BLT5全伺服人造草坪机控制系统的研发
第一章绪论
课题研究的背景及意义
我国现在生产人造草坪的企业有很多，目前很多的高校也有从事人
造草坪机方面的研究，但是总体上来说目前我国的人造草坪的制造水平还
是与国外有不少的差距。人造草坪市场的崛起，让国内人造草坪企业有了
增加，但是由于我国人造草坪簇绒技术起步没有国外那么早，无论是人造
草坪机的机械制造部分还是人造草坪机的控制系统设计部分，都还是处于
落后的状态，不过随着我国改革开放以来的工业自动化水平的不断发展，
这种差距在逐渐的缩短，各企业和高校对此方面的不断研究起了很大的作
用。目前我国大多数的人造草坪机还是依赖于进口，除了价格比较昂贵以
外，而且这些机器也并非外国的先进机器，这无疑使国内企业在人造草坪
的生产效率和质量方面与国外有了不少的差距，国内企业也认识到这个问
题，迫切希望能够自主研发出先进的人造草坪机器，开展了各种形式的校
企合作项目。因此如何能够生产出高精密的机械设备，同时研发出适合生
产要求的电气控制系统，成为了目前各企业考虑的重点。目前国内的机械
制造水平有了很大的提高，在人造草坪机机械部分的制造方面有了长足的
进展，而在人造草坪机控制系统方面的研究也有不少进展，但是大多研究
的层面是停留在小型的台式机，还尚不足满足一些高档次的产品生产需
求，这导致企业不得不继续从国外购买昂贵的高档次生产机器。但是，大
型宽幅簇绒机的价格每台都需要几十万，有的甚至达到上百万，这在一定
程度上降低了国内产品的国际竞争力[8-9]。人造草坪机的国产化不仅能
帮助国内企业降低生产成本，不用购置昂贵的国外机器，增加企业的核心
竞争力，而且能促进簇绒技术在国内的发展。本文研究的人造草坪机控制
系统正是出于这种目的考虑，该系统的设计解决了 BLT5人造草坪机的控
制问题，同时能够对正在面临控制系统设计困难的人造草坪企业有一定的
借鉴意义，对我国的簇绒草坪技术的发展有一定的促进作用。
......
国内外簇绒机械发展现状
国际上的簇绒机技术仍然以美国 Tuftco公司、CMC公司、英国
Cobble公司、日本山口产业株式会社等主导世界簇绒地毯技术先进水
平，在技术上各有千秋。Cobble公司是世界上较早从事簇绒地毯生产的
国外公司，在簇绒地毯的制造方面有很高的技术水平且比较全面。CMC公
司在技术上也不断的突破，拥有自己的竞争力，发展了单针床单排针、细
隔距、罗拉(卷轴/离合器)多绒高提花技术，可制造隔距为 1/20英寸超细
隔距毛圈簇绒机。德国 A+PMASCHINENBAUGMBH公司和澳大利亚 CTS集团在
簇绒机翻新、改造以及制造方面也颇有实力。通常簇绒机由主机、喂纱系
统、针床及移动系统、成圈系统、底基布喂入系统等主要组成。在控制方
面，各公司采用不同的控制系统。Cobble公司采用比利时 TECOS公司的
MIRA软件，该设计系统是为交错技术、滑动针床、割/圈提花、FRS喂
纱、平割平圈、HI-FI、单针控制、COLORTEC等附件的专门的地毯设计系
统。该系统能够按客户的要求进行设计。Cobble公司和内 Tuftco公司设
计的控制系统，其内置调制解调器可以允许各自公司的相应服务人员通过
网络电话对客户机器出现的现场故障在现在故障检测系统中进行操作解
决。Tuftco公司采用基于 Windows95的地毯设计及控制软件，在软件中
能够设计、存储图案，设计针床上纱线排列，即时设计和修改针床移动图
案，同时还可以模拟出带有纱线的地毯图案，方便进行实时修改，能够设
计导纱罗拉速度、卷布刺辊速度、底布张力、针床移动轨迹，纱线张力
等。导纱和卷布均采用伺服电机控制，在计算机系统软件操界面上可以模
拟设计的地毯式样，并计算各种参数，同时亦可改变相应参数，模拟出相
应的地毯式样。荷兰耐德格拉菲克公司的设计软件是世界上有名的并被广
泛使用的一种专门的纺织设计软件，可用于纺织物、威尔顿地毯、簇绒地
毯等的图案设计，CMC公司就是使用该公司的纺织设计软件，同时该公司
拥有属于自己专利的指令控制器，配备在该公司的簇绒机设备上，很大程
度上增加了该公司簇绒机的竞争力。日本山口产业株式会社采用基于
Windows的纺织设计软件系统“Hi-TexCyberPaint0”，可满足不同的机
器[10-14]。
............
