玻璃钢缠绕机PLC控制系统的设计-电气工程及其自动化硕士论.doc

学校代号学校代号_ 学学 号号_ 分分 类类 号号_ 密密 级级_ 河南科技学院河南科技学院 工程学士学位论文工程学士学位论文 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制控制 系统的设计系统的设计 学位申请人姓名学位申请人姓名 衡衡 孟孟 军军 _ 培培 养养 单单 位位 新新 科科 学学 院院 _ 导师姓名及职称导师姓名及职称 牛牛 联联 波波 _ 学学 科科 专专 业业 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 _ 研研 究究 方方 向向 PLC 系统控制系统控制 _ 论文提交时间论文提交时间 2017.03.28 _ 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 2 玻璃钢缠绕机控制系统设计玻璃钢缠绕机控制系统设计 摘要摘要 玻璃钢缠绕机是生产玻璃钢储罐及管道的关键设备，玻璃钢管道简称 FRP 管道，具有安装方便，耐腐蚀、强度高、质量稳定、成本低、机械自动化 生产易于实现等显著优点，在石油、化工以及输水输气工程中应用得越来越多。 同时纤维缠绕技术是一项涉及复合材料、高分子化学、数学、机械、电子、计 算机等多门学科的综合性技术。 本文对玻璃钢管道缠绕机的运动控制特点、缠绕精度和缠绕规律等方面 进行分析，结合当前最新的缠绕技术和加工工艺要求，提出了以工控机和 PMAC 运动控制卡为核心的开放式数控缠绕机系统，并结合工业 PC 机和 PMAC 的优点，充分利用了 PMAC 的开放性和精密的 PID 调节、样条曲线插补 等功能以满足不同型号的玻璃钢管道的加工要求，从而实现该设备螺旋缠绕和 环向缠绕的功能。 本文同时讨论了计算机控制系统的组成，控制系统的总体设计，并在分 析缠绕精度和伺服系统特点的基础上，根据管道缠绕控制系统要求以及交流伺 服系统的优良性能，采用了半闭环伺服系统结构和松下公司的 MINAS A 系列 全数字式交流伺服系统，对主轴和小车采用了不同的控制方式:主轴采用速度控 制，小车采用位置控制方式。 最后基于软件控制系统要求用户界面友好、实时性好、控制精度高、操 作方便的特点设计了控制系统软件，该软件采用 Visual C+语言进行编写。实 际运行表明，此系统的控制器运行稳定可靠，完全达到了设计功能和缠绕精度 要求。 关键词关键词 PLC; 运动控制器; 伺服系统; 缠绕规律; 控制系统；缠绕机 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 3 目录目录 第第 1 章绪论章绪论 1 1.1 课题背景及意义课题背景及意义.1 1.2 玻璃钢纤维缠绕工艺玻璃钢纤维缠绕工艺.2 1.2.1 玻璃钢纤维缠绕工艺分类玻璃钢纤维缠绕工艺分类2 1.2.2 玻璃钢纤维缠绕工艺特点玻璃钢纤维缠绕工艺特点3 1.3 璃钢缠绕机发展概况及趋势璃钢缠绕机发展概况及趋势.5 1.3.1 玻璃钢缠绕机的国外发展概况玻璃钢缠绕机的国外发展概况5 1.3.2 玻璃钢缠绕机的国内发展概况玻璃钢缠绕机的国内发展概况6 1.3.3 纤维缠绕工艺的发展趋势纤维缠绕工艺的发展趋势7 1.4 本课题的研究内容本课题的研究内容.8 第第 2 章玻璃钢缠绕机控制系统设计章玻璃钢缠绕机控制系统设计.9 2.1 玻璃钢缠绕机系统结构玻璃钢缠绕机系统结构.9 2.2 缠绕机微机控制系统组成缠绕机微机控制系统组成.10 2.3 控制环节设计控制环节设计.11 2.3.1 速度控制速度控制12 2.3.2 位置控制位置控制12 2.4 位置伺服系统基本类型位置伺服系统基本类型.13 2.5 缠绕机控制系统设计缠绕机控制系统设计.14 2.5.1 运动控制驱动模块运动控制驱动模块16 2.5.2 伺服系统模块伺服系统模块20 2.5.3 工业控制计算机工业控制计算机21 2.6 本章小结本章小结.22 第第 3 章纤维缠绕的线型规律和工艺设计章纤维缠绕的线型规律和工艺设计.23 3.1 纤维缠绕的线型纤维缠绕的线型.23 3.1.1 环向缠绕线型规律环向缠绕线型规律23 3.1.2 螺旋缠绕线型规律螺旋缠绕线型规律24 3.1.3 缠绕线型规律的实现缠绕线型规律的实现25 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 4 3.2 纤维缠绕的基本原理纤维缠绕的基本原理.26 3.2.1 缠绕工艺分析与设计缠绕工艺分析与设计.29 3.2.2 缠绕轨迹的稳定条件缠绕轨迹的稳定条件.32 3.3 玻璃钢管道缠绕机缠绕精度的影响因素及提高方法玻璃钢管道缠绕机缠绕精度的影响因素及提高方法33 3.3.1 缠绕精度的衡量指标及意义缠绕精度的衡量指标及意义.33 3.3.2 影响微机控制式缠绕机缠绕精度的设备因素及提高方法影响微机控制式缠绕机缠绕精度的设备因素及提高方法.33 3.4 本章小结本章小结35 第第 4 章控制系统应用软件设计章控制系统应用软件设计36 4.1 控制系统软件的总体设计控制系统软件的总体设计36 4.2 前后台程序的编制前后台程序的编制38 4.2.1 程序的初始化程序的初始化.39 4.2.2 运动控制程序运动控制程序.39 4.2.3 上位机应用软件设计上位机应用软件设计.40 4.3 软件界面设计软件界面设计44 4.4 本章小结本章小结47 结论结论48 参考文献参考文献49 致谢致谢 .54 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 5 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 课题的背景及意义课题的背景及意义 玻璃钢(FRP 或亦称作 GRP，别名玻璃钢纤维增强塑料)是一种性能优良的 脂基复合材料，它是由合成树脂和玻璃钢纤维经复合工艺制作而成的一种功能 型 的新型材料。