四步法三維編織機(jī)底盤裝置的設(shè)計(jì)研究

楊超群，賀辛亥，王俊勃，鄭占陽，李宗迎

（西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710048）

0 引言

三維編織技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種高新紡織技術(shù)，具有異形預(yù)制件一次編織成型的特點(diǎn)。在編織過程中，攜紗器按照一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律使紗線在空間相互交叉，從而形成具有一定形狀的預(yù)制件［1］。三維編織機(jī)是三維編織技術(shù)成型的關(guān)鍵設(shè)備，但該設(shè)備核心部件之一的底盤裝置，大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制系統(tǒng)繁瑣，生產(chǎn)和維護(hù)成本較高［2］。

筆者采用DMC1380運(yùn)動(dòng)控制卡設(shè)計(jì)出的控制系統(tǒng)，旨在簡化編織底盤的結(jié)構(gòu)、降低生產(chǎn)成本。

1 三維編織機(jī)的工作原理與實(shí)現(xiàn)機(jī)制

1.1 三維編織機(jī)的工作原理

圖1 四步法編織工藝原理

四步法三維編織的工作原理，就是使攜紗器完成如圖1所示的運(yùn)動(dòng)。一個(gè)編織循環(huán)分為4步：第1步，攜紗器攜帶紗線按行向交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)（圖1b））；第2步，攜紗器攜帶紗線按列向交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)（圖1c））；第3步，攜紗器攜帶紗線運(yùn)動(dòng)的方向與第1步相反（圖1d））；第4步，攜紗器攜帶紗線運(yùn)動(dòng)的方向與第2步相反（圖1e））。經(jīng)過數(shù)個(gè)編織循環(huán)之后，就可完成預(yù)制件的編織。

1.2 實(shí)現(xiàn)編織的機(jī)制

現(xiàn)有三維編織機(jī)的底盤設(shè)計(jì)都較為復(fù)雜，例如：John T.klein［3］等人在其專利上使用曲柄結(jié)構(gòu)完成攜紗器的運(yùn)動(dòng)，這樣做會(huì)使編織底盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本加大，更重要的是此種設(shè)計(jì)在編織過程中靈活性差；再如天津工業(yè)大學(xué)韓清［4－5］所設(shè)計(jì)的編織機(jī)控制系統(tǒng)，是利用氣缸完成攜紗器的推動(dòng)，這樣的設(shè)計(jì)也會(huì)加大制造成本。為了克服上述編織底盤裝置的缺點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了四步法編織底盤裝置（如圖2所示），利用絲杠作為傳動(dòng)件完成攜紗器的四步法運(yùn)動(dòng)：絲杠1完成攜紗器行方向的交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，絲杠2絲杠3協(xié)同完成攜紗器列方向的交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，具體的傳動(dòng)方案控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖2 底盤裝置

圖3 三維編織機(jī)控制系統(tǒng)框圖

該傳動(dòng)系統(tǒng)采用左右旋為一體的絲杠螺母，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，右旋與左旋上面的絲杠螺母就會(huì)相向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)行或列的交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)攜紗器的四步法編織。具體編織步驟如下。

第1步：絲杠1左旋與右旋上的絲杠螺母分別驅(qū)動(dòng)偶數(shù)行與奇數(shù)行上的攜紗器，并使其達(dá)到預(yù)定位置，之后步進(jìn)電機(jī)1停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣步進(jìn)電機(jī)1驅(qū)動(dòng)絲杠1完成行的交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。

