【摘 要】随着机械加工技术、电子技术、计算机技术等各项先进技术的快速发展，传统的手工绣花工艺逐渐被电脑绣花工艺所取代，" />
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电脑绣花机运动控制的应用研究
　　【摘 要】随着机械加工技术、电子技术、计算机技术等各项先进技术的快速发展，传统的手工绣花工艺逐渐被电脑绣花工艺所取代，而在电脑绣花机运行的过程中，对其进行有效的运行控制是非常必要的，同时在其工作的过程中，出现相关的机械故障是不可避免的，这就需要在实际的工作中掌握相关的机械故障维修方法，以便于及时的排除故障，本文就在对其基本工作原理进行分析的基础上，对其常见的故障进行简单分析，并例举相关的维修实例。 中国论文网 /8/view-5940109.htm　　【关键词】电脑绣花机；运动控制；机械维修 　　电脑绣花机目前在绣花工作中具有非常广泛的应用，但是在其工作的过程中，出现机械故障的概率也是非常的高，本文就依据其运动控制的主要工作原理，对其运动控制中的常见机械故障予以简单分析，并例举简单的维修实例来进行阐述，对于电脑绣花机的运动控制及维修具有积极的作用。 　　1.电脑绣花机工作过程中的基本工作原理 　　电脑绣花机的在工作的过程中，核心的控制器件是微处理器，采用三轴数控的方式进行运行控制，其主要的工作原理为：先应用PC机上的打版软件来进行相关的绣花文件的制作，在该文件的制作过程中，要依据刺绣的花样来进行专用格式文件的制作，并将相关的制作好的花样文件存储于U盘中，其中常用的专用文件格式是dst，具体的绣花工作中，首先将存储于U盘中的花样文件进行读取，在通过电脑绣花机上的人机交互界面，对相关的绣花文件进行编辑、设置，电脑绣花机中的主控制器会对U盘上的读取数据进行解码，并对X、Y方向上的步进电机的工作状态进行控制，以便于其能够带动工作台进行正常的平面运动，并要控制绣针上下刺绣电机的正常回转，从而保证电脑绣花机完成正常的绣花工作。 　　在整个运行控制过程中，主轴的运行状态可以通过CPU以及光编码器来进行准确的获取，并根据其实际的运行状态对绣针的抬起及落下状态进行有效的控制，并能够实现主轴电机启停的有效控制，针和线的上下运动动作受到针杆的有效控制，随着绣花框的不断移动，绣花图案由此产生，为了保证电脑绣花机能够稳定、可靠的完成绣花工作，其中还包含有数据存储、断线检测等功能模块。 　　2.电脑绣花机运行过程中的常见故障及维修 　　2.1绣花机跑位的原因及相关的排除方法 　　检查绣花机是否出现花样“跑花”的主要方法有：在操作面板上选择显示花样的按键，查看花样工作中是否出错，并重新输入一个花样，并在关机之后对绣花框是否出现松动进行检查，并要对其是否有异物进入、皮带轮是否紧、有没有出现松动或者过紧现象、XY方向上的传动皮带的工作是否一致进行检查，发现其中具有异常现象，应该及时的进行相关的机械检修。如果在其工作中出现了花样“跑位”现象，应该对其绣框的位置及花样起绣点的数据进行记录，并对其跑位之后是否能够回到原点进行观察，出现跑位情况之后，选择起绣点键之后，比较屏幕中的起绣点的数据与所记录的数据是否保持一致，如果数据不一致，则说明主控制板中存在相关的故障，需要对主控制板进行检修，如果数据内容不一致，说明步进驱动系统存在故障，应该对步进电机、驱动器、变压器等进行检修。 　　2.2剪线部位的故障及维修 　　绣花机在工作的过程中其正常的剪线角度应该设置在285度至286度之间，在有些情况下，还需要根据实际的要求，对剪线动作角度与剪线长度勾线之间的比例进行设置，最为简单的一种剪线凸轮的调整方法为：将机器停在100°，将剪线电磁铁用手往上顶，使得剪线的摆杆艄能够进入剪线凸轮槽曲线的最低位置，并将剪线凸轮的螺钉进行紧固，对剪线凸轮的位置进行少许的正反转，能够对剪线头的长短进行有效的控制，但是要注意艄在剪线凸轮槽中左右一定要留有一定的间隙，这是为了有效的避免艄在槽中出现卡死现象，同时在绣花机工作的过程中如果发现有部门机头的剪线不能进行正常的工作，应该对其刀口的磨损情况及动刀位置进行检查。 　　