基于Android手機端控制全自動十字繡花機

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基于Android手機端控制全自動十字繡花機

袁成路,黃自鑫,王 攀

（武漢紡織大學機械工程與自動化學院，湖北武漢,430000）

0　引言

針對目前人們對十字繡的熱衷程度和完成的效率較低的現狀，如果能夠將十字繡產品機械化生產，并且將十字繡機器家庭化、普通化，使十字繡機器成為一種便攜小巧的家用電器，將會有廣闊的應用前景。 由于十字繡采用十字交叉針法為主，是一種典型的雙面繡制方法。即用專用的繡線和十字格布，利用經緯交織的搭十字的方法，對照專用的坐標圖案進行刺繡。所以將十字繡產品進行機械化生產一直是國內外研究的難點。 由于十字繡本身繡制方法的限制，十字繡機械不能采用傳統的縫紉機械的方法來完成作品的繡制。因此想要將十字繡產品機械化生產必須要突破傳統繡花機的設計思路。

1　方案設計

全自動十字繡花機主要兩大設計難點在于它的“繡針夾送機構”和“繡線收容機構”；針對這兩大難點，我們分別設計的方案如下：繡針送進裝置采用“齒輪齒條機構”，繡針夾緊裝置采用“自動鉛筆式結構”。繡線張緊力由一個拉線鉤提供，拉線鉤通過導槽限制Y、Z方向的位移，拉線鉤通過連接片固定在同步帶上，從而可以在X方向上往復運動，進行拉線。優點：結構非常簡單，運動平穩，易于控制；夾針裝置小巧，夾緊力牢靠，不需要額外的電機來提供動力。缺點：由于嚙合間隙，有一定的回程差。

2　機械結構及原理設計

2.1整體裝配圖

全自動十字繡花機采用十字交叉針法進行雙面繡制，是一臺全自動繡花機器。繡花素材可以來源于收集的圖片，也可以自主設計圖案。全自動十字繡花機機械結構主要分為四大部分：布框運動機構、繡針夾送機構、繡線收容機構、機架。整個機器的運動由六臺步進電機完成。

2.2布框運動機構

布框運動機構即機器的X方向運動和Y方向運動。撐布框通過滑塊固定在Y方向一條滑軌上，整個Y方向部分又通過滑塊固定在X方向的兩條滑軌上。X、Y方向的運動由同步帶來執行，同步帶固在滑定塊上，通過帶動滑塊在滑軌上移動實現布框在X、Y方向上的運動和定位。

2.3繡針夾送機構

繡針夾送機構可分為兩個部分：繡針送進裝置、繡針夾緊裝置 。繡針送進裝置采用齒輪齒條機構。電機、齒輪、齒輪軸一起裝配在一個鈑金加工的組裝箱上，齒輪通過螺栓固定在電機軸上，齒輪軸由組裝箱上的兩個銅套限位，齒輪和齒輪軸的嚙合深度可通過改變電機的橫向裝配位置來調節。

2.4繡針夾緊裝置

繡針夾緊裝置采用自動鉛筆式結構。該結構由四部分組成：可自動張開的三角銅芯；銅芯收緊圈；彈簧和彈簧壓緊頭。彈簧壓緊頭上端連接齒輪軸，銅芯收緊圈外套一個鋁材套圈，鋁材套圈在此起三個作用：（1）銅芯收緊圈為塑料制品，鋁材套圈可以增加它的耐磨度；（2）鋁材套圈和組裝箱下端銅套之間易于配合，可以準確地繡針導向；（3）三角銅芯要靠上端彈簧壓緊頭將之推出銅芯收緊圈才能張開，當齒輪軸給彈簧壓緊頭壓力時，要靠鋁材套圈給相反的壓力才能壓縮彈簧，使三角銅芯張開，從而松開和夾緊繡針。

2.5繡線收容機構

繡線張緊力由一個拉線鉤提供，拉線鉤通過導槽限制Y、Z方向的位移，拉線鉤通過連接片固定在同步帶上，從而可以在X方向上往復運動，進行拉線。整個繡線收容機構的零件全部安裝在一塊彎折的鋼板上。由于拉線鉤結構小巧，要求質量輕、韌性好，所以采用三維打印加工。

拉線鉤分為三部分：固定塊、活動鉤、皮帶壓緊片。三個部件均為三維打印件，在繡線張緊力達到拉緊活動鉤彈簧的預緊力時，活動鉤轉過一定的角度，松開繡線。

繡花時，需要上下兩套繡針夾送機構配合運動，才能實現繡針的交接。首先，繡針由下面的繡針夾緊裝置攜帶，從最低位置出發，同時上面的繡針夾緊裝置也在最低位置張開三角銅芯等待接針。在齒條軸的帶動下，鋁材套圈開始進入銅套，并剛好被其擋住，此時下面的電機停頓0.1s，上面的電機在這0.1s內上升并剛好夾緊繡針，然后下面的電機又開始上升直至三角銅芯被推出銅芯收緊圈，就停止等待上面的繡針夾緊裝置攜帶送回繡針。