第2步：在列的方向上，絲杠2和絲杠3只能同時(shí)單獨(dú)完成奇數(shù)列（或偶數(shù)列）單排攜紗器的推動(dòng)，因此絲杠2驅(qū)動(dòng)的推桿1、推桿2與絲杠3驅(qū)動(dòng)的推桿4、推桿3需協(xié)同完成列的交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。具體實(shí)施如下：絲杠2左旋與右旋上的絲杠螺母分別驅(qū)動(dòng)推桿1與推桿2，絲杠3左旋與右旋上的絲杠螺母分別驅(qū)動(dòng)推桿4與推桿3，推桿1與推桿3協(xié)同完成奇數(shù)列上攜紗器的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)推桿2與推桿4協(xié)同完成偶數(shù)列上攜紗器的運(yùn)動(dòng)，攜紗器達(dá)到預(yù)定位置后，步進(jìn)電機(jī)2和3停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣步進(jìn)電機(jī)2驅(qū)動(dòng)絲杠2與步進(jìn)電機(jī)3驅(qū)動(dòng)絲杠3協(xié)同完成列的交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。

第3步：步進(jìn)電機(jī)1的轉(zhuǎn)向與第1步相反，使攜紗器達(dá)到預(yù)定位置后，步進(jìn)電機(jī)1停止。

第4步：步進(jìn)電機(jī)2與3的轉(zhuǎn)向與第2步相反，使攜紗器到達(dá)預(yù)定位置后，步進(jìn)電機(jī)2與3停止；至此，完成了1個(gè)編織周期。

2 四步法三維編織機(jī)的控制系統(tǒng)

由設(shè)計(jì)的機(jī)械裝置可知，驅(qū)動(dòng)攜紗器完成四步法三維編織，主要是利用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠，然后由絲杠螺母帶動(dòng)推桿（列方向）、床身導(dǎo)軌（行方向）完成攜紗器的交錯(cuò)、間歇、往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。所以，上位機(jī)采用“PC機(jī)＋運(yùn)動(dòng)控制卡”的運(yùn)動(dòng)控制方案（圖3），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三維編織機(jī)底盤的自動(dòng)化。

運(yùn)動(dòng)控制卡DMC1380［6］與PC機(jī)構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)，PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互接口的管理和控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括鍵盤和鼠標(biāo)的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、控制指令的發(fā)送、外部信號的監(jiān)控等；DMC1380運(yùn)動(dòng)控制卡完成運(yùn)動(dòng)控制的細(xì)節(jié)問題，包括脈沖和方向信號的輸出、原點(diǎn)和限位等信號的檢測等。采用VC＋＋6.0開發(fā)語言，利用DMC1380運(yùn)動(dòng)控制卡所提供的運(yùn)動(dòng)函數(shù)，通過編譯完成3個(gè)步進(jìn)電機(jī)的正、反向運(yùn)轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)數(shù)的設(shè)置，進(jìn)而完成預(yù)制件的編織?？刂葡到y(tǒng)流程及硬件連接如圖4、圖5所示。

圖4 控制系統(tǒng)流程

DMC1380運(yùn)動(dòng)控制卡與驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)所組成的控制系統(tǒng)主要是產(chǎn)生脈沖和方向信號，來控制步進(jìn)電機(jī)按照要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。圖5中：外接線板上的PUL（＋／－）、DIR（＋／－）與驅(qū)動(dòng)器上的PUL（＋／－）、DIR（＋／－）對應(yīng)連接；外接線板需要一個(gè)24V的直流電源，而驅(qū)動(dòng)器根據(jù)所選的步進(jìn)電機(jī)也要選擇合適的直流電源，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。PUL（＋／－）是脈沖信號，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)與角位移；DIR（＋／－）是方向信號，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠，絲杠帶動(dòng)床身導(dǎo)軌與推桿完成攜紗器的運(yùn)動(dòng)。

圖5 運(yùn)動(dòng)控制卡與驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)的連接結(jié)構(gòu)

3 控制步進(jìn)電機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件的編程

軟件的設(shè)計(jì)主要是完成步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與方向的編程，并進(jìn)一步完成人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。

本次設(shè)計(jì)采用VC＋＋6.0軟件編輯器［7］完成上位機(jī)的編程工作，利用運(yùn)動(dòng)控制卡所提供的函數(shù)來完成電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，包括對運(yùn)動(dòng)控制卡與步進(jìn)電機(jī)的初始化操作，電機(jī)脈沖、轉(zhuǎn)向、循環(huán)周期的設(shè)置，以及停車設(shè)計(jì)。

