（纺织工程专业论文）异型三维编织机的计算机控制系统.pdf

摘要 三维编织技术是近年来迅速发展的一种复合材料预成型技术。采用该技术 制各的预制件增强的复合材料具有优良的抗冲击损伤性能和综合力学性能，在 航空、航天等领域具有广阔的应用前景。异型三维编织机是三维编织技术编织 成型的关键装备。 论文主要研究异型三维编织机计算机控制系统的实现。该系统采用四轴运动 控制卡a s - 4 9 p c - 4 ，控制编织机的四个步进电机带动车床丝杠上装配的气阀运动， 按照编织工艺文件的编织要求，在机床适当位置点，通过a c l 一7 1 3 0 卡和p l c 可编 程控制器控制四个方向的气阀打阀推动携纱器运动，依照三维编织技术的四步编 织法，循环运行完成三维编织复合材料的预制件的编织成型。 论文基于四步法三维编织工艺理论，建立了编织过程控制算法，实现了三维 异型整体编织的自动化，降低了编织过程的出错率，提高三维编织预制件的质量 和生产率。课题研究对加速三维编织技术的发展、推广其工程应用及民用化具有 十分重要的意义。 关键字：三维编织机，计算机控制系统，运动控制卡，四步法编织 ab s t r a c t t h et h r e e d i m e n s i o n a l ( 3 d ) b r a i d i n g t e c h n o l o g y i sa ni m p o r t a n tt e x t i l e p r e f o r m i n gt e c h n o l o g yf o rc o m p o s i t e s ，w h i c hh a sr e c e i v e df a s td e v e l o p m e n tr e c e n t y e a r s t h ec o m p o s i t e sr e i n f o r c e db yt h e3 db r a i d e dp r e f o r m sh a v ee x c e l l e n t m e c h a n i c a lp r o p e g i e sa n dh i g hd a m a g e r e s i s t a n t ，a n dh a v ew i d e l ya p p l i c a t i o ni nt h e a e r o n a u t i c sa n ds p a c ef i e l d s t h e3 db r a i d i n gm a c h i n ei st h ek e ye q u i p m e n tf o r3 d b r a i d i n gt e c h n o l o g y t h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mf o rt h e3 - db r a i d i n gm a c h i n ew a ss t u d i e di nt h i s t h e s i s t h ea s - 4 9 p c 一4c a r d ，w h i c hi saf o u r a x i sm o v i n gc o n t r o lc a r d ，w a su s e dt o c o n t r o lt h em o v e m e n to ft h ef o u rs t e p - m o t o r st od r i v ef o u rd i f f e r e n ts c r e w st u r n i n g a n dt h ef o u rc y l i n d e r sm o v i n ga l o n gt h e i rs c r e w sr e s p e c t i v e l yt ot h ep r o p e rp o s i t i o n a c c o r d i n gt h eb r a i d i n gt e c h n o l o g y t h e nt h ea i rv a l v e sw e r ec o n t r o l l e db y a c l 一713 0c a r da n dp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) t op u s ht h ec a r r i e r s m o v i n go nt h em a c h i n eb e dt of a b r i c a t et h ep r e f o r m b a s e do nt h ef o u r s t e p3 db r a i d i n gt e c h n i c a lt h e o r y ，t h ec o n t r lm e t h o do ft h e b r a i d i n gp r o c e s sw a se s t a b l i s h e d ，a n dt h ea u t o m a t i o no ft h e3 - db r a i d i n gm