三维异型整体编织机底盘及运动控制技术研究 76页

＇ＸＩＡＮＰＯＬＹＴＥＣＨＮＩＣＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ硕亡饣隹伦攴三维异型整体编织机（中文题名）底盘及运动授制技术研究ＴｈｅＲｅｓｅａＦｃｈｏｆＣｈａｓｓ蚯ｓａｍｄＭｏｔ耐ｏｎＣｏｎｔｒｏｄ（英文题名）ˉＴｅｏｈｎｏｌｏｖ吐ｔｈＴｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓ蛙ｏｎａｌＣｏｍｌｅｘｓｈａｅｄｏｖｅｒｍｌｌＢｒａｉｄｉｎＭａｃｈｉｎｅｇｙｐｐｇ研究生姓名：张志毅学号：２０１５０２２０４０指导教师：贺辛亥（教授）王战胜（高工）学院：材料工程学院学科专业：机槭工程：专业学位学位类型学位授予年度：２０１８年 学校代码10709中图分类号TS103UDC621密级：□公开□保密硕士学位论文（专业学位）论文题名:三维异型整体编织机底盘及运动控制技术研究研究生：张志毅学号：2015022040导师（校内）：贺辛亥（教授）导师（校外）：王战胜（高工）学院：材料工程学院专业领域：机械工程申请学位：工程硕士答辩委员会主任委员：陈文革答辩日期：2018年05月18日 西安工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成杲。除文中己经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:貂仫锻日期:"r男年∫月日彳西安工程大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权西安工程大学教学目的使用本学位论文,将全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。□保密,在~年解密后适用本授权书。本学位论文属于□不保密,□立即或在□1年□2年后开放使用。学位论文作者签名:励如貉日期:"`"年少月日日期:冫″年J^月丿7日叩 三维异型整体编织机底盘及运动控制技术研究摘要：三维异型整体编织技术作为一种新型纺织技术，常用于编织复合材料预制件，能够近净尺寸整体成型各种矩形组合截面复合材料型材，如工字型、L型、T型梁等异型构件。从而避免后续因复合材料型材或构件的机械加工而损伤材料强度，保障了构件力学性能的稳定性与可靠性，得到宇航、武器装备等诸多领域的高度重视和应用。本文通过对目前国内外存在的三维整体编织技术、编织工艺、编织设备及其底盘运动控制技术等方面进行了详细的研究，指出现存的三维编织设备所织造异型预制件结构形式单一及其编织品种适应性差，底盘运动控制系统可靠性差，难以适应异型编织需求。对此本文研究设计出一种自动化控制任意整行（列）携纱器运动状态的编织底盘装置，可通过改变底盘初始布局与运动规律，实现异型预制件的编织。本文依靠Creo三维设计软件完成编织底盘主要零部件的设计与装配工作，编织底盘主要包括由四组步进电机控制使整行（列）携纱器在固定式导轨上纵横交错运动的驱动装置和使用直流电磁铁在导轨两端中的定位功能实现异型编织动作的定位机构。介绍了该种编织底盘方案的结构组成及其工作原理与编织工艺。为实现自动化编织，本文对该底盘的控制系统进行了设计，主要包括硬件电路的设计。文中选用DMC5400A四轴轨迹卡控制四组步进电机驱动装置配合STM32F103微控制器控制定位机构工作，实现异型编织过程；通过无线发送模块实现可控增减纱携纱器的控制；利用IOC1280扩展卡控制位置传感器实现底盘运动状态的检测。本文采用VisualStudio集成软件开发底盘操作界面，主要包括控制按钮，编织参数设定，步进电机手动控制及其底盘运动状态在线显示功能。利用C++语言对控制界面各部分功能进行了程序编写与调试，实现底盘的基本运动控制。图39幅，表6个，参考文献65篇。关键词：三维异型；编织工艺；底盘装置；控制系统；操作界面中图分类号：TS103I TheResearchofChassisandMotionControlTechnologywithThree-dimensionalComplexShapedOverallBraidingMachineABSTRACT:Asanewtypeoftextiletechnology,three-dimensionalcomplexshapedoverallbraidingtechnologycommonlyincompositesfabricationcanbeusedtocompletevariousrectangularcompositecross-sectioncompositeprofilesinthenearnetsize,suchasI,L,Tbeam,etc.Thestabilityandreliabilityofthemechanicalpropertiesofthecomponentsareguaranteedeffectively,avoidingdamagingmaterialstrengthduetothemechanicalprocessingofcompositematerialsorcomponents.Itishighlyvaluedandappliedinmanyfieldssuchasaerospaceandweaponry.ThispaperstudiedindetailabouttheexistenceofThree-dimensionaloverallbraidingtechnology,braidingequipmentanditschassismotioncontroltechnologyandsoon.Itpointsoutthattheexisting3Dbraidingequipmenthasapooradaptabilityforrequirementsofcomplexshapedbraidingwiththesingletypeofprefabricatedstructure,pooradaptabilityofweavingvarietiesandpoorreliabilityofchassismotioncontrolsystem.Inviewoftheabovesituation,thispaperdesignedakindofbraidingchassisdevicewhichautomaticallycontrolsthemotionstateofanywholerow(column)carrier,braidingspecial-shapedfabricbychangingtheinitiallayoutandmotionrulesofthechassis.Thisarticlerelyon3DCreodesignsoftwaretocompletethedesignofmainpartsandassemblywork.Braidingchassismainlyincludesdrivinggearbyusingfourgroupsofsteppermotorcontroltomakethewholerow(column)yarncarriercrisscrossedonthefixedguiderail,andthepositioningmechanismthatthespecial-shapedbraidingactionisrealizedbyusingthedcelectromagnetforpositioningfunctiononbothendsofguiderail.Thispaperintroducedthestructurecomposition,workingprincipleandweavingprocessofthebraidingchassisscheme.Inordertorealizeautomaticbraiding,thispaperdesignedthecontrolsystemofthechassis,mainlyincludingthedesignofthehardwarecircuit.Inthispaper,DMC5400Afour-axistrackcardisusedtocontrolfoursetsofsteppermotordrivedevicestoworkwithSTM32F103microcontrollertocontrolthepositioningmechanismandtorealizethespecial-shapedbraidingprocess.Thecontroloftheyarncarrierisrealizedthroughwirelesstransmissionmodule.UsingtheIOC1280expansioncardcontrolspositionsensortorealizethedetectionofthechassismotionstate.III ThisarticleadoptedVisualStudiointegratedsoftwaretodevelopthechassisoperationinterface,whichmainlyincludescontrolbuttons,braidingparametersetting,steppingmotormanualcontrolandtheonlinedisplayfunctionofthechassismotionstate.ThebasicmotioncontrolofthechassisisrealizedbyprogramminganddebuggingthefunctionsofthecontrolinterfaceinC++language.Figure39,Table6,References65.Zhi-yiZhang(Mechanicalengineering)DirectedbyProfessorXin-haiHeKeywords:three-dimensionalcomplexshape,braidingtechnology,chassisdevice,controlsystem,operationinterfaceClassification:TS103IV 目次1绪论...................................................................................................................................11.1研究背景........................................................................................................................11.1.1三维纺织复合材料.....................................................................................................11.1.2三维整体编织复合材料.............................................................................................11.1.3三维异型整体编织技术.............................................................................................21.2三维整体编织工艺........................................................................................................21.2.1矩形截面编织工艺.....................................................................................................31.2.2异型截面编织工艺.....................................................................................................41.3国内外研究现状及分析................................................................................................51.3.1三维整体编织设备.....................................................................