使用函數(shù)d1000＿board＿init（）與d1000＿get＿axis＿status（）可對運(yùn)動(dòng)控制卡與步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行初始化操作，方法如下：

int nCard（0）；

CString str＿card，str＿axis；／／定義變量／／

nCard＝d1000＿board＿init（）；／／初始化控制卡為控制卡分配系統(tǒng)資源／／

int axisnum＝0；／／檢查軸數(shù)／／

if（d1000＿get＿axis＿status（0）＞0）

｛axisnum＋＋；｝／／軸數(shù)加一／／

if（d1000＿get＿axis＿status（1）＞0）

｛axisnum＋＋；｝／／軸數(shù)加一／／

if（d1000＿get＿axis＿status（2）＞0）

｛axisnum＋＋；｝／／軸數(shù)加一／／if（nCard＜＝0）／／控制卡初始化／／

｛MessageBox（"未檢測到控制卡！"，"警告"）；axisnum＝0；｝／／不存在控制／／

str＿card.Format（"卡數(shù)＝%d"，nCard）；MessageBox（str＿card）；str＿axis.Format（"軸 數(shù)＝%d"，axisnum）；

使用函數(shù) d1000＿start＿t＿move（short axis，long Dist，long StrVel，long MaxVel，double Tacc）可對電機(jī)脈沖、轉(zhuǎn)向、循環(huán)周期進(jìn)行操作，方法如下：

d1000＿start＿t＿move（0，10000，theApp.get＿speed－500，theApp.get＿speed，1）；／／定義步進(jìn)電機(jī)1運(yùn)行的各個(gè)參數(shù)，順時(shí)針轉(zhuǎn)250圈即是推動(dòng)攜紗器移動(dòng)的距離，加速度時(shí)間為1s／／

while（d1000＿check＿done（0）＝＝0）；／／檢查步進(jìn)電機(jī)1是否完成轉(zhuǎn)動(dòng)／／

d1000＿immediate＿stop（0）；／／步進(jìn)電機(jī)1停止工作／／

d1000＿start＿t＿move（1，10000，theApp.get＿speed－500，theApp.get＿speed，1）；／／定義步進(jìn)電機(jī)2運(yùn)行的各個(gè)參數(shù)，順時(shí)針轉(zhuǎn)250圈即是推動(dòng)攜紗器移動(dòng)的距離，加速度時(shí)間為1s／／

d1000＿start＿t＿move（2，10000，theApp.get＿speed－500，theApp.get＿speed，1）；／／定義步進(jìn)電機(jī)3運(yùn)行的各個(gè)參數(shù)，順時(shí)針轉(zhuǎn)250圈即是推動(dòng)攜紗器移動(dòng)的距離，加速度時(shí)間為1s／／

while（d1000＿check＿done（1）＝＝0＆＆d1000＿check＿done（2）＝＝0）；／／檢查步進(jìn)電機(jī)2、3是否完成轉(zhuǎn)動(dòng)／／

d1000＿immediate＿stop（1）；／／步進(jìn)電機(jī)2停止工作／／

d1000＿immediate＿stop（2）；／／步進(jìn)電機(jī)3停止工作／／

d1000＿start＿t＿move（0，－10000，theApp.get＿speed－500，theApp.get＿speed，1）；／／定義步進(jìn)電機(jī)1運(yùn)行的各個(gè)參數(shù)，逆時(shí)針針轉(zhuǎn)250圈即就是推動(dòng)攜紗器移動(dòng)的距離，加速度時(shí)間為1s／／

