黃贊贊，胡旭東，彭來湖

（浙江理工大學浙江省紡織裝備重點實驗室，杭州310018）

圓緯機選針器驅(qū)動電路可靠性檢測系統(tǒng)設計

黃贊贊，胡旭東，彭來湖

（浙江理工大學浙江省紡織裝備重點實驗室，杭州310018）

針對圓緯機選針器驅(qū)動電路的可靠性檢測難的問題，提出了一種基于電壓信號反饋機制的圓緯機選針器驅(qū)動電路檢測系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)由PC上位機、實時系統(tǒng)、外部信息采集電路組成。PC上位機設定相關工藝參數(shù)，結合專家?guī)煜到y(tǒng)對實時系統(tǒng)反饋的測試結果的進行后續(xù)處理和顯示；實時系統(tǒng)采用ARM微控制處理器的嵌入式檢測系統(tǒng)實現(xiàn)，負責信號的發(fā)生、檢測與通訊。根據(jù)實際紡織工藝設計編制了可靠性檢測軟件程序。實驗證明檢測系統(tǒng)在可靠性方面達到了預期效果，檢測信息的精確定位能力滿足設計要求。

圓緯機；選針器；驅(qū)動電路；反饋信號；可靠性檢測

0 引 言

計算機技術和電子技術的高速發(fā)展，帶動了國內(nèi)紡織機械行業(yè)的產(chǎn)業(yè)技術更新。流水線式的生產(chǎn)方式一方面提高了生產(chǎn)效率，另一方面也帶來批量檢測的難題，特別是圓緯機選針器驅(qū)動電路的可靠性檢測一直比較困難。圓緯機選針器驅(qū)動電路因其電路的復雜性和檢測工藝的繁瑣性，常規(guī)的人工檢測手段不僅效率低下，而且可靠性過度依賴于個體經(jīng)驗，同時檢測結果過于單一，不利于后續(xù)的維修測試。

目前國外的研究方向有兩方面：一方面是利用嵌入式系統(tǒng)結合USB、以太網(wǎng)總線等技術實現(xiàn)在線檢測功能；另一方面是根據(jù)壓電陶瓷特性研制具備電壓反饋功能的驅(qū)動電路實現(xiàn)檢測的目的。上述研究都依賴于控制系統(tǒng)本體，通用性比較差。而國內(nèi)研究的檢測技術主要利用電磁脈沖反饋實現(xiàn)，通用性強但是精度一般，而且測試結果不明確，無法為后續(xù)的維修提供幫助。

為了解決圓緯機選針器驅(qū)動電路的可靠性檢測難題，本文研究設計了一套基于電壓信號反饋機制的測試系統(tǒng)。

1 圓緯機選針器電路驅(qū)動原理

圓緯機選針器包括機械和電控兩部分。機械部分主要是壓電陶瓷片，電控部分則是驅(qū)動電路。用驅(qū)動電路輸出信號來驅(qū)動壓電陶瓷片偏轉。

1.1 壓電陶瓷片工作原理

基于薄片型壓電陶瓷選針器，它的壓電雙晶片是用鋁鎳結鐵酸鉛為主要成分的固熔體陶瓷片做成的，兩面是電極，極化的方向與電極垂直，結構如圖1示，當施加電壓的方向與極化方向相同時，壓電陶瓷換能器則伸長，反之，則收縮。如圖1所示的施加電壓方向，壓電雙晶片的自由端將向B方向偏轉；如果施加電壓的方向相反，則自由端將向A偏轉［1］。

圖1 壓電陶瓷片工作原理

因此通過改變正負電壓的方向和大小可以實現(xiàn)振動幅度和頻率的改變，進而影響選針。因為工藝的限制，圓緯機選針器的工作電壓穩(wěn)定在48 V，而振動的頻率根據(jù)實際需要由驅(qū)動電路輸出PWM載波頻率控制。

