电脑绣花机自动控制系统应用和发展

高福文

摘要：单片机在刺绣行业应用越来越广泛和深入，电脑绣花机就是其中主要的产品。它是一种新型自动化刺绣设备，相比传统的手工刺绣，电脑绣花有功能强大、效率高、图案丰富等诸多优点，迅速占领刺绣市场，单片机控制软件在应用中也在不断发展更新。新技术和市场的发展将控制系统升级到智能控制。

关键词：电脑绣花机;单片机;应用;发展;智能控制

单片机在刺绣行业应用越来越广泛和深入，电脑绣花机就是其中主要的产品。它是一种新型自动化刺绣设备，相比传统的手工刺绣，电脑绣花速度更快、层次更多、效率更高，产品图案更丰富，效果更统一，绣品种类也更多。单片机

的应用使刺绣产品功能性更强、应用也更广泛。随着计算机、电子、机械加工等方面技术的发展，单片机在其中的应用也在不断发展升级， 电脑绣花已成为刺绣工业的主要生产方式，国内外市场要求也越来越精细。电脑绣花机越来越普及应用，经济实用、系统稳定、产品优质的低故障率、好维修的刺绣设备将有更高的市场占有率，结合技术前沿的新产品也将是未来的发展方向。

一、单片机控制系统

高速动作是电脑绣花优于手工刺绣的第一个特点，其核心是单片机控制系统，高效稳定的控制系统是实现经济效益的关键。

1.原理  绣花工作是绣针与绣框做相对运动密切配合的过程，主轴带动针头做上下往復运动，绣框配合起针动作做前后左右的平移运动实现落针点的改变，通过落针点引线完成绣品。那么，要提高生产效率就要从距离和速度上进行优化。绣针跟绣面的距离是机械设备研究的领域，对控制系统优化主要是提高绣针起落速度和绣框移动速度。这两个速度相配合是关键：在绣针刺入和离开绣面的时间里，绣框必须是静止不动的;而绣框的移动只能在落针前和起针后的这段时间。针速过快，会发生针距偏小导致的花样压缩变形、底线到位不及时的丢针、落针位置偏移引发的断针等生产事故;针速过慢，也会造成针距偏大导致的花样拉伸变形、起针不及时导致的针眼过大甚至损坏绣面和断针等事故。所以，在每一针的刺绣过程中，主轴转速的上限是由绣针和绣面交叉时间内绣花机机械性能和绣框伺服电机配合的最高速度而定，而在长针距作业时绣框电机还须与电磁铁动作密切配合。当然，对绣品图样复杂的绣花工艺，其机构运动状况也是多样的。作业中绣针和绣框会经常根据不同需要变化运动速度，这时主轴转速、机针起落速度、绣框平移速度必须联锁变化。研究电机升降速的控制也非常重要，这关系到运动配合的准确性和绣品质量。

2.运动控制系统

2.1硬件

系统硬件由单片机及数据存储、人机交互接口、主轴控制、步进或伺服电机驱动、换色驱动、断线检测以及限位检测装置等系统组成。

单片机及数据存储    绣品图案有专门开发的花样数据，系统存储器将花样数据从U盘读入并储存在内存中。单片机微处理器采用ARM芯片，它只提供16位地址，其寻址的64K数据储存空间又作为I/O外设影像存储区;而系统要求控制器提供512KRAM储存空间用于存储花样数据，因此需要对地址总线进行扩展，增加数据存储器。系统还具有掉电保护功能，该功能由后备电池保障。

人机交互接口   接收人机界面发出的各项指令及参数设置等，执行相应指令，并在屏幕上显示相应的操作结果。如主轴启停、升降速指令驱动主轴运动，并由编码器反馈主轴实时位置。系统接收移框指令后驱动绣框的XY轴运动。换色指令系统驱动换色电机执行换色操作。

断线检测系统   是对刺绣作业的一道保障。在刺绣过程中可能遇到断线、断针或绣线用尽等状况，如果不能随时掌握情况，可能因为工艺故障造成无法挽回的刺绣事故。断线检测通过实时检测绣线张力，根据程序设定发出的报警信号。该系统由张力检测电路、断线指示和译码电路组成。

限位检测装置   由4个行程开关组成，确保绣框在规定的机械行程范围内运动。

2.2软件

系统软件按结构化设计，由多模块组成：USB接口、内存管理、键盘及显示、运动控制和故障检测等，并采用汇编语言编写。

USB接口模块   对绣品花样数据的U盘进行读写和格式化操作。

内存管理模块   识别绣品花样文件格式、计算花样的周边范围、对花样文件进行储存、排序、复制、删除等操作，并能对花样的形状进行适当修改。

键盘   键盘采用友好人机界面设计，并对键处理进行了避错性设计，实现误操作识别。

显示系统   对当前的设备状态进行实时和故障提示。如当前设备信息：内存状况、主轴到位与否、换色到位与否、是否终止;当前花样信息：编号、总针数、缩放倍数、图案方向、旋转角度;当前操作信息：工作方式、换色顺序、横向和纵向数据等。

运动控制模块  整个系统的核心部分。系统采用中断方式处理各个运动过程，实现高速性和实时性。用芯片来控制主轴电机的调速，系统确定改变主轴转速时立即采用串行中断方式通知执行调速动作。对控制绣框电机的数字脉冲也采用中断方式发送，保证绣框电机与主轴电机准确配合。

故障诊断系统   检测主轴电机、换色电机、绣框电机状态有无超时错误，检测分析有无断线故障，检测绣框是否越位。

二、发展方向

不断提升和开发系统功能、提高电脑绣花机的性能和效率、保证其加工精度、完善和丰富工艺水平是个永久的课题。随着技术和市场的不断发展，电脑绣花机高速机械结构的改进和控制系统功能升级成为绣花机提高性能和降低成本的关键。单片机决定着控制系统硬件设备的稳定性和可靠性，而软件才是控制系统功能实现的关键，所以满足需要、判断和引导市场发展方向的软件开发是拓展控制功能、增强系统效率、实现经济效益的重要环节。

智能控制是当今多学科交叉的前沿领域，其专家控制集合专家的实际经验数据形成专家技术系统，与控制理论相结合，实现对设备系统的智能控制。因此，在电脑绣花机的控制系统中使用专家系统，比如故障检测系统上引入专家系统。现在的故障检测系统只是发现和显示单一部分的故障，有从系统的内在关联角度给出引发故障的根本原因。而专家系统可以根据数据库中的专家经验，提供多方案故障组合情况，引导操作人员发现隐藏原因，排除故障，节约检修时间，提高工作效率。甚至引入人工智能，设置人机接口，利用该接口实现 专家干预。在有效利用了人类专家在图形识别、直觉判断，经验积累等方面的优势情况下，系统的解决问题过程更加灵活有效， 结果也更易为用户接受。

随着物联网等技术的发展和高端技术的普及，在刺绣行业中实现智能工厂、设备远程操作、监测和维护以及客户特色需求的高端定制都是智能控制系统发展新方向。

参考文献：

[1]卞海浪，万星新.基于ARM 的绣花机控制系统设计[J].微计算机信息，2018，8-2：170-172.

[2] 毋玉芝，刘庆华.智能控制及其应用[J].福建电脑，2018，（1） ：6 -7 .