变正反绗缝、断线检测、绗缝针距、花样补偿、固缝针距、出绷位置、是否自动裁线、夹线器夹线位置等；

d）移绷功能主要是针对出现警报机器无法运行时，手动进行各个轴向的移动，将其移动到行程范围内；

e）可以通过联网通讯（或USB）方式，对文件进行备份、删除、读取、新建操作。

2 软件核心模块的设计

2.1 花样数据读取模块的设计

DAT文件里的数据主要包含两方面信息，分别为花样矢量图信息与绗缝动作信息，这些信息都将在走针过程中实现映射[7]。花样矢量图信息包含了X、Y方向的坐标数据，其储存了直线、圆弧插补操作指令。绗缝动作信息主要包含固缝、剪线、改变速度等动作。

由于花样文件不能被控制器直接读取，所以无法将绗缝机加工过程直接通过走针方式表现出来。要实现缝制，首先要读取花样图案信息[8]，将花样文件可视化，即呈现精确的矢量图。因此采用C#生成矢量图算法，包括以下5个部分。

a）C#中StreamReader对象不仅可以从文件中读取文本，而且可以从底层Stream对象中创建StreamReader实例。首先用StreamReader类读取DAT文件数据，将每行的首字符（线型字符：0代表绘制圆弧、1代表绘制直线、2代表绘制虚线、-1绗缝结束），存放在一维数组里；

b）从第2个字符开始，将其坐标信息存放到PointF结构中；

c）根据数组里的线型字符种类，拟合相应线型，如实线DrawLine，圆弧DrawArc，虚线DrawLine（DashPattern）；

d）拟合过程：从针迹起点（x0，y0）开始，按照曲线走向特征选择下一点（x1，y1），其中走向包括正方向、负方向、顺时针、逆时针4个部分。

e）以（x1，y1）为曲线新的起始点，重复拟合过程d），直至当前线段拟合结束，回溯到a），不断重复此过程，直到文件流读取结束。

C#绘制矢量图的算法流程，如图3所示。

绘制圆弧信息包括圆弧的起点、终点、中间点、圆弧走向（0为顺时针、1为逆时针）。对于平面任意分布的3个点，绘制出的圆弧可能是小于半圆的劣弧，也可能是大于半圆的优弧，如图4（a）、图5（b）所示；同时涉及到顺时针、逆时针问题，如图4（b）、图5（a）所示，并且DrawArc参数的起始角StartAngle、展角SweepAngle、矩形RectAngle都是不断变化。针对以上问题，提出一个新的算法：通过求矩的正负来判断圆弧走向。

根据理论力学中力系等效原理，如图4、图5所示。将求矩公式（1）：

MC（FR）=∑ni=0MC（Fi）（1）

转换成分力对原心C求矩，即：

MC（F）=MC（Fx）+MC（Fy）=xFsinθ-yFcosθ（2）

式中：x，y为力F作用点的坐标；FR为各作用力在平面力系中的等效力，Fi为各作用力，Fx，Fy分别为力F在x，y轴的投影，θ为FR与水平方向夹角。

圆弧走向用变量type表示，假设平面任意分布的三点为：起始点A（x1，y1），终点B（x2，y2），圆弧上任意点D（x4，y4），可以确定函数DrawArc的参数StartAngle、RectAngle以及圆心C（x3，y3）和OA与OB之间的夹角（angle）。设作用在A点的力为F，方向由A指向B，大小为|AB|，力F对圆心C的力矩为MC（F），根据图4、图5可求得矩大小为（y2-y1）（x1-x3）-（x2-x1）（y1-y3），根据矩的正负号，利用右手螺旋定则判断圆弧方向，从而求得AB圆弧对应的展角参数SweepAngle，其流程如图6所示。

判断圆弧展角SweepAngle主要C#程序如下：

//求圆弧展角的自定义函数

public static double sweepangle（double x1，double y1，double x2，double y2，double x3， double y3，double angle，double type）

