四步法三维编织机底盘装置的设计研究

杨超群，贺辛亥，王俊勃，郑占阳，李宗迎

（西安工程大学 机电工程学院，西安 710048）

0 引言

三维编织技术是20世纪80年代发展起来的一种高新纺织技术，具有异形预制件一次编织成型的特点。在编织过程中，携纱器按照一定的运动规律使纱线在空间相互交叉，从而形成具有一定形状的预制件［1］。三维编织机是三维编织技术成型的关键设备，但该设备核心部件之一的底盘装置，大多结构复杂、控制系统繁琐，生产和维护成本较高［2］。

笔者采用DMC1380运动控制卡设计出的控制系统，旨在简化编织底盘的结构、降低生产成本。

1 三维编织机的工作原理与实现机制

1.1 三维编织机的工作原理

图1 四步法编织工艺原理

四步法三维编织的工作原理，就是使携纱器完成如图1所示的运动。一个编织循环分为4步：第1步，携纱器携带纱线按行向交错运动（图1b））；第2步，携纱器携带纱线按列向交错运动（图1c））；第3步，携纱器携带纱线运动的方向与第1步相反（图1d））；第4步，携纱器携带纱线运动的方向与第2步相反（图1e））。经过数个编织循环之后，就可完成预制件的编织。

1.2 实现编织的机制

现有三维编织机的底盘设计都较为复杂，例如：John T.klein［3］等人在其专利上使用曲柄结构完成携纱器的运动，这样做会使编织底盘结构复杂、成本加大，更重要的是此种设计在编织过程中灵活性差；再如天津工业大学韩清［4－5］所设计的编织机控制系统，是利用气缸完成携纱器的推动，这样的设计也会加大制造成本。为了克服上述编织底盘装置的缺点，笔者设计了四步法编织底盘装置（如图2所示），利用丝杠作为传动件完成携纱器的四步法运动：丝杠1完成携纱器行方向的交错运动，丝杠2丝杠3协同完成携纱器列方向的交错运动，具体的传动方案控制系统如图3所示。

图2 底盘装置

图3 三维编织机控制系统框图

该传动系统采用左右旋为一体的丝杠螺母，当步进电机旋转时，右旋与左旋上面的丝杠螺母就会相向运动，实现行或列的交错运动，进而实现携纱器的四步法编织。具体编织步骤如下。

第1步：丝杠1左旋与右旋上的丝杠螺母分别驱动偶数行与奇数行上的携纱器，并使其达到预定位置，之后步进电机1停止转动，这样步进电机1驱动丝杠1完成行的交错运动。

第2步：在列的方向上，丝杠2和丝杠3只能同时单独完成奇数列（或偶数列）单排携纱器的推动，因此丝杠2驱动的推杆1、推杆2与丝杠3驱动的推杆4、推杆3需协同完成列的交错运动。具体实施如下：丝杠2左旋与右旋上的丝杠螺母分别驱动推杆1与推杆2，丝杠3左旋与右旋上的丝杠螺母分别驱动推杆4与推杆3，推杆1与推杆3协同完成奇数列上携纱器的运动，同时推杆2与推杆4协同完成偶数列上携纱器的运动，携纱器达到预定位置后，步进电机2和3停止转动，这样步进电机2驱动丝杠2与步进电机3驱动丝杠3协同完成列的交错运动。

第3步：步进电机1的转向与第1步相反，使携纱器达到预定位置后，步进电机1停止。

第4步：步进电机2与3的转向与第2步相反，使携纱器到达预定位置后，步进电机2与3停止；至此，完成了1个编织周期。

2 四步法三维编织机的控制系统

由设计的机械装置可知，驱动携纱器完成四步法三维编织，主要是利用步进电机带动丝杠，然后由丝杠螺母带动推杆（列方向）、床身导轨（行方向）完成携纱器的交错、间歇、往复直线运动。所以，上位机采用“PC机＋运动控制卡”的运动控制方案（图3），进而实现三维编织机底盘的自动化。

运动控制卡DMC1380［6］与PC机构成主从式控制结构，PC机负责人机交互接口的管理和控制系统的实时监控，包括键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、控制指令的发送、外部信号的监控等；DMC1380运动控制卡完成运动控制的细节问题，包括脉冲和方向信号的输出、原点和限位等信号的检测等。采用VC＋＋6.0开发语言，利用DMC1380运动控制卡所提供的运动函数，通过编译完成3个步进电机的正、反向运转和转数的设置，进而完成预制件的编织。控制系统流程及硬件连接如图4、图5所示。

图4 控制系统流程

DMC1380运动控制卡与驱动器、步进电机所组成的控制系统主要是产生脉冲和方向信号，来控制步进电机按照要求进行运动。图5中：外接线板上的PUL（＋／－）、DIR（＋／－）与驱动器上的PUL（＋／－）、DIR（＋／－）对应连接；外接线板需要一个24V的直流电源，而驱动器根据所选的步进电机也要选择合适的直流电源，以驱动步进电机正常运转。PUL（＋／－）是脉冲信号，控制电机的转数与角位移；DIR（＋／－）是方向信号，控制电机的转向。步进电机驱动丝杠，丝杠带动床身导轨与推杆完成携纱器的运动。