2.3凸轮同步打表的方法 　　在进行电脑绣花机的故障维修时，凸轮同步打表是难以避免的，这其中非常关键的内容就是要进行正确的勾线及打表，为了使其具有较好的测量准确度，在测量的过程中采用的是百分表来进行测量，这是一种测量精度比较高的量具，一种操作起来比较简单的凸轮同步打表的方法是：先将机器的指针在刻度盘的172度至173度的地方来进行对准，这也是比较关键的一个步骤，为了防止在大力钳的使用过程中，对主轴的表面造成划痕，需要采用几层布来将主轴进行包裹，使用大力钳将主轴夹住使其不能随意的转动，并要对准相关的度数，之后可以应用百分表来对每个机头的下死点进行测量，采用百分表来对杆顶驱动块下段的塑料体进行测量时，使偏心凸轮在正反方向上来进行转动，反复进行几次这样的操作，直到百分表的指针指向滑块的下死点之后，对偏心凸轮的紧固套螺钉进行紧固，在进行其他机头的调整时，也可以采用这种方法来进行调整。 　　3.相关的维修实例 　　某绣花厂中的电脑绣花机在工作的过程中出现了车切线后线头过短而造成针孔脱出的问题，在对其进行检修的过程中，首先要找出故障的部位，在故障的排除过程中，首先对其小夹线器的压力值进行了检查，这是对线头长短进行控制的非常重要的器件，如果其压力过大就会导致线头过短，经过检查，其压力值正常，再对切线电磁铁工作过程中的大夹线器的弹开情况进行了检查，其运行状态正常，并对切线凸轮的位置及手轮的***位置进行了检查，发展切线凸轮的***位置与实际的工作要求之间存在一定的差别，找到问题的所在之后，对切线凸轮的***位置进行了有效的矫正，最终故障得到了有效的排除，绣花机能够开展正常的工作。 　　4.结束语 　　电脑绣花机在目前的绣花市场中具有非常广泛的应用，将其应用于绣花工作中，具有非常完善的绣花功能及工作效率，但是在其运行的过程中，出现一些常见的机械故障是在所难免的，这就需要在掌握其运行控制原理进行详细掌握的基础上，掌握一些常见故障的维修方法，本文就对其工作原理进行简单分析的基础上，对电脑绣花机运行过程中的常见故障及其维修方法进行了简单分析，这对于其运行控制的研究具有非常重要的作用。■ 　　【参考文献】 　　[1]尹勇，陈幼平，周祖德.电脑绣花机运动控制系统的开发与实现[J].机械与电子，2011（6）. 　　[2]颜挺，夏路易.嵌入式电脑绣花机控制系统应用研究[J].机械工程与自动化，2010（5）.
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WinCE 多线程下绣花机运动控制的实现
[导读] 结合硬件中断技术运用线程同步方法实现了绣花机运动控制系统的强实时性技术要求解决了绣花机在高速运行过程中的响应速度较慢、停车控制精度低和噪声大等问题。该方案已应用于自主开发的绣花机系统中测试表明绣花机高速运行时各方面性能有明显的改善具有较高的工程价值。
摘要:提出了一种基于WindowsCE5.0多线程机制的绣花机系统软件设计方案。结合硬件中断技术运用线程同步方法实现了绣花机系统的强实时性技术要求解决了绣花机在高速运行过程中的响应速度较慢、停车控制精度低和噪声大等问题。该方案已应用于自主开发的绣花机系统中测试表明绣花机高速运行时各方面性能有明显的改善具有较高的工程价值。
关键词:多线程;WindowsCE;中断;绣花机
Abstract:ProposinganapproachformovementcontrolsystemofEmbroideryMachineBasedonWindowsCE5.0multithreadwiththetechnologyofhardwareinterruptionandmethodofthreadssynchrozationrealizethehardreal-timerequestofmovementcontrolsystemsolvedifficultiessuchasslowresponselowprecisionandbignoiseandithasbeenusedinprojectTheexperimentresultsindicatethattheabilitiesofmachineareimproved.Itisvaluetoproject.
