Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/Singer/D19790301Elc034.shtml

Электронные швейные машины

УДК 621.389:64

Хэтфилд, Саймон, Данн
Фирма Singer Co. (Фэйрчфилд, шт.Нью-Джерси)

W.В. Hatfield, D.R. Simon, W.H. Dunn. Top-of-the-iine sewing machines embroider from memory, pp. 133—136.

Описывается конструкция двух моделей швейных машин с электронным управлением — бытовой и профессиональной. Обосновывается целесообразность применения электронных узлов в швейной машине. Оцениваются возможности создания сравнительно недорогой электронной швейной машины.

Реализовать преимущества, связанные с заменой механических узлов на электронные, раньше всего удалось в кухонном оборудовании. Это объясняется тем, что функции регулирования времени и скорости очень просто осуществить электронными средствами. Но швейная машина выполняет гораздо более сложные функции, поэтому ее перевод на электронное управление потребовал больших усилий разработчиков, отнял много времени и средств. Результатом этих усилий явились две новые модели швейных машин высшего класса, недавно выпущенные в продажу фирмой The Singer Co. Сенсорное управление и электронное регулирование заметно упрощают изготовление и эксплуатацию этих машин. Кроме того, в них добавлены некоторые рабочие функции, ранее отсутствовавшие в швейных машинах.

Электронные швейные машины более надежны, чем чисто механические модели, вследствие того что имеют меньшее число подвижных частей, подверженных отказам или усиленному износу. Общее число деталей также уменьшено. Например, в бытовой швейной машине Touchtronic 20012{Торговая марка фирмы The Singer Co.} (рис.1) из 1100 деталей, имеющихся в ее непосредственной неэлектронной предшественнице, исключено около 350, причем многие из этих деталей требовали прецизионной обработки. Как у этой машины, так и у другой электронной машины — Centurion2{Торговая марка фирмы The Singer Co.}, имеющей производственное (профессиональное) назначение, электронные регуляторы позволяют использовать автоматическое контрольное оборудование, ускоряющее и упрощающее сборку и испытания этих машин; уменьшено также число необходимых механических регулировок.

Преимущества электронной швейной машины

В сложных механических швейных машинах возможны свыше 1000 комбинаций уставок регуляторов, задаваемых положениями ручек, шкал и прецизионных кулачков, определяющих длину стежков и форму шва. Лишь небольшой процент этих комбинаций оказывается действительно полезным, а в общем потребитель не получает от всех этих хитроумных устройств никаких преимуществ, так как регулировка машины оказывается слишком сложной. В новой бытовой машине все органы управления, кроме регулятора давления нажимной ножки, регулятора натяжения нити и выключателя сети, расположены на стеклянной лицевой панели и выполнены в виде ряда сенсорных переключателей, так что установка требуемого режима работы достигается путем легкого прикосновения к нужным переключателям.

Важную особенность электронных машин составляет возможность заранее запрограммировать их внутренние логические схемы таким образом, что машина не будет реагировать на те сочетания положений регуляторов, которые соответствуют неправильному стежку или шву. Таким образом, предотвращаются возможные ошибки оператора. Например, чтобы получить прямой шов, регулятор ширины шва обязательно должен стоять на нуле. Подобным же образом регулятор равномерности не действует при швах, не содержащих обратных стежков.

«Разумная» швейная машина. На этой бытовой электронной швейной машине оператор может выбрать вид шва путем простого прикосновения к соответствующему с
Рис.1. «Разумная» швейная машина. На этой бытовой электронной швейной машине оператор может выбрать вид шва путем простого прикосновения к соответствующему символу на стеклянной лицевой панели. Три семи-сегментных светодиодных индикатора показывают, какой вид шва выбран оператором.