a c h i n e f o rc o m p l e x s h a p e d3 db r a i d e dp r e f o r m sw a sr e a l i z e d ，s ot h eb r a i d i n ge r r o rw a s d e c r e a s e de f f e c t i v e l ya n dt h eq u a l i t ya n dp r o d u c t i v i t yw a si m p r o v e d t h i sr e s e a r c h i sv e r yi m p o r t a n tt ot h ed e v e l o p m e n ta n dt h e a p p l i c a t i o n o f3 - db r a i d i n g t e c h n o l o g y k e y w o r d s ：3 - db r a i d i n gm a c h i n e ，c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，m o v i n gc o n t r o l c a r d ，f o u r s t e pb r a i d i n gt e c h n o l o g y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：骗 签字日期- 彬，d 月j ，同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权丢洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 勒诵 导师签名： c j 酝耷l 签字同期：) 利年f 。月f 同 签字同期：锄6 年, o n y 同 学位论文的主要创新点 一、系统设计采用“p c 机+ a s 一4 9 p c 一4 运动控制卡”，提高了定位精 确度，实现了三维异型整体编织的自动化过程。a s 一4 9 p c 一4 卡是 基于p c i 总线的独立四轴运动控制卡，可以实现每轴独立运动及 四轴联动控制步进电机的运转；该卡以0 0 0 2 3 p p s 的脉冲速率进 行最佳直线插补，细分程度很高，由高速度分辨率产生的平滑 加速度和由减速设定功能的2 级停止控制振动的措施防止震动， 满足对电机带动气阀运动到机床位置点的控制要求，保证定位 的精度。 二、建立了四步法三维编织控制算法，按工艺文件实现了编织机自 动编织，降低了编织过程出错率，提高了编织的准确度。 第一章引言 第一章引 1 1 三维编织复合材料 日 随着纺织技术和复合材料技术的发展和进步，纺织复合材料在各个领域里 得到普遍的应用，已与金属、商聚物、陶瓷并列为四大材料，从其发展速度和 规模、应用范围、对现代科学技术及生产进步的影响和推动，以及其自身的科 学研究深度和广度等诸方面来看，现代复合材料领域中所取得的成就，超过了 人类历史上所曾使用过的任何类型的材料，以至于一个国家或地区的复合材料 工业水平，已成为衡量其科技与经济实力的标志之一。 传统的复合材料在层与层之闯没有纱线或纤维的联结，因而其几何特征和 力学性能在一定程度上影响到产品的使用效果。采用三维异型整体编织的预制 件( 织物) 增强的复合材料克服了传统复合材料由于层间没有纱线通过而容易 分层的弊病，满足了航空航天领域对不分层复合材料的迫切需求。三维编织 预制件( 织物) 和基体材料复合固化后，就形成了三维编织复合材料。它除了 具有传统复合材料重量轻、强度高等固有优点外，还具有传统复合材料所不具 备的下列优点： ( 1 ) 三维编织复合材料是一个不分层的整体结构。增强纤维在三维空问 中沿多个方向分布，并相互交织交叉在一起，根本不存在”层”的问题，从而大 大提高了三维编织复合材料沿厚度方向的性能和其他力学性能，具有质轻、不 分层、高比强度、高比模量、基体损伤不易扩展、高抗冲击性能和综合力学性 能好，以及耐烧蚀、抗高温等独特的优点，克服了传统复合材料易分层等许多缺 点。可用于制作主承力结构件和高性能制件。 ( 2 ) 可以直接编织成不同形状的异型整体件。采用三维编织技术除了可 以编织矩形截面的预制件以外，还可用于编织工型梁、t 型梁、十字梁、盒型 梁、兀型梁、型梁、圆锥套体、圆柱体和横截面为各种形状的异型件都可 以一次编织成型。只要横截面是矩形的组合或足圆及圆的一部分的预制件部可 一次编织形成一个完全的整体结构，可避免由于组装而带来的纱线不连续而造 成构件的某些薄弱环节，同时也可避免某些制件加工上的困难。因此，由三维 编织的预制件经复合固化制成的复合材料后，就可达到最终制件的尺寸，无需 再进行机械加工，从而可避免由于加工而造成的纤维及纱线的损伤，可大大提 第一章引言 高复合材料制件的性能。 ( 3 ) 三维编织复合材料的性能可通过纱线结构的合理设计而得到提高。 通过纱线结构的设计，改变三维编织颅制件中的纱线编织角( 编织纱线与轴向 的夹角) 和花节长度( 在一个编织循环中所编织出的预制件的长度) 就可以改 变三维编织预制件中纱线的走向，从而可改变复合材料的纤维体积含量与各个 方向的性能等。