按所使用的树脂品种不同，玻璃钢可分为聚酷玻璃钢、环氧 玻璃钢、酚醛玻璃钢。由于玻璃钢具有重量轻、强度大、耐热、耐腐蚀、绝缘 性能好、寿命长、可设计性好和易于成型等一系列优点，因此玻璃钢可以用来 制作某种水处理产品的外壳，以保证水处理产品具有足够的强度，使其在工作 时不被外界的压力胀破或压得变形。 水处理产品保护外壳的制作采用纤维缠绕技术。纤维缠绕技术是 20 世纪 30 年代发展起来的2，至今己有 70 多年的发展历史。1940194_5 年美国首次用玻 璃纤维增强聚酷树脂，以手糊工艺制造军用雷达和远航飞机油箱，为玻璃钢材 料 在军事上的应用开辟了道路。纤维缠绕技术于 1946 年在美国申请专利，60 年 代 进入最佳发展时期，其后长时间发展缓慢，到了 90 年代，进入新的高速发展阶 段3。经过 70 多年的发展，缠绕制品应用范围也从当年的航空航天气瓶、固 体 火箭发动机壳体拓宽到民用的缠绕管道、储罐、发动机叶片、气体收集与水溢 流 系统器件、盐水收集和水处理系统器件等领域。 由于玻璃钢在水处理产品中的应用国内近几年才开始研究，其生产的工艺 还 不成熟，虽然目前国内有很多开发和研制纤维缠绕机的科研院校和厂家，但他 们 所设计和生产的纤维缠绕机基本上用于玻璃钢管道和罐的制作，国内还没有厂 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 6 家 专门开发、研究用于制作水处理产品保护外壳的缠绕机。缠绕机是制备玻璃钢 制 品的关键设备，没有适合的缠绕机将无法制备出合格的水处理产品保护外壳。 所 以，对用于制备水处理产品保护外壳的生产设备及其控制系统的优化设计是一 项 重要的研究课题。 1.2 玻璃钢缠绕机的发展概况玻璃钢缠绕机的发展概况 缠绕机是制备玻璃钢缠绕制品最重要的设备，玻璃钢纤维缠绕技术的发展 依 赖于缠绕设备的发展。为不断适应新的缠绕工艺的发展需要，在自动控制技术 己 经在各行各业获得广泛应用的背景下，发展以先进智能控制器为控制核心的高 性 能、全自动缠绕机己成为缠绕机的发展趋势。 1.2.1 玻璃钢缠绕机的国外发展概况玻璃钢缠绕机的国外发展概况 缠绕机主要由动力源、传动机构，执行机构、控制机构及辅助机构等部分 组 成。从缠绕机的发展历程和工作原理来划分，缠绕机可分为三类:机械式、液压 伺服式、计算机控制式c;-c0 1.机械式缠绕机 机械式缠绕机是第一代纤维缠绕机，它于 20 世界 60 年代初在美国开始使 用。 这类缠绕机主要由床头、床身、主轴、小车、传动机构等部分组成。机械式缠 绕 机只有一个动力源，即主轴电机，主轴与小车的同步运动通过两者之间的变速 箱 和链条传递传动实现，变速箱的传动比决定了主轴和小车的速比，因此缠绕前 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 7 先 人为计算传动参数，然后调整变速箱速比，将小车直线往复运动的速度和主轴 的 转速进行合理匹配，使玻璃钢纤维按照设定的线型规律缠绕在芯模上形成玻璃 钢 制品。由于主轴与小车的运动通过两者间的变速箱和链条传动，而变速箱的传 动 比不可随意调整，因此小车和主轴的速比不能任意调整，所以实际缠绕的线形 规 律与设定的规律有一定的偏差，并且由于链条传动的柔性，也将对缠绕时纤维 的 均匀性造成一定的影响。 2.液压伺服式缠绕机 随着更加复杂缠绕要求的提出，20 世纪 60 年代中期研制出了第二代缠绕 机一 液压伺服式缠绕机。液压伺服式缠绕机采用液压伺服马达作为动力源，主轴和 小 车的速比调节比机械式缠绕机方便得多，并且系统具有力矩大而恒定的优点， 但 整套复杂昂贵，系统存在渗油风险，影响生产环境，并且改变纤维缠绕制品规 格 时前期准备工作量仍很大。 3.计算机控制式缠绕机 20 世纪 70 年代，美国率先开发出了以微处理器为控制核心的第三代缠绕 机 一计算机控制式缠绕机。计算机控制式缠绕机的特点是每个自由度都有单独的 动 力源，各个动力源由存放在存储器里的控制程序通过执行机构来控制，改变控 制 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 8 程序即可改变控制逻辑。由于主轴和小车由各自连接的电动机驱动，因此两者 之 间的速比可由计算机控制程序控制各个电机的转速从而任意调节，这样可满足 任 意线型规律的缠绕7，并且缠绕的精度非常高。在改变纤维缠绕制品规格时， 缠 绕机的硬件不需作调整，只需即时调出相应程序或更改相应参数就可马上进行 另 一种规格制品的缠绕，这样大大提高了缠绕机的灵活性和适应性，缠绕效率也 大 幅提高。 计算机控制式缠绕机具有定位精度高、速度快、操作调整方便、组装灵活、 生产效率高的特点;自动运行中在暂停后再次启动工作时纤维搭接非常自然连 贯，这样不但扩充了计算机的功能，而且向用户提供了一个使用方便、有效和 安全可靠的工作环境。 1.2.2 玻璃钢缠绕机的国内发展概况玻璃钢缠绕机的国内发展概况 我国的缠绕技术与国际先进水平差距较大。