В этих и других случаях главные регуляторы ширины стежка (верхние левые на панели управления рис.1) не действуют, что предотвращает изменение заданных параметров ширины стежка. Далее, в механических машинах и в первых моделях электронных машин главный регулятор длины стежка имеет всего один диапазон регулировки. Однако для шва любой заданной формы может пригодиться лишь небольшой участок этого диапазона, и потребитель вынужден устанавливать регулятор с большой точностью. В машине Touchtronic диапазон регулировки длины стежка устанавливается с помощью специального набора сенсорных переключателей, с которыми связаны шесть поисковых таблиц 5*20 бит, хранимых в ПЗУ машины. Стоимость такого устройства умеренная.

Главный регулятор длины стежка является примером того, насколько сильно электроника расширяет и в то же время упрощает управление машиной. Благодаря электронике в новых машинах появились также следующие дополнительные возможности:

— Увеличение числа видов швов. Электронные устройства позволяют снять ограничение на число стежков в шве, действующие в механических машинах. У последних картина распределения стежков в шве вырезается на боковой поверхности съемного кулачка, вследствие чего число стежков в шве ограничивается 24. Началу или концу шва может соответствовать всего одна точка на боковой поверхности кулачка, так что число стежков в шве должно делиться на 24 без остатка. В электронной же машине швы различных видов всегда начинаются и заканчиваются в своей начальной точке. Это открывает возможность циклического прохождения швов, при котором машина образует весь шов после подачи одной-единственной команды.

— Увеличение длины рисунка шва. Самый длинный рисунок шва в машине Touchtronic имеет 59 стежков. В электронной машине число стежков в рисунке ограничивается только емкостью имеющегося в ней ПЗУ. В настоящее время на каждый стежок приходится приблизительно 0,01 мм2 поверхности кремния. В машинах фирмы Singer каждый стежок представляется 11-разрядным двоичным словом — 5 разрядов на длину, 5 разрядов на ширину и 1 разряд на управление. Машина бытового назначения позволяет получать швы 29 рисунков с общим числом стежков 512.

— Возможность обучения. В профессиональной машине, которую на производстве часто используют для многократного выполнения одной и той же операции, предусмотрена возможность программирования, в результате которого машина обучается повторению определенных последовательностей стежков. С этой целью оператор выполняет требуемые швы на нескольких образцах, и машина при этом запоминает такие данные, как скорость работы, число стежков между переменами направления шитья и время, которое требуется оператору, чтобы изменить положение ткани в этих точках. Когда оператор станет опытнее, данные, хранимые в памяти, можно обновить, отразив в них возросшую производительность труда. После переключения из режима обучения в режим автоматического шитья машина раз за разом будет повторять записанную в памяти последовательность стежков, и оператору останется только поворачивать ткань после конца каждого шва. Что касается длины швов, то число стежков в каждой последовательности ограничивается объемом памяти (в данном случае полупроводникового ЗУПВ), заложенным при проектировании машины. Если оператору нужно изменить какую-либо характеристику последовательности стежков, он вводит новые данные, пользуясь сенсорной клавиатурой и индикаторной панелью (см. рис.2).

Панели управления со стеклянной лицевой частью весьма удобны для бытовых электроприборов, так как выглядят современно, могут содержать указания для оператора и декоративные изображения, легко поддаются мойке и чистке. Кроме того, себестоимость изготовления таких панелей невелика: всю матрицу сенсорных переключателей и недорогие толстопленочные декоративные слои можно образовать на одной подложке.

Стеклянные панели, используемые в обеих электронных швейных машинах фирмы Singer, содержат матрицу сенсорных (срабатывающих при легком прикосновении) управляющих переключателей. Каждый такой переключатель имеет два электрода, расположенные так, что они образуют конденсатор постоянной емкости. Эта емкость подключена ко входу одного из двух согласованных транзисторов, а ко входу другого подключена эталонная емкость. Оба транзистора включаются и выключаются каждые 50 мкс, и измеряются скорости разряда обеих емкостей через транзисторы.

