（机械电子工程专业论文）叶片缠绕机张力控制系统的分析与设计.pdf

摘要 复合材料是用特定的方法将两种或两科r 以上不同性质的材料组合在起而构成 的一种新型材料。复合材料与传统金属材料相比，具有重量轻、强度高、加工效率高、 易整体成形等突出的特点。 纤维缠绕复合材料成形的设备已在许多领域j 泛应用，但目前纤维缠绕技术主要 集中在网转体产品的缠绕上，相应的成型设备很多，而特殊要求的非叫转体缠绕技术 还处在新生阶段，相应的设备也较少，但由于它在复合材料特种加工能方面的优势， 其应用前景必将越来越广阔。 本文以某型直升机尾桨叶片加工设备为基础，完成了以下工作： 一、 分析了复合材料的特性、加工工艺以及常用复合材料加工设备的特点和加工技 术的发展史，对复合材料加工技术的发展趋势进行预测。 二、 针对叶片结构的分析，提出以非回转体缠绕方法进行加工；对非回转体缠绕规 律进行理论分析，建立了非回转体环向缠绕的运动及受力的数学模型。 三、 根据非回转体环向缠绕理论及叶片产品的具体要求，分析缠绕工艺，建立了张 力控制系统的数学模型。 四、 讨论了张力控制系统的构成原理，设计了以可编程控制器控制的交流伺服系统， 实现该设备的可控非回转体环向缠绕运动；设计了以永磁式直流磁粉制动器、 压力传感器及张力控制器为执行元件的张力控制系统，它能够实时、在线地检 测和调整缠绕过程中预浸料的张力；计算如张力控制系统的传递函数，设计了 积分分离数字p i d 张力控制算法对系统各个参数进行调整。 五、采用r s 2 3 2 通讯协议完成上位机和下位机之问的通讯，完成数据采集系统的设 计及张力控制软件的编制。 六、设计实验装置，对系统进行模拟、仿真。 荚键词：纤维缠绕机；非回转体缠绕；张力控制；伺服系统； a b s t r a c t c o m p o s i t em a t e r i a li san e wt y p em a t e r i a l ，w h i c hi sc o m p o s e dt w oo rm o r ek i n d so f d i f f e r e n tp r o p e r t i e sm a t e r i a l si nap r o p e rw a y c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o nm e t a lm a t e r i a l ，i t h a sm a n yp r o m i n e n tm e r i t sa n df i n ep e r f o r m a n c e s f i b e rw i n d i n gc o m p o s i t em a t e r i a ld e v i c eh a v eb e e na p p l i e di nm a n yf i e l d ，b u t t e c h n o l o g ym a i n l yc o n c e n t r a t ei ng y r a t i n gp r o d u c t i o n ，m a n yd e v i c e sc o r r e s p o n dt o t h e m ，t h e r e f o r es p e c i a ld e m a n d i n gn o g y r a t i n gf i b e rw i n d i n gt e c h n o l o g yi sn e wp h a s e ，f e w e q u i p m e n t sc o r r e s p o n dt ot h e m ，b u ti t sa d v a n t a g ei n p r o c e s sc o m p o s i t em a t e r i a li sv e r y w e l l ，s oi t sa p p l i e df o r e g r o u n dm u s ti sw i d e l yb yw i d e l y t h i sp a p e rb a s es o m e o n et y p eh e l i c o p t e rt a i la i r s c r e wv a n em a c h i n i n gd e v i c e ，f i n i s h e d f o l l o w i n g t a