................................51.3.2三维编织底盘运动控制技术.....................................................................................61.4本文研究目的意义及研究内容....................................................................................71.4.1本文研究目的意义.....................................................................................................71.4.2本文主要研究内容.....................................................................................................81.5本文主要创新点............................................................................................................82三维异型整体编织底盘结构的设计.............................................................................112.1编织底盘结构设计方案..............................................................................................112.1.1编织底盘的结构方案...............................................................................................112.1.2编织底盘的设计准则...............................................................................................122.2编织底盘的整体结构设计..........................................................................................142.3底盘驱动装置的设计..................................................................................................152.4定位机构的设计..........................................................................................................162.4.1定位机构的结构设计...............................................................................................162.4.2定位机构的原理.......................................................................................................172.5三维异型整体编织底盘的工作过程..........................................................................182.5.1异型编织底盘的工作原理.......................................................................................182.5.2异型编织底盘的编织工艺.......................................................................................182.6本章小结......................................................................................................................203三维异型整体编织底盘控制系统的设计.....................................................................213.1编织底盘控制系统总体设计......................................................................................21V 3.1.1底盘运动控制技术...................................................................................................213.1.2控制系统总体方案...................................................................................................223.2步进电机控制系统设计..............................................................................................233.2.1DMC5400A四轴轨迹卡...........................................................................................233.2.2驱动器与步进电机的选型.......................................................................................243.2.3控制系统硬件整体设计...........................................................................................263.3定位机构与携纱器控制电路设计..............................................................................273.3.1STM32系列微控制器...............................................................................................273.3.2主控系统硬件电路设计...........................................................................................293.3.3电磁铁控制电路设计...............................................................................................323.3.4NRF24L01无线控制模块.........................................................................................333.4编织底盘运动过程检测..............................................................................................343.4.1底盘运动规律分析...................................................................................................343.4.2IOC1280扩展卡........................................................................................................343.4.3检测系统硬件设计...................................................................................................353.5本章小结......................................................................................................................364三维异型整体编织底盘交互界面设计.........................................................................374.1三维编织底盘交互界面设计......................................................................................374.1.1基于Windows平台的应用软件结构......................................................................374.1.2编织底盘操作系统界面设计...................................................................................384.2控制界面系统主要功能实现......................................................................................394.2.1控制系统初始化设置...............................................................................................394.2.2控制界面操作按钮...................................................................................................414.2.3步进电机手动控制实现...........................................................................................434.3底盘运动状态检测实现..............................................................................................444.3.1底盘数据模型的定义...............................................................................................444.3.2底盘运动过程实现程序...........................................................................................474.4本章小结......................................................................................................................505总结与展望.....................................................................................................................515.1本课题总结..................................................................................................................515.2本课题展望..................................................................................................................52参考文献.............................................................................................................................53VI 附录:进电机手动控制按钮处理函数................................................................................59作者攻读学位期间发表论文清单.....................................................................................65致谢.....................................................................................................................................67VII 1绪论1绪论1.1研究背景二十世纪七十年代以来，随着宇航、导弹、人造卫星、高速运载工具等现代技术的迅速发展，理想的结构材料应具有重量轻、强度和模量高以及耐高温等优点，单组分材料的使用范围受到了越来越多的限制[1]。