自从 1958 年第一个 FRP 样品 生产出来以后，我国的 FRP 工业开始了迅速发，纤维缠绕玻璃钢及复合材料的 研究工作始于 1962 年，稍后就出现了我国第一代的机械式缠绕机，绕出了直径 为 1.6 米的容器。1975-1978 年研制出了电子液压数控大型缠绕机及连续纤维缠 绕机。1975 年开始利用国产碳纤维进行缠绕工艺方面的研究工作。哈尔滨玻璃 钢研究所是国内最早开发研究复合材料缠绕技术的单位，已能设计和生产计算 机控制的三轴缠绕机，我国现有的缠绕系统一般是机械式的，机械式缠绕系统 在生产不同规格的制品时须频繁改变传动机械，生产效率低，操作极不方便。 而且，由于机械调速的限制，缠绕系统的速比不能连续可调，影响了产品的工 艺过程。1983 年至 1985 年，在计算机控制纤维缠绕机的研制被航天工业总公 司列为重点攻关项目的背景下，哈尔滨工业大学试制成功一台试验用原理性样 机，并于 1986 年商品化。所研制的这些缠绕机都采用主轴恒转速产生基准脉冲， 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 9 然后分频来控制其它各轴的运动控制方案，其技术特点是主轴采用非位置控制， 使用测地线模型来计算纤维轨迹。1989 年至 1993 年，哈尔滨工业大学又为航 天工业总公司研制成功了新一代国产高性能微机数控纤维缠绕机 JKCR120/800B，实现了 4 轴联动控制，零度和各轴自主变速缠绕，控制系统具 有了自动加减速和暂停等新功能。 当前，我国玻璃纤维缠绕技术研究和应用已初具规模，某些方面已接近或 达到世界先进水平，基本形成比较完整的工业体系，但从总体上来看，在自主 开发方面与发达工业国家仍有较大差距。从缠绕技术角度来看，产品以轴对称 部件居多，属成熟的低档产品，而在高端产品上如中高压缠绕弯管和 T 形三通 管等很多工艺技术和许多新产品领域几乎是无人涉足、长期空白。 1.3 本课题的研究内容本课题的研究内容 本课题完成的是玻璃钢管道缠绕机控制系统的设计，主要内容如下: 1.缠绕工艺和规律，不同的缠绕线型，其规律也有所差别，对控制系统的 要求也不同。因此，需要先对线型规律以及缠绕工艺进行设计。 2.缠绕机微机控制系统的分析和设计，微机控制系统采用工业控制计算机 和 PMAC 运动控制器组成上、下位机分布式控制结构，该控制系统可以根据 用户预先设定的工艺参数和缠绕线型参数完成玻璃钢管整个生产过程的缠绕排 布的自动化控制。 3.缠绕机控制系统软件设计，根据玻璃钢管道生产工艺特点，该控制系统 的系统应用软件设计主要分为工艺参数自动处理、线型计算机辅助设计、主从 轴运动控制、故障自动诊断、文档管理和人机界面模块等部分。 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 10 第第 2 章章 玻璃钢缠绕工艺及设备玻璃钢缠绕工艺及设备 水处理产品保护外壳的制备采用纤维缠绕成型工艺，缠绕机是制备水处理 产 品保护外壳最重要的设备，它的性能优劣关系到纤维缠绕成型的效果，进而影 响 水处理产品的质量。 2.1 水处理产品保护外壳缠绕工艺流程及要求水处理产品保护外壳缠绕工艺流程及要求 纤维缠绕是制作水处理产品保护外壳的成型工艺，它是将玻璃钢增强材料 (即玻璃纤维)通过浸胶装置浸上一定量的树脂基体，然后将这种充分浸胶后 的 玻璃纤维按照事先设定的缠绕线形规律规则地缠绕在旋转着的芯模上，当缠绕 的 玻璃纤维层数(要求的厚度)达到设计要求时停止缠绕，接着将芯模上富余的胶 水 刮掉，然后再在室温下使环氧树脂固化，固化成型后即可获得水处理产品保护 外 壳成品。完成这种缠绕过程的设备称为水处理产品保护外壳玻璃钢缠绕机，其 工 艺流程如图 2.1 所示。 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 11 图 2.1 水处理产品保护外壳缠绕工艺流程图 为保证水处理产品保护外壳外表面光滑并且具有均匀一致的抗压能力，缠 绕 过程中和缠绕完成之后，纤维必须既不重叠又不离缝的均匀缠满芯模表面。固 化 成型后的水处理产品保护外壳必须具有足够的强度，以保证其在_SMPa 的水压 环 境下连续工作时不发生变形或裂开。由于制品的抗压强度与缠绕角度、缠绕层 数 等工艺参数密切相关，为满足不同规格的产品工艺参数，因此要求工艺参数可 根 据实际需要任意修改。 2.2 玻璃钢纤维缠绕工艺玻璃钢纤维缠绕工艺 2.2.1 玻璃钢的成型工艺及选择玻璃钢的成型工艺及选择 随着树脂基复合材料工业迅速发展和日臻完善，玻璃钢新的高效成型方法 不 断出现，目前在生产中采用的成型制作技术有几十种，但在实际生产中应 用最 广泛的成型工艺是手糊成型、袋压成型、喷射成型、模压成型、缠绕成型和连 续 成型等几种，这几种成型工艺的技术经济指标如表 2.1 所示： 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 12 对上表中的数据分析可知，缠绕成型方法综合性能优越，是制作玻璃钢制品 的一种非常实用的方法，所以尽管复合材料制备技术经过长期发展但缠绕成型 工 艺依然还是其最重要的生产工艺技术之一3。 采用纤维缠绕成型工艺制造的玻璃钢制品除具有一般玻璃钢纤维制品的优 点外，还具有以下更突出的特点 “一5: 1.比强度高 缠绕成型可使增强材料纤维含量高达 80 070，并且缠绕过程中可以控制纤 维 的方向和数量，使产品实现等强度结构，同时也避免了布纹经纬交织点与短切 纤 维末端的应力集中，因此制品的强度非常高，其比强度 3 倍于钦，4 倍于钢。 