s k ： f i r s t ，a n a l y z i n gc o m p o s i t em a t e r i a l sp r o p e r l y 、m a c h i n i n gp r o c e s sa n du s u a l c h a r a c t e r i s t i co fd e v i c et h a tm a c h i n i n gc o m p o s i t em a t e r i a la n dp h y l o g e n yo fm a c h i n i n g t e c h n o l o g y ，f o r e c a s t i n gt e c h n o l o g yt r e n do fm a c h i n i n gc o m p o s i t e m a t e r i a l n e x t ，a n a l y z i n gt h es t r u c t u r eo fv a n e | ，u s en o g y r a t i n gf i b e rw i n d i n gt e c h n o l o g yt o p r o c e s si t ；a n a l y z i n gr u l eo f n o g y r a t i n gf i b e rw i n d i n gt e c h n o l o g y , f o u n d e dm a t h e m a t i c s m o d e lo fm o t i o na n ds t r e n g t ht h a tn o g y r a t i n gr o u n df i b e rw i n d i n g n e x t ，a c c o r d i n ga sn o - g y r a t i n gr o u n df i b e rw i n d i n gt h e o r ya n d c o n c r e t er e q u e s to f v a n e ，a n a l y z i n gt h ew i n d i n gt e c h n i c s ，f o u n dt h em a t h e m a t i c sm o d e l o ft e n s i o nc o n t r o l s y s t e m n e x t ，d i s c u s s i n gs t r u c t u r i n gt r u t ho ft e n s i o n c o n t r o ls y s t e m ，d e s i g n i n gt h a tp l c c o n t r o la cs e r v o - s y s t e m ，a c h i e v em a yc o n t r o ln o g y r a t i n gr o u n df i b e rw i n d i n gm o t i o n ； t h et e n s i o nc o n t r o ls y s t e mu s i n gp e r m a n e n t m a g n e td ct o r q u em o t o ra n dp r e s ss e n s o ra n d t e n s i o nc o n t r o l l e ra se x e c u t i v ec o m p o n e n ti sd e s i g n e d ，i tc a nr e a lt i m ea n do n - l i n e m e a s u r ea n da d j u s tt e n s i o no fb e f o r e h a n dd i pm a t e r i a lo fw i n d i n g ；c o m p u t e dt r a n s f e r f u n c t i o no ft e n s i o n c o n t r o ls y s t e m ，d e s i g nt h ec o n t r o la r i t h m e t i co fi n t e g r a la p a r td i g i t a l p i da d j u s te v e r yp a r a m