工业缝纫机自动控制原理

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1.    工业缝纫机现状与发展
        随着缝纫机工业的迅猛发展，每年生产工业用缝纫机都在几百万台，主要机型有单针平缝机、双针平缝机、包缝机、套结机、钉扣机、锁眼机、曲折缝、绷缝机、封包机和绣花机。从现有的情况，除绣花机外，其他种类的缝纫机仍然属于机械类产品为主，这已远远不能满足规模化发展的制衣业的要求。为了提高缝制效率和质量，都希望缝纫机具备自动剪线、自动松线、自动反缝、自动拨线和自动抬压脚等功能。而传统的工业缝纫机，主轴驱动大多采用离合器电动机，其他功能都靠机械配合或人工完成，存在效率低，体积大，调速范围窄，位置控制难，造成缝纫机的功能单一，自动化程度低。
        要克服以上工业缝纫机存在的不足，必须去掉电磁划差离合器，由电动机直接带动负载。为此，20世纪80年代，国外开始研究工业缝纫机用交流伺服控制系统。交流伺服控制系统必须具备速度和位置控制的功能，具体指标和功能如下：
        ①   运行范围宽，从200~6000r/min。
        ②   速度响应快。
        ③   位置精确度在±3°以内。
        ④   待机状态下电磁转矩为零，以便操作者自由盘转。
        2.    工业缝纫机自动控制系统
        在自动控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，也称伺服系统。伺服系统由伺服驱动装置和驱动元件（或称执行元件即伺服电动机）组成，高性能的伺服系统还有检测装置，以反馈实际的输出状态。伺服系统的作用在于接受来自上位控制装置的指令信号，驱动被控对象跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确。
        伺服系统按其驱动元件划分，有步进式伺服系统、直流电动机伺服系统（简称直流电动机）、交流电动机伺服系统。
        在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电一体化产品中，交流伺服系统的应用越来越广泛，其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的要求，而且调试、使用十分简单，因而备受青睐。这种伺服系统的驱动器采用先进的数字信号处理器（DSP），可以直接对电动机轴后的光电编码器进行位置采样，在驱动器和电动机之间构成位置和速度的闭环控制系统，并充分发挥DSP的高速运算能力，自动完成整个伺服系统的增益调节，甚至可以跟踪负载变化，实时调节系统增益；有的驱动器还具有快速傅里叶变换的功能，能测算出设备的机械共振点，并通过陷波滤波方式消除机械共振。
        工业缝纫机自动控制系统就是一个需要精确定位、无极调速的数字式交流伺服运动系统。按照它的控制结构可分为集中式和分布式两种。
        交流伺服运动系统的组成如图5-108和图5-109所示。图中的驱动器和电动机构成交流伺服系统，而交流伺服运动系统的含义更广泛，它还包括控制器、传感器、电磁铁等部件，可协调完成特定的运动轨迹或工艺过程。
        （1）集中控制结构   图5-108所示的是交流伺服运动系统的集中控制结构。图中交流电动机的传感器通常为电流、位置、速度和温度等传感器，作为电动机控制算法的输入量，运动机构的传感器取决于工艺过程的控制量，可以是位置、温度、压力、张力、流量、光等传感器。执行元件可以是交流电动机，也可以是电磁铁、电磁阀等。控制器多采用工空机、可编程逻辑控制器（PLC），或以单片机、DSP、ARM等微控制器为核心，配上键盘、旋钮、磁盘或通讯接口接受操作命令，数码管、液晶显示器件显示工作参数，灯管和声响装置作为报警和提示之用。
        集中式控制系统中，工艺软件或应用软件固化在控制器中，对接收到的命令信号及传感器信号进行运算、判断，以数字量或模拟量控制驱动器或功率开关，主、辅运动机构在交流电动机及执行元件的驱动下完成特定的运动。除控制器外，其他部件间没有电信号方面的联系，所有控制信号都来自控制器。
        集中式控制结构适用于简单的系统，以及比较成熟的驱动器和电动机。简单系统中驱动器中无微处理器，或微处理器的功能不足以胜任控制器的功能。对成熟的驱动器，其与控制量的接口比较方便，参数设置简洁，通用性强，用户只需正确选择驱动器和电动机，开发自己的控制器，加快研发和产品化过程。这种结构对控制器的实时性要求较高，应具有强大的数据处理能力、丰富的输入输出口、适当的中断功能和定时器。
        （2）分布式控制结构   图5-109所示的分布式控制结构。与图5-108不同的是控制器和驱动器的功能发生了变化。控制器只能接收命令和显示工作参数的作用，以通讯方式与驱动器相连，工艺软件下移到驱动器中，驱动器不仅控制伺服电动机，还要控制传感器信号和通讯获得的命令去控制功率开关。
        分布式控制结构适合于特种或新型系统的开发，驱动器中微处理器的功能较强，方案总设计者可在控制器和驱动器的两片微处理器间灵活分配功能，对控制器的要求降低很多，系统紧凑。一旦开发成功就会形成具有自主知识产权的产品，系统价格可以降低，针对性强，能获得同类应用领域较大的市场份额。