而复合材料由于为两种或两种以上连续相物质进行复合而制成，其中一相称为增强材料，另一相称为基体材料，各组成分在性能上协同作用，具备重量轻、强度和模量高以及耐高温等优点，广泛应用于飞机、导弹、卫星和航天飞机中，有的已经代替金属材料作为承力构件[2-3]。由于传统复合材料在主承力构件使用中受到外来物的低速冲击后会产生严重的不可见分层损伤，大大降低了其压缩强度；另外结构中层合板的自由边、变厚区域也会因层间应力集中产生分层并扩展，形成抗损伤冲击能力较差、冲击韧性和抗面内剪切强度低等缺点，所以使其使用受到了很大程度限制[4]。1.1.1三维纺织复合材料三维纺织复合材料是为了满足实际应用中多向载荷和多向热应力的要求提出的，主要应用在航天飞机的鼻锥和机翼的前沿、火箭发动机喷管喉衬、导弹端头帽和军用飞机等方面,并在二十世纪九十年代得到迅速发展[5-6]。纺织复合材料不但是一种材料更是一种结构，是利用机织、编织、针织等纺织技术，使纤维通过立体织物厚度方向织造成复合材料预成型件，作为增强体与不同的基体材料复合固化形成纺织结构复合材料，克服了传统层合复合材料的诸多弱点，最大限度上发挥材料优良的力学性能[7]。随着纺织工艺与织造机械的逐步发展，工程实际应用中的复杂结构件也能够实现其近净尺寸整体成型，不但提高了复合材料的损伤容限，而且降低了生产成本。1.1.2三维整体编织复合材料三维编织复合材料是纺织复合材料体系中的一类重要材料，是通过三维编织工艺将高性能纤维编织成三维整体编织物，并用此织物作为增强体与树脂、陶瓷或金属等基体复合固化形成高性能复合材料。由于编织复合材料沿厚度方向均有增强纤维通过，形成了不分层的整体网状结构，不但具备高比强度、高比刚度等一般层压复合材料的特点，还具有良好的抗冲击、抗损伤以及耐磨损、耐烧蚀等独特性能，不仅在民用船舶、土木建筑、交通等行业中逐步由次要承力构件过渡到主要承力构件，而且在宇航、武器装备等诸多领域得到高度重视和广泛应用[8-11]。1 西安工程大学硕士学位论文1.1.3三维异型整体编织技术三维异型整体编织技术是国外20世纪80年代发展起来的一种新型编织技术，是运用编织工艺和设备上的技术特点，通过改变编织底盘中携纱器的阵列形状及其运动形式，将高性能纤维空间分布且相互交织形成网状结构预制件[12]。采用该技术编织的立体织物具有纤维在空间中多向分布且相互交织，形成不分层的整体网状结构，可实现整体近净尺寸编织成型各种异型预制件,从而避免后续因复合材料型材或构件的机械加工而损伤材料特性，有效保障了构件力学性能的稳定性与可靠性[13-14]。三维异型整体编织技术具有以下特点:（1）具有近净尺寸整体成型特点三维整体编织过程中基本编织结构单元体能够随着预制件的形状和尺寸的变化而变形，既保证了所需构件的形状，又使纤维密度维持不变,从而避免复合材料构件后续因机械加工损伤编织复合材料的力学性能。因此利用三维整体编织技术可直接编织一些结构复杂的预制件，如T型、工字型、十字型等矩形组合异型截面预制件。（2）三维立体织物结构可设计性强三维立体编织物结构中连续纤维不但在三维空间中相互交织交叉，又与织物轴向具有一定的角度，这个角度通常被称为编织角，通过改变编织角和花节长度等方式可以改变立体织物中连续纤维的走向和结构，从而改变纤维体积含量、各个方向的性能等[15]；同时还可以在特定方向加入增强纤维束得到各个方向性能不同的复合材料。（3）可以编织多种高性能纤维由于三维立体织物内部连续编织纤维在边角处弯折程度相对较小，基本为直线走向，编织过程中使得纤维损伤率降低，因此采用三维编织技术可以对碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等多种纤维进行编织，满足了当前先进复合材料对高性能纤维的要求[12]。（4）三维编织复合材料具有更优良的力学性能三维编织复合材料是一个完全不分层的整体网状结构，在特定方向上拉伸、压缩、弯曲及强度性能良好，且具有抗冲击、抗疲劳以及耐磨、耐烧蚀能力，使它完全可以用作主承力件和高功能结构件。1.2三维整体编织工艺按照立体编织物的横截面形状，三维整体编织方法可分为矩形横截面编织、圆形截面编织和异型编织三大类，其中矩形编织工艺适合编织矩形规则截面织物和板2 1绪论状材料，圆形编织适合圆形截面和管状型材织物，而异型编织则用于编织各种复杂形状的预制体，如工字型、T型截面等预制件。1.2.1矩形截面编织工艺（a与e）（b）（c）（d）图1-1四步法1x1式样矩形编织规律矩形横截面立体织物通常采用四步法编织，四步法1×1式样编织矩形横截面立体织物原理如图1-1所示，一个运动循环周期分为四步编织。第一步编织中不同行的载纱锭座交替地以不同的方向向左或向右运动一个步进位置，如图1-1（b）所示，第二步编织中不同列的载纱锭座交替地以不同的方向向上或向下运动一个步进位置，如图1-1（c）所示，第三步与第一步编织中载纱锭座的运动方向相反，第四步与第二步编织中载纱锭座的运动方向相反，分别如图1-1（d）和1-1（e）所示[16]。四步循环过程中虽然各个载纱锭座已经改变了它们的位置，但在第四步结束时完成一个机器循环，载纱锭座的位置状态与初始排列形式相同。给定一个矩形理论编织阵列，主要包括主体阵列和附加阵列，主体阵列m×n模式排列的锭座决定了预制体的最终形状，理论编织阵列中锭座的总数目为：N=mn+m+n=(m+1)(n+1)-1(1-1)式（1-1）中：m为主体阵行数；n为主体阵列数[17]。通过观察布置在理论编织阵列中载纱锭座的运动轨迹发现，载纱锭座可以分为若干个组，每个组中所有载纱锭座都具有相同的运动轨迹，对于m×n的矩形理论编织阵列，可分组的数目为：3 西安工程大学硕士学位论文G=mn/LCM(m,n)(1-2)式（1-2）中：LCM(m，n)为m和n的最小公倍数，则每组载纱锭座的数目为N/G个。以上运动过程中，锭座在每步运动过程中移动了相同的位置数，因此该编织方式称作1×1式样，是应用最广泛的编织式样。四步法工艺可进一步得到其它编织方案，例如1×3和1×5等，其中第一个数字表示在第一步和第三步中携纱器每次移动的位置数，第二个数字表示在第二步和第四步中携纱器每次移动的位置数，这取决于行和列之间携纱器移动位置的相对关系，并且需要不同的编织底盘结构。而对于矩形截面立体织物采用不同式样进行编织时，成型后的立体织物的几何尺寸和结构性能也不相同。1.2.2异型截面编织工艺（a）原始排列（b）第一个循环后的排列（c）第二个循环后的排列图1-2工字梁立体编织物运用1×1运动式样结果对于矩形组合复杂横截面的立体编织物来说，如果纱线简单地按照四步法1×1式样运动，如图1-2（b）所示，当第一个编织循环结束后，某些携纱器占领了原来没有携纱器所占领的位置，某些原有携纱器占领的位置现在没有携纱器占领，其中图1-2（c）显示了第二个循环后的情况，问题同样存在，在四步法编织内步进规律无法达到重复，因此不能正常编织。所以这种编织运动式样对于复杂横截面形状的立体编织物并不适用，而对于异型预制件通常在包含此异型截面的规则矩形编织方格阵上采用通用法和混合法两种编织技术[16]。通用法在一个立体织物横截面内将载纱携纱器初始阵列按1×1一种运动式样排列，它的基本思想是将一个复杂的横截面分割为有限个矩形单元，然后成组的编织这些单元。通用法编织工字型立体织物原理如图1-3所示，它将工字型横截面分为两端矩形和中间矩形两组，分别先后经过四步编织共八步循环，纱线的排列形式同原状态一样。依次类推，横截面越复杂，在一个编织循环中的步数越多，编织速度越慢。由于任何矩形组合横截面总是可以分成若干个矩形单元，且携纱器纵横步进时4 1绪论只移动一个位置数，因此通用法编织方案设计比较简单。虽然通用法编织工字型横截面为八步循环，但对于分割后的每个矩形单元编织时本质上依然采用的是四步法编织，因此这种编织方法可以看作是四步法编织工艺的组合。图1-3通用法编织工字型立体织物图1-4混合法编织工字型立体织物混合式样法是在一个立体织物横截面内同时使用两种或两种以上的编织式样，混合法编织工字型立体织物原理如图1-4所示，载纱携纱器初始阵列按1×3和3×1混合运动式样排列，携纱器纵横步进时同时移动一个与三个两种位置数。一个循环仅有四步，因此编织速度较快，然而编织方案比较难以设计，对于一个复杂的矩形组合异型横截面立体编织物通常需要采用计算机模拟，或者反复试验才能得出它的编织方案。两种编织工艺中携纱器运动式样与步进循环数不同，最终得到的立体织物的结构性能也不同。在某些情况下，可以联合使用这两种方法来编织复杂横截面的立体编织物。1.3国内外研究现状及分析1.3.1三维整体编织设备图1-5美国Albany公司的圆型三维编织机图1-6天津工业大学的方型三维编织机三维编织技术相关设备方面的研究，国内外高校和科研机构都做了大量的开发研制工作，在国外，三维编织技术有关设备方面的研究较早，1982年Floretine提出5 西安工程大学硕士学位论文采用气动方式驱动的四步法方形21×21编织机[18]，完善了纵横步进编织的概念，结果表明它是一种有效的三维编织方法。1994年美国AlbanyResearch公司发明了圆形三维编织机，如图1-5所示，可一次挂14000根纱线，但是该编织机对携纱器数量有很大限制，编织过程难以改变携纱器数量，使得无法编织不同直径的型材。美国3Tex公司发明的组合式三维编织机很好的解决了这个问题，可连续编织横截面为T形等预制件[19]。在国内，对三维编织设备的研究始于20世纪80年代末期，虽然起步较晚，但发展迅速，并获得了一些研究成果。天津工业大学复合材料研究所于1996年独立设计出一种由计算机控制的可挂四万根纱线的三维整体编织机[20-21]，如图1-6所示。该编织机底盘采用行列式结构，可以自动化编织矩形及其矩形组合异型截面预制件，为先进智能复合材料的研发与应用提供了依据，但是该底盘行（列）携纱器纵横步进时的不同步运动使得编织循环周期延长，降低了编织效率，而且没有解决靠编织工艺实现异型预制件编织过程中存在的携纱器运动式样等问题，所得预制件结构形式单一，再者编织底盘与最终的立体编织物的尺寸相差很大，编织机的制造难度和开发成本也增加。2013年武汉纺织大学李政宁提出一种用于行列式结构的以新型直线电动机为基础的主动携纱器模型，提升了纵横编织底盘运动的灵活性[22]。但该主动携纱器涉及电源、驱动、位置检测以及通信装置，使得编织底盘控制系统复杂化。随着三维编织技术的发展，各种机械化、微机化的编织机大量出现，编织设备在运动控制技术方面取得了很大的突破[23-24]。其中一些编织设备已经初步实现了CAD/CAM集成，从而提高了三维编织预制件设计效率、加快产品生产周期、降低产品成本、提高产品质量。1.3.2三维编织底盘运动控制技术在机电一体化技术的发展下，三维编织设备运动控制系统向着高性价比、高性能、高柔性化方向逐步进化,它使得整个控制系统性能更加强大。1997年王艺兵、李嘉禄、阎建华等对三维编织机用户界面系统设计进行了分析和论证,采用直接计算机内存贮器映射法和下拉式菜单编程技术，成功实现了对某大型三维编织机用户界面的设计[25-26]。该用户界面具有编织工艺文件预置，操纵台按钮控制和工控计算机键盘控制等功能，实现不同层次操作人员对三维编织机操纵和控制的要求，提高了控制系统的自动化程度。2002年南通工学院姜平用VB实现对三维编织过程的仿真，通过上位PC机与下位单片机通信,传送加工指令和加工数据，单片机对三维编织过程进行自动控制[27-28]，但是该控制系统未涉及编织底盘实时反馈检测功能。