同时，还可通过对纱线粗细、纱线的位置以及在需要进一步增 强的方向上加入纱线等工艺设计，达到对三维编织复合材料力学性能和其他性 能的调节作用。 ( 4 ) 可以对高性能纤维进行编织。近年来，随着高新技术的发展，在航 空航天、建筑、船舰、汽车等领域使用的高性能纤维越来越多，采用三维编织 技术完全可以对碳纤维、超高分子量聚乙烯、碳化硅纤维、石英纤维、玻璃纤 维、芳纶等进行编织，以满足当前高科技领域对高性能复合材料的迫切需要。 目前，三维编织复合材料已在航空航天、船只、汽车、建筑、人造生物组 织及其他领域里得到了应用，使复合材料科学发生了质的飞跃，提升到一个新 的平台。 生产这种三维整体结构复合材料预制件的三维织物由于结构的多样性、性 能的综合性、形态的可设计性而受到广泛的重视。随着纺织复合材料应用的逐 步扩大，预制件的形状己趋于复杂化和大型化。有关科研人员证不断研究满足 更高要求的三维编织工艺，使纺织复合材料在国民经济各部门中发挥更大的作 用。 1 2 三维编织技术 三维编织技术是二十世纪八十年代为适应航空、航天部门对结构和多功能 复合材料的需求而发展起束的一种高新纺织技术，已成为制造复合材料颅制件 的一种主要技术，广泛应用丁i 航天、航空、化工、交通、医疗等领域。 三维编织技术足纱线平面相瓦交错实现立体交织的编织方法”1 。三维编织技 术在工艺上的突出特点是具仃编织异形整体织物的能力，既能够按照零件的形 状和尺寸大小直接编织出复合材料零件的顾制品。这是因为，一方面三维编织 预制件在编织过程中其基本结构单元立方体能够随零件的形状和尺寸的变化而 改变长、宽、高的比例；另一方面编织工艺极为灵话町以任意变化以适应不同 编织形状的要求，实现直接整体编织。这样，在保j f 所需形状的条件下维持纤 维密度不变。另一特点足能够有效地控制复合材料内的纤维体积含景。三维编 织上艺的这嗤特点埘复合材料的没计、制造及产品质肇郜 分有利，从而使二 第一章引言 维复合材料具有优于其它复合材料的独特风格。 制作三维编织复合材料的第一步是通过三维编织技术将高性能纤维编织 成事先设计好的预制件。三维整体编织的纱线是从一个方向喂入的，织造过程 大体可分为两个步骤：首先，携纱器按一定规律运动，使纱线在空间相互交织； 然后，通过打紧运动将交织纱线挤压在一起，形成具有一定紧度、一定形状的 整体编织预制件。 三维整体编织的方法有许多种。其中，二步编织法和四步编织法工艺代表 了该领域的主流0 1 。根据机器的结构和产品的形状，每种方法又可分为矩形编织 和圆形编织。矩形编织主要用来生产直角结构的织物，如方块、工型梁等。圆 形编织主要用来生产圆形截面的织物，如圆管以及其他圆形截面的旋转体。 四步法编织工艺的基本编织形式中只有编织纱，没有轴纱。编织纤维束排 列成矩形阵列。矩形阵列的行和列构成了编织主体。该编织主体决定了编织物 的大小和形状，除编织主体外，还有一些纤维束交错的安排在编织主体的周围。 编织过程是依次移动行和列。如图卜l 所示为矩形编织四步法编织工艺简图。在 第一步编织中，第1 、3 行携纱器向左移动一步，第2 、4 行携纱器向右移动一步； 在第二步编织中，第l 、3 、5 、7 列向下移动一步，第2 、4 、6 、8 列向上移动一 步：第三步编织时，按照与第一步相反的方向交错移动各行；第四步编织时， 按照与第二步相反的方向交错移动各列。 第三步 起始状态 ( 一 一 ( 1 第二步 二) 二) 第四步 图卜l矩形编织四步法编织工艺简图 ) 二) 第一章引言 以上四步为一个机器循环，携纱器恢复到初始状态。随着这样循环的不断 进行，纤维束相互交织成一个不分层的三维四向整体织物。再辅助以打紧动作， 则编织成预制件。这种四步法称为l l 方式。这种编织方式中，参加编织的 纤维束可分为四组。他们分别沿着不同的方向延伸，且与竖轴( z 轴) 的夹角 相等，该夹角称为纤维取向角。每组内的纤维束互相平行。由于四组纤维束在 空间均匀地向四个方向延伸，形成了不分层地织物结构，使三维编织构成为一 个整体。 1 3 课题的主要内容 天津工业大学复合材料研究所，应用复合材料的三维编织技术，成功地开 发研制出异型三维编织机。该编织机编织出的异型件具有优良的抗冲击损伤性 能、力学性能和耐烧蚀性能。在航空航天方面，特别适合用作飞机结构部件。 该编织机在复合材料编织领域内达到国内外领先水平，编织成品主要应用于中 国航天航空工业。 本课题承担了异型三维编织机的计算机控制系统的设计开发。异型三维编 织机由计算机进行控制，使得编织算法易于实现，整体控制灵活，能够随时修 改，容易控制编织机根据需求进行编织，适应性比较强，便于系统功能扩展。 控制系统的设计是基于4 轴运动控制卡a s 一4 9 p c 一4 的，直接从c p u 实现控制。 设计如下： 1 在编织机的矩形机床四边各装有一台步进电机，带动车床丝杠上装配的 气阀运动，按照编织工艺文件的编织要求，在机床适当位置点进行打阀推动携 纱器运动，依照三维编织技术的四步编织法，循环运行编织出编织异型件。 a s4 9 p c 一4 运动控制卡完成对步进电机的管理和控制，是主机与机械装置的接 口。 