2.可靠性高 近年来对材料的研究发现，材料固有的韧性或缺口对材料的可靠性有极大 的 影响。一般而言，材料的表面缺陷是影响其强度的重要因素，表面积越大，缺 陷 率越高。缠绕纤维直径很细小，降低了微裂纹存在几率。应用最广的连续玻璃 纤 维，是从高温溶融状态拉出的细丝(直径仅为 7um 17 um，减少了不均性，也 减少了微裂纹产生的机会。同时合股纤维束可阻遏裂纹的扩展，选择合适的缠 绕 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 13 工艺可增强纤维的机械强度f161。此外，缠绕纤维的韧性非常好。由于缠绕纤 维 具备上述优点，因此采用缠绕工艺制备的玻璃钢制品的可靠性非常高。 3.生产效率高 由于缠绕设备具有操作简单方便、高速、自动化程度高的特点，因此可实 现 自动化连续生产，便于规模化大批量生产。 4.生产成本低 所用材料大多是连续纤维和树基脂，材料本身的价格不高加之缠绕过程只 需 缠绕不需其他制作工艺与设备，因此生产成本低。 _5.可设计性好 由于缠绕纤维的韧性十足，在张力的作用下可根据设计要求将纤维缠绕 在任意外形的芯模上从而制备出任意形状的玻璃钢制品。 由于采用纤维缠绕成型工艺制作而成的玻璃钢制品有着采用其他成型工艺 制作而成的玻璃钢制品所无法比拟的优越性，所以水处理产品保护外壳采用缠 绕 成型工艺制作。 2.2.2 玻璃钢纤维缠绕工艺分类及选择 缠绕成型工艺是把充分浸过树脂基体的玻璃纤维按照事先设定的缠绕规律 缠绕在芯模表面上，从而制备玻璃钢制品的一种生产工艺7，根据缠绕时 树脂 基体所处化学、物理状态的不同，纤维缠绕在生产上分为干法、湿法及半干法 三 种8 一o 1.干法:将预浸纱带(或预浸布)，经加热至粘流状态并缠绕到芯模上的成 型工艺过程称之为干法缠绕。由于预浸纱带由专用预浸设备制造，能比较严格 的 控制预浸纱带的含胶量和尺寸，因此干法缠绕制品质量比较稳定，生产效率高， 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 14 生产劳动卫生条件好，多用于航空航天等高科技领域。由于必须另外配置胶纱 预 浸设备，所以此种工艺方法投资较大，产品的制作成本相对较高。 2.湿法:将多股纤维集束，经浸胶后在张力控制下直接缠绕在芯模上，然后 固化成型的工艺方法称之为湿法。由于此法是在纤维浸胶后马上缠绕，所以纤 维 的质量不容易控制且不便于检验;同时胶液中尚存在大量的溶剂，在固化时容易 产生气泡，缠绕过程中胶液容易滴落到设备上，故需要经常清洗设备;缠绕过程 中张力也不容易控制。但是此法不需要另行配置预浸渍设备，故设备相对简单， 设备投资少;对原材料要求不严，便于选用不同材料，故比较经济。 3.半干法:将无捻粗纱(或布带)浸渍树脂胶液后，随即预烘干，然后缠绕 到芯模上的成型工艺方法称之为半干法。此种方法与湿法相比，增加了烘干工 序， 缠绕制品质量较为稳定，但生产成本高些。与干法相比，由于无需整套的预浸 设 备，所以设备投资少一些，生产成本也略低些。虽然缠绕过程中对胶含量的控 制 要差一点但缠绕制品的质量还是相当不错，所以其产品应用领域也多用在航天 航 空等高科技领域。 三种缠绕工艺中湿法缠绕因投资少、成本低、纤维不易损伤等优点因而在 实 际应用广泛采用;干法和半干法缠绕的含胶量、张力控制精确，一般仅用于高性 能、高精度的尖端技术领域，所以实际应用中要根据需求选择不同的缠绕工艺。 由于制备水处理产品保护外壳时所用纤维集束较少且在芯模上缠绕的纤维层数 较少，为保证缠绕时纤维被胶液充分浸透、玻璃纤维能完整的覆盖在芯模上， 所 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 15 以制备水处理产品保护外壳时采用湿法缠绕比较合适。水处理产品保护外壳玻 璃 钢所使用的树脂为环氧树脂，环氧树脂因其具有吸水率非常小、热膨胀系数与 变 定收缩率小、介电性能好、硬度高、与玻璃纤维之间粘接强度高、树脂固化物 无毒性、耐化学腐蚀性好、对大部分溶剂稳定等特点ZO，其固化时不易产 生汽泡， 因此非常适合于水处理产品保护外壳的湿法缠绕基体，加之其制作过程中对张 力 的控制要求不严格，综合考虑湿法、干法和半干法三种方法的特点，水处理产 品 保护外壳的缠绕采用湿法工艺非常合适。 2.2.3 纤维缠绕的线型规律及选择 缠绕线型有三种基本线型:环向缠绕、螺旋缠绕和纵向缠绕。对不同的缠绕 制品，这几种线型可以单独使用，也可以组合使用2一 22。水处理产品工作 时会 分别受到环向和纵向的工作压力，为保证水处理产品工作时能承受住外部的环 向 和纵向工作压力，所以水处理产品保护外壳的缠绕采用环向缠绕和螺旋缠绕两 种 线型。 1.环向缠绕线型规律 环向缠绕是芯模绕自身轴线匀速运转，导丝头在平行于芯模轴线方向的筒 身 区间运动，芯模运转一圈，导丝头移动一个纱片宽度，如此循环，直至纱片缠 满 芯模(管长)。环向缠绕如图 2.2 所示。 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 16 图 2.2 环向缠绕示意图 环向缠绕的特点是:缠绕只能在规则面(筒身段)进行，不能在曲面进行(不 能缠绕封头);相邻纱片之间紧密相接，其缠绕角通常在 8 _5 度到 90 度之间。环 向缠绕能提供最大的环向强度。 2.