1.2 驅(qū)動電路原理

圓緯機選針器驅(qū)動電路分輸入信號、輸出信號和數(shù)據(jù)處理三部分。輸入信號負責接收上位機的數(shù)據(jù)指令，數(shù)據(jù)指令包括一系列選針器的動作信息。數(shù)據(jù)處理主要利用復雜可編程邏輯器件（complex programmable logic device，CPLD）進行輸入信號的轉換處理。輸出信號代表了每路壓電陶瓷片振動的信息。

本文研究的對象是具備10路電壓輸出的驅(qū)動電路板。根據(jù)圖2驅(qū)動電路原理簡圖，如果要使得電路正常輸出信號，需要提供9個5 V電壓輸入信號給CPLD，其中包含數(shù)據(jù)信號DATA 0～DATA 7和時鐘信號CLK。通過CPLD芯片輸出10把刀的動作狀態(tài)數(shù)據(jù)，驅(qū)動選針器按照預定指令偏轉，實現(xiàn)選針的目的［2］。

圖2 選針器驅(qū)動電路原理簡圖

2 檢測技術方案總體設計

以128路大提花圓緯機為例，一套完整的圓緯機系統(tǒng)擁有128個壓電陶瓷選針器，對應的驅(qū)動電路板有128塊。綜合檢測可靠性、效率和維修便利性等方面要求，檢測系統(tǒng)需要滿足下列要求：

第一，可靠性檢測的準確度應保證在99%以上，有問題的電路驅(qū)動板通過率控制在1%以下；

第二，在保證可靠性的前提下盡可能縮短檢測時間，提高檢測效率，以一套系統(tǒng)為例，128塊驅(qū)動檢測時間控制在10 min以內(nèi)；

第三，檢測的結果精確定位到驅(qū)動電路上的具體電子器件。

根據(jù)上述要求，設計基于ARM微控制處理器的嵌入式檢測系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)包括硬件電路設計和軟件設計兩部分。硬件部分包括PC上位機、實時系統(tǒng)、外部信號采集電路等等［3］。軟件部分包括實時檢測程序和專家?guī)斐绦虻脑O計。系統(tǒng)的總體框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的方案框架

PC上位機的功能是根據(jù)檢測要求設定相關工藝參數(shù)，同時結合專家?guī)煜到y(tǒng)對實時系統(tǒng)反饋的測試結果的進行后續(xù)處理顯示。

實時系統(tǒng)負責信號的發(fā)生和檢測處理，同時與上位機通訊。一方面根據(jù)上位機的通訊指令，經(jīng)由控制系統(tǒng)處理進而向驅(qū)動電路板發(fā)送動作指令信號，驅(qū)動電路工作輸出電壓信號；另一方面實時采集驅(qū)動電路板輸出的電壓信號，同步處理反饋信號，測試結果上傳PC上位機。

3 硬件電路設計

實時系統(tǒng)采用ST公司的F103ZET6作為主控芯片（圖4），該芯片擁有最高72 MHz的工作頻率，高達112個快速I/O端口，且功耗極低，滿足快速響應處理大批量數(shù)據(jù)的條件。通訊部分采用RS485全雙工模塊，短距離傳輸速度高達35 Mb/s，而且抗干擾能力強。

圖4 主控系統(tǒng)電路設計

實時系統(tǒng)涉及信號發(fā)送和采集，所設計的檢測電路要求較高的信號抗干擾能力和較高的傳輸速度，保證檢測的可靠性和檢測效率的最優(yōu)化。

信號發(fā)送模塊采用IDT74FCT16244總線芯片，控制8位數(shù)據(jù)位D0～D7和1位使能位CLK以總線的形式傳給128塊驅(qū)動電路。同時對傳輸信號作隔離處理，隔離芯片選取TLP2116，如圖5所示。為實現(xiàn)最佳隔離效果，提高信號的可靠性，需要對相應的器件選擇合適的參數(shù)［4］。

根據(jù)電阻計算公式R=U/I結合以往經(jīng)驗選取R1=R2=681Ω；R3=R4=472Ω，同時為了達到濾波使得信號純凈的目的選取C3=0.1μF，并且同時也選取C1=C2=C5=C6=100 pF。