2 a s 一4 9 p c 一4 运动控制卡与p c 机构成差从式控制结构：p c 机负责人机交互 接口的管理和控制系统的实时监控等方面的工作( 例如键盘和鼠标的管理、系 统状态的显示、控制指令的发送、外部信号的监控等) ，a s 一4 9 p c 一4 卡完成运动 控制的所有细节，设置脉冲和方向信号的输出，为步进电机的运动设置合适的 速率等等。 3 通过i 0 卡和p l c 可编程控制器控制东南西北阴个方向的气阀打阀，并且 控制两个继电器来切换明个方向的电机运动。 第一章引言 1 4 课题的意义 课题基于“计算机+ 控制卡”的控制方式，设计开发异型三维编织机的计算 机控制系统，具有系统简单，调试方便，控制精度高，效率高等特点。a s - 4 9 p c 一4 在插补算法和运动函数的执行效率方面采用了更有效的方法，提高了插补精度、 插补速度和实时性。a s 一4 9 p c 一4 的运动函数库能够完成与运动控制有关的复杂细 节( 比如：升降速、直线插补等) ，大大缩短控制系统的开发周期。通过本课题 的研究，可以实现三维编织机的编织过程自动化，降低编织出错率，提高生产 效率和产品质量，对提升三维编织装备技术水平、促进三维编织技术发展、扩 大三维编织复合材料应用领域具有十分重要的意义。 第：章异犁维编织机控制系统 第二章异型三维编织机控制系统 2 1 异型三维编织机概述 异型三维编织机完成不同形状、不同规格的异型整体三维编织物的织造。三维 编织复合材料的织造技术是从传统的二维编织技术基础上发展起来的。在传统的二 维编织中，各枚纱锭在角导轮的带动下运动，并在交点处从一个角导轮转移到另一 个相邻的角导轮上。该过程的持续重复循环，使每一枚纱锭都以相互连接的数字8 的轨迹运动，从而使各根纱线相互交织交叉在一起而形成织物。 在三维编织中，无论有多少个纱线系统，所有参与纺织的纱线郜足沿一个方向 喂入的“1 。在工艺设计时，按照所要编织的颅制件的形状、尺寸和所用纱线的细度来 确定所用纱线的根数和纱线在机器底盘上排列的方式。在编织时，将纱线的一端全 部挂在机器底盘上，另一端则沿织物成型的方向挂起，并将其集中在一起。所有参 与编织的纱线可分为两个系统，一个是编织纱系统，另一个是轴纱系统。编织纱挂 在机器底盘上可以运动的携纱器上，而轴纱则直接挂在机器底盘上。在编织过程中， 每个携纱器按一定的规律在机器底盘上沿不同的方向运动，从而带动编织纱运动， 但轴纱不动。编织纱在三维空间中进行相互交织交叉的同时，把轴纱包围起来，从 而形成一个不分层的整体结构( 即预制件) 。 机器底盘是三维编织机的关键机构，其构成形式主要有两种：一种足角导轮结 构，另一种是行列结构。在角导轮结构中，纱锭被安放在角导轮的缺口中，角导轮 的转动带动纱锭运动，同时将纱锭从一个角导轮传递到另一个角导轮上，从而使纱 锭在整个机器底盘上产生有舰律的运动，使纱线相互交织交叉向形成织物。在行列 结构中，携纱器被安放在轨道的槽中，轨道按一定的规律运动向i 带动携纱器运动( 沿 行的方向运动) ，同时，携纱器在轨道槽中也按一定的规律运动( 沿列的方向运动) ， 从而使携纱器从一个轨道的某一何置运动到另一个轨道的另一个位置上，即在机器 的底盘 按一定的舰律运动。因此，不同的携纱器运动规律的小同，使纱线相互交 织交叉在一起而形成一个不分层的镫体结构。 本课题研究控制的异型i 维编织机为行列结构式编织没备，通过计算机控制系 统的没计，实现二二维异型镌体编织的e j 动化生产过程，可自动编织多种不州截面形 状的预嘤件，编织算法易f 实现，渊试厅便，控制精度商；携纱器i j 气压驱动沿机 器底盘l 的轨道运动，工作性能稳定，所加上的编织物结构敛密均匀，提商了三维 第一二章异型二维编织机控制系统 编织复合材料的质量和生产率。 2 2 异型三维编织机控制系统的主要构成 异型三维编织机的计算机控制系统的主要构成如图2 - 1 所示。 图2 - 1异型三维编织机控制系统构成图 电机 电机 电机 电机 异型三维编织机计算机控制系统主要构成如下： ( 1 ) 工控机一台，同本s e e k 公司推出的4 轴运动控制卡a s 一4 9 p c 一4 卡和一独 立的i 0 卡a c l 一7 1 3 0 卡。 ( 2 ) 两个美国p a r k e rh a n n i f i n 公司生产的一种驱动两相步进电机的微步驱动 器z e t a 4 - 2 4 0 驱动器及四个步进电机。 ( 2 ) 两个继电器转换电机电路。 ( 3 ) 编织机的机床的四边各装有一个可随丝杠移动的气阀，每个气阀七装有两 个传感器。 ( 4 ) 同本三菱公司生产的f 、f 1 系列的可编程序控制器( p l c ) ，和工控机、 a s 一4 9 p c 一4 卡和a c l 一7 1 3 0 卡形成控制系统的上位机系统。 第二章异俐二维编易 机控制系统 2 3 异型三维编织机的工作过程 异型三维编织机工作时，编织纱线由携纱器携带，并且按预制件的横截面形状 排列，通过携纱器携带编织纱线运动，使编织纱线彼此相瓦交织。携纱器由气压驱 动，推动携纱器运动，在异型三维编织机的四个方向上各有一台步进电机，此过程 通过步进电机带动气阀运动，在适当的位置打阀实现。