第二章控制系统总体设计
通过对国内外的簇绒机技术进行了解和分析之后，本部分将基于
CANopen通讯原理，提出一个整体的控制系统设计思路，主要包括硬件结
构设计和电器柜的整体设计。
人造草坪机的工作原理
人造草坪机是生产加工人造草坪的机械，它的组成一般由绒纱架、
输纱管、簇绒机构、检查与修织和成圈机构等六部分组成[23]。簇绒机的
基本原理是：通过基于多组平行四连杆同步机构的主轴驱动系统驱动数千
根簇针上下往复运动，将绒纱线植入机织物或非机织物的底布上，同时与
簇针往复运动精确协同的成圈钩针钩住纱线，在底布的背面形成绒圈，绒
圈的高低（或大小）控制是通过伺服电机或电磁离合器控制导纱罗拉的喂
纱量实现的，花纹的变化是通过针床做垂直于簇针的平移实现的。由针床
的平移和喂纱量控制即可织造多花色、多品种立体图案。簇绒装备的工作
原理和缝纫机的工作原理有些类同，簇绒装备类似于一台极大的缝纫机，
不同的是簇绒装备有数千根的簇针，而且成圈的圈高可控、针床可平移，
而缝纫机只是单针且圈高不可控。人造草坪机的动作过程如图 2-1所示，
机器旁一般设有一个纱架，纱架上有许多的纱筒，纱线缠绕在纱筒中从导
纱管中引出，纱线从导纱管引出后还需要进过一组或者是两组的导纱板，
目的是保持纱线的有序排列，在引入到机器上部的导纱罗拉，导纱罗拉输
送纱线再进入一组导纱板，最后引入到各自的簇绒针的针孔中。簇绒针由
偏心块(或曲柄摇杆)驱动，它穿过梳状托布叉板的齿隙做上下往复运动，
其动程一般是固定的，但如果要改变产品的规格，如改变毯面的绒高范
围，就要对拖布针梳进行调节。从图中可以看出，簇线过程的实质就是簇
绒针上下运动和成圈钩前后摆动之间配合的成圈运动，成圈运动是簇绒机
工作的基本运动，其协调与否决定了簇绒织品的毯面质量。在簇绒过程
中，簇绒针做竖直方向的植绒运动，将纱线植入底布，再通过成圈钩钩住
纱线而形成绒圈；簇绒用的底布是以成卷的方式供应，两根卷布刺辊驱动
底布通过拖布针梳不断前进，然后卷绕，簇绒针带着纱线往下运动穿过底
布后，簇绒针往上提针时又将纱线从底布中引出。在簇绒针周边(针梁出
链的一侧)装有固定的压脚，防止底布在簇绒针上提时由于摩擦力跟着浮
起。两个卷布刺辊与底布的运行速度是同步的，底布行进的速度就确定了
织品在一定长度内簇绒针扎进底布的针迹数，即毯面的纵向簇绒密度
[24]。
............
人造草坪机需求分析及各电机速度确定
BLT全伺服人造草坪机要实现生产 5m幅宽、针密为 1/10"，即
的控制。通过对草坪机机械结构和运行要求的分析，确定各电机
具体实现的功能，分析各电机和减速器的作用和它们之间的运动配合关
系，具体如下：（1）两台伺服电机和减速器实现对导纱罗拉的调速；
（2）两台异步电机实现主轴的高低速转动；（3）两台伺服电机和减速器
实现卷布刺辊的调速；（4）一台异步电机实现托布针梳的上下移动。使
用伺服电机取代异步电机驱动导纱罗拉和卷布刺辊，可使速度和位置的控
制更加的精确，同时可以满足不同规格的产品对速度的不同要求，在不停
机运行情况下对送纱和卷绕速度进行精确控制。
.............