Когда оператор касается переключателя, емкость его пальца добавляется к емкости между электродами и увеличивает постоянную времени разряда через один из транзисторов. При этом разряд емкостей через транзисторы идет с разной скоростью, что соответствует режиму срабатывания переключателя.

В машине производственного назначения для ускорения повторяющихся рабочих операций используется микропроцессор. В режиме обучения машина записывает по
Рис.2. В машине производственного назначения для ускорения повторяющихся рабочих операций используется микропроцессор. В режиме обучения машина записывает последовательность стежков и скорость работы оператора. При переключении в автоматический режим шитья машина повторяет эту последовательность, а оператору остается только перемещать ткань.

При традиционной схеме сенсорного переключателя два толстопленочных электрода наносятся с задней стороны стеклянной панели и соединяются между собой через прозрачный тонкопленочный лицевой электрод, расположенный на передней стороне панели. Когда оператор касается лицевого электрода, напряжение на задних электродах уменьшается. Чувствительность переключателя этого вида есть функция толщины стекла и площади переключателя. Например, в СВЧ-печи с сенсорным управлением средняя плотность размещения переключателей составляет обычно около 0,1 переключателя/см2.

Поскольку швейная машина — сравнительно сложный электроприбор с большим числом органов управления, возникает проблема размещения сенсорных переключателей на лицевой панели. Для машины Touchtronic оказалось необходимым разместить 41 переключатель на панели площадью всего 130 см2, т.е. со средней плотностью около 0,3 переключателя/см2. В машине Centurion требуемая плотность размещения оказалась несколько ниже — 0,2 переключателя/см2. Задачу размещения переключателей с высокой средней плотностью удалось разрешить, разработав два новых метода сенсорного переключения.

Чтобы устранить зависимость чувствительности переключателя от толщины стекла, оба электрода в каждом переключателе располагаются с передней стороны стеклянной подложки. Электроды протравливаются в прозрачной тонкой пленке электропроводящего материала, на которую затем наносится пленка стекла толщиной 0,025 мм, служащая для защиты и улучшающая внешний вид панели. (Относительно емкости, вносимой человеком, см. врезку «Статистические характеристики емкости».)

Второе новшество в технике сенсорного переключения — это схема кодирования, используемая для адресации переключателей (рис.3). Два электрода каждого переключателя подсоединяются к отдельной паре адресных линий, имеющихся в специальной БИС связи с клавиатурой. Эта схема кодирования «2 из N» позволяет с помощью N линий осуществлять адресацию (N2—N)/2 переключателей. Каждая адресная линия сканируется один раз в 720 мкс. Если на одной и той же паре линий обнаруживается приращение емкости при трех последовательных сканированиях, делается вывод, что оператор коснулся данного переключателя.

Стеклянные панели с сенсорными переключателями изготавливаются путем нанесения матрицы прозрачных тонкопленочных электродов из окиси олова (по два электрода на переключатель) с одной стороны подложки из известково-натриевого стекла. В панели для машины Touchtronic на переднюю и заднюю поверхности подложки наносят затем девять слоев толстой пленки (рис.4).

Адресация сенсорных переключателей. Чтобы уменьшить число проводов между матрицей сенсорных переключателей и БИС связи с клавиатурой, в каждом переклю
Рис.3. Адресация сенсорных переключателей. Чтобы уменьшить число проводов между матрицей сенсорных переключателей и БИС связи с клавиатурой, в каждом переключателе два электрода соединяются с определенной парой адресных выводов БИС. Эта схема кодирования, показанная на рисунке для шести переключателей позволяет с помощью N линий адресовать (N2—N)/2 переключателей.

Первый слой, наносимый с задней стороны панели, — слой с графическими изображениями — содержит все символы, относящиеся к видам стежков, а также необходимые оператору сведения о текущем состоянии машины. Благодаря надлежащему расположению и окраске этого слоя и слоя светорассеивающей глазури, а также за счет трех цветных светофильтров панель выглядит затемненной.