Keywords:WindowsCE;embroidery
绣花机在缝制设备行业中占有极其重要的位置，在国内外都有广阔的市场。国产绣花机在速度、噪声、品质和功能等方面与国外高档机相比，存在着较大的差距，竞争优势较小，因此，加强绣花机的开发不仅是市场需求，更有助于提高民族产业，具有重要意义。目前随着SOC、ARM、FPGA与 CPLD等技术的不断发展，以嵌入式系统为主的绣花机主在国内已占据了主流，具有较快处理速度的CPU和多功能的模块扩展使绣花机系统更加强大，但高速度、高精度和高智能化的发展方向给绣花机系统提出了更高的要求，在硬件的不断完善基础上，软件的性能已成为评估系统性能优劣的一项重要考核指标，也是绣花机开发的难点之一。
本文系统软件实现是基于一种高速工业绣花机的体系结构，该体系结构以ARM9处理器S3C2440为CPU，结合CPLD扩展模块，主要功能是满足绣花机在1200转/分转速下的实时性要求（目前国内高速工业绣花机的主流转速为1000转/分），即在高速运转完成自动绣花、剪线和换色等工作的同时，保证刺绣品质和满足一些人性化要求。对此文中提出了一种基于WindowsCE5.0多线程机制的绣花机系统软件实现方案，该方案已应用于自主开发的高速工业绣花机中，取得了较好的效果。
2系统实时性要求及模块分析
绣花机系统是强实时系统，系统所选择的运行环境必须能及时响应绣花机系统的实时性任务，如果系统响应的实时性不够，会导致绣花机在自动运行过程中出现断续等不稳定现象。由于WindowsCE系统在界面、人机交互能力、多任务以及开放性等方面的优势，开发基于 WindowsCE的系统称为一种趋势。
WindowsCE5.0属于实时性操作系统，在WindowsCE5.0系统中，合理应用WindowsCE多线程技术来解决系统的实时多任务成为开发技术的关键。绣花机系统对各个电机以及其它模块的实时性提出了很高的要求。WindowsCE多线程机制因其能同时执行多项任务而能较好的满足这一要求，同时结合采用有效的中断方式来加强对实时性要求的实现。
根据系统的功能要求，整个系统主要分为以下几个模块：（1）主轴控制模块，控制主轴电机运转，带动绣针上下移动。（2）XY步进电机控制模块，控制XY步进电机，移动绣框。（3）剪线模块，控制剪线电机，完成自动剪线操作。（4）换色模块，控制换色电机，完成自动换色操作。（5）光电检测模块（A相Z相），主轴电机旋转位置及圈数的计数反馈。（6）限位处理模块，防止步进电机移框时越位。（7）断线检测模块，检测绣针上的线是否断掉。（8）报警模块，绣花机异常状态报警。各个模块之间的通信关系如图1所示：
3多线程技术在系统中的应用
WindowsCE5.0是一个多线程的多任务操作系统，一个进程由一个或多个线程组成，线程来负责执行包含在进程地址空间的代码。实际上，操作系统以一种轮转的方式为每个独立的线程分配CPU时间片，客观上是所有的线程近乎同时执行。根据线程任务的特点，在进行系统结构设计时，将功能相关、相互之间通信较多的任务，设计成一个进程中的多个线程，使这些任务共享该进程的地址空间，减小通信和同步的开销。本文设计中，就是根据这一机制实现的。
在整个绣花机系统中。部分为一个单独的进程，在这个进程中根据图1中的各个模块之间的关系，划分处几个线程，这些线程主要由两个大的部分组成：强实时线程部分，包括主轴电机线程、步进电机线程、光电编码器线程、限位中断线程和断线处理线程；实时线程部分，包括换色线程、剪线线程和报警线程。系统中的线程同步主要是针对强实时线程而言的，而实时线程是通过像调用函数一样被调用来实现功能的。
3.1多线程优先级设置
在多线程系统中，由于高优先级的线程能随时中断低优先级的线程，获得运行权，这样在设计系统时就要精心安排各个线程的优先级，只有合理的划分应用线程的优先级，系统才能合理调度这些线程，从而保障系统的实时性能要求。
WindowsCE5.0支持0～255共256了优先级，其中0优先级最高，255优先级最低。根据WindowsCE操作系统中的线程的优先级层次安排，0～96为高实时性程序的线程[2]，再结合绣花机整体系统的任务安排，系统部分的线程对象的优先级也主要安排在这个层次。部分的线程任务根据系统中的模块来划分，其内容和优先级安排如表1所示：
为了设置和获得一个线程的优先级，在系统中可以使用CeSetThreadPriority（）和CeGetThreadPriority（）函数来实现。线程创建完其优先级也被确定下来。
3.2线程之间的协调与通信
在多线程系统中，同步不同线程的活动是很重要的。WindowsCE5.0提供了多种方法来实现线程之间的协调和同步，有信号量（Semaphore）、临界区（CriticalSection）、事件（Event）、互斥体（Mutex）、对点的消息队列等。各个方法都有各自的特点和适用的场合。在设计中的系统中，线程同步主要用的是事件和中断来实现的。
3.2.1事件Event的应用
事件是用的比较广泛的同步对象，如果一个线程需要通知其它线程某个时间发生，可以使用事件（Event）同步对象，前一个线程给时间发送一个通知信号，其他对事件发生感兴趣的线程一般调用等待函数在时间上等待。初始化线程将事件设置为无信号状态后开始进行初始化。当初始化完成后，线程把事件设置为有信号态，通知下一个线程来完成余下的工作。在系统中主要定义了以下事件：