可编程序控制器( p l c ) 控制 气阀的斤与关动作。 根据编织工艺知道，各种形状的预制件是由编织纱线彼此相互交织而成，携纱 器携带编织纱线沿着编织机的四个方向运动，在这里我们将编织机的横向定为南北 向，上为北，下为南；将纵向定为东西向，左为西右为东；四个方向的步进电机 在某时刻只有两个方向的电机在运动。即当东西方向的步进电机运行工作时，南北 方向的步进电机不工作；反之一样。因此，本系统采用了两个驱动器驱动四台步进 电机的方案，驱动器与电机间通过使用继电器作为转向控制。 异型三维编织机编织各种形状的预制件采用了四步编织法”1 ，运行过程描述如 下： 编织纱线由携纱器携带，并且按预制件的横截面形状排列，通过携纱器携带编 织纱线运动，使编织纱线彼此相互交织。因此纱线编织结构主要取决于携纱器的运 动规律。表明了在一个编织循环周期哩携纱器模式和运动步骤。 一个编织循环分为四步，携纱器的每一步移动，只能沿横向或者纵向步进。第l 步，携纱器按行向交错式步进。第2 步，携纱器按列向交错式的步进( 正如图1 1 所示 的箭头方向) 。第3 步，携纱器的步迸方向与第l 步相反，同样，第4 步的携纱器移动 也与第2 步相反并且我们注意到，经过四步，携纱器的排列形式与初始时相同，因 此称为一个编织循环。一般情况下，每个编织循环过后都有一个打紧纱线的过程， 使得编织结构更加紧凑”1 。 在设计中电机带动气阀运动，依照携纱器运动步骤，在适当的位置进行打阀， 推动携纱器运动，携带编织纱线运动。电机运动步骤如下： 第一步，南北方向的电机向前走一个机床位置点的间距，将气阀对准位置点， 预备打阀。程序读取编织工艺文件，根据要求，从工艺文件中取出一个字符控制码。 当字符控制码为“u ”时，“u ”表示向上移动，此时南向的气阀r 作打阀，推动t 阀 对准的机床位置点向e 运动，携纱器为向 步进：当字符控制码为“d ”时，“d ”表 示向下，此时需北向的气阀l 作打阀，推动气阀对准的机床位霄点向f 运动，携纱 器向卜步进：当字符控制码为n 时，南北方向的阀都不工作于j 阀，携纱器不运 动。在此步中，气阀打阀后郜应收【u i 复侮。 第二步东西方向电机运动，从编织工艺文件中驳出对东西方向控制的一个字 第二章异删二维编织机控制系统 符控制位。当字符控制位为“l ”时，“l ”表示推动气阀对准的机床位置点向左移动， 此时东电机根据编织要求，向前走一个或两个机床位置点日j 距，将东向气阀对准位 置点：经过合适的时f b j 日j 隔后，东向气阀工作打阀，推动气阀对准的机床位置点向 左运动，携纱器为向左步进；当字符控制位为“r ”时，“r ”为向右，西电机根据编 织要求，向前走一个或两个机床位置点间距，将西向气阀对准位置点；经过合适的 时间间隔后，西向气阀工作打阀，推动气阀对准的机床位置点向右运动，携纱器则 向右步进。当字符控制位为“n ”时，东西向的电机向前走一个或两个机床位置点间 距，气阀不工作，携纱器不运动。此步气阀工作后不收回复位。 第三步与第一步工作过程相似，只是电机运行的方向相反，携纱器的步进方向 与第一步相反。 第四步与第二步工作过程相似，只是电机运行的方向相反，携纱器的步进方向 与第二步相反。 经过四步，电机回到原位，而携纱器的排列形式与初始时相同。因此称为一个 编织循环，这四步编织作为一个循环，依次执行下去。通过每个气阀上带有的前位 传感器和后位传感器检测气阀打阀是否到位，以及气阀复位是否到位。 2 4a s 一4 9 p 0 - 4 运动控制卡” a s - 4 9 p c - 4 卡是日本s e e k 公司推出的一块4 轴运动控制卡，适用于脉冲信号控制 的伺服、步进和直流等电机的定位和速度的p c i 总线运动控制卡，可直接从c p u 实现 控制。本课题中a s 一4 9 p c 一4 运动控制卡是基于p c 机p c i 总线的步进电机上位控制单元， 完成运动控制的所有细节( 包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点 和限位等信号的检测等等) 。 2 5z e t a 4 - 2 4 0 驱动器 2 5 1z e t a 4 2 4 0 驱动器简介删 z e t a 4 2 4 0 驱动器是由美国p a r k e rh a n n i f i n 公司生产的一种驱动两相步进电 机的微步驱动器。它直接使用2 4 0 v 交流电源，不使用直流电源。因本系统所采用的 步进电机为li o v 交流驱动，因此驱动器也选用了li o v 交流电源。一个典型使用 z e t a 4 2 4 0 驱动的例子用模块图表示如图2 - 2 所示。 第一二章异掣二维编织机控制系统 图2 2 驱动器典氆应用模块图 主机( h o s tc o m p u t e r ) 或可编程控制器( p l c ) 通过编程语言程序向接口元件 发送控制命令。接口元件接到控制命令后，依据程序要求，向驱动器发送脉冲。驱 动器接到每一个脉冲后，将计算电机所要达到的旋转位置。电机接到驱动器发出的 电流运行电机w 。 步进电机可按串行或并行方式连线，驱动器传送给电机的电流大小可通过 d i p ( 双列直插式开关) 设置。