while（d1000＿check＿done（0）＝＝0）；／／步進(jìn)電機(jī)1完成轉(zhuǎn)動(dòng)／／

d1000＿immediate＿stop（0）；／／步進(jìn)電機(jī)1停止工作／／

d1000＿start＿t＿move（1，－10000，theApp.get＿speed－500，theApp.get＿speed，1）；／／定義步進(jìn)電機(jī)2運(yùn)行的各個(gè)參數(shù)，逆時(shí)針轉(zhuǎn)250圈即是推動(dòng)攜紗器移動(dòng)的距離，加速度時(shí)間為1s／／

d1000＿start＿t＿move（2，－10000，theApp.get＿speed－500，theApp.get＿speed，1）；／／定義步進(jìn)電機(jī)3運(yùn)行的各個(gè)參數(shù)，逆時(shí)針轉(zhuǎn)250圈即是推動(dòng)攜紗器移動(dòng)的距離，加速度時(shí)間為1s／／

while（d1000＿check＿done（1）＝＝0＆＆d1000＿check＿done（2）＝＝0）；／／檢查步進(jìn)電機(jī)2、3是否完成轉(zhuǎn)動(dòng)／／

d1000＿immediate＿stop（1）；／／步進(jìn)電機(jī)2停止工作／／

d1000＿immediate＿stop（2）；／／步進(jìn)電機(jī)3停止工作／／

theApp.get＿init＋＋；

使用函數(shù)d1000＿board＿close（）可對運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行關(guān)閉操作，方法如下：

d1000＿board＿close（）；／／關(guān)閉控制卡，釋放系統(tǒng)資源／／

CDialog：：OnCancel（）；

3.2 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

通過上述編程操作，設(shè)計(jì)出人機(jī)界面如圖6所示。該界面可完成控制卡、步進(jìn)電機(jī)的初始化，設(shè)置轉(zhuǎn)數(shù)與編織的周期數(shù)目，與圖2實(shí)現(xiàn)的四步法三維編織工藝底盤裝置，共同完成四步法編織。

圖6 初始化及電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)置

4 結(jié)論

本文中介紹的三維四步法編織底盤控制系統(tǒng)，不僅可實(shí)現(xiàn)攜紗器的四步法運(yùn)動(dòng)，而且簡化了三維編織底盤的結(jié)構(gòu)。

通過3臺步進(jìn)電機(jī)為系統(tǒng)提供動(dòng)力，設(shè)計(jì)了基于“PC機(jī)＋運(yùn)動(dòng)控制卡”為核心的控制系統(tǒng)。由于DMC1380運(yùn)動(dòng)控制卡采用專用運(yùn)動(dòng)控制芯片設(shè)計(jì)的PCI總線脈沖式運(yùn)動(dòng)控制卡，可以對多個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行點(diǎn)位控制，進(jìn)而保證運(yùn)動(dòng)精度、降低編織機(jī)運(yùn)行過程中的出錯(cuò)率。通過試驗(yàn)臺的搭建、使用左右旋為一體的絲杠螺母，有效地減少了機(jī)械零件的使用量，且該系統(tǒng)具有良好的系統(tǒng)擴(kuò)展能力。

［1］陳利，孫穎，馬明.高性能纖維預(yù)成形體的研究進(jìn)展［J］.中國材料進(jìn)展，2012，31（10）：21－29.

［2］Dmitri Mungalov，Raleigh.AUTOMATED 3－D BRAIDING MACHINE：US 6，439，096B1［P］.2002－08－27.

［3］John T klein，Broughton Jr，David G Beale.BRAIDED FABRIC AND METHOD OF FORMING：US 5，899，134［P］.1999－05－04.

［4］韓清，萬振凱.AS－49PC－4在異型三維編織機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26（2）：58－61.

［5］韓清.異型三維編織機(jī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)［D］.天津工業(yè)大學(xué)，2006.

［6］深圳市雷塞智能控制股份有限公司.DMC1380運(yùn)動(dòng)控制卡使用手冊［Z］.

［7］宋坤.Visual C＋＋開發(fā)實(shí)戰(zhàn)寶典［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010.