2006年焦亚男等建立了6 1绪论变截面三维编织工艺设计及其表观系统，此系统可以在特定工艺条件和编织参数下输出相应的变截面预制件表观图像，并生成工艺参数单，此系统可以进一步扩展到其他异型预制件编织[29-30]。三维编织计算机辅助设计系统为验证编织不同尺寸、不同性能的预制件所用纱线根数、排列位置，编织步骤的合理性提供了保障[31-33]。2007年天津工业大学韩清、万振凯为提高三维编织机的自动化水平，设计了基于AS-49PC-4运动控制卡的控制方案[34-35]，适应性比较强,便于整体系统功能扩展,缩短了控制系统的开发周期。天津工业大学李静东等2013年设计出一套基于“PC+运动控制卡”的运动控制系统，提出了利用对气阀状态的检测是对底盘运动检测的间接方法，实现对三维异型整体编织机编织过程的在线检测[21]。但该控制系统仅适用于三维矩形及其矩形组合横截面预制件采用通用法编织，对于异型预制件采用混合式样法编织难以适用。综上所述，目前国内外对三维异型整体编织技术的研究大多集中在编织工艺、设备结构等方面,这些研究工作推动了三维编织复合材料的发展，而对于三维编织设备的自动化运动控制技术方面研究较少。三维异型整体编织技术的关键环节是如何实现编织底盘携纱器运动规律的控制，而对于可适应异型预制件编织的底盘装置和可增减纱携纱器结合来实现多工艺、多式样立体织物织造的自动化运动控制技术方面还面临着许多挑战，因此开发一种柔性开放式的通用异型整体底盘装置是三维异型整体编织技术研究的关键和难点。作为三维编织复合材料预制件编织的基础设备，三维异型整体编织设备的自动化控制系统具有重要的学术研究价值、科学探索意义以及工程应用前景。1.4本文研究目的意义及研究内容1.4.1本文研究目的意义由于三维编织技术所织造出的立体织物理论上可以达到任意厚度，并且形成一个不分层的整体结构，对研发高性能航空航天零部件、现代化飞行器起着十分关键的支撑作用。同时在民用船舶、建筑、交通、汽摩配件、防腐等方面三维编织复合材料的应用也越来越广泛。在工程实际应用中，三维编织复合材料构件多数具有矩形组合异型横截面，如工字型、L型、T型梁等预制件，要求其编织设备具有自动化程度高、产品均匀度和可重复性好等特点[36]。三维异型编织工艺需要实现复杂的底盘与携纱器运动控制，传统的简单逻辑控制方式已无法满足应用需求，因此对三维异型整体编织底盘的“柔性开放式”自动化运动控制系统的研究显得尤为重要。采用异型编织工艺技术进行编织时，编织初始阵列由与预制件截面形状相同的异型主体阵和四周边界组成，这样得到的理论编织阵列四周边界并不一定完全相同，7 西安工程大学硕士学位论文实际编织时的可行性与通用性较差。而采用异型编织设备进行编织时，由于底盘结构布局与驱动装置限制使得所织造异型预制件结构形式单一及其编织品种适应性差，再者底盘控制系统可靠性差，不能直接实现底盘在线监测和自诊断故障等功能，不利于对底盘故障的及时排除，使得设备利用率降低。针对上述问题，本文研究提出了一种三维异型整体编织底盘装置，能够改变底盘初始布局与携纱器运动状态，通过自动化控制系统完成整行（列）携纱器的纵横步进运动，实现三维异型截面预制件的1×1与1×3等式样编织。该运动控制系统可快速通过软件系统编程与运行参数重设定实现复杂编织运动，硬件模块与系统代码对用户开放，允许二次开发，于三维异型整体编织设备具有较高的应用价值。1.4.2本文主要研究内容本文为提高三维异型整体编织的自动化程度进而提高编织效率，通过研究分析三维异型预制件现有的编织工艺以及可实现异型编织的底盘设备，比较现有异型编织工艺和设备的优缺点，从而确定三维异型整体编织底盘方案，主要研究内容如下：（1）通过比较三维异型预制件现有的通用法与混合法编织工艺，得出两种编织工艺中底盘初始排列形状及其编织模式不同，即携纱器运动式样与步进循环数不同，最终确定异型整体编织底盘结构设计方案。（2）根据该异型整体编织底盘的整体结构与功能需求，结合材料力学性能和加工工艺的要求，确定底盘步进电机驱动装置与定位机构等相关零部件的基本尺寸，利用Creo绘图软件进行三维建模，完成主要零部件的设计与整体装配并验证其结构合理性。（3）对该编织底盘的整体控制系统进行了设计，采用DMC5400A四轴轨迹卡控制四组步进电机实现整行（列）携纱器纵横步进循环运动，基于STM32F103微控制器设计专用控制电路板控制定位机构完成异型编织动作，通过无线发送模块实现可控增减纱携纱器的控制，且选用IOC1280扩展卡控制底盘位置传感器实现携纱器运动状态的检测。（4）为实现三维编织过程的人机交互操作，采用VisualStudio集成开发环境软件基于Windows平台开发人机交互操作界面，包括操作界面控制按钮、步进电机手动控制与编织参数设定，底盘携纱器运动状态在线显示及其自诊断功能的实现，并对其系统进行调试。1.5本文主要创新点本文所设计的三维异型整体编织底盘装置，改变了以往由于底盘结构布局与驱8 1绪论动装置限制使得所织造异型预制件结构形式单一及其编织品种适应性差等问题，该底盘装置能够改变底盘初始布局，通过四轴轨迹卡DMC5400A控制底盘东西南北四组步进电机驱动装置与STM32F103微控制器控制对应行（列）携纱器两端定位机构配合工作，单独自动化控制任意整行（列）携纱器的运动状态，实现多种异型预制件的柔性化编织；利用IOC1280扩展卡控制的位置传感器实时检测底盘携纱器的位置状态，消除了编织过程中通过目测方式获取底盘信息，为底盘故障的及时排除提供了保障。该底盘理论上能够实现异型预制件的多模式多式样织造，提高了三维异型整体编织的自动化程度及其编织效率。9 西安工程大学硕士学位论文10 2三维异型整体编织底盘结构的设计2三维异型整体编织底盘结构的设计三维异型整体编织底盘主要包括携纱器阵列、编织轨道与驱动装置等几部分，其中所有携纱器按纵横方向等距排列在编织底盘的编织轨道中，携纱器的数量和排列方式取决于立体织物的截面尺寸和形状。在驱动装置的作用下，锭座（携纱器）沿编织底盘上相互垂直交叉的轨道导向实现纵横方向上的交替移动，使携纱器上的编织纱线相互交织形成整体网状结构预制体[37-38]。2.1编织底盘结构设计方案（a）2×3式样矩形截面载纱锭座排列状态（b）通用法编织工字型截面载纱锭座排列状态1-驱动装置2-主体携纱器3-附加携纱器4-轨道空挡5-空载携纱器图2-1编织底盘平面示意图根据图2-1编织底盘平面示意图可知，锭座以三种状态存在：载纱锭座、空载锭座、轨道空挡。而载纱锭座又可分为主体载纱锭座和附加载纱锭座，主体载纱锭座的数量和排列形式决定了编织物横截面的尺寸和形状，附加载纱锭座的排列和数量决定了其编织式样，即偶数步和奇数步运动过程中锭座对应的步进位置数不相同[39]。2.1.1编织底盘的结构方案编织底盘携纱器阵列主要由编织主体阵和四周的附加行列组成，其排列规则如下：（1）主体阵中不允许存在轨道空挡及空载锭座；（2）附加载纱锭座数量应与对应的有效轨道控数及其步进位置数相等。即在纵横步进编织工艺中，锭座在编织底盘上必须要采用整行或整列的方式移动，否则就会破坏编织规律。对于主动携纱器而言，既可以实现群组式的行列运动又可以独立运动，其中携纱器的独立运动是在每个编织循环结束后选择性参与或退出编织，形成新的编织阵列，为增减纱工艺提供一定的可行性，但在编织时本质上还是按照四步法行列式进行编织作业。虽然11 西安工程大学硕士学位论文轨道空挡的存在并不影响主动携纱器整行或整列的同步运动，但轨道空挡的存在相当于在编织主体阵中形成空载锭座，这时就会造成编织物结构局部缺陷。从图2-1（a）2×3式样矩形截面载纱锭座排列状态与图2-1（b）通用法编织工字型截面载纱锭座排列状态可以看出携纱器在底盘上的排列形式不同，且运动位置数也不相同，即行（列）方向所对应的驱动装置并不同步工作，因此形成一种通用性的纵横步进编织底盘结构方案的关键技术是编织底盘中附加载纱锭座、空载锭座的排列位置及其驱动装置所对应的步进位置数与有效轨道空当数的控制。只有解决了该项技术之后，通过编织底盘携纱器阵列变换实现异型预制件的多模式多式样编织，但在编织过程中必须遵守的一条原则是各种理论编织阵列在运动循环结束之后，步进规律必须达到重复，否则无法正常编织。针对以上情况，本文研究设计出了一种可适应多种矩形组合截面异型预制件的三维异型整体编织底盘装置，该底盘装置能够根据编织物结构需求选择性改变携纱器初始布局，且编织底盘每组行（列）锭座两端配置一组定位机构配合四组步进电机驱动装置工作，分别单独自动化控制整行（列）携纱器的纵横往复运动，其所对应控制系统是携纱器在编织底盘纵横步进运动实现异型预制件编织的关键。2.1.2编织底盘的设计准则图2-2纵横步进四步法编织的λ与k关系曲线在设计编织底盘时存在床身导轨尺寸与立体编织物尺寸之间的对应关系问题，对于纵横步进四步法编织的立体织物，则无量纲化的编织物边长Wk为：Wk2k1（2-1）式2-1中：k为立体编织物某边上主体部分的纱线数，而主体部分编织k根纱线所需12 2三维异型整体编织底盘结构的设计要轨道数为（k+2），因此在该方向所要求的被纱线直径无量纲化的底盘宽度Mk为：MkSd(k2)（2-2）式2-2中：Sd为编织底盘中该方向相邻两轨道之间、被纱线直径无量纲化的中心距离。因此编织底盘宽度与立体编织物宽度之比ω为：Mkk2ωSdλSd（2-3）Wk21式2-3中：λ(k2)(2k1)，为取决于k值的系数。图2-2表示了与k的关系曲线，从图中可以看出：当k<30时，曲线迅速下降，表示值受k值影响较大；当k>30时，值受k值影响较小；当k值继续增加，值几乎不受k值影响，最后接近于0.71。通常编织底盘某边的轨道数目大于40，值在0.71与0.73之间。编织底盘宽度与立体编织物宽度之间的相互关系可根据Sd值和k值即可得到[17]。要想获得最小的值，就需要尽可能减小Sd，而Sd值受携纱器锭座尺寸的控制，因此设计在编织底盘轨道尺寸时必须予以考虑。（a）移动式轨道（b）固定式轨道1-固定导块2-滑动横梁3-携纱器锭座图2-3纵横步进编织底盘轨道形式目前布置编织底盘轨道的形式主要有移动式轨道和固定式轨道两种，如图2-3所示，移动式轨道中携纱器锭座步进的动力在纵横两个方向上不相同，锭座沿纵向的步进动力来自其相互之间的推挤，而沿横向的步进动力是由固定于横梁上的固定导块带动。由于固定导块只是相对固定于滑动横梁之上，因此编织平台中没有静止不动的部件，因而在这种编织轨道中加入轴向纤维束的操作比较难以实现，优点是增减滑动横梁数目即可改变床身的大小，适应不同纱线根数的立体编织物，比较灵活，适应小批量生产和实验设备应用[40-41]。固定式轨道中固定导块以纵横等距的方式排列在底板上，它们之间的间隔构成了携纱器的步进轨道，这种形式的轨道只起控制携纱器运动方向的作用，携纱器步进的动力来自于纵横两个方向四个方位的推13 西安工程大学硕士学位论文动力，优点是运动质量小，即为携纱器本身，从而消耗能量也小，适用于大规模生产。如果在固定导块的中心钻孔，就能很方便地引入轴向纤维束，故本文研究三维异型编织底盘装置选用固定式轨道。2.2编织底盘的整体结构设计（a）三维异型整体编织底盘轴侧图（b）三维异型整体编织底盘俯视图Ⅰ-底盘机架Ⅱ-编织轨道Ⅲ-驱动装置图2-4三维异型编织底盘整体结构图14 2三维异型整体编织底盘结构的设计三维异型编织底盘的整体结构如图2-4所示。主要包括底盘机架、编织轨道、驱动装置三部分。编织轨道主要实现携纱器在平面内的纵横步进导向移动，其中的固定导块以纵横等距的方式排列在底板上，它们之间的间隔形成成了携纱器纵横步进运动的轨道。携纱器可根据异型件编织模式及式样灵活布局在轨道交叉处，当步进运动时为防止其间隔距离发生变化，在相邻携纱器锭座之间放置一补偿块来控制携纱器锭座始终纵横等距排列，从而保证编织的顺利实施。驱动装置通过底盘机架与编织轨道连接，为提高编织效率使其分布于底盘东西南北四个位置，其各机械装置是基于DMC5400A四轴轨迹卡能够精确控制步进电机实现往复直线运动的特性和配合STM32F103微控制器控制定位机构动作，实现自动化控制任意整行（列）携纱器的运动状态而设计的。其中，STM32F103微控制器可实时接收主机发出的指令信号，然后有序控制相关定位机构动作，辅助完成整行（列）携纱器的运动或静止状态。底盘的运动状态通过IO扩展卡控制的位置传感器实时检测，消除了异型编织过程中通过目测方式获取底盘信息，为底盘异常的及时排除提供了保障，使三维异型整体编织机实现完全自动化编织成为可能。2.3底盘驱动装置的设计底盘驱动装置的结构如图2-5所示。