由串行方式连接的驱动电流更适合本工程，本系统的电 机采用了串行接法。 在z e t a 4 - 2 4 0 驱动器的顶部设置有d i p 开关，通常有一可移动的金属片覆盖。 在装配驱动器期间，用户可调整d i p 来改动驱动器的电机电流、分辨率和波形等。 在浚驱动器的顶部有两个旋转开关，在d i p 开关附近，旋转开关通常用于调节驱动 器的活动跳线和电子粘性回路。 所有的步进电机都会遇到共振现象和环路现象。z e t a 4 2 4 0 驱动器有三个独立回 路能阻尼振荡和回环。反振荡通常足提供干扰或影响阻尼的阻尼回路，用户设置d i p 开关来选择两列中的一个；它基于系统中的阻尼频率。 阻尼运动是一个大能量的阻尼回路，用户设置七个d i p 开关和一个旋转开关， 来选择电机特性和负载的最佳阻尼运动。反振荡和阻尼运动工作于每秒循环三次的 较高频率上。电子粘性刚路提供的阻尼在每秒三转的频率上，用户设霄一个旋转开 关，为特殊用途择其最佳电子粘性。电子粘性能减少运动最末端的停留时间，这能 使机器提高工作能力。 2 5 2 驱动器控制”叫 控制系统给驱动器的信号是脉冲和方向信号。其接 电路图如图2 3 所示。 第二章异删二维编织机控制系统 脉冲 输入 方向 输入 p u l s l p u l s 2 s i g n l s i g n 2 图2 - 3 驱动器控制接口电路图 指令脉冲的输入方式可分为以下两种： ( 1 ) j 下交脉冲 如图2 - 4 所示频率相同但相位相差9 0 度的a 、b 两相脉冲分别从p l u s e l 、p l u s e 2 和s i g n l 、s i g n 2 送入驱动器。a 、b 两相脉冲的频率用来控制电机的转速；脉冲数控 制电机的角位移。电机每一转所需的指令脉冲数可由驱动器内部参数设置。两脉冲 的超前或滞后关系控制电机旋转方向。若a 相脉冲超前b 相脉冲9 0 度，则电机旋转 方向为逆时针方向c c w ，若b 相脉冲超前a 相脉冲9 0 度，则电机旋转方向为顺时针 方向c w 。般增量式旋转编码器的输出信号就是这种频率相同但相位相差9 0 度的两 路脉冲信号，可用这种信号直接控制电机的转速和方向，而不需要增加方向识别电 路。 a 向 b 向 c o w 指令 c w 指令 n 上。向儿r 一 儿n 。向门l 图2 - 4j 下交脉冲指令波形 ( 2 ) 脉冲+ 方向指令 如图2 - 5 所示，脉冲从p l u s e l 、p l u s e 2 输入驱动器，脉冲频率控制电机的旋转 速度，脉冲数控制电机的角位移。方向信号从s i g n l 、s i g n 2 输入驱动器，高低电平 控制电机的转向。本课题使用的足第二种即脉冲+ 方向输入方式。 第二章异型二：维编织机控制系统 c c w 指令 器； 厂 厂 厂 方向l 信号一 c w 指令 譬；厂 厂 厂信号jl _ | l jl 痞2厂 1i；7一 图2 - 5 脉冲+ 方向指令波形 在驱动器控制面板上有一个d 型2 5 针插座，在本系统中使用的信号接点有： s t e p 输入信号： s t e p 信号是步进脉冲的输入信号。在本系统中s t e p + s t e p - 与a s 一4 9 p c 一4 运动 控制卡的c w + c w 一正向运转脉冲连接。驱动器每接到一个步进信号后，都计算电机运 转将达到的角度位置。此输入信号是光隔信号。 d i r 输入信号： d i r 输入信号控制电机运行的方向。本系统中d i r + d i r 一与a s - 4 9 p c - 4 运动控制 卡的c c w + c c w 一反向运转脉冲连接，此连接使电机逆时针方向运转。此输入信号是光 隔信号。 2 5 3 步进电机 与驱动器配套r 型电机的两相为a 相和b 相，均由双铜线绕成，每一相都有两 个半段，它们能串行或并行连接。串行或并行的不同选择产生不同的速度力矩( 转 矩) 特性，并影响电机电流效率和改变电机的运行速度。串行连线连接如图2 6 所 示。 b 绿线 图2 - 6 电机的串彤连线 第_ 二章异犁二维编织机控制系统 2 6a c l 一7 1 3 0 卡 2 6 1 a g l 一7 1 3 0 简介 a c l 一7 1 3 0 卡是一独立的i 0 卡，它可作为i b ma t 型兼容机的一附加功能卡。它 提供1 6 个光隔的输入通道，1 6 个光隔的输出通道，这些通道可应用于工业环境。它 提供了3 2 个不光隔的输入输出通道，以便让用户方便地使用这卡。 a c l 一7 1 3 0 卡提供了8 2 5 4 芯片，两个8 2 5 4 计数器可级连用作一定时器中断源， 另一计数器可被用户自由使用。该卡提供双重中断线，其一用于外部信号产生中断， 另一由卡上的8 2 5 4 定时器产生中断。双重中断线非常适用于工业应用中的监视器和 触发器信号监测。 a c l 一7 1 3 0 卡上i o 信号可通过位于卡的后部的一3 7 针d 型插座与计算机外部通 讯。提供两不光隔的数字i o 插座，可方便地连接到a c l d - 9 1 8 2 和a c l d 一9 1 8 5 姊妹 卡。 