Остальные слои толстой пленки имеют более обычное назначение. С передней стороны панели расположены декоративный слой (в машине Touchtronic — оранжевая полоска) и контактные площадки для электродов из окиси олова. С задней стороны подложки наносятся белый светоотражающий и светорассеивающий слои; они улучшают общий вид панели при ее подсвете с задней стороны. Такой подсвет всей площади между сенсорными переключателями оказывается возможным только потому, что с задней стороны панели отсутствуют непрозрачные тол-«стопленочные электроды.

Статистические характеристики емкости

Поскольку сенсорные переключатели срабатывают под воздействием емкости, вносимой человеком, они должны быть достаточно чувствительны, чтобы откликаться на прикосновение любого оператора независимо от его индивидуальных емкостных характеристик. Переключатели должны также надежно срабатывать, под каким бы углом и под каким бы давлением ни прикасался к ним палец оператора. В технической литературе почти нет сведений относительно емкости, вносимой человеком. Поэтому специалисты фирмы Singer сами провели статистическое обследование 126 человек.

При обследовании не обнаружилось какой-либо корреляции вносимой емкости с возрастом, полом, психологическими характеристиками, одеждой, косметикой или состоянием здоровья обследуемого. Установлено, однако, что вносимые емкости соответствуют распределению Пуассона с дисперсией 7, как показано на нижнем графике.

На верхнем графике приведено интегральное распределение, показывающее вероятность того, что переключатель с чувствительностью в пределах 0—180 пФ не сработает при прикосновении оператора. На основе этого графика в машине Touchfronic 2001 сенсорные переключатели были рассчитаны на минимальное приращение емкости 20 пФ, что соответствует срабатыванию при 98,5% касаний.

Подсвет и индикация

При первом включении машины Touchtronic подсвечиваются с задней стороны (лампочками накаливания) все символы разных видов стежков. Если оператор выбрал требуемый вид шва и установил в соответствующие положения главные регуляторы, на этой части панели включается второй ряд лампочек подсветки.

Конструкция лицевой панели. Первый этап изготовления стеклянных панелей сенсорного переключения — это напыление матрицы тонкопленочных электродов с пе
Рис.4. Конструкция лицевой панели. Первый этап изготовления стеклянных панелей сенсорного переключения — это напыление матрицы тонкопленочных электродов с передней стороны подложки. Затем с передней стороны подложки наносятся три толстопленочных слоя, а с задней — шесть. Благодаря отсутствию непрозрачных слоев возможен задний подсвет панели.

Элементами функциональной индикации в машине Touchtronic являются 55 светоизлучающих диодов. Из них 21 отведен на три главные функции цифровой регулировки — длину, ширину и равномерность стежка; каждая из этих функций отображается одним семисегментным индикатором. Из остающихся 34 светодиодов 28 показывают виды швов, а 6 — рабочие функции машины.

Не желая тратить силы и средства на приобретение и установку отдельных светодиодов, специалисты фирмы Singer предпочли самостоятельно разработать гибридную матрицу светодиодов. Она состоит из отдельных светодиодов размером 0,25*0,25 мм, которые закрепляются эпоксидным клеем на поверхности печатной платы, имеющей металлизацию слоями золото—никель—медь. Далее плата подвергается термообработке, и к ней методом ультразвуковой сварки привариваются алюминиево-кремниевые проводники диаметром 0,025 мм. После этого наносится защитное покрытие, придающее матрице механическую прочность.

На рис.5 показана оптическая конструкция, позволяющая правильно использовать «точечное» излучение светодиодов. Каждый светодиод располагается на дне воронки, стены которой составляют световоды. В верхней части воронки, с задней стороны стеклянной подложки, располагается светорассеивающий слой, обеспечивающий равномерное освещение всей площади индикации.