底盘四个步进电机由四轴轨迹卡进行控制，为缩小编织机整体结构尺寸，该电机驱动装置安装在底盘四周之下；步进电机1通过联轴器4带动滚珠丝杠13，由丝杠螺母的啮合来推动驱动横梁9随滑块10沿导轨11移动；驱动横梁上设置有多组凹形通槽，与推板12间隙配合，以保证运动推板在垂直于步进方向精确定位，每组推板上配有可供控制整行（列）携纱器运动状态的定位机构；定位机构由一对直流电磁铁15与复位弹簧3配合使用，当需要某些整行（列）携纱器运动时，相应定位机构中的电磁铁15带动驱动销8沿定位孔17下降到驱动槽16，使该推板与驱动横梁建立机械连接，驱动横梁带动推板随复位弹簧沿凹形滑槽同步步进推动整行（列）携纱器在编织底板14上纵横交错运动，需要某些行（列）携纱器静止时，相应定位机构的电磁铁15带动驱动销8沿驱动槽16上升到定位孔17，使横梁与推板脱离机械连接，驱动横梁步进时由于复位弹簧的拉力作用使其始终限位于固定横梁6凸形槽中处于静止状态，而不影响驱动横梁带动其它推板的移动；每组定位机构上的复位弹簧3一端固定在机架上的角铝2，一端固定在推板上的D型拉环7，处于一定拉伸状态，防止在驱动横梁运动时静止推板由于摩擦力作用沿步进方向滑动产生错位现象，导致后续编织时驱动销不能顺利进入驱动槽而影响该推板的运动；固定横梁6通过角件5固定于机架上，并开有多组凸形通槽，凸槽大尺寸端与推15 西安工程大学硕士学位论文板间隙配合，小尺寸端在弹簧拉力作用下使推板处于极限位置，防止驱动槽与驱动销发生错位现象，保证编织过程中定位机构动作的顺利实施。（a）驱动装置主视图（b）驱动装置局部视图1-步进电机2-角铝3-复位弹簧4-联轴器5-角件6-固定横梁7-D型拉环8-驱动销9-驱动横梁10-滑块11-导轨12-推板13-滚珠丝杠14-编织底板15-电磁铁16-驱动槽17-定位孔图2-5底盘驱动装置结构图2.4定位机构的设计2.4.1定位机构的结构设计定位机构是整个底盘装置的主要构件，其结构如图2-6所示。定位机构的功能是使直流电磁铁带动驱动销4沿定位孔5进入或脱离驱动槽6，使其为推板2提供驱动力与否。为保证驱动销顺利进入或脱离驱动槽而又不致其卡死，驱动槽6设计成两端为半圆形且中心距离为1/4个步长的长槽，与驱动销间隙配合于初始位置，驱动销距离槽的两端各为1/8个步长。编织过程中为了实时检测底盘的运动状态，以防止驱动销卡死使编织运动发生异常，由于定位机构结构尺寸限制直接对其检测比较困难，因16 2三维异型整体编织底盘结构的设计此通过给推板前后端装有位置传感器来间接检测推板的位置，从而实现对定位机构驱动销到位状态的实时检测，提高了整体系统的可靠性。（a）定位机构主视图（b）定位机构俯视图1-固定横梁2-推板3-驱动横梁4-驱动销5-定位孔6-驱动槽图2-6定位机构结构图2.4.2定位机构的原理1-驱动销2-驱动槽S-1/4步长S-1/8步长A-初始位置B-推程与回程位置图2-7定位机构原理图17 西安工程大学硕士学位论文由图2-7定位机构原理图可知，推程运动时驱动横梁步进1/8个步长使驱动槽2与驱动销1配合于推程位置B，为其推板提供驱动力；回程运动时由于复位弹簧的作用使驱动销始终与驱动槽配合于回程位置B并且处于预紧状态，为保证后续编织时电磁铁驱动力足以带动驱动销脱离驱动槽，因此当推板到达极限位置时驱动横梁继续运动1/8个步长回到到初始置A，所以驱动横梁在推程与回程运动过程中步进相同距离，从而降低了编织底盘运动状态的控制难度。2.5三维异型整体编织底盘的工作过程2.5.1异型编织底盘的工作原理本文结合图2-5来说明异型编织底盘的工作过程。携纱器需要横向步进运动时，底盘每行两端定位机构的电磁铁15同时接受到主机发出的指令信号带动驱动销8沿定位孔17脱离或进入驱动槽16，驱动销到位之后东西电机同时接收到主机发出的驱动信号通过丝杠螺母啮合推动驱动横梁9运动1/8个步长为推板12提供动力随滑块沿导轨同步移动，推板12的步进使携纱器同时向右和向左运动所需位置数，回程时东西电机沿相反方向运动相同距离到达初始位置。携纱器需要纵向步进运动时，底盘每列两端定位机构工作过程类似，此时南北电机工作，推动携纱器同时向上和下运动所需位置数，回程时同理。一个循环周期内纵横交错运动，且横向步进回程（推程）与纵向步进推程（回程）同时进行互不影响，极大地提高了编织底盘的运行速度。由于各种异型预制件采用不同方法进行编织时底盘运动规律截然不同，主要在于行（列）两端定位机构动作状态及其电机步进距离的变化，即四轴轨迹卡及微控制器接受的上位机指令不同，为实现各种异型预制件自动柔性化编织，将每行（列）两端对应定位机构与东西南北电机动作转换成计算机可以识别的符号，按照一定的顺序进行排列并以文件形式存储在计算机中，编织之前只需调用即可，提高了系统的可扩展性。2.5.2异型编织底盘的编织工艺由于该异型编织底盘是基于纵横步进编织底盘设计的，因此适用于通用法和混合法编织异型立体织物。该底盘可根据异型预制件编织模式与式样需要改变携纱器布局，并能够单独控制任意行（列）携纱器的运动状态，只需按编织规律给相应定位机构与电机驱动装置发出指令信号，即可实现异型立体织物的整体编织。下面以实施横截面为工字型的立体织物的异型编织为例，图2-8示出编织8×6模式工字型立体织物时携纱器在该底盘的排列状态。采用八步法1×1式样编织（如图2-8（a）所示）时，两端矩形截面单元同时编织过程中第一步控制第2、3、8、9行两端定位18 2三维异型整体编织底盘结构的设计机构动作，东西电机驱动装置使不同行携纱器交替地以不同方向向左或向右运动一个位置数，第二步控制第2、3、4、5、6、7列两端定位机构动作，南北电机驱动装置使不同列携纱器交替地以不同方向向上或向下运动一个位置数，第三步、第四步分别与第一步、第二步中行（列）两端定位机构动作状态与运动方向相反，经过四步；中间矩形截面单元编织过程中第一、三步控制第4、5、6、7行两端定位机构动作，第二、四步控制第4、5列两端定位机构动作，东西（南北）电机驱动装置运动规律与上述同理，先后经过共八步达到一个运动循环，携纱器布局回到初始状态。（a）八步法1×1式样初始编织阵列（b）四步法1×3和3×1式样初始编织阵列1-主体载纱携纱器2-附加载纱携纱器3-空载携纱器4-轨道空挡5-定位机构图2-88×6模式工字型立体织物的编织底盘初始阵列图采用四步法1×3和3×1式样编织（如图2-8（b）所示）时，由于四步循环中行（列）携纱器纵横运动步进距离不完全相同，其相差两个位置数，而电机驱动装置沿步进方向运动最大步长，因此通过在只运动一个位置数的行（列）携纱器的起始端放置空载携纱器使其与底盘边界形成两个轨道空挡，如第7行与第3列、第8行与第10列轨道交叉处的空载携纱器，编织过程中当第4、10行（第5、11行）携纱器同时向右（左）运动两个位置时与第7行（第8行）携纱器继续同步运动一个位置数，列方向同理，使得东西（南北）驱动装置沿步进方向同时实现所需行（列）携纱器运动，充分发挥了底盘结构功能，进而提高了异型编织效率。工字型截面编织过程中第一步控制第4、5、7、8、10、11行两端定位机构动作，东西电机驱动装置使不同行携纱器交替地以不同方向向左或右运动一个或三个位置数，第二步控制第4、6、7、9列两端定位机构动作，南北电机驱动装置使不同列携纱器交替地以不同方向向上或下运动一个或三个位置数，第三步、第四步分别与第一步、第二步中行（列）两端定位机构动作状态与运动方向相反，经过四步一个运动循环之后，步19 西安工程大学硕士学位论文进规律达到重复状态。在此只列举了工字型预制件进行编织时的具体应用,根据需要也可对其它L型、T型等异型预制件采用通用法和混合法进行编织。2.6本章小结基于三维异型整体编织技术原理提出一种编织底盘装置，为异型预制件编织提供了一种新的依据。底盘东西南北四组步进电机驱动装置与对应（行）列携纱器两端定位机构配合使用，不仅使得异型预制件实现了净尺寸整体编织，避免后续因机械加工而损伤构件的力学性能，而且异型编织时整行（列）携纱器运动状态的单独自动化控制在各种异型预制件的多模式多式样编织中更加实用。本章利用计算机辅助设计软件对编织底盘驱动装置与定位机构各个零部件进行了三维建模，且完成了整体装配工作，并对其结构合理性进行分析，详细介绍了该种编织底盘装置的工作原理，并阐述了该底盘实现异型预制件编织时所采用的编织工艺。20 3三维异型整体编织底盘控制系统的设计3三维异型整体编织底盘控制系统的设计3.1编织底盘控制系统总体设计3.1.1底盘运动控制技术自动运动控制技术是指在无人直接介入的情况下，利用外加控制装置，使设备（被控对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定规律运行[42-43]。三维异型编织底盘的运动控制系统实质是按照预定的编织工艺方案，将计算机系统做出的决策指令变成底盘特定的机械运动规律，使携纱器得到确定的步进位置、速度等特定的运动形式。图3-1反馈控制系统基本组成为实现各种复杂的控制任务，首先要将被控对象和控制装置按照一定的方式组成一个有机整体，其中被控对象的输出量可以要求按照某个给定规律运行或保持为某一恒定值，是要求严格加以控制的物理量。控制装置可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，是对被控对象施加控制作用的机构的总体，最基本的一种是基于反馈控制原理组成的反馈控制(闭环控制)系统，其典型的反馈控制系统基本组成如图3-1所示，主要由放大元件、执行元件、测量元件等组成，该种控制系统具有较高的控制精度，是应用最广泛的一种控制方式；除此之外，还有开环控制和复合控制等方式，它们具有各自不同的特点和应用场合[44]。图3-2编织底盘控制系统方块图在三维异型整体编织底盘控制系统中，其关键技术是实现编织底盘携纱器步进位置与运动规律的精确控制，而在携纱器纵横步进运动过程中并无要求较高控制精度。针对以上反馈控制新系统的优点，结合编织底盘机械传动链的结构特点，对携纱器每一步运动结束后的位置实现检测，确保底盘按照一定规律运动，其控制系统21 西安工程大学硕士学位论文方块图如图3-2所示，主要由计算机、控制器、执行装置等组成，控制器是整个控制系统的关键，将计算机的决策命令以数字脉冲信号或模拟电压信号的形式发送到执行装置的驱动器中，驱动器进行功率转换并驱动步进电机与直流电磁铁动作，通过机械传动机构带动编织底盘运动，从而得到预期的运动规律和运动形式。常用的控制器主要包括单片机系统、可编程控制器（PLC）、运动控制卡等多种选择，其中单片机系统成本低，开发周期长，比较适用于大批量产品；PLC控制系统适用于运动轨迹固定、运动过程简单的设备；运动控制卡虽然成本较高，但其具有运动开放的控制功能[45-47]。通过综合比较各种运动控制器的特点，依据三维异型整体编织底盘的工作特点与执行装置的类型，控制器采用的是运动控制卡与单片机微控制器。3.1.2控制系统总体方案图3-3编织底盘控制系统原理构成图三维异型整体编织底盘控制系统采用“PC+运动控制卡”控制底盘驱动装置与STM32F103微控制器控制定位机构结合的方式，且选用IOC1280扩展卡实现底盘运动状态检测，系统原理构成如图3-3所示，主要由计算机、四轴轨迹卡、IO扩展卡、STM32微控制器、驱动器、步进电机以及位置传感器构成。计算机（VisualStudio）：作为PC机负责编织底盘人机交互操作界面的管理，包括键盘与鼠标的管理、控制指令的发送、系统运行参数的设置、底盘运动状态的实时检测与显示等。四轴轨迹卡:完成对编织底盘东西南北四组步进电机驱动装置的管理和控制，是主机与机械装置的接口。包括四轴步进电机脉冲和方向信号的控制，执行点位运动控制以及原点和限位等信号的检测。STM32F103微控制器：采用基于ARM7架构内核的STM32F103RCT6微控制器设计的专用控制电路板控制底盘定位机构中的直流电磁铁完成动作，实现异型预制件编织过程中的整行（列）携纱器单独运动状态，以及电路板自带的NRF24L01无22 3三维异型整体编织底盘控制系统的设计线发送模块实现自动增减纱携纱器无线控制。IO扩展卡：完成对编织底盘东西南北四个方位各组定位机构对应的位置传感器、报警器等输入输出开关量的检测及控制，实现编织底盘运动状态的检测。3.2步进电机控制系统设计3.2.1DMC5400A四轴轨迹卡图3-4DMC5400A运动控制卡硬件系统框图编织底盘步进电机驱动装置控制系统选用型号为兼容PCIV2.3标准的32BitPCI标准半长卡尺寸规范的雷泰(Leadtech)DMC5400A四轴轨迹卡，是以ASIC为核心的功能强大、性能优越的高性能连续轨迹运动控制卡[48-49]。硬件方面分别提供了4轴的脉冲和方向控制信号，可控制四轴步进电机，同时提供了多种运动控制功能，其中包括点位运动、机械位置控制等，具体硬件系统框图如图3-4所示。并且提供了功能丰富的基于Windows系统平台下的API运动函数动态链接库，避免了用户对底层控制程序的编写，提高了编程效率，方便利用VisualStudio应用程序开发软件设计人机交互控制界面，大大缩短了用户应用软件开发、调试周期。（1）S形点位运动控制点位运动是指控制器控制运动平台以设定的速度从当前位置开始运动到指定位置后准确停止。电机以起始速度开始运行加速至指定速度后连续运动，在运动过程中对运动轨迹的精度无要求，只关注终点坐标，运动距离取决于脉冲数量，运动速度由脉冲频率决定。在三维异型整体编织底盘运动过程中，为使运动平台更加平稳，缩短加速过程、降低运动装置的振动和噪声，延长机械传动部件的寿命，四组步进电机驱动装置选择S形曲线速度控制模式，其速度曲线及对应的位移曲线如图3-5所示。