a c l 一7 1 3 0 的应用： 实验室和工业自动化 监视定时器 实时计数器 频率计数器或发生器 低脉冲发生器 a c l 一7 1 3 0 卡的结构如图2 7 所示。 图2 7a c l - 7 1 3 0 卡结构示意图 第一：章异删一二维编织机控制系统 2 6 2 基地址的设置 a c l - 7 1 3 0 卡需要在i 0 地址空f n j 占用8 个连续的地址单元。a c i 一7 1 3 0 卡的基 地址设置受限于以下几个条件： 基地址必须位于2 0 0 h 到3 f f h 范围内； 基地址不可与p c 机保留使用的i o 地址冲突； 基地址不可与另加与p c 机内的功能卡地址冲突； 安装a c l 一7 1 3 0 卡时，请检测您的p c 机。 a c l - 7 1 3 0 卡的基地址寄存器可由d i p ( 双列直插式) 开关s w l 设置。基地址的缺 省设置为3 0 0 h 。如果3 0 0 h 地址已被别的功能卡占用，设置可以依照如图2 - 8 所示。 s w l o n o f f 123456 图2 - 8 基地址= 3 0 0 h 的缺省设置 2 6 3a c l - 7 1 3 0 卡信号插座 a c l 一7 1 3 0 卡提供了3 个数据输入输出插座。 l 插座c n 3 插座c n 3 是d 型3 7 针插座，它是一个光隔数据输入输出信号插座，如图2 - 9 所 示。符号表： i d i n ：第n 个光隔数字输入通道i d o n ：第n 个光隔数字输出通道 e 1 g n d ：光隔输入通道地e o g n d ：光隔输出通道地 v d d ： 光隔输出通道电源地 蔓= 三童墨型三丝塑堡塑笪型墨丝 i d o _ o ( 1 1 i d o _ 2 ( 1 2 i d o _ 4 ( 1 3 i d o _ 6 ( 1 4 i d o _ 8 ( 1 5 i d o _ 10 ( 1 6 i d o _ 1 2 ( 1 7 i d o _ 1 4 ( 1 8 v d d( 1 9 ( 2 0 ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 2 9 ) 3 0 ) 3 i ) 3 2 ) 3 3 ) 3 4 ) 3 5 ) 3 6 ) 3 7 ) 图2 - 9d 型3 7 针插座c n 3 1 d i l i d i 3 i d i 一5 i d 工7 i d 工一9 i d i 一1 1 i d 工一1 3 i d 工1 5 e o g n d e o g n d i d o 一1 i d o3 工d o 一5 工d o 一7 i d 0 9 工d o l l i d 0 1 3 i d 0 1 5 2 插座c n i 与c n 2 插座c n i 与c n 2 是非光隔插座，如图2 一l o 和图2 一l l 所示，符号表： d on ：第n 个数字信号输出通道 d in ：第n 个数字信号输入通道 g n d ：数字地 e g n d ：光隔输入附加地。 d 1 0 d 1 2 d 1 4 d 1 6 d i8 d i1 0 d i1 2 d i1 4 g n d + 5 v l2 34 56 78 91 0 l l 1 2 1 31 4 1 51 6 1 71 8 1 9 2 0 d i1 d i3 d i5 d i7 d i9 d il l d i1 3 d i1 5 g n d 1 2 v 图2 一l o 数字信号输入插座c n 2 口o o o o-o口。尊o 4 o o 廿。冉e o q 口霸o o o o o 第：章异喇维编织机控制系统 d 0o d o2 d 0 4 d 06 d 08 d 0l o d 01 2 d 01 4 g n d + 5 v 2 6 4 寄存器结构 l2 34 56 78 9l o l l1 2 1 31 4 1 51 6 1 71 8 1 92 0 d 0l d o3 d o5 d o7 d 09 d 0l l d o1 3 d o1 5 g n d 1 2 v 图2 一1 1 数字信号插座c n l e g n de g n d 图2 1 2 光隔输出地终端c n 4 a c l - 7 1 3 0 卡要求在p c 机的i 0 地址宅问占用8 个连续地址单元。表2 一l 给出 了每个i 0 寄存器地址相对于基地址的情况。 第一= 章异刑三维编织机控制系统 表2 - 1a c l 一7 1 3 0 的i o 地址 地址读操作 写操作 基地址+ 0光隔数据输出低字节光隔数据输入低字节 基地址+ 1 光隔数据输出高字节光隔数据输入低字节 基地址+ 2 数据输出低字节数据输入低字节 基地址+ 3数据输出高字节数据输入高字节 基地址+ 4 8 2 5 4 计数器0 基地址+ 5 8 2 5 4 计数器l 基地址+ 68 2 5 4 计数器2 基地址+ 78 2 5 4 模式控制器 8 2 5 4 状态控制器 a c l 一7 1 3 0 卡总共有3 2 个数掘输入通道，包括1 6 个光隔数据输入通道和1 6 个非 光隔数据输入通道。每一位都对应插座口的一个接点： 地址：基地址+ o 、基地址+ 3 属性：只读 数据格式如表2 2 。 