e t e ro fs y s t e m n e x t ，u s i n gt h er s 一2 3 2 cp r o t o c o lt oa c h i e v et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ne p i g y n y u n i ta n dh y p o g y n yu n i t ，f i n i s hd e s i g no fd a t ac o l l e c t i n ga n de d i tw h i c ht e n s i o nc o n t r o l s o f t w a r e f i n a l ，d e s i g ne x p e r i m e n te q u i p m e n t ，t h es y s t e mi s s i m u l a t e da n de m u l a t e d k e y w o r d ：f i b e rw i n d i n gm a c h i n e ；n o g y r a t i n gw i n d i n g ；t e n s i o nc o n t r o l ；s e l w o s y s t e m ； 独创性声明 y8 6 6 16 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导卜- 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，也不包含为获得丢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。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的、浼明 并表示了谢意。 学位论文作者签名：a 易v 驴 签字h 期：口石年月彩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云望王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授 权丞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况明) 学位论文作者签名 勿筋涉 签字目期： 口多年) 月髫日 导师虢锄3 彦小，秒。 签字r 期：驴年月名r 学位论文的主要创新点 、对非【到转体环向缠绕进行运动学和力学分析，建立了l q 缠绕机张力 状态的数学模型。 二、将计算机控制交流饲服驱动系统运用于叶片缠绕机，精确地控制主轴 芯模旋转，而保证1 1 f j 片缠绕机环向缠绕时纤维张力恒定。 三、设计实验装置，对整个张力控制系统的工作进行模拟分析。 第一章概述 第一童概述 1 1 纤维缠绕的工艺流程及优点 工艺流程如图1 - 1 所示。非回转体纤维缠绕技术在缠绕工艺流程方面和酗转 体缠绕技术是相同的。 图1 - 1 纤维缠绕的i 艺流程 缠绕成型工艺与其它复合材料成型工艺相比较，具有以下优点”： l 、产品获得强度高 缠绕时纤维受到拉力张紧，可以充分发挥纤维拉强度高的特点；并且纤维是 连续的也有助于提高产品的强度。纤维在机械控制下沿优化的受力方向精确放置， 可以按设计要求在特定的方向提供强度。材料的分布是按强度设计合理分布的， 即各向异性的，克服金属等各向同性体强度冗余较难控制的缺点。整个制品纤维 含量较高，零件整体成型，避免了拼装连接备工艺，可提高材料的抗疲劳能力。 2 、生产效率高，能大规模生产，产品质量稳定 由于复合材料在加工成产品是采用模具高温固化整体成型技术，不需要额外 加r t ，大大缩短了生产时间，在保证产品质量的情况下，大大地提高了劳动生产 率。 3 、湿法缠绕树脂和高强度纤维能直接使用，无须制各中间材料，能显著降低生产 成本，大幅度提高经济效益。 第一章概述 总之，虽然纤维缠绕因为滑线和架空问题的存在对零件的几何形状有较多的限 制要求，许多形状的零件不能采用缠绕成型，但就目前的工艺来说，纤维缠绕仍 然是制造复合材料结构件的一种虽有效和成本最低的方法。当然不排除新的工艺 能既继承缠绕工艺的优点义能克服其缺点。 1 2 纤维缠绕工艺分类 非回转体纤维缠绕成型在工艺分类方面与通常的纤维缠绕成型工艺是相同 的，具体可分为下列几种类型i ”： l 、根据纤维缠绕在芯模内腔、外侧分布情况 ( 1 ) 外侧缠绕 外侧缠绕是纤维缠绕在芯模的外侧，是日前最常见的一种缠绕方法，复合材 料制品的几何形状决定于芯模外表面。 ( 2 ) 内侧缠绕 内侧缠绕是把浸胶量较大的纤维借助离心力甩缠在芯模内侧，制品形状取决于 芯模内腔的几何尺寸，这种方法较少见。 2 、根据纤维轨迹所在的空间位置 ( 1 ) 平面缠绕 平面缠绕常用轨道式或摇臂式缠绕机缠绕。纤维轨迹所在平面与芯轴相交成 较小夹角。 ( 2 ) 环向缠绕 环向缠绕较简单，芯轴转。周，环向纤维前进一个纱片宽，纤维缠绕角接近 9 0 。，其轨迹似密牙螺纹。 ( 3 ) 螺旋缠绕 螺旋缠绕稍复杂一点，其纤维轨迹在空间呈螺旋线形状，并均布于芯模表面， 按规律排列出各种不同的缠绕线型。 3 、根据纤维浸胶工艺方式 ( 1 ) 干法缠绕 于法缠绕是先用预浸纱片缠绕到芯模上，然后加热固亿成型制品。其制品质量比 较稳定，可以严格控制纱片之含胶量和纱片宽度、厚度。但这种方法要增加预浸 纱片设备，需要有能使缠绕的预浸纱片在缠绕贴近芯模表面时加热熔化的设备。 ( 2 ) 湿法缠绕 湿法缠绕是将纤维纱片浸渍树脂胶液后，直接缠绕到芯模上，然后加热固化成型 第+ 覃概述 制品。该法不需要另配置纱片的预浸胶设备，但其质量控制不如干法缠绕，缠绕 卫生条件羞，浸胶轴、槽需经常清沈，经常维护。 ( 3 ) 半干法缠绕 半干法缠绕是将纤维纱片浸渍树脂胶液后，经预烘后随即缠绕到芯模上，然后固 化成型制品。该法与湿法相比增加了烘1 。工序，与千法相比缩短了烘干时削，降 低了胶纱的烘干程度。 图i - 2 干法及湿法成型工艺流程图 _ h 薄 矗 睦 h h v 4 根据纤维种类 根据复合材料所采用的纤维种类可分为玻璃纤维缠绕复合材料、碳纤维缠绕 复合材料、有机纤维缠绕复合材料和金属纤维缠绕复合材料。 3 第一章概述 1 - 3 纤维缠绕复合材料的特性 复合材料是由多种成分的材料组成，许多性能优于单一组成的材料。 维复合 树料是出两种或瞬种以l 性质不同材料组合而成的，它的结构单元包括纤维、基 体和界面。基体为纤维提供了一个连续的的介质，不仅可保持纤维的铺设形态， 而且还从结构上保证了纤维的载荷传递，并允许纤维承受压缩和剪切载荷。同h _ j ， 基体在纤维之间起着分散和传递载荷的作用，强化了沿纤维方向纤维承载能力， m 于纤维复合树料可以集中和显示各组材料的优点，并能实现最佳结构设计，所 以具有许多优良的特性。 复合材料相对于金属材料具有下列优点”： 1 、比强度、比模量高 比强度是材料强度和比重的比值，同样，比模量是材料模量和比重的比值，玻 璃纤维增强树脂基复合材料的密度为1 5 2 o g c m l ，普通碳素钢的密度为 7 8 9 c m 3 ，可以看出，纤维复合材料的密度只有碳索钢的l 4 1 5 ，比铝合金的 密度小1 3 左右，而机械强度却能超过普通碳素钢的水平。玻璃纤维增强树脂基 复合材料的比强度不仅大大超过碳素钢，而且可以超过某些特殊合金钢，碳纤维 复合材料、有机纤维复合材料具有比玻璃钢纤维增强的树脂基复台材料更低的密 度和更高的的强度，因此具有更高的比强度。 2 、可设计性好 复合材料可以根据不同的用途要求，灵活地进行产品设计，具有很好地可设 计性。通过改变纤维、基体的种类及相对应含量、纤维集合形式及排列方式、铺 层结构等可以满足对复合材料结构与性能的各种设计要求。复合材料制品的制造 始于整体成型，一般不需要焊、切割等二次加工，工艺过程比较简单。 3 、减振能力强 构件的自振频率除了与其本身结构有关外，还与材料模量的平方根成j 下比。 纤维复合材料的比模量大，因此它的自振频率很高，在通常加载速率或频率条件 下，不容易出现共振而快速断裂的现象。同时，复合材料是一种非均匀质的多相 体系，在纤维与基体之间存在着大量的界面。由于界面对振动有反射和吸收作用， 所以复合材料的振动阻尼性很强，即使激起振动，也可能很快衰减。对相同尺寸 和形状的粱进行振动试验结果表明，对于同一振动，轻合金梁需要9 秒才停止， 而碳纤维复合材料梁只需要2 3 秒就可以停止振动。 4 、温度性能好 一般金属在4 0 0 5 0 0 。c 以上就会完全失去强度，而用连续纤维或氧化碳纤 维增强基复合材料，在这样高的温度下仍然有较高的强度。陶瓷基纤维复合材料 d 第一苹概述 可以承受1 2 0 0 1 4 0 0 。c 的高温，面碳碳复合材料的耐热温度甚至可以达到3 0 0 0 。c 左右。