{

bool b0=（type==0）；

//展角初始化，赋0；

double sweepangle1=0；

//定义矩大于0的变量；

bool b=（y2-y1）*（x1-x3）-（x2-x1）*（y1-y3）>=0；

//圓弧走向方式为顺时针；

if（b0）

{

//矩大于0的情况；

if（b）

{return sweepangle1=jiaodu；

//矩小于0的情况；

else

{return sweepangle1=360-jiaodu；}

}

//圆弧走向为逆针时针；

else

{

if（b）

{return sweepangle1=-（360-jiaodu）；}

else

{return sweepangle1=-jiaodu；}

}

}

经过算法处理，绘制出的花样矢量图，如图7所示。

2.2 仿真加工模块的设计

为了方便前台监控，在仿真过程中，加工针轨迹需要进行变色跟踪，自动累计产量。因此采用C#调用Remote CNC API动态库函数、设计通信接口以及不断刷新画布、更新画笔等技术来实现变色效果。由于花样文件包括绘制圆弧、直线等大量信息，要执行大量的绘图操作，加上用户给软件进行频繁的信息传输，需要不间断地刷新绘图画面，这样会导致在整个绘图以及动态仿真过程中出现常见的屏幕闪烁现象。在上位机软件开发过程中，为了避免闪屏或者界面死循环现象，使用GDI+双缓冲区画图方法，即分配相应的绘图寄存器。首先StreamReader读取DAT文件流，并在该寄存器的画布上根据数据信息绘制出花样矢量图，当执行到文件流结束符时，再将画布上的图案显示到用户界面上，如图8所示。

2.3 DAT编译成G代码模块的设计

在DAT文件转换成G代码模块中，为提高绗缝数控程序的编程效率，简化G代码，通过C# StreamReader类处理文件，根据绗缝需求，编写MACRO宏程序[10-12]。

絎缝的走针方式分为3种：空走直线、进给直线和进给圆弧。直线方式可以直接调用基本移动指令G00、G01。圆弧插补指令标准格式为G02/G03 X_Y_I_J_F_，其中G02为顺时针圆弧，G03为逆时针圆弧，X、Y为圆弧终点坐标值，I为圆心横坐标相对圆弧起点横坐标的增量坐标值，J为圆心纵坐标相对圆弧起点纵坐标的增量坐标值，F为进给速率值。

由于DAT文件只存储绗缝圆弧的起点坐标信息、终点坐标信息以及圆心坐标信息，从而无法直接调用G02、G03。针对以上问题，根据圆弧特性编写对应的用户宏程序，这样不但提高了G代码的转换效率和绗缝效率，而且在很大程度上改善了产品的加工精度。用户只需要输入起点、中点、终点三点坐标就可以将圆弧精确绘制出来。MACRO用户宏程序G400.2如下：

%@MACRO

#1：=GETARG（X1）；//圆弧起点A坐标；

#2：=GETARG（Y1）；

#3：=GETARG（X2）；//圆弧终点B坐标；

#4：=GETARG（Y2）；

#5：=GETARG（X3）；//圆弧圆心C坐标；

#6：=GETARG（Y3）；

#7：=GETARG（H）；//定义顺时针、逆时针变量；

#8：=#5-#1；//圆弧起点到圆心的向量值；

#9：=#6-#2；

G00X#1Y#2；//针快速定位到起始点；

CASE#7OF

0：//逆时针绘制圆弧AB；

G03X#3Y#4I#8J#9F200；

1：//顺时针绘制圆弧AB；

G02X#3Y#4I#8J#9F200；

END_CASE；//结束CASE语句循环；

M99；

3 结 语

本文基于绘制花样矢量图的新算法，采用C#开发了数据读取、仿真加工、文件编译等重要模块功能，实现了预览彩色花样、仿真路径变色追踪，提高了绗缝机控制系统的可读性、准确性、实用性等。该系统已在某企业样机上进行初步试用，人机界面友好，精度高、工作效率高，功能已达到预期指标。今后将在多机联网监控、累积总产量等方面进行研究。

参考文献：

[1] 孙艳芳.关于绗缝勾线装置的设计[J].纺织科学研究，2015（2）：102-103.

[2] 高鹏翔.独立绗缝机计算机控制系统的设计[J].纺织学报，2001，22（1）：48-50.

[3] 陈志锦.智能化缝制设备电控平台的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2015.

[4] 郭鑫.基于嵌入式的电脑缝纫机花样CAD/CAM系统研究[D].武汉：华中科技大学，2012.

[5] 蔡立挺，傅建中，姚鑫骅.嵌入式电脑横机花型数据的编译处理[J].纺织学报，2008，29（6）：113-116.

[6] 陈景波，卢达，王玲玲.全自动电脑横机上位机软件的设计[J].纺织学报，2011，32（2）：131-135.

[7] 梁克，张凯龙，周兴社.智能花样缝制设备的主流花样格式分析与仿真[J].计算机工程，2006，32（3）：259-260.

[8] 刘秋香，王云，姜桂洪.Visual C#.NET程序设计教程[M]. 北京：清华大学出版社，2011.

[9] 杨建昌.GDI+高级编程[M].北京：清华大学出版社，2010.

[10] 刘胜勇.数控机床宏程序编程的应用[J].设备管理与维修，2016（3）：50-52.

[11] 倪俊芳，宋昌才，何高清.机床数控技术[M].北京：科学出版社，2016.

[12] 顾涛.宏程序在圆周孔加工中的应用[J].机械工程与自动化，2010（6）：187-188.