表2 - 2a c l 一7 1 3 0 卡数据输入 位 76543 2 1 o 基地h k + oi d i7 i d i6i d r5 i d i4i d i3i d i2i d ili d l 0 基地址+ 1【d i1 5i d i1 4i d i1 3 i d i1 2 i d il li d i1 0i d i9i d i8 基地h k + 2d i7d i6d l5d i4 叭一3 d i2d ild io 基地址+ 3 d i1 5d i 1 4d i 1 3d i1 2d i1 1d i 1 0d i9d i8 a c l - 7 1 3 0 卡总共有3 2 个数据输出通道，包括1 6 个光隔数据输出通道和1 6 个： e 光隔数据输出通道。每一位都对应插座口的一个接点： 地址：基地址+ o 、基地址+ 3 属性：只写 第一：章异窄维编织机控制系统 数据格式如表2 3 。 表2 - 3a c l 一7 1 3 0 卡数据输出 位 765432lo 基地址+ 0 i d o7i d o6i d o5i d 04i d ( ) 3i d o2i d oli d 0o 基地h k + l i d o1 5e d 01 4i d o1 3i d o1 2i d ol li d o1 0i d o9i d 08 基地址+ 2 d o7d o6d o5d 0 4d o3d 02d 0ld o0 基地址+ 3 d o1 5d o1 4d o1 3d o1 2d o1 1d 0l od 09d 08 2 7 计算机 根据控制论中关于系统的定义：“系统是由相互制约的各个部分组织成的具有 一定功能的整体”，相互制约的各个部分必须在控制论的指导下，由控制器( 即计算 机) 实现协调与匹配，使整体处于最优状况，实现一定的功能。目静，几乎所有的控 制器都是由具有微处理器的计算机、输入输出接口、通讯口以及周边装置等组成。 将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、储存、分析、加工，根据信 息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地运行。 一般由计算机、可编程控制器( p l c ) 、数控装置以及逻辑电路、a d 与d a 转换、i o ( 输入输出) 接口和计算机外部设备等组成。机电一体化系统对控制和信息处理单 元的基本要求是：提高信息处理速度，提高可靠性，增强抗干扰能力以及完善系统 自诊断功能，实现信息处理智能化。 2 8 可编程控制器 2 8 1 可编程控制器概论 1 9 8 7 年荚国电气制造协会给出的町编年廿序控制器( p i 。c ) 的定义为：可编程序 控制器足一种带有指令存储器和数字或模拟i o 接口，以位运算为主，能完成逻辑、 顺序、定时、址数和算术运算功能，用f 控制机器或，上产过程的自动控制装置。 近年来p l c 把自动技术、计算机技术和通信技术融为一体，可完成以下功能： 逻辑控制； 定时控制： 记数控制： 第二二章异础一二维编织机控制系统 步进控制( 顺序控制) ； a d 、d a 转换： 数据处理； 通信与连网： 对控制系统监控： p l c 具有以下特点： 编程简单； 可靠性高、通用性好； 功能强、使用方便； 设计、施工和调试周期短； 2 8 2p l c 的应用 日本三菱公司生产的f 、f l 系列的p l c ，设计合理、结构紧凑，体积小、重量轻， 具有很强的抗干扰能力和负载能力，及优良的性能价格比，这种p l c 在中国应用比 较多。本课题设计采用了f x o s - 2 0 m r 型号的p l c 。 f x o s 一2 0 m r 型号的p l c 由交流l o o v 2 4 0 v 供电，p l c 内置后备电源直流2 4 v 。具 有1 2 个输入点数，8 个输出点数，继电器输出。 本课题设计使用p l c 的y 0 、y 1 、y 2 、y 3 输出点控制气阀的丌与关动作，使用y 5 ， y 6 输出点控制报警设备，使用y 7 输出点控制继电器转向动作。p l c 的输入来自 a c l 一7 1 3 0 卡的输出。p l c 电气图如图2 一1 3 所示。 左母 l i x l | l i | 、 x 2 i |， 、 秤 | i x 4 l |， i | 、 x 5 | | 图2 1 3p l c 的电气图 1 9 w n 睨 ” w w w 第二章异掣j 维编织机控制系统 2 9 气阀与传感器 在异型三维编织机的机床的四边各装有一个可随缝杠移动的气阀，当编织工艺文 件要求气阀推动携纱器运动时，气阈打阀。 传感器用f 检测功能，是从被测对象中提取信息的器件，用于检测机电系统工作 时所要监视和控制的物理量、化学量和生物黾。在选用传感器时要考虑传感器与其 它要素之间的协调、匹配。为了检测气阀打阀推动携纱器运动是否到位，以及气阀 工作后是否复位，在每个气阀上装有两个传感器。当气阀推动携纱器到位时，前位 传感器检测到信号，表示气阀工作常：当气阀复位时，后位传感器检测到信号，表 示气阀工作后复位到位。 2 1 0 继电器 由于四个方向的步进电机在某时刻只有两个方向的