指令脉冲频率从一个内部设定的速度快速加速至起始速度，然后作S形加速23 西安工程大学硕士学位论文运动；运动结束前，指令脉冲频率先作S形减速运动至停止速度，然后再快速减速到一个内部设定的速度，此时脉冲停止输出[50]。图3-5S形速度曲线及对应的位移曲线（2）机械位置控制图3-6底盘运动平台位置传感器及电机控制信号的布置图DMC5400A运动控制卡均为4轴提供了原点信号、正负限位信号输入接口，每路信号都加有滤波器过滤高频噪声，并进行了光电隔离，减少外界对内部信号的干扰，保证了运动的可靠性。以编织底盘驱动装置的西电机为例，运动平台位置传感器及控制信号的布置如图3-6所示，通过传感器设置原点位置，以便于实现步进电机位置的精确控制，机械限位点确定编织底盘纵横运动的边界位置，由于底盘位置传感器选择的是常开型限位开关，因此通过软件设置EL+、EL－信号为低电平有效，当运动部件接触到限位开关时，DMC5400A卡将禁止运动部件继续向限位方向运动，保护了底盘机械装置设施。3.2.2驱动器与步进电机的选型（1）DM856数字式驱动器24 3三维异型整体编织底盘控制系统的设计表3-1DM856数字式驱动器电气指标说明Min典型值Max单位输出电流0.1-5.6A输入电源电压206880VDC控制信号输入电流71016mA步进脉冲频率0-200KHz步进电机驱动器选用以最新32位DSP技术为核心的DM856数字式中低压驱动器，可以驱动57、86系列电机，具备优秀的中低速性能，光电隔离的脉冲、方向控制信号接口，适应差分、单端共阴及共阳极信号输入，能够满足大多数小型设备的应用需要。可以设置256内的任意细分以及额定电流内的任意电流值，并且具备电机开路、短路、过压保护功能[51]。其电气性能指标如表3-1所示，在步进电机驱动装置初次工作时，将拨码开关SW4在1秒之内往返拨动一次，使驱动器内部集成的参数自整定功能对电机生成最优运行参数，最大限度发挥电机的性能[52]。同时工作电流与细分精度设定开关设置为OFF,以便于编织底盘后期调试时通过PC软件设定，工作过程中为使得电机和驱动器的发热减少，降低能耗，提高可靠性，将SW4设成OFF，即静止电流设为运行电流的一半，脉冲信号停止后电流自动减半，拨码开关的相关设置如图3-7所示。图3-7DM856驱动器SW拨码开关设置示意图（2）86HS45两相混合式步进电机步进电机是一种将电脉冲信号转变为机械角位移或线位移的感应电机，不能直接接到直流或交流电源上工作，需通过步进驱动器提供的多相时序脉冲控制电流工作。每当步进驱动器接收到一个脉冲信号，就会驱动步进电机按设定的方向转动一个固定角度（称为步距角），进而带动机械机构运动一定的位移。运动过程中可通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度，同时通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，具有精度高，无误差累积的特点。步进电机分为三种：永磁式步进电机（PM）、反应式步进电机（VR）和混合式25 西安工程大学硕士学位论文步进电机（HB）。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步距角为7.5º或15º；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步距角一般为1.5º，但噪声与震动较大；混合式步进电机集成了永磁式和反应式步进电机的优点，分为两相和五相，步距角分别为1.8º和0.72º，其应用最为广泛[53]。步进电机的选型需要考虑以下几方面因素:（1）齿轮的减速比；（2）工作台、齿轮及丝杠折算至电机轴上的转动惯量J；（3）电机输出的总力矩M；（4）负载启动频率（估算）；（5）运行的最高频率与升速时间；（6）负载力矩和最大静力矩Mmax。编织底盘电机驱动装置选用型号为86HS45两相混合式步进电机，它采用优质冷轧硅钢片和耐高温永磁体材料制造，具有运行转矩大、温升小、可靠性高等特点，且内部阻尼特性良好，无明显振荡区，运行平稳。3.2.3控制系统硬件整体设计图3-8DMC5400A卡与接线盒连接示意图图3-9DM856驱动器与86HS45步进电机差分接法步进电机控制系统硬件DMC5400A卡的4路电机控制信号接口通过接线盒ACC-X400扩展，四位拨码开关S5设置卡号为0，与配件连接方式如图3-8所示。为有效的减少传输线路中的干扰，电机脉冲与方向控制信号选择差分输出方式，控制卡、驱动器与步进电机差分接法如图3-9所示。ACC-X400B接线盒CN1至CN4为电机控制信号端口，接口信号定义如表3-2所示。26 3三维异型整体编织底盘控制系统的设计表3-2ACCX400B接线盒接口信号定义表接口名称信号名称I/O功能说明CNIDIR+、DIR-、PUL+、PUL-O东电机方向、脉冲信号CN2DIR+、DIR-、PUL+、PULO西电机方向、脉冲信号CN3DIR+、DIR-、PUL+、PULO南电机方向、脉冲信号CN4DIR+、DIR-、PUL+、PULO北电机方向、脉冲信号24VI24V电源CN16OGNDO24V电源地CN17IO总线信号（电机控制信号）I/OIO信号总线ORG0、EL0+、EL0-I东电机原点、正、负限位信号ORG1、EL1+、EL1-I西电机原点、正、负限位信号CN20ORG2、EL1+、EL2-I南电机原点、正、负限位信号ORG3、EL1+、EL3-I北电机原点、正、负限位信号3.3定位机构与携纱器控制电路设计编织底盘每行（列）携纱器所对应推板上布置一对由电磁铁执行的定位机构，在异型预制件编织过程中，通过控制电磁铁的通断电状态，时间和顺序，配合驱动横梁带动推板完成所需行（列）携纱器的纵横步进运动。根据相关结构设计可知，推板在推程或回程运动距离为1/8步长与所运动步长之和，由步进电机所带动推板的运动速度计算出携纱器纵横运动时间，以确定电磁铁通断电时间。因此每组定位机构控制系统的任务是精确控制每个执行机构的通电顺序和时间长度。编织底盘由于空间尺寸限制，对于可控增减纱携纱器需采用无线控制实现增减纱工艺。本控制系统选用STM32F103ZET6微控制器作为控制系统的核心部件，设计出专用控制电路PCB版，电路板自带无线模块实现自动增减纱携纱器的控制，继电器驱动电路控制底盘东西南北四个方位共32对电磁铁执行元件。3.3.1STM32系列微控制器意法半导体(ST)公司的STM32系列微控制器为基于32位Cortex-M3RISCCPU，该系列种类齐全，用户可以依据不同的应用需求选择合适的芯片。根据片内F1ash和RAM的容量，以及片上外设资源种类和数量的不同，STM32系列微控制器主要分为STM32FI01xx系列和STM32F103xx系列[54-56]。STM32微控制器的主要优点如下：（1）使用ARM最新的、先进架构的Cortex-M3内核。Thumb-2指令集以16位27 西安工程大学硕士学位论文的代码密度带来了32位的性能。（2）超多的外设。STM32的优势来源于两路高级外设总线（APB）结构，其中一个高速APB（可达CPU的运行频率），连接到该总线上的外设能以更高的速度运行。拥有包括FSMC、SPI、IIC、USB、CAN、IIS、SDIO、ADC、DAC、RTC等众多外设及功能，且具有极高的集成度。（3）最大程度的集成整合。STM32内嵌电源监控器，减少对外部期间的需求，包括上电复位、低电压检测、掉电检测和自带时钟的看门狗定时器。使用一个主晶振可以驱动整个系统，低成本的4~6MHz晶振即可驱动CPU、USB以及所有外设，使用内嵌PLL产生多种频率，可以为内部实时时钟选择32kHz的晶振。（4）杰出的功耗控制。STM32经过特殊处理，针对应用中三种主要的能耗需求进行了优化，这三种能耗需求分别为运行模式下高效率的动态低电机制、待机状态时极低的电能消耗和电池供电时的低电压工作能力。为此，STM32提供了三种低功耗模式和灵活的时钟控制机制，用户可根据自己所需耗电/性能要求进行合理的优化。（5）易于开发。STM32固件库提供易用的函数可以使用户方便地访问STM32的各个标准外设，并使用它们的所有特性，缩短系统开发时间。支持SWD和JTAG两种调试接口，并且SWD调试只需要2个IO口，即可实现仿真调试。图3-10STM32F103RCT6微控制器引脚分布根据编织底盘定位机构与自动增减纱携纱器控制需求，底盘控制电路硬件芯片选择STM32F103RCT6作MCU，其引脚分布如图3-10所示。该芯片具有48KSRAM、28 3三维异型整体编织底盘控制系统的设计256KFLASH、2个16位基本定时器、4个16位通用定时器、2个16位高级定时器、2个DMA控制器、3个SPI、2个IIC、5个串口、1个USB、1个CAN、3个12位ADC、1个12位DAC、1个SDIO接口、51个通用IO口。3.3.2主控系统硬件电路设计图3-11三维异型整体编织底盘控制电路PCB图与实物图图3-12编织底盘控制电路整体原理框图三维异型整体编织底盘控制电路采用AltiumDesigner一体化的电子产品开发系统软件进行设计，其整体控制电路PCB板如图3-11所示。基于STM32F103RCR6微控制器的电路整体原理框图如图3-12所示，主要由STM32F103RCR6芯片最小系统、UEB_232电源与串口通信、复位与启动方式选择、JTAG/SWD仿真调试、24V直流电磁铁驱动电路、NRF24L01无线控制模块等组成。1、STM32F103RCR6芯片最小系统STM32F103最小系统电路原理如图3-13所示，STM32F103可接入4~16MHz的外部高速晶振，系统选用8MHz高速晶振，经过设内部锁相环倍频,实现72MHz29 西安工程大学硕士学位论文的时钟频率，为防止晶振振动幅度过大过于消耗电量，在晶振上并联一个电阻，使得钮扣备用电池工作时间延长。同时接入外部的低速32.768K晶振作为RTC时钟源。主控系统通过LED灯指示供电状态，后备区域供电引脚VBAT采用CR1220纽扣电池和VCC3.3混合连接的方式，同时在VCC3.3、BAT与VBAT之间分别接一二极管起到反向保护作用，当外部电源（VCC3.3）给主控系统供电时，CR1220不给VBAT供电，而当外部电源断开时，则由CR1220为其供电[57]。由于STM32F103RCT3总是处于供电状态，保证了RTC的走时以及后备寄存器的数据内容丢失。图3-13STM32F103最小系统电路原理图2、复位与启动方式选择接口电路图3-14复位与启动方式选择接口电路30 3三维异型整体编织底盘控制系统的设计复位与启动方式选择接口电路原理如图3-14所示，由于STM32是低电平复位，因此设计的控制电路也是低电平复位，图中的R1和C4构成了上电复位电路，当RESET按钮闭合时，电容通过按钮和电阻进行放电，使电容上的电压降为0。当按钮断开后，电容的充电过程与上电复位相同，以实现MCU复位。BOOT0和BOOT1用于设置STM32的启动方式，其对应启动模式如表3-3所示。一般情况下（即标准的ISP下载）如果利用串口下载代码，则必须先配置BOOT0为1，BOOT1为0，然后按复位键，最后再通过程序下载代码，下载完以后又需要将BOOT0设置为0，以便每次复位后都可以运行用户代码。由此可以看出标准的ISP步骤复杂，还需手动复位，所以控制电路专门设计了一键下载电路（见图3-15），通过串口的DTR和RTS信号来自动配置REST与BOOT0信号，无需要用户手动切换状态，直接通过串口下载软件自动下载控制程序。表3-3启动模式设置端口电路BOOT0、BOOT1表BOOT0BOOT1启动模式说明0X用户闪存存储器用户闪存存储器（FLASH启动）10系统存储器系统存储器，用于串口下载11SRAM启动SRAMQ启动，用于在SRAM中调试代码3、USB_232电源、串口通信接口电路图3-15USB_232电源、串口通信接口电路由于STM32的I/O端口需要提供3.3V供电电源，而USB转串口芯片需要5V的供电电源，因此选用电源转换芯片AMS1117-3.3（最大输出电流为1A）完成5V31 西安工程大学硕士学位论文电压与3.3V电压转换。系统选用CH340G芯片实现USB转串口，两个三极管外加4个电阻和一个二极管构成控制电路板的一键下载电路，此电路通过RST和DTR信号来控制BOOT0和RESET信号，电路原理设计如图3-15所示。图中K1为开发板的总电源开关，用来控制整个系统的供电状态，F1为500mA自恢复保险丝，用于保护USB接口，整体控制电路板通过一根USB线就可以使电路板与计算机连接，实现串口下载代码、供电、通信功能。一键下载电路工作过程中DTR_N和RTS_N的输出和DTR/RTS的设置是相反的[54,58]。首先通过MCUISP串口下载工具控制DTR输出低电平，则DTR_N输出高电平，然后RTS置高，则RTS_N输出低使Q2导通，BOOT0被置高，即实现BOOT0设置为1，此时Q1导通，使MCU的复位引脚被拉低，即实现MCU复位。