螺旋(交叉)缠绕线型规律 螺旋缠绕是指在玻璃纤维沿芯模圆周方向缠绕时，芯模绕自身轴线按照给 定 速度转动，安装有导丝架的小车严格按照与主轴速度成一定比例关系的速度沿 芯 模轴线方向做水平往返运动，芯模每转一周，导丝头移动一定距离(缠绕螺距 m), 玻璃纤维从芯模起始端的圆周上的某点出发，随后按螺旋线轨迹经过芯模的筒 身 区间到芯模的终端，再从芯模的终端以同样螺旋线轨迹经过芯模的筒身区间返 回 至芯模起始端的另一点，如此循环下去，直至芯模表面均匀布满双层纤维为止。 要使芯模上的玻璃纤维为完整的双层，必需保证在缠绕过程中相邻两纤维既不 重 叠又不离缝，均匀缠满芯模表面。为实现上述工艺要求，缠绕机控制系统必须 能 根据芯模外形尺寸、纤维宽度 n、设定缠绕螺距等参数来自动计算实际的缠绕 螺 距 m、整个缠绕过程导丝头往返次数和缠绕角。等相关工艺参数，依据这些工 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 17 艺参数推算出芯模与导丝头的速比关系、导丝头往返一次芯模要多转或少转一 个纱 片宽度f231，然后在自动缠绕过程中使带动芯模运转的主轴电机与带动导丝头 移 动的小车电机严格遵循上述速比关系同步运转，并且在小车每次返回起始端时 使 芯模多转或少转一个纱片宽度。螺旋缠绕如图 2.3 所示。 刁作电机璐蠕刁作 图 2.3 螺旋缠绕示意图 对于螺旋缠绕，由于小车行走完一个往返路径返回超始端面时(简称一个完 整循环)缠绕纤维的落点位置相对于上一次的起始缠绕点必须错过或少转一个纱 片宽度，才能做到连续两个完整循环缠绕后纱片在芯模表面相接，所以输入参 数 不一定符合线型设计要求。因为要保证一个完整循环时缠绕纤维的落点位置相 对 于上一次的起始缠绕点必须错过或少转一个纱片宽度，其唯一可行方法是使一 个 完整循环时主轴旋转的圈数为整数。而按设定的工艺参数运行时，一个完整的 循 环后主轴旋转的圈数可能不是整数，因此需要对缠绕角进行调整，以保证一个 完 整的循环后主轴旋转的圈数是整数，缠绕角的调整意味着缠绕螺距也作相应变 动。 螺旋缠绕主要用来提供制品所要求的纵向强度，此外还能提供少部分环向 强 度，其缠绕角一般为 4_5“到 7，选用合适的缠绕角可改善制品的结构性能f2 10 由于螺形缠绕时不同方向的纤维纱片相交2，所以螺形缠绕又叫交叉缠绕。 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 18 2.3 水处理产品用玻璃钢缠绕机总体方案设计 水处理产品用玻璃钢缠绕机的设计是一种创造性活动，根据产品缠绕工艺， 本着经济、实用、可靠、满足应用要求的原则，综合应用机械和电气技术，并 融 入复合材料、高分子化学、数学等多学科知识，构造一台基于机电一体技术的 高 性能水处理产品用玻璃钢缠绕机。 2.3.1 缠绕机主要技术性能指标 1.缠绕对象和产品尺寸 缠绕对象:水处理产品保护外壳，其外形为一标准圆柱体。 制品尺寸:以 产品直径为区分共有四种产品规格，分别为 3 英寸、6 英寸、 9 英寸和 12 英寸，产品最大长度为 1100mmo 制品最大质量:20Kg o 2.控制要求与性能指标 (1)能完成四种规格产品的缠绕。由于每种规格产品的工艺参数不同，因此 需要一个工艺参数输入工具，用于设定螺旋缠绕和环向缠绕时的缠绕螺距、缠 绕 长度、螺旋缠绕次数和主轴缠绕速度等工艺参数。 (2)执行机构的调速范围宽，在调速范围内必须满足无级、平滑的调速，并 且具有良好的低速性能、频繁的启、制动性能和高速定位性能Zc,0 (3)控制系统根据输入的工艺参数和缠绕制品的几何尺寸计算实际缠绕螺 距，小车电机转速，导丝头往返一次芯模要多转或少转多少角度、主轴需要转 的 圈数、小车需要移动的距离等相关参数，而且控制精度要高，排线精度应小于 0._Smm。 (4)具有点动、自动两种工作状态。 (5)系统具有故障自诊断及显示功能。 (6)在全自动缠绕过程中，操作人员无需操作只需对制品质量进行监测，一 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 19 旦出现异常现象，操作人员可及时按下停止按钮使控制系统转入暂停状态。待 故 障处理完毕，按下启动按钮即可将系统重新转入工作状态并且玻璃纤维搭接自 然。 2.3.2 缠绕机控制方案设计 根据水处理产品用保护外壳用玻璃钢纤维缠绕机的控制要求，设计了以 PLc 和定位控制器为核心、以伺服系统和气动阀为驱动装置，以触摸屏为人机交互 界 面的基于机电一体化技术的玻璃钢纤维缠绕机控制系统，其控制系统的总体框 架 如图 2.4 所示。 图中触摸屏用于工艺参数的输入与显示、故障信息显示及相关基本操作; PLC 为控制系统核心部件，用于逻辑控制、缠绕工艺相关参数计算与控制，同 时接收轴编码器的信号计算主轴和小车的实际速度;定位控制器用于逻辑控制与 定位控制;主轴交流伺服电机用于在交流伺服放大器的驱动下带动水处理产品绕 自轴转动，小车交流伺服电机用于在交流伺服控制器的驱动下控制小车沿芯模 轴 向方向作往复运动，将纤维按一定线型规律在芯模筒身上进行缠绕。光电编码 器 将主轴和小车的转角信号和小车的位移信号送 PLC 处理，以得到主轴和小车的 实际转速。 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 20 图 2.4 控制系统框图 2.3.3 主轴与小车协调控制方案设计 理想的纤维排列方式必须满足两个基本要求:纤维在芯模表面位置稳定且不 打滑，纤维既不重叠又不离缝，均匀缠满芯模表面。