基于PWM的绣花机平面运动控制系统设计
一、课题研究背景与意义
随着社会的不断发展，人们对商品的要求不断提高，传统的制造设计和制作工艺已经难以满足人们的需求，提高纺织机械的自动化、信息化和产品质量成为我国纺织行业进一步发展的必然需求。因此数控技术便在这种情况下得到了迅速发展[1]。绣花机产业是纺织行业中的高端产业,它决定了服装企业的生产数量和产品质量。市场的庞大需求和消费档次的提高成为了促进绣花机性能不断改进的强大动力[2]。电脑绣花机是当代最先进的绣花机械，是随着电子、计算机技术、精密机械的发展而逐渐发展、成熟起来的一种高自动化、高生产效率的光、机、电三者合一的刺绣设备[3]。电脑绣花机是当代最先进的绣花机械，它能使传统的手工绣花得到高速度、高效率的实现，并且还能实现手工绣花无法达到的多层次、多功能、统一性和完美性的要求[4]。
电脑绣花机已变化出繁多的品种，规格各异，一般说来常按下边的方法分类：1.以机头的多少来分，可分为单头机与多头机（2-24头）；2.以每一头所含机针的多少来分，可分为单针与多针（3-12针）；3.以送料绷架形式可分为板式与筒式；4.以绣花所用线迹形式分为锁式线迹（301线迹）与链式线迹（101线迹）[5-6]。此外还有5.以电脑绣花机的主轴驱动方式可分为交流伺服驱动、步进驱动、滑差驱动等；6.国内根据用户需求还可分为带自动剪线和不带自动剪线等[3]。
从技术层面来说，以伺服电机作为主轴电机已成为新的趋势，并将逐渐成为纺织机械的主力传动方式之一。我的课题设计的系统平面运动机构主要由两台伺服电机驱动，实现预设运动轨迹，以达到绘制特定图案的目的。设计基于PWM的绣花机，PWM(Pulse Width Modulation)脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在测量、通信、功率控制等许多领域；其中伺服电机控制是PWM技术发挥作用的典型场景之一。伺服电机具有定位精度高、响应速度快、启动转矩大、过载能力强等特点，广泛应用于对精度要求较高的机械设备中。用51单片机实现PWM需要软件模拟[7]。在单片机的技术操作过程当中，需要完善当前的单片机运行机制，同时做好技术的控制，这是 PWM 技术运行质量得以保证的关键所在[8]。先设置两个全局变量作定时用，一个变量表示高电平持续时间，一个表示低电平持续时间。用两个变量中的任意一个给定时器设置初值，溢出后触发中断，在中断里设置另一个变量初值并且取反PWM的输出端口。两个初值轮流送给定时器，就可以调整占空比。输出PWM后，驱动三极管，接伺服电机。
一般,电脑绣花机控制系统作为一个控制系统,主要实现:1. I/O设备输入输出控制；2.主轴电机速度控制；3. X,Y轴步进电机位置控制；4.换色电机运动控制；5.剪线电机运动控制(不带剪线功能的绣花机无此功能)；6.断线检测,电磁铁通断控制,行程开关控制,限位开关控制[8]。电脑绣花机工作时,主轴电机通过传动轮带动针杆,针杆带着线上下运动,而X,Y轴步进电机带动绣框在X,Y轴方向运动,刺绣品随绣框运动,从而刺绣出图案[9-10]。
我本次毕业设计需要实现的是两台伺服电机驱动的移框结构。移框机构是电脑绣花机主要的执行机构之一,在刺绣过程中,面料通过绷框或直接固联于框架,在绣花机每一针刺绣过程中,框架受电脑控制在X方向和Y方向移动一定的位移△X和△Y，形成刺绣针迹,最终形成刺绣花纹移框机构的运动性能直接影响绣花叔的刺绣精度及运动的平稳性[11]。绣框在步进电机的控制下在平台上做相应的运动.步进电机是一种能将脉冲信号转换成角位移或线性位移的机电元件[12],广泛应用在数控设备中。步进电机的角位移或线性位移与控制脉冲数成正比,所以电机的转速与脉冲频率成正比。通过改变脉冲频率就可以调节电机的转速,实现电机的快速启停或换向[13]。步进电动机的通电换相顺序严格按照步进电动机的工作方式进行。通常我们把通电换相这一过程称为脉冲分配[14]。步进电机在驱动电路的控制下将进给脉冲数转换为具有一定万向、大小和速度的机械转角位移。X,Y方向的步进电机分别带动X,Y方向的转轴转动,转轴上都固定有小齿轮,小齿轮的转动又带动与其啮合的传动带运动,从而使固定在传动带上的绣框做平面运动[2]。步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移(或线位移)的机电元件。
二、课题研究现状
作为传统的刺绣与电子、机械相结合的产物,全自动绣花机是当代最先进的绣花机械,它能使传统的手工绣花得到高速度、高效率的实现[2]。电脑绣花机是随着计算机技术、电子技术、机械加工技术的应用发展而不断发展起来的机电一体化设备.随着电脑刺绣的普及,高性能价格比的电脑绣花机越来越受到人们的青睐,此类产品的市场需求也越来越大[9]。在电脑控制下,绣花机不仅能够自动进行图案绣花缝纫,还可通过增添一些功能性装置,使其功能更加完善[3]。
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