Event_EnerA//编码器A相计数事件标志主轴电机所在位置（100&和220&）
Event_MotorX//X轴电机移动事件，标志X轴电机运行完。
Event_MotorY//Y轴电机移动事件，标志Y轴电机运行完。
Event_EncoderZ//编码器Z相中断事件，标志电机旋转完一周。
Event_Limit//限位中断事件，标志绣框越界。
事件创建采用CreateEvent（）函数来实现，同时再创建好事件后要对其进行初始化。
3.2.2系统中断处理
在系统中，中断处理是重要部分。事件的创建也是为中断处理准备的，中断响应是根据事件触发来实现的。中断源的配置是由 WindowsCE中的OAL（OEM适配层）操作的[3][5]，OAL将物理中断号映射成逻辑中断号，并关联具体的事件。实现方法如下面的两个步骤：
（1）申请g_Count1sysint为IRQ_EINT8的逻辑中断号:KernelIoControl（IOCTL_HAL_REQUEST_SYSI***&IRQ_EINT8sizeof（UINT32）&g_Count1sysintsizeof（UINT32）NULL）;
（2）逻辑中断号g_Count1sysint关联事件 Event_MotorX:InterruptInitialize（g_Count1sysint，Event_MotorX00）;同样的操作对其它物理中断号的逻辑中断号进行申请和事件关联。物理中断、逻辑中断、事件和线程之间的关系如图2所示。
每个事件对应系统中的一个中断响应，当事件被触发时，根据事件类型和时间做相应的处理。中断处理线程是驱动程序编写的关键，其效率的高低直接关系到系统的实时性性能。
3.2.3线程通信的实现
系统软件实现要紧密结合电机的机械特性和绣花机各电机工作原理来完成，整个程序围绕着主轴电机在转一圈的过程中如何实现与其它模块的通信协作来实现，主要包括电机在220&～100&（约240&）之间可移动步进电机阶段和在100&～220&（约120&）禁止步进电机阶段，通过事件置位来响应两个阶段中相关的中断处理，实现各个线程之间同步。在整个的系统中，主轴电机运转为软件的主线程，线程运行过程中，通过中断事件来等待、通知和调用其它线程，完成刺绣操作，主轴电机线程程序流程图如图3所示，步进电机线程流程图如图4所示:
主轴电机线程根据花样文件的控制码来确定剪线、换色、跳针和刺绣等运动方式，当为正常刺绣状态时，主轴电机线程处于阻塞状态，要等到 Event_MotorX和Event_MotorY两个电机移动完事件置位后才可以移动主轴电机，同时在移动主轴电机过程中，由于光电编码器线程的优先级高于主轴电机线程，故可以响应A相编码器中断，置位事件Event_EncoderA（100&）和Event_EncoderA（220&），可以触发优先级比主轴电机线程优先级高的步进电机线程，完成220&～100&移动步进电机阶段和在100&～220&禁止步进电机操作，之后步进电机线程中初始化Event_EncoderA（100&）和Event_EncoderA（220&），置位Event_MotorX和 Event_MotorY事件通知主轴电机线程运行，而步进电机线程又回到了阻塞状态，等待Event_EncoderA（100&）和 Event_EncoderA（220&）事件的置位，到此绣花机完成了刺绣一针的操作。在步进电机运行过程中，如果绣框越界，系统会响应中断，置位Event_Limit，执行高优先级的限位越界线程并报警。在主轴电机运行过程中，系统也会响应断线检测中断，如果断线，也会进行报警处理。
文章中采用WindowsCE5.0多线程机制，完成了电脑绣花机系统功能的实现，在这种体制下，使整合系统在控制、调度、通信和同步等方面都有较小的开销，同时结合中断，很好的满足了系统的强实时性的要求，该方案已经运用于到了自主开发的高速工业绣花机中。在试验过程中我们可以看到，绣花机在正常工作的时候，启动较快，在1200转/分高速运行时平稳可靠且噪声较小，并能够精确的停车，在刺绣过程中，各个功能执行比较协和，同时刺绣品质和效率也有很大的提高，系统各方面性能都达到了预期目的。
本文的创新点在于将WindowsCE5.0的多线程机制与硬件中断技术相结合应用于强实时性要求的绣花机系统中，以最小的计算资源消耗实现了其预定的功能，在满足系统实时性要求的同时，避免了资源浪费，提高系统软件的运行效率。经测试，表明绣花机高速运行时在响应速度、控制精度、减少噪声等方面性能有明显的改善，有较高的工程价值。
[1]苏兢.电脑绣花机控制系统的设计与实现[D].西安:西北工业大学软件工程学院2007.
[2]张冬泉谭南林王雪梅等.WindowsCE实用开发技术[M].北京:电子工业出版社2006.
[3]何宗键.WindowsCE嵌入式系统[M].北京:北京航空航天大学出版社2006.
[4]贾立山王立文邢志伟韩俊伟.基于多线程技术的3R控制系统[J].微计算机信息-245.
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[整理编辑：中国测控网]
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