前者是力学要求，要求在 缠 绕过程中张力大小必须合适并且稳定Zo;后者是工艺要求，要求在缠绕过程中 芯模转速与小车直线往返速度必须严格遵循速比，如果速比不稳定，势必会出 现 纤维在芯模表面离缝或重迭的现象。显然，这是不能满足产品设计要求和使用 要 求的，因此，缠绕过程中要求芯模与导丝头应严格按一定速比的同时运动。 在纤维缠绕过程中，缠绕工艺要求缠绕纱线必须严格按照特定的布线轨迹 稳 定而均匀地布满芯模表面，这种布线规律称为缠绕线型规律。纤维缠绕规律是 纤 维缠绕机小车跟踪主轴速度控制方法设计的依据28。为了实现连续而有规律 的 稳定缠绕，玻璃钢的结构形状及尺寸不同，纤维在芯模表面上的排布规律(亦叫 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 21 线型)也就不同，即缠绕规律就不同Zo。因此，根据玻璃钢制品的工艺参数 推导 出导丝头移动速度与芯模转速之间的速比关系并使导丝头移动速度与芯模转速 之间严格遵循上述的速比关系运动是实现自动控制缠绕线型的关键。 此控制系统中以主轴电机转速为主速度，工作时设定主轴转速即可，小车 电 机的转速自动跟随主轴电机转速。为保证小车电机的转速能自动跟随主轴转速， 对于主轴与小车电机的转速控制，控制系统采用插补算法。主轴与小车的速度 计 算策略如图 2. _5 所示。 2.3.3.1 主轴与小车速比要求 缠绕速度是指主轴旋转角速度。缠绕过程中，如果缠绕速度过小则会导致 生 产效率太低;如果缠绕速度过大，则会导致树脂基飞贱从而破坏生产环境甚至对 生产人员造成伤害，或者使玻璃纤维胶液浸渍不透从而造成产品不合格。 根据缠绕规律，缠绕线型工艺参数决定了主轴与小车的速比，而主轴和小 车 的最高速度总是有一定限制的，因此当工艺参数确定后，设定缠绕速度时就要 注 意小车的理论速度是否己经超过了其实际最高速度。如果小车的理论速度超过 了 其实际最高速度，那么玻璃钢制品将得不到所设定的线型工艺参数。为得到设 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 22 计 的线型工艺参数，必须降低缠绕速度。由于实际缠绕效果能否与预期目标一致 完 全取决于主轴与小车的速比能否在整个缠绕过程一直保持恒定不变，因此不论 是 筒身段的缠绕，还是封头两端的停车与启动，上述速比关系应严格保持不变， 这 样才能生产出来合格的水处理产品保护外壳。 2.3.3.2 导丝头的端部停留与缠绕 停留角是指纤维缠绕在芯模的左端和右端时，小车在原地位置静止不动， 主 轴芯模继续旋转的角度。当小车停留在芯模左端时的停留角称之为左停角;同理， 当小车停留在芯模右端时的停留角称之为右停角。停留角主要有以下两个作用: 1.停留角的缠绕可以使左右两端的应力强度得到加强; 2.停留角的存在可以保证缠绕返回时不滑线并且保证两端头的玻璃钢厚度 与整个芯模厚度一致。 根据缠绕原理理想化模型，使用螺旋缠绕制备玻璃钢制品时，由于玻璃纤 维 要经多次排布后才能将芯模表面均匀布满双层，因此当纤维缠绕到芯模端面时 导 丝头应立即以原速返回。但是由于张力的存在，纤维会在芯模端面滑动，不仅 会 造成左右两端不能按照理想线型缠绕，而且会造成芯模两端的纤维不是完整的 两 层。为保证端面的缠绕效果与其他部位一致，因此当小车运动到芯模的左右两 端 时应先停止工作，等主轴转过一定角度(停留角)后，小车再反向启动，并保证 速 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 23 比不变，以保证缠绕精度。缠绕精度对水处理产品保护外壳质量影响很大30 02.3.4 玻璃钢缠绕机系统结构 在对缠绕机的设计中，传动部分的设计依据是缠绕机需要满足缠绕工艺， 根 据缠绕工艺确定缠绕机需要有一个带动组件做回转运动的机构和一个带动玻璃 纤维做水平方向进给运动的机构。参考一般缠绕机的类型结构(卧室和立式)， 结合缠绕工艺，水处理产品保护外壳缠绕机采用卧式结构;该缠绕机从系统结构 与所实现的功能来划分，主要可分为三部分:一是主轴系统，其主要作用是拖动 水处理产品保护外壳的芯模绕主轴不断旋转;二是排丝与缠绕系统，安装有导丝 架的小车在床体上通过精密丝杆在一定范围内来回运动，其方向与轴线平行， 小 车以与主轴保持一定比例关系的速度与主轴同步运转，将玻璃钢纤维按工艺要 求 缠绕在芯模上;三是 PLc 控制系统，控制缠绕机根据工艺参数和缠绕制品的几 何尺寸控制主轴和小车的同步运转以完成玻璃钢纤维制品的生产，本机选用了 PLc、定位控制器、伺服系统、触摸屏、行程开关、按钮、光电感应开关和编 码 器等器件，实现了对产品工艺参数的输入、工作状度信息的监控与显示、系统 故 障信息的显示，主轴及小车的正反转，螺旋缠绕、环向缠绕以及小车的自动换 向 的功能控制。水处理产品保护外壳玻璃钢缠绕结构示意图如图 2.6 所示。 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 24 图 2.6 水处理产品保护外壳玻璃钢缠绕系统结构图 其中缠绕机主体结构主要由以下几部分组成: 1.床头箱:包括主轴旋转传动装置和小车行走传动装置。主轴旋转动力由一 个功率为 1KW,额定力矩为 4.77Nm 的电机提供，电机输出的扭矩经减速器再 经同步带轮传动装置驱动主轴旋转，主轴通过卡盘与组件连接驱动芯模旋转;小 车的行走动力由一个功率为 2KW,额定力矩为 9._5_SNm 的电机提供，电机输出 的扭矩经减速器带动滚珠丝杆，再经滚珠丝杆驱动小车做往返运动。 