實驗結果顯示，信號波形與理想值接近，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘玫搅吮ＷC。

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送信號處理

信號采集模塊采用74HCT259D邏輯芯片和IDT74FCT16244總線芯片片選采集信號的方式。單個選針器驅(qū)動電路板擁有11個輸出信號，一套圓緯機有128個選針器。為達到同時批量檢測的目的，需要對選針器進行編號片選，片選芯片采用具備38譯碼功能的74HCT259D邏輯芯片。同時11路輸出信號通過IDT74FCT16244傳輸給MCU進行內(nèi)部運算處理。

為了保證信號的可靠性和主控芯片的安全工作，必須對采集的信號進行隔離和降壓處理。因為主控芯片工作電壓是3.3 V，而驅(qū)動電路輸出電壓是48 V電壓，直接傳輸會燒壞芯片［5］。

和信號發(fā)送模塊同樣的處理方式，根據(jù)圖6的電路原理圖匹配參數(shù)，同樣選取HCPL127光耦，電阻R11=R13=103Ω，R12=R14=472Ω。

實驗測定的波形數(shù)據(jù)符合要求，證明所選定的參數(shù)合理。同時也間接說明硬件電路設計符合規(guī)范。

圖6 信號采集處理

4 程序設計

根據(jù)實際編織工藝，編寫可靠性檢測程序。檢測程序分兩部分：第一部分優(yōu)先進行單把刀的測試，如果測試結果不正常，則綜合錯誤的信息結合以往經(jīng)驗值進行錯誤歸類，按照預定的規(guī)則編寫錯誤代碼上傳上位機；如果測試結果正常則進入下一步的復合檢查程序，檢測選針器驅(qū)動電路板在多把刀選針的時候是否能夠正常工作如圖7示。

圖7 程序主框架

第二部分程序通過測試數(shù)據(jù)包進一步確定故障信息。本文可靠性檢測的目的是查找故障的驅(qū)動電路板，進而維修，所以在程序檢測環(huán)節(jié)中需要進行復合檢測，根據(jù)測試結果結合以往經(jīng)驗，給出錯誤代碼，上傳上位機。復查程序如圖8所示。

圖8 復合檢測程序

復查程序根據(jù)電路原理和以往經(jīng)驗采用分大類隨機抽取檢測的方法，既可保證檢測結果的可靠性和精確性，又保證檢測效率。

檢測的數(shù)據(jù)上傳給上位機，上位機根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)結合專家?guī)熘械臄?shù)據(jù)方案給出維修建議，并且把數(shù)據(jù)保存起來，實時地繪制檢測結果分布曲線，記錄追蹤［6］。

5 實驗測試

為了檢驗系統(tǒng)是否能夠按照預期設想工作，需要進行實驗測試。實驗選取200個已知樣品作為試樣，其中100個試樣是合格品，作為第一組實驗樣本；另外100個試樣是故障樣品，作為第二組實驗樣本，故障樣品的分布如圖9所示。

第一組測試系統(tǒng)的可靠性是否滿足要求；第二組測試系統(tǒng)對故障樣品的區(qū)分能力。

5.1 可靠性檢測實驗

第一組實驗的樣品全部都是已知的合格品，通過抽樣測驗檢驗系統(tǒng)的可靠程度達到一個怎樣的水準。同時分析測試的效率是否達到預期的目標。

通過分析實驗數(shù)據(jù)，其中通過檢驗的樣品占到99%，檢驗失敗的只有1%，符合統(tǒng)計學標準，系統(tǒng)的可靠性得到驗證。

與此同時，全部測試花費的時間為40 min，實驗分5組測試，每組20個同時在線測試。平均單個測試花費的時間為8 min，超過了預期的測試效率。5.2 故障樣品區(qū)分能力檢測實驗