3　控制系統

3.1控制要求

圖4-2　UI交互界面

全自動十字繡花機程序需控制6個步進電機運動，其中X、Y方向兩個電機，控制程序需控制布框按照繡花圖案走線；Z方向兩個電機，控制程序需控制齒輪軸按照繡花的時序上下升降；X方向兩個拉線電機，控制程序需控制拉線鉤在走針間隙內將繡線拉至繡布的另一側。

3.2系統簡述

用戶在android手機端可以控制任意一個電機的運行與停止，進行基本動作的實驗，隨后便可以進行程序第二個界面，實現選取存儲的圖片，通過藍牙傳輸給單片機，進行全自動刺繡，便可得到精美的完整的十字繡了。此控制電路采用單片機進行控制，主要實現兩個功能：藍牙串口收發數據、電機控制。

3.3控制策略

先進行電機初始化，然后寫出電機的基本運行函數，如：

void X_Move(uint nStep,uint nDelay,uchar Move_ Dir)；//X移動

void Y_Move(uint nStep,uint nDelay,uchar Move_ Dir)；//Y移動

void Z_Move(uchar Motor_Select,uint nStep,uint nDelay,uchar Move_Dir)；//Z方向兩個電機

用以上三個函數，控制6個電機的運轉完成刺繡動作刺出選定的圖案。

3.4Android手機端手機控制

本手動控制系統利用藍牙串口主要實現兩個功能：電機基本動作檢測、圖片刺繡。其UI交互界面如下：

4　制造與調試

根據全自動十字繡花機強度要求和尺寸要求，繡花機整體框架選擇20mm鋁合金型材搭建，型材間固定由相應角鋁連接，可以快速搭建出所需的框架。全自動十字繡花機所有鈑金零件全部先由激光切割成鈑金展開形狀，需要的孔和槽也一并加工，舍棄傳統手工鋸，剪板機，鉆床。使加工零件精度和效率更高。部分結構復雜，尺寸較小，強度要求不高的零件因為較難用機械加工完成，所以采用三維打印，一次性成型。

5　總結

該作品實現真正單線手工十字繡線跡的繡花機。創新設計出雙邊刺針機構，模仿手工縫衣動作，雙頭繡花針帶著繡線能在上下兩個方向完全穿過繡布，形成手工線跡。機電結合解決了繡線機構及時收放的難題。設計了電動儲線器和繡線張力傳感結構，使繡布兩邊的繡線快速拉過。十字繡花機提供藍牙無線接口，用戶可以通過移動設備監控機器的運行。

參考文獻

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[4] 郭文川，周超超.基于Android手機的植物葉片面積快速無損測量系統[J].農業機械學報，2014，(45)：275-280.

袁成路（1989—），男，碩士，主研方向：工業機器人檢測技術

黃自鑫（1988—），男，碩士，主研方向：可穿戴設備檢測技術

王攀（1991—），男，碩士，主研方向：激光檢測技術

摘要：“十字繡”的藝術性和實用性而被廣泛應用于各類裝飾，但是手工制作效率較低，市面上的電腦繡花機又無法實現十字繡所需的單線手工線跡。本設計的全自動十字繡花機采用機電結合控制雙頭針雙邊穿刺技術，在繡布上能形成單線手工線跡。十字繡花機提供藍牙無線接口，用戶可以通過Android手機端監控機器的運行。布框移動機構在微機控制下實現針眼的精確定位，形成刺繡花型。

關鍵詞：十字繡;雙邊刺針;機電結合;Android手機端

Controlled automatic stitch flower-based Android mobile client

Yuan Chengwei,Huang Zixin,Wang Pan

（Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University,Hubei,430000)

Abstract："Cross-stitch" artistry and practicality and is widely used in all kinds of decoration,but the manual production efficiency is low,the computer on market cross-stitch embroidery machine again not impossible to achieve the required single hand stitch.The design of automatic cross embroider machine adopts bilateral electromechanical combination control double needle puncture technique,can form a single hand stitch on embroidered cloth.Cross-stitch embroidery machine provide bluetooth wireless interface,the user can through the Android mobile terminal to monitor the running of the machine.

Keywords：Cross-stitch;bilateral prod;electromechanical combination;Android mobile terminal

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