2.床身:起支承和连接主轴箱、尾架和行走小车的作用。床身采用车床的形 式，设有平行导轨，小车和尾座可通过平行导轨移动。 3.小车:小车由滚珠丝杆带动在床身的导轨上往返运动，用于缠绕时的排纱。 浸胶系统装配在小车上跟随小车运动，其作用是使玻璃纤维充分浸胶，浸胶系 统上带有张力控制装置和导丝头。由于水处理产品保护外壳在缠绕过程中对张 力的 要求不是太严格，只需给玻璃纤维提供一个预紧力就行，所以张力控制装置为 纯 机械装置。 4.尾座:由一个拉紧气缸、回转顶针和锁定装置组成。其作用是当水处理产 品保护外壳的一端装置在主轴端时，气缸和顶针顶在水处理产品保护外壳的另 一 端，起固定缠绕制品的作用。尾座可以在平行导轨上来回移动(位置调节)，以 便缠绕不同长度的制品。当水处理产品保护外壳放置好后，尾座由锁定装置锁 定 以保证工作时尾座位置固定不动。 _5.纱架:用于放置玻璃纤维。由于缠绕时的玻璃纤维是由多股玻璃纤维集束 而成，所以纱架上设有多个玻璃纤维旋转盘。 2.4 本章小结 本章介绍了水处理保护外壳的缠绕工艺及制备流程，根据缠绕工艺和制作 要 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 25 求，设计了缠绕机电气控制系统，讨论了主轴与小车速度协调控制的方案及其 端部缠绕时需要注意的地方。第 3 章玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统的硬件电路设 计 电器元件和电路是构成电气控制系统的基础，电器元件的性能、电器元件 之 间是否匹配、电路设计是否合理等因素决定着电气控制系统能否达到预期目标， 因此硬件电路设计是电气控制系统设计的一个重要内容。 3.1 电气元部件选型 3.1.1 PLC 介绍及选择 3.1.1.1 PLc 概述 可编程序控制器(Programmable Controller，简称可编程控制器，英文缩写 为 PLC。国际电工委员会(IEC)在其标准中将可编程控制器定义为一种集数字 运算功能与执行操作功能于一体、专为工业环境应用而设计的一种电子系统。 PLC 主机主要由微处理器(CPU)、存储器(EPROM, RAM、输入输出模 块、通信接口、外围设备接口及电源模块构成31-32，其硬件系统基本结构如 图 3.1 所示。 图 3.1 PLC 硬件系统基本结构框图 由 PLC 硬件系统基本结构图可见，PLC 是以微处理器为基础的工业自动控 制装置。近年来，随着微处理器芯片及其有关元器件价格的大幅下降，PLC 的 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 26 成本也随之下降。与此同时，PLC 把自动化技术、计算机技术、通信技术融为 一体，其性能不断完善，PLC 的应用由早期的开关量逻辑控制扩展到现代工业 控制的各个领域:开关量逻辑控制、运动控制、闭环过程控制、数据处理和通信 联网。由于 PLC 具有体积小、成本低、功能强大、编程简便易于使用、控制系 统结构简单、通用性强、维护简单、系统建造周期短等一系列优点，特别是它 的可靠性很高、抗干扰能力很强，因此得到了所有用户的青睐。在经过短短的 几十 年发展后，PLC 现己成为现代工业控制的三大支柱(PLC、机器人和 CAD/CAM 之一，被广泛地应用于现代工业各个领域，即使在现场总线技术成为自动化技 术 应用热点的今天，PLC 仍然是现场总线技术中不可缺少的控制器330 3.1.1.2PLC 控制系统与计算机控制系统的比较 20 世纪 60 年代，随着小型计算机的出现，有人曾试图用小型计算机来取 代 当时占统治地位的接触器一继电器控制系统，但由于小型计算机的价格高，输 入 /输出电路信号及容量与被控对象不匹配、编程技术复杂等原因，一直没有成功， 代之的却是 PLC 的出现。进入 20 世纪 70 年代，采用微处理器的工业控制计算 机出现了，它与 PLC 共同推动着传统工业的技术改造。经过较长时间的实践应 用，人们又发现，PLC 与一般的工业控制计算机相比，PLC 还是有着较强的优 势，其原因是 PLC 专为在工业环境下的应用而设计:充分考虑环境温度、湿度、 空气中的灰尘及振动性和冲击性对 PLC 的影响，在结构设计时采取有效措施， 避免这些因素对 PLC 造成影响;在硬件上采取对中央处理器(central processing unit CPU)模块和内部电路进行电磁屏蔽、对电源电路和输入/输出(I/O)模 块设置滤波电路、对输入输出电路采取光电隔离、对组成的器件进行严格的筛 选 等一系列措施，在软件上采取集中采样集中输出、自诊断和自恢复等措施。所 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 27 有 这些保护措施使 PLC 具有非常强的抗干扰能力。PLC 的平均无故障运行时间通 常都在几万小时以上，这是其他控制系统所不能比拟的8o PLC 用软件程序取 代 传统控制中的逻辑器件和繁杂的连线，所以其可靠性非常高。因此，一般情况 下， 在工业自动化工程中大部分采用 PLC 控制系统并且效果非常好，目前工厂自动 化领域中约有 90%以上的控制系统使用 PLC，成为工业控制中的主流。 PLC 是以微处理器为基础的智能控制器，所以就其本质来说 PLC 是一种工 业控制用计算机，是工业控制用计算机的一种特殊存在形式。