然后延时100ms后，MCUISP控制DTR输出高电平，则DTR_N输出低电平，由于RTS维持高电平，则RTS_N仍为低电平，Q1不再导通，此时STM32的复位引脚被拉高，MCU结束复位。而BOOT0始终维持为1，进入ISP模式，MCUISP串口下载工具开始连接微控制器，从而实现一键下载功能。4、JTAG/SWD仿真调试接口电路图3-16JTAG/SWD接口电路原理图为使PCB控制电路板后期内部测试和系统调试，设计了标准的20针JTAG/SWD接口，其中TMS为模式选择线、TCK为时钟线、TDI为数据输入线、TDO为数据输出线，其电路原理如图3-16所示。该JTAG接口可以与JLINK或者STLINK等仿真器硬件连接，由于STM32支持SWD调试，因此该JTAG口也可以用SWD模式来连接。3.3.3电磁铁控制电路设计编织底盘东西南北分别为8组共32对由直流电磁铁控制的定位机构，其直流电磁铁控制电路整体由32个模块构成，与STM32F103RCT6引脚具体连接关系如表3-4所示。其中一个模块电路原理如图3-17所示，由宏发继电器驱动，电路通过光电隔离元件U5光电耦合器有效隔离外部电路信号的干扰，以提高控制电路系统的可靠32 3三维异型整体编织底盘控制系统的设计性，由Q3驱动继电器的闭合实现电磁铁的通断电状态；由于继电器为感性负载，在其两端并联一个反向续流二极管D4，以保护输出口驱动元件Q3。表3-4SRM32F103ZET6I/O资源分配表GPIO连接关系说明PA3、PC4、PC5、PB0、PB1、PB10、PB11、PB12东推板（第1~8行）定位机构信号PC10、PC11、PC1、PB5、PB6、PB7、PB8、PB9西推板（第1~8行）定位机构信号PC13、PC0、PC1、PC2、PC3、PA0、PA1、PA2南推板（第1~8列）定位机构信号PC13、PC1、PC2、PC3、PA0、PA1、PC0、PA2北推板（第1~8列）定位机构信号图3-1724V直流电磁铁控制电路原理图3.3.4NRF24L01无线控制模块图3-18NRF24L01无线发送模块电路与实物图基于STM32F103RCT6微控制器控制电路设计了2.4G无线模块（NRF24L01）通信接口，采用8脚插针方式与编织底盘控制电路板连接，与自动增减携纱器的NRF24L01无线接收模块实现通信，无线发送模块电路原理与实物如图3-18所示。NRF24L01无线通信芯片是由NORDIC公司生产，采用FSK调制，可以实现点对点或是1对6的无线通信，无线通信速度可以达到2M（bps），传输速率高、不需要复杂的配置和操作[59]。硬件开发过程中单片机系统只需预留5个GPIO和1个中断输入引脚，即可实现无线通信的功能，非常适合用来为MCU系统构建无线通信功能，其引脚功能如表3-5所示[60]。33 西安工程大学硕士学位论文表3-5NRF24L01引脚功能说明引脚名称接口性质描述1CND接电源地电源地(0V)2VCC接电源正电源范围1.9—3.6V3CE数字输入信号RX或TX模式选择，控制NRF24L01+模块是否工作4CSN数字输入信号SPI片选信号，控制允许向模块读写数据5SCK数字输入信号SPI时钟，控制模块读写的运作节拍6MOSI数字输入信号从SPI数据输入，NRF24L01+模块接收数据的接口7MISO数字输出信号从SPI数据输出，NRF24L01+模块发送数据的接口8IRQ数字输出信号可屏蔽中断，NRF24L01+产生中断信号的接口3.4编织底盘运动过程检测3.4.1底盘运动规律分析三维异型整体编织底盘的每行（列）两端对应一组驱动推板，在驱动横梁与定位机构的作用下推动整行（列）携纱器在底盘上纵横交错运动，完成异型编织运动过程。在底盘运动过程中，为了实时检测每一步编织过程中定位机构动作是否到位，由于底盘机械结构限制，直接对其每个携纱器运动状态实现检测比较困难，因此通过在底盘东西南北四个方位的每行（列）所对应的每个推板上分别装了两个位置传感器，一个为前位传感器，另一个为后位传感器。当定位机构动作到位后，推板推程时在前位传感器上产生一个电信号；回程时在后位传感器上同样会产生一个电信号，前、后位传感器信号通过IOC1280IO扩展卡发送到计算机。计算机根据接收到的信号来判断推板的运动是否正常，从而间接检测所对应行（列）两端定位机构是否动作到位。计算机先接收到前位传感器信号，再接收到后位传感器信号表示推板运动正常；否则将视为推板运动异常，计算机将输出报警信号，并在操作界面上实时显示底盘布局状态。3.4.2IOC1280扩展卡底盘运动状态检测系统选用型号为一款兼容PCIV2.2标准的32BitPCI标准半长卡的雷赛IOC1280控制卡，是一款基于ASIC技术的高性能，高可靠性的PCI总线I/O控制卡，提供了64路通用数字输入信号和输出信号，可用于对开关信号、传感器信号、信号灯或其它设备的控制，硬件系统框图如图3-19所示。所有输入输出信34 3三维异型整体编织底盘控制系统的设计号接口电路均采用光电隔离和滤波技术，可以有效隔离外部电路的干扰，通用数字输入信号接口原理如图3-20所示，并且软件有专用滤波函数进行软件滤波[61-62]。图3-19IOC1280控制卡系统框图图3-20INPUT信号输入原理图3.4.3检测系统硬件设计图3-21拨码开关SW10/SW11的设置示意图编织底盘检测系统硬件IOC1280控制卡上面有2个拨码开关，分别是SW10和SW11，通过它可以设置通用输出口初始电平的状态，选择“ON”时输出初始电平为高，选择“OFF”时输出初始电平为低。由于编织底盘只有在发生异常工作的情况下，报警器才会工作，因此输出口初始电平设置为低，根据开关号与输出口号的相互关系，拨码开关设置如图3-21所示。IOC1280扩展卡的X2与J1接口通过两根电缆线CABLE68-NP-20(68PinSCSI连接线)分别与两个ACC0640B接线盒CN1端口连接，其引脚定义与IOC1280的接35 西安工程大学硕士学位论文口一一对应，CN2输入端口控制底盘位置传感器信号，CN3输出端口控制对应报警器信号，其接线盒端口信号定义如表3-6所示。表3-6ACC0640B接线盒端口信号定义表接线盒端口名称信号名称I/O功能(编织底盘位置传感器信号)CN1I/O总线信号I/OIOC1280卡X2接口总线信号CN2IN1~IN16I东推板（第1~8行）前/后位信号ACCIN16~IN32I西推板（第1~8行）前/后位信号0640B(1)CN3OUT1~OUT8O东推板（第1~8行）报警信号OUT9~OUT16O西推板（第1~8行）报警信号CN4EXGNDO24V电源地24VI24V电源CN1I/O总线信号I/OIOC1280卡J1接口总线信号CN2IN1~IN16I南推板（第1~8列）前/后位信号ACCIN1~IN32I北推板（第1~8列）前/后位信号0640B(2)CN3OUT1~OUT8O南推板（第1~8列）报警信号OUT9~OUT16O北推板（第1~8列）报警信号CN4EXGNDO24V电源地24VI24V电源3.5本章小结为实现三维异型整体编织底盘的自动化运动控制，本章对其整体控制系统硬件进行了模块化的设计，主要包括编织底盘步进电机驱动装置、定位机构与携纱器控制电路及其编织底盘检测系统硬件的设计。硬件系统选用DMC5400A控制卡控制86HS45步进电机与基于STM32F103RCT6微控制器设计的控制电路板控制直流电磁铁配合工作，实现异型预制件的自动化编织；通过IO扩展卡控制的底盘位置传感器实时检测底盘运动状态，避免了异型编织过程中通过目测方式获取底盘信息，提高了底盘自动化编织效率。36 4三维异型整体编织底盘交互界面设计4三维异型整体编织底盘交互界面设计本章采用微软公司的基于Windows平台的集成开发环境MicrosoftVisualStudio(简称VS)软件作为开发平台，使用MFC中基于对话框的应用程序类进行操作界面设计与开发，实现编织底盘的人机交互、运动参数设定、运动过程控制及状态显示等功能。MFC为Windows应用程序开发者提供了多种标准空件，避免了用户界面代码程序的编写，只需在窗口中添加相应控件，并为其添加变量和所需的消息映射函数即可实现简单应用程序的开发。4.1三维编织底盘交互界面设计4.1.1基于Windows平台的应用软件结构图4-1三维编织底盘运动控制系统软件构架三维异型整体编织底盘的运动控制系统软件架构如图4-1所示，从上面的示意图可以看出，软件控制系统的工作原理为：1、三维编织机操作员通过操作界面（包括显示屏和键盘）将编织运动的指令信息传递给机器控制软件VisualStudio。2、机器控制软件将操作信息以及控制软件中已有的运动流程、运动轨迹等数据转化为运动参数，STM32微控制器通过USB串口接收来自上位控制软件的数据信息，运动控制卡根据这些参数调用DLL运动函数库中相关运动函数。3、STM32F微控制器根据控制程序控制相应输出端口电平状态，运动函数通过37 西安工程大学硕士学位论文运动控制卡驱动程序向运动控制卡发出控制指令。4、基于STM32F103微控制器的控制电路版驱动电路驱动相关直流电磁铁动作到位后，运动控制卡根据控制指令发出相应的脉冲与方向信号给驱动器并读机械原点及限位信号，控制步进电机按预期状态运动。图4-2步进电机控制系统程序流程图在设计三维异型整体编织底盘交互界面的过程中，根据编织底盘的工作流程、运动轨迹和友好的人机界面等要求，使用C++程序语言针对操作界面、运动参数等进行编程。雷赛公司已提供支持DMC5400A四轴轨迹卡和IOC1280扩展卡的硬件驱动程序和DLL运动函数库，包括控制卡初始化、四轴轴控制、输入/输出口的读写等函数。这些函数可以完成与运动控制相关的功能，无需更多了解硬件电路的细节，就可使用C++程序语言开发出自己的运动控制系统应用软件，编织运动过程中步进电机控制系统程序流程如图4-2所示。4.1.2编织底盘操作系统界面设计三维异型整体编织底盘操作界面系统功能包括：系统初始化设置、控制按钮、底盘运行状态显示、编织参数设定与显示、步进电机手动控制，其操作界面控制系38 4三维异型整体编织底盘交互界面设计统调试运行后的主控界面如图4-3所示。操作界面开发过程中，应将相应函数库文件LTDMC.h、LTDMC.lib、LTDMC.dll和PVT.dll文件，复制到三维异型整体编织底盘控制界面工程目录下，并在工程.cpp文件程序开始部分添加#include“LTDMC.h”语句与#include“IOC1280.h”，调用相关控制函数，此后根据控制功要求，在相应消息响应函数中添加控制代码[63]。图4-3三维异型整体编织底盘控制界面4.2控制界面系统主要功能实现4.2.1控制系统初始化设置在操作界面运行之前，必须调用函数dmc_board_init与ioc_board_init分别为DMC5400A四轴轨迹卡和IOC180卡分配系统资源，当系统程序运行结束时，必须调用函数dmc_board_close与ioc_board_close释放运动控制卡所占用的PC系统资源，使得所占资源可被其它设备使用[64-65]。由于编织底盘步进电机控制系统中电机脉冲与方向控制信号选择为差分输出方式，为使底盘东西南北四组步进电机正常工作，需使用函数dmc_set_pulse_outmode对DMC5400A四轴轨迹卡卡的脉冲输出模式进行设置。在编织底盘操作系统运行之前，控制系统需首先判断底盘东西南北四组步进电机驱动装置各轴所在位置，各电机轴完成回原点运动后，开始运行编织。“系统初始化”操作按钮的设置函数为：39 西安工程大学硕士学位论文初始化DMC5400A四轴轨迹卡函数：shortdmc_board_init(void)；功能：初始化DMC5400A卡并分配系统资；参数：无；返回值：0表示没有找到控制卡，或者控制卡异常；1~8表示控制卡数；负值表示有2张或2张以上控制卡的硬件设置卡号相同；返回值取绝对值后减1即为该卡号。初始化IOC1280IO扩展卡函数：intioc_board_init(void)；功能：初始化IOC1280卡并分配系统资源；参数：无；返回值：卡数(范围0-7)，其中0表示没有卡；脉冲模式设置函数：shortdmc_set_pulse_outmode(WORDCardNo,WORDaxis,WORDoutmode)；功能：设置指定轴的脉冲输出模式参数：CardNo控制卡卡号；axis指定轴号，取值范围：0~5DMC5400A：0~3；Outmode：脉冲输出方式选择；返回值：无。