图5 运动控制卡与驱动器、步进电机的连接结构

3 控制步进电机的软件设计

3.1 软件的编程

软件的设计主要是完成步进电机转速与方向的编程，并进一步完成人机界面的设计。

本次设计采用VC＋＋6.0软件编辑器［7］完成上位机的编程工作，利用运动控制卡所提供的函数来完成电机的运动，包括对运动控制卡与步进电机的初始化操作，电机脉冲、转向、循环周期的设置，以及停车设计。

使用函数d1000＿board＿init（）与d1000＿get＿axis＿status（）可对运动控制卡与步进电机进行初始化操作，方法如下：

int nCard（0）；

CString str＿card，str＿axis；／／定义变量／／

nCard＝d1000＿board＿init（）；／／初始化控制卡为控制卡分配系统资源／／

int axisnum＝0；／／检查轴数／／

if（d1000＿get＿axis＿status（0）＞0）

｛axisnum＋＋；｝／／轴数加一／／

if（d1000＿get＿axis＿status（1）＞0）

｛axisnum＋＋；｝／／轴数加一／／

if（d1000＿get＿axis＿status（2）＞0）

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

｛MessageBox（"未检测到控制卡！"，"警告"）；axisnum＝0；｝／／不存在控制／／

str＿card.Format（"卡数＝%d"，nCard）；MessageBox（str＿card）；str＿axis.Format（"轴 数＝%d"，axisnum）；

使用函数 d1000＿start＿t＿move（short axis，long Dist，long StrVel，long MaxVel，double Tacc）可对电机脉冲、转向、循环周期进行操作，方法如下：

d1000＿start＿t＿move（0，10000，theApp.get＿speed－500，theApp.get＿speed，1）；／／定义步进电机1运行的各个参数，顺时针转250圈即是推动携纱器移动的距离，加速度时间为1s／／

while（d1000＿check＿done（0）＝＝0）；／／检查步进电机1是否完成转动／／

d1000＿immediate＿stop（0）；／／步进电机1停止工作／／

d1000＿start＿t＿move（1，10000，theApp.get＿speed－500，theApp.get＿speed，1）；／／定义步进电机2运行的各个参数，顺时针转250圈即是推动携纱器移动的距离，加速度时间为1s／／

d1000＿start＿t＿move（2，10000，theApp.get＿speed－500，theApp.get＿speed，1）；／／定义步进电机3运行的各个参数，顺时针转250圈即是推动携纱器移动的距离，加速度时间为1s／／

while（d1000＿check＿done（1）＝＝0＆＆d1000＿check＿done（2）＝＝0）；／／检查步进电机2、3是否完成转动／／

d1000＿immediate＿stop（1）；／／步进电机2停止工作／／

d1000＿immediate＿stop（2）；／／步进电机3停止工作／／

d1000＿start＿t＿move（0，－10000，theApp.get＿speed－500，theApp.get＿speed，1）；／／定义步进电机1运行的各个参数，逆时针针转250圈即就是推动携纱器移动的距离，加速度时间为1s／／

while（d1000＿check＿done（0）＝＝0）；／／步进电机1完成转动／／

d1000＿immediate＿stop（0）；／／步进电机1停止工作／／

d1000＿start＿t＿move（1，－10000，theApp.get＿speed－500，theApp.get＿speed，1）；／／定义步进电机2运行的各个参数，逆时针转250圈即是推动携纱器移动的距离，加速度时间为1s／／

d1000＿start＿t＿move（2，－10000，theApp.get＿speed－500，theApp.get＿speed，1）；／／定义步进电机3运行的各个参数，逆时针转250圈即是推动携纱器移动的距离，加速度时间为1s／／

while（d1000＿check＿done（1）＝＝0＆＆d1000＿check＿done（2）＝＝0）；／／检查步进电机2、3是否完成转动／／

d1000＿immediate＿stop（1）；／／步进电机2停止工作／／

d1000＿immediate＿stop（2）；／／步进电机3停止工作／／

theApp.get＿init＋＋；

使用函数d1000＿board＿close（）可对运动控制卡进行关闭操作，方法如下：

d1000＿board＿close（）；／／关闭控制卡，释放系统资源／／

CDialog：：OnCancel（）；

3.2 人机界面的设计

通过上述编程操作，设计出人机界面如图6所示。该界面可完成控制卡、步进电机的初始化，设置转数与编织的周期数目，与图2实现的四步法三维编织工艺底盘装置，共同完成四步法编织。

图6 初始化及电机运转的设置

4 结论

本文中介绍的三维四步法编织底盘控制系统，不仅可实现携纱器的四步法运动，而且简化了三维编织底盘的结构。

通过3台步进电机为系统提供动力，设计了基于“PC机＋运动控制卡”为核心的控制系统。由于DMC1380运动控制卡采用专用运动控制芯片设计的PCI总线脉冲式运动控制卡，可以对多个步进电机进行点位控制，进而保证运动精度、降低编织机运行过程中的出错率。通过试验台的搭建、使用左右旋为一体的丝杠螺母，有效地减少了机械零件的使用量，且该系统具有良好的系统扩展能力。

［1］陈利，孙颖，马明.高性能纤维预成形体的研究进展［J］.中国材料进展，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］韩清，万振凯.AS－49PC－4在异型三维编织机控制系统中的应用［J］.天津工业大学学报，2007，26（2）：58－61.

［5］韩清.异型三维编织机的计算机控制系统［D］.天津工业大学，2006.

［6］深圳市雷塞智能控制股份有限公司.DMC1380运动控制卡使用手册［Z］.

［7］宋坤.Visual C＋＋开发实战宝典［M］.北京：清华大学出版社，2010.