第二組是故障樣品測試實驗，目的是為了通過可靠性檢測系統(tǒng)獲得的信息區(qū)分樣品，方便后續(xù)的維修。

根據(jù)專家?guī)熘械姆诸惙桨福?00個故障樣品其故障分布如圖9所示。

圖9 故障樣品分布

其中的A1、A2、A3等等是具體的故障代碼，每一個故障代碼對應一種驅(qū)動電路故障，這些代碼詳細記載在PC上位機里，如表1所示。

表1 故障代碼信息分類

根據(jù)圖10的檢測結果，E1類的2個樣品未能有效區(qū)分，一個樣品檢測后歸為未知錯誤類FF，另一個樣品檢測后歸為A1類?？紤]A1和E1類的故障信息區(qū)別甚微，誤報的概率為1/14，在可以接受的范圍內(nèi)。FF類屬于未知故障類，在可靠性檢測系統(tǒng)中是非常特殊的一種故障，設置這類故障的目的在于檢測不存在于專家?guī)熘械奈粗臋z測信息。上位機出現(xiàn)FF類信息，需要重新檢測判斷。所以E1誤判成FF，顯然系統(tǒng)區(qū)分水平下降了，但是對于可靠性檢測水平而言是沒有影響的，因為E1并沒有誤判成合格品。

從統(tǒng)計學的角度分析，系統(tǒng)區(qū)分能力為99%，符合標準。而且測試的時間為20 min，平均單個測試時間為4 min，這得益于檢測程序的算法處理和數(shù)據(jù)庫信息。

圖10 檢測結果對比

6 結 論

通過上述實驗測試，驗證了系統(tǒng)的可靠性和高效率，證實了該套圓緯機選針器驅(qū)動電路檢測系統(tǒng)設計的可行性。可靠性檢測系統(tǒng)的設計研制提高了電子電路的可靠性和生產(chǎn)的效率，同時也對類似驅(qū)動電路檢測設計提供參考。

［1］汪德潢.壓電陶瓷片式選針裝置結構與工作原理［J］.紡織學報，2003，24（6）：52-54.

［2］張智明，梅順齊，張建鋼，等.基于壓電陶瓷的電腦提花圓緯機選針器的研制［J］.針織工業(yè)，2007，11（11）：6-7.

［3］王 益，耿相銘，陳 慧.嵌入式測試系統(tǒng)設計［J］.計算機工程，2008，34（18）：237-250.

［4］楊仲望，金天均，呂征宇.開關電源中光耦隔離的幾種典型接法對比研究［J］.機電工程，2007，24（5）：56-59.

［5］王 毅，石志勇，王懷光，等.實現(xiàn)線性傳輸?shù)姆蔷€性光耦隔離電路的設計與分析［J］.電子技術應用，2011，37（8）：49-55.

［6］王雪芬.基于社會網(wǎng)絡的科技咨詢專家?guī)鞓嫿捌淇梢暬芯浚跠］.南京：南京理工大學，2010：46-79.

Design of Reliability Detection System for Driving Circuit of Needle Selector of Circular Weft Knitting Machine

HUANGZan-zan，HU Xu-dong，PENGLai-hu
（Key Laboratory of Modern Textile Machinery Technology of Zhejiang Province，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China）

In allusion to the problem of difficulty in detecting the reliability of driving circuit of needle selector of circular weft knitting machine，this paper put forwards a detection system for driving circuit of needle selector of circular weft knitting machine based on voltage signal feedback mechanism.The detection system was constituted of PC host computer，real-time system and external signal acquisition circuits. Paper describes functional block diagram，hardware circuit principle and software design process of the detection system.The experiment proves that the detection system realizes the expected effect in reliability and accurate positioning ability of detection information meets the design requirements.

circular weft knitting machine；needle selector；driving circuit；feedback signal；reliability detection

TS103.7

A

（責任編輯：張祖堯）

1673-3851（2014）01-0054-05

2013-09-23

國家科技支撐項目（2013BAF051301）；浙江省自然科學基金資助項目（Z1110750）

黃贊贊（1986-），男，浙江慈溪人，碩士研究生，主要從事機電控制及其自動化的研究。

胡旭東，E-mail：xdhu@zist.edu.cn