但是 PLC 与通用 计算机除在抗干扰能力方面有差别外，在工作目的、原理和方式上都存在着较 大 的差异34，具体表现在以下几方面: 1.工作目的与环境要求不同:通用计算机系统基本不具备防尘、防湿、防震 功能，对环境的适应能力较差，所以其一般作为上位机放置在控制室作科学计 算 和数据管理用;PLC 专为工业环境而设计，具备很强的环境适应能力，所以主 要放置于工作现场用于做自动控制用。 2.编程语言及学习难易不同:通用计算机一般采用高级语言编程，而高级语 言的使用要经过专门的学习，并且将通用计算机用于控制系统时还需要对其底 层 的硬件与软件的配合有足够的了解，因此学习的难度较高;国际电工委员会规定 PLC 控制系统的编程语言为梯形图、功能块图、顺序功能图、指令表和结构文 本等_5 种，实际应用中主要以梯形图为主，PLC 的编程语言只要稍加培训即可 使用，因此学习的难度小一些。 3.价格不同:采用通用计算机做工业控制系统，除需要购买计算机外还需要 根据控制要求购置控制功能板，因此系统的价格相对较高;PLC 集逻辑控制、 数据计算、通信联网功能于一体，因此 PLC 本体即可满足控制需要，并且 PLC 的价格不高，因此系统的价格相对较低。 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 28 4.车甫助功能模块化不同:经过四十多年的发展，各 PLC 厂家推出了满足各 种不同需求的大、中、小型 PLC，同时也不断推出了实现不同控制功能的各种 控制模块，如温度控制模块、位置控制模块、PID 控制模块、通信模块等，所 以 PLC 控制系统易于集成;而通用计算机系统没有用于实现特定控制功能的模块， 这些控制功能一般需要编写程序来实现。 3.1.1.3PLC 的选型 本系统选用日本三菱 FX3U 系列 PLC o FX 系列 PLC 是集 CPU、电源、输 入 输出于一体的整体式微型可编程控制器，是一款在我国广泛使用的主流机型。 FX3U 系列 PLC 是三菱公司第三代微型可编程控制器，其内置业界最高水平的 高 速处理(基本指令:0.06_5 a S/指令，应用指令:0.642 一数 100uS/指令)及定位 等功能、独立 3 轴 100kHz 定位功能(晶体管输出型)，基本单元左侧右侧均可以 连接功能强大简便易用的适配器，所有这些特点使该系列 PLC 功能强大、性价 比非常高。 它的主要特点有: 1.最大 384 点的输入输出点数:可编程控制器上直接接线的输入输出(最大 2_56 点)和网络(CC-Link)上的远程 I/O(最大 2_56 点)的合计点数可以扩展到 384 点。 2.可以连接的扩展单元/模块种类多:不仅可以连接 FX3U 系列扩展单元/模 块，还可以连接 FX2N 系列扩展单元/模块。 3.存储器容量大:内置了 64K 步的 RAM 内存。此外，可以通过使用存储器 盒，将程序内存变为快闪存储器。 4.运算指令丰富，应用方便:提供基本指令 27 个、步进梯形图指令 2 个、 应用指令 209 种。除了浮点数、字符串处理指令以外，还具备了定坐标指令等 丰 富的指令。 _5.内置 RUN/STOP 开关:可以通过内置开关进行 RUN/STOP 的操作。此外， 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 29 也可以从通用的输入端子或外围设备上发出 RUN/STOP 的指令。 6.内置时钟功能，可以执行时间的控制。 7.支持程序的远程调试:如果使用编程软件(GX Developer)，可以通过连接 在 RS-232C 功能扩展板以及 RS-232C 通信特殊适配器上的调制解调器，执行远 距离的程序传送以及可编程控制器的运行监控。 8.高速计数功能:本体单元具有硬件高速计数器的功能，能捕捉单相 100KHz 或双相_SOKHz 的高速脉冲;如果连接高速输入特殊适配器(FX3 U-4HSX-ADP), 则能捕捉单相 200KHz 或双相 100KHz 的高速脉冲。 9.脉冲输出功能:使用本体(晶体管输出型)的输出端子时，可 3 轴同时输出 最高为 100kHz 的脉冲(开集电极输出);如果使用 2 台高速输出特殊适配器 FX3U-2HSYADP，可 4 轴同时输出最高为 200kHz 的脉冲(差动线性驱动输出)。 PLC 选型的关键在于满足基本控制功能和容量，在此水处理产品保护外壳 用玻璃钢纤维缠绕机控制系统中，PLC 接收的输入点数为 12 个，输出点为 1 个， 因此选用的 PLC 具体型号为 FX3U-32MT/ES-A。此款 PLC 的输入/输出点数各 为 16 点，输出型式为晶体管，工作电源为交流 220V o 3.1.2 定位控制系统介绍与选择 虽然三菱 FX3U 系列 PLC 功能强大，能 控制伺服电机放大器，但其无插补运算功能， 3 轴同时输出最高为 100kHz 的脉冲 准确、方便，因此此系统中需配置定位控制器 两轴协同控制方面没有定位控制器 ，以方便准确的对主轴和小车两轴 进行协调控制。定位控制器选用三菱定位控制单元 FX2N-20GM，其外形如图 3.2 所示。 玻璃钢缠绕机玻璃钢缠绕机 PLC 控制系统控制系统 30 图 3.2 定位控制器 FX2N-20GM 外形图 FX2N-20GM 为 2 路脉冲输出单元，2 路脉冲既可同时输出也可独立输出， 脉冲输出频率可达 200KHz，因此可对步进电机或伺服电机通过驱动单元进行 定 位控制。FX2N-20GM 本体具有独立的中央处理器(central processing u