第三章上位机控制系统设计....24
触摸屏相关技术介绍....24
人机交互技术与人机界面设计简介........24
施耐德 HMI触摸屏及开发软件介绍......25
上位机控制系统设计...........26
触摸屏功能需求分析.........26
触摸屏通信控制界面设计.........26
触摸屏与 LMC20通信设计.........29
本章小结......32
第四章下位机控制系统设计....33
系统工作流程分析.......33
运动控制器设计..........34
施耐德运动控制器概述....34
运动控制器设计...........35
与伺服驱动器通信..........38
与变频器通信.........39
异步电机变频调速原理及变频器基本结构介绍....39
变频器的性能介绍........41
与变频器通信.......42
与 OTB模块通信....44
第五章控制系统 CANopen通信分析.....50
总线技术概述......50
控制系统 CANopen通信分析.....55
响应时间理论......56
极端情况下 CAN响应时间理论......56
控制系统极端情况下响应分析.........57
本章小结......58
第五章控制系统 CANopen通信分析
总线技术概述
广泛应用的现场总线技术就有十多种，加之已经发展成熟、应用广
泛的其他工业总线如 RS-232，RS-485/422，IEEE1394，SPI，I2C总线
等，它们各具特色，应用在各种不同的领域。因此在现场总线标准统一与
完善之前，应对领域内各种常用的控制总线进行分析与比较，从而合理的
选择和综合应用。下面分别介绍几种常见的工业总线和现场总线[57]
[58]。在工业控制场合，RS485总线因其接口简单，组网方便，传输距离
远等特点而得到广泛应用。RS485和 RS232一样都是基于串口的通讯接
口，数据收发的操作是一致的，所以使用的是同样 WinCE的底层驱动程
序。但是它们在实际应用中通讯模式却有着很大的区别，RS232接口为全
双工数据通讯模式，而 RS485接口为半双工数据通讯模式，数据的收发不
能同时进行，为了保证数据收发的不冲突，硬件上是通过方向切换来实现
的，相应也要求软件上必须将收发的过程严格地分开。RS-422是一种单
主通信模式：单机发送、多机接收的平衡、单向传输规范，被命名为
TIA/EIA-422标准。针对 RS422的不足，EIA又于 1983年制定了 RS-485
标准，该标准支持多点、双向通信，即允许一条总线连接多个发送器，同
时增加了发送器节点本身的驱动能力和冲突保护特性，拓展了总线共模范
围，又命名为 TIA/EIA-485标准[58]。
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结论
本文通过对 BLT5 全伺服人造草坪机的结构和功能要求分析，设计
了一种基于 CANopen 总线通信技术的总体控制方案，详细介绍了其上下
位机设计和 CANopen 通信设计。 主要进行的工作和成果包括一下几个方
面： （l）通过对国内外簇绒机和 BLT5 全伺服人造草坪机的分析，设计
了一种上下位机控制的整体方案。 （2）在对方案的整体分析后，根据具
体功能确定各个功能模块，并作为 CANopen 总线节点。对控制电路和驱
动电路进行具体设计，并对各元器件进行选型。 （3）在上位机的设计
中，触摸屏作为上位机，运用 Vijeo-Designer 软件编辑操作界面，该界
面可实现参数设定、信息状态显示和故障监控等功能，通过通信参数的设
置实现了触摸屏与 LMC20 的通信。 （4）在下位机的控制系统中，通过
研究绒的高度和伺服电机与主轴速比之间的关系得到电机控制算法，完成
程序设置实现对整机的运行控制。LMC20 主要通过 CANopen 总线对变频
器与伺服驱动器发送信号实现对主轴和罗拉、刺辊电机的控制。通过对主
轴电机和系统的分析，设置变频器的参数。 （5）通过对 CANopen 总线
技术的学习，使用 CAN 响应时间理论对系统的响应时间进行分析。 目
前，BLT5 全伺服人造草坪机控制系统已经调试成功，并已投入生产。
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参考文献(略)