“回原点运动”控制按钮的主要实现函数程序为：voidC三维异型整体编织底盘控制界面Dlg::OnBnClickedAtuGoHome(){if(m_PositORGX>m_PositORGY){shortdmc_home_move(0,0);//东电机回原点运动while(shortdmc_check_done(0,0)==0);shortdmc_set_home_pin_logic(0,0,m_org_logic*1,m_filter*0);//设置东电机ORG信号shortdmc_home_move(0,1);//西电机回原点运动while(shortdmc_check_done(0,1)==0);shortdmc_set_home_pin_logic(0,1,m_org_logic*1,m_filter*0);//设置西电机ORG信号}elseif(m_PositORGY>m_PositORGX){shortdmc_home_move(0,2);//南电机回原点运动while(shortdmc_check_done(0,2)==0);40 4三维异型整体编织底盘交互界面设计shortdmc_set_home_pin_logic(0,2,m_org_logic*1,m_filter*0);//设置南电机ORG信号shortdmc_home_move(0,3);//北电机回原点运动while(shortdmc_check_done(0,3)==0);shortdmc_set_home_pin_logic(0,3,m_org_logic*1,m_filter*0);//设置北电机ORG信号}}4.2.2控制界面操作按钮为使底盘编织运行过程中能够实现相关操作指令功能，通过按钮控件在操作界面中创建了开始编织、停止、继续以及退出控制系统界面等控制按钮。在系统运行过程中为能够使控制界面及时响应，通过为编织过程创建线程来实现，防止界面系统不能及时响应操作按钮所执行的命令[64]。底盘执行“开始编织”命令时，相关线程函数首先调用定位机构电磁铁的控制函数，完成定位机构动作到位后，调用底盘东西南北四组步进电机运动控制函数，实现底盘东西南北四组步进电机纵横依次循环运动。在编织过程中为了防止底盘出现机械故障后迅速停止运行，保护机械设备，设置了停止操作按钮，当在故障排除后，为了继续进行之前的编织动作，对其控制程序中设置了标识位，当单击“继续”操作按钮时可以进行停止之前的编织状态。在完成编织运动后，为了释放控制卡所占用的系统资源，单击“退出界面系统”操作按钮以关闭整个控制界面。鼠标左键单击“暂停”控制按扭的主要实现函数程序为：voidC三维异型整体编织底盘控制界面Dlg::OnBnClickedPause(){switch(m_StepFlage){case1:shortdmc_stop(0,0,0);//东电机停止运动break;case2:shortdmc_stop(0,1,0);//西电机停止运动break;case3:shortdmc_stop(0,2,0);//南电机停止运动41 西安工程大学硕士学位论文break;case4:shortdmc_stop(0,3,0);//北电机停止运动break;}}鼠标左键单击“继续”操作按钮的主要实现函数程序为：voidC三维异型整体编织底盘控制界面Dlg::OnBnClickedGoOn(){switch(m_StepFlage){case1:LTDMC.dmc_pmove(0,0,m_Dist*1000,0);//东电机执行点位运动LTDMC.dmc_pmove(0,1,m_Dist*1000,0);//西电机执行点位运动hexdata[1]=Step1;//第一步编织Sleep(1000);break;case2:LTDMC.dmc_pmove(0,2,m_Dist*1000,0);//南电机执行点位运动LTDMC.dmc_pmove(0,3,m_Dist*1000,0);//北电机执行点位运动hexdata[1]=Step2;//第二步编织Sleep(1000);break;case3:LTDMC.dmc_pmove(0,0,m_Dist*1000,0);//东电机执行点位运动LTDMC.dmc_pmove(0,1,m_Dist*1000,0);//西电机执行点位运动hexdata[1]=Step3;//第三步编织Sleep(1000);break;case4:LTDMC.dmc_pmove(0,2,m_Dist*1000,0);//南电机执行点位运动LTDMC.dmc_pmove(0,3,m_Dist*1000,0);//北电机执行点位运动42 4三维异型整体编织底盘交互界面设计hexdata[1]=Step4;//第四步编织Sleep(1000);break;}}鼠标左键单击“退出系统”操作按钮的主要实现函数程序为：voidC三维异型整体编织底盘控制界面Dlg::OnBnClickedQuitCancel(){if(shortdmc_check_done(0,0)==0orshortdmc_check_done(0,1)==0){shortdmc_stop(0,0,0);//东电机轴停止运动shortdmc_stop(0,1,0);//西电机轴停止运动shortdmc_home_move(0,0);//东电机回原点运动shortdmc_home_move(0,1);//西电机回原点运动while(shortdmc_check_done(0,0)===0orshortdmc_check_done(0,1)==0);}if(dmc_check_done(1)==0){shortdmc_stop(0,2,0);//南电机轴停止运动shortdmc_stop(0,3,0);//北电机轴停止运动shortdmc_home_move(0,2);//南电机回原点运动shortdmc_home_move(0,3);//北电机回原点运动while(shortdmc_check_done(0,2)===0orshortdmc_check_done(0,3)==0);}shortdmc_board_close(void);//关闭DMC5400A控制卡函数，释放系统资源voidioc_board_close(void);//关闭IOC1280扩展卡，释放系统资源}4.2.3步进电机手动控制实现操作界面中的步进电机手动控制部分主要实现编织底盘东西南北四组步进电机驱动装置在X与Y轴正负方向上的各自机械位置的调整。在手动控制东西（南北）步进电机沿X（Y）轴正负方向运动中规定，当鼠标左键按下时步进电机以设定速度按预定方向开始运动，当鼠标左键弹起时步进电机停止运动。由于MFC对话框中的43 西安工程大学硕士学位论文按钮控件本身只能添加单双击事件，不能响应鼠标左键按下与弹起消息响应。因此通过重载CButton类，将该类子类化，在工程项目中添加一个新类CMyButton，基类为CButton。在对话框MyDlg中为IDC_BUTTON添加变量，在变量类型里选择CMyButton，变量名定义为m_myButton。添加OnDown与OnUp函数响应按钮按下与弹起消息，在Classname中选择CMyButton，然后添加WM_LBUTTONUP与WM_LBUTTONDOWN消息映射函数[64]。东西南北步进电机手动控制按钮的主要处理函数程序见附录。4.3底盘运动状态检测实现图4-4底盘检测系统控制程序流程图编织底盘运动状态显示部分功能是检测底盘整行（列）携纱器的运动位置状态，每个携纱器由单独由数字表示，整行（列）数字呈现一进一出的状态排列在操作界面上，在每一步编织运动执行完毕，代表底盘携纱器的数字布局都会实时显示在界面上。编织过程中如遇机械故障导致行（列）携纱器停止运动时，与其对应的行（列）数据会实时显示在界面上，根据显示的行（列）数据找到对应行（列）携纱器的位置排除机械故障。实现三维异型整体编织底盘运动过程实时检测的程序采用C++语言编写，记录编织过程中底盘布局的数据模型，底盘检测系统程序流程如图4-4所示。4.3.1底盘数据模型的定义底盘运动状态检测部分由列表框控件实现，用classCMatrix类来定义此底盘携纱44 4三维异型整体编织底盘交互界面设计器布局的阵列数据模型，记录编织过程中底盘布局的数据，以三维四步法编织工艺（主体阵列为8行×8列）为例，数据模型定义过程实现代码为：classCMatrix//定义数据矩阵模型过程类{public:CMatrix();~CMatrix();public:voidsetMatrix(intmatrix[ROWS][COLS]);//设置数据voidgetMatrix(intmatrix[ROWS][COLS]);//获取数据boolMoveRolsToRight(intcol,intn);//某行向右移动指定个位置boolMoveRowsToLeft(intcol,intn);//某行向左移动指定个位置boolMoveColsToUp(intcol,intn);//某列向上移动指定个位置boolMoveColsToDown(intcol,intn);//某列向下移动指定个位置private:int_matrix[ROWS][COLS];};switch(m_steap)//步骤，流程管理{case1:m_matrix.MoveRolsToRight(1,1);m_matrix.MoveRolsToRight(3,1);m_matrix.MoveRolsToRight(5,1);m_matrix.MoveRolsToRight(7,1);m_matrix.MoveRowsToLeft(2,1);m_matrix.MoveRowsToLeft(4,1);m_matrix.MoveRowsToLeft(6,1);m_matrix.MoveRowsToLeft(8,1);m_steap++;break;case2:m_matrix.MoveColsToUp(1,1);45 西安工程大学硕士学位论文m_matrix.MoveColsToUp(3,1);m_matrix.MoveColsToUp(5,1);m_matrix.MoveColsToUp(7,1);m_matrix.MoveColsToDown(2,1);m_matrix.MoveColsToDown(4,1);m_matrix.MoveColsToDown(6,1);m_matrix.MoveColsToDown(8,1);m_steap++;break;case3:m_matrix.MoveRowsToLeft(1,1);m_matrix.MoveRowsToLeft(3,1);m_matrix.MoveRowsToLeft(5,1);m_matrix.MoveRowsToLeft(7,1);m_matrix.MoveRolsToRight(2,1);m_matrix.MoveRolsToRight(4,1);m_matrix.MoveRolsToRight(6,1);m_matrix.MoveRolsToRight(8,1);m_steap++;break;case4:m_matrix.MoveColsToDown(1,1);m_matrix.MoveColsToDown(3,1);m_matrix.MoveColsToDown(5,1);m_matrix.MoveColsToDown(7,1);m_matrix.MoveColsToUp(2,1);m_matrix.MoveColsToUp(4,1);m_matrix.MoveColsToUp(6,1);m_matrix.MoveColsToUp(8,1);m_steap++;break;default:46 4三维异型整体编织底盘交互界面设计break;}inttemp[ROWS][COLS]={0};m_matrix.getMatrix(temp);UpdateGrid(temp);m_steap=m_steap>4?0:m_steap;CDialogEx::OnTimer(nIDEvent);底盘开始运动之前，底盘数据模型初始布局实现代码为：//初始化矩阵inttemp[ROWS][COLS]={-1,-1,1,-1,2,-1,3,-1,4,-1,5,6,7,8,9,10,11,12,13,-1,-1,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,-1,-1,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,-1,-1,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,-1,-1,68,69,70,71,72,73,74,75,76,-1,77,-1,78,-1,79,-1,80,-1,-1};m_matrix.setMatrix(temp);UpdateGrid(temp);4.3.2底盘运动过程实现程序MoveRolsToRight与MoveRowsToLeft函数的第一个参数为要移动的行数，第二个参数为整行数据向左（右）移动的位置数。以某整行携纱器运动为例，程序实现代码如下：boolCMatrix::MoveRolsToRight(introw,intn)//某整行数据右移指定位置数{if(n<0)returnfalse;n%=ROWS;inttemp[COLS]={0};47 西安工程大学硕士学位论文intindex=0;for(inti=n;i