Оптическая конструкция преобразует точечное свечение светодиодов в мягкое однородное освещение индикаторной панели. Каждая матрица светодиодов приклеи
Рис.5. Оптическая конструкция преобразует точечное свечение светодиодов в мягкое однородное освещение индикаторной панели. Каждая матрица светодиодов приклеивается эпоксидным клеем к печатной плате. Далее производится термообработка, приварка проводников и наносится защитное покрытие, увеличивающее механическую прочность.

Светодиоды возбуждаются непосредственно от специальной БИС индикации. В ней используются несколько различных способов возбуждения, позволяющих в своей сумме свести к минимуму нагрузку БИС и ее перегрев в отдельных точках. Возбуждение трех семисегментных индикаторов производится мультиплексным способом с коэффициентом заполнения рабочего периода каждого индикатора 30%. У 28 светодиодов, отображающих виды швов, мультиплексирование пространственное, в формате точечной матрицы 5*6. Наконец, шесть диодов, отображающих рабочие функции машины, получают непосредственное возбуждение. БИС индикации управляет также лампочками накаливания, расположенными за панелью главных цифровых регуляторов.

В машине производственного назначения текущие данные отображаются четырьмя светодиодными точечными матрицами 5*7, а постоянные надписи, содержащие указания оператору, высвечиваются переключаемыми лампочками накаливания. В данном случае отсутствие лишних символов на панели (подсвечиваются только указания, необходимые в данный момент) помогает не отвлекать внимание оператора.

Электронные узлы сенсорных панелей для машин Touchtronic и Centurion изготавливаются отделением Controls фирмы Singer (Шиллер-Парк, шт.Иллинойс). Сборка каждого такого узла включает распайку выводов, производимую по стандартной технологии ИК-пайки с расплавлением дозированного припоя. В результате образуются электрические соединения между стеклянной панелью и печатной платой, на верхней поверхности которой располагаются светодиоды и лампочки накаливания, а на задней стороне — электронные схемы. Сборка завершается установкой матрицы световодов между стеклянной панелью и печатной платой. Эта матрица улучшает в индикаторах прямое прохождение света и сводит к минимуму его рассеивание в боковом (между отдельными элементами) направлении.

Дальнейшие перспективы

В настоящее время цены на электронные устройства управления и индикаторы уже упали до такого уровня, что их можно применять в бытовых электроприборах высшего класса. Но, чтобы электроника могла получить применение в массовых моделях, потребуется дальнейшее снижение цен на электронные компоненты. Оно может явиться результатом оптимального выбора между заказными и стандартными БИС, а также дальнейшего развития методов изготовления и монтажа этих компонентов. В настоящее время оцениваются возможности применения гибридных схем на основе стальных подложек с фарфоровой плакировкой, которыми, возможно, удастся заменить более дорогие и менее надежные схемы на основе плат печатного монтажа.

Необходимо также снизить стоимость индикаторных устройств. Хотя отдельные светодиоды при массовой поставке стоят всего около 8 центов за штуку, индикаторная панель вносит значительную долю в общую стоимость системы управления сложного электробытового прибора, так как требуется большое число светодиодов и, кроме того, довольно дорого обходятся световоды и лампочки накаливания. Более дешевые индикаторные устройства, вероятно, будут иметь форму приборов (с возбуждением от БИС), хорошо приспособленных для массового производства и соединенных на одной стеклянной подложке с сенсорными переключателями и дополнительными толстопленочными слоями. Уже разработаны интегральные регуляторы с жидкокристаллическими индикаторами. Пока они еще слишком дороги, но в дальнейшем на этом пути можно ожидать несомненных успехов.

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 52, No.05 (557), 1979г - пер. с англ. М.: Мир, 1979, стр.50

Electronics Vol.52 No.5 March 1, 1979 A. McGraw-Hill Publication

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Бытовая электроника





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/Singer/D19790301Elc034.shtml