另外，聚合物基复合材料还具有优良的耐烧蚀性。在高温下，树脂基体 热解形成碳残余，而分解出的低分子物质通过残基的孔隙向外溢出并带走热墓， 形成较低的界面，起到隔热作用。 5 、自动化程度高 随着自动化控制技术的不断提高和缠绕理论的不断完善、深入，缠绕自动化 程度越来越高，工人的劳动强度越来越低。数控多坐标缠绕机的出现，缠绕制品 的结构和形状范围得到空前的拓展。整体的自动化水平和产品的质量得到大幅度 地提高。 6 、技术经济效益好 根据产品的不同性能要求，在同产品上叮选用多种性能各不相同的增强材 料复合在一起，以同时满足不同的技术指标，收到最佳的效果。由于是给定芯模 且有时预先嵌入相应的连接件后，爿进行一次或分次缠绕成型。因此，省去了拼 装、连接等工序，提高了制品的整体性能，改善了结构抗疲劳特性。这些工艺无 疑大大提高了生产效率，节约材料，降低成本。 1 4 纤维缠绕复合材料的应用 与传统的材料( 如金属、木材、水泥等) 相比，复合材料是一种新型材料。 如上所述，复合材料具有许多优良性能，并且成本在不断下降。成型工艺的机械 化、自动化程度不断提高，因此，复合材料的应用领域日益广阔。各种玻璃纤维 ( 及其制品) 与各种树脂基的相互合理组合，司以剑得各种各样的比例纤维增强 树料结构件。 目前，纤维复合材料在飞机制造业中已得到广泛的应用。由于先进复合材料 被大量用作飞机的结构件材料，使得飞机重量大大减轻，整机价格降低，飞行性 能得到改善，可靠性提高。航天领域尤其需要比强度和比模度高、耐摩擦和耐高 温材料，而复合材料恰恰充分显示了运方面的优越性。经过合理设计的碳纤维复 合材料其热膨胀系数可接近为零，作为宇航材料使用时不仅强度高、模量大，而 且还显示出优异的尺寸稳定性。如果在飞行器表面铺设耐烧蚀纤维复合材料，可 避免因高速穿过大气层剧烈摩擦产生的高温而造成损害”。 5 一 第一章概述 1 5 纤维缠绕技术简介 所谓纤维缠绕，是指一束或几束连续纤维有规律的缠绕在芯模上。山十纤维 已经浸渍胶粘剂，经过固化便可形成纤维缠绕复合材料制品。 任何形式的缠绕都是纤维和芯模的相对运动实现的。如果不按特定纤维缠绕规 律( 包括线型规律和缠绕运动规律) 进行缠绕，势必会导致纤维在芯模表面上离 缝、重叠或者滑移等现象。因此，纤维缠绕线型必须满足如下两点要求： 1 、纤维即不重叠也4 i 离缝，均匀连续地布满芯模表面。 2 、纤维在j 签模表面位置稳定，不打滑、不架桥。 要使芯模表面均匀布满并使制品达到各项性能要求，必须弄清以f 基本 概念m ： l 、一个完整的纤维缠绕概念，在缠绕过程中，纤维由芯模上某点开始，经过若干 次往复缠绕后，又回到起始点上，这样在芯模上完成的一次( 不重复) 向线，这 是一个完整的循环。一个完整的循环的纤维排布花样，称为标准线。要使纤维均 匀地布满芯模的表面，需要若干个循环的连续纤维缠绕形成。标准线的排布形式， 包括用切点法或交叉点法来描述线型的排布形式，均可反映纤维缠绕线型的排确i 规律。 2 、切点数和分布规律。螺旋缠绕的纱带，在完成一个循环时，在极孔圆周上若只 有一个切点，称为单切点，而在个完整循环中有两个以上的切点，称为多切点。 切点数越多，纤维交叉数越多，即便纤维在两端出现聚集，形成不均匀的缠绕， 这样有可能出现应力集中。因此应尽量选择少切点的线型。 3 、纤维缠绕张力的选择。机翼的抗弯强度、层间剪切强度和疲劳强度与纤维缠绕 张力有着密切的关系。纤维缠绕张力过小，制品强度低；纤维缠绕张力过大，会 使纤维的强度损失加大，制品强度f 降。所以，纤维张力选择要适当，经验证明 纤维张力大小一般为纤维强度的5 1 0 比较适合，并且应按相应的纤维张力设 计理论，设计由内向外各层张力逐渐减少的张力梯度。 4 、缠绕速度的选择，缠绕速度过小，生产效率则低；缠绕速度过大，芯模转速过 高，容易造成树脂离心外溅，纤维不能良好浸润。因此，缠绕速度一般控制在2 5 5 0 m m i n 为宜。同时，小车在行程两端会惯性冲击，为使缠绕平稳、高效，小车 的最大速度不应超过t m s 。 5 、缠绕角的选择。缠绕角的选择应根据缠绕制品的性能要求或缠绕方式而定。合 理的缠绕角是保证制品性能的关键。对零件而言：缠绕角选择过小，横向强度减 弱。纵向弯曲刚瘦提高；缠绕角过大，则纵向抗拉强度减弱。故应根据零件工作 时的受力状态合理设计缠绕角。 第一章概述 1 6 纤维缠绕技术的发展现状及趋势 1 6 1 国外纤维缠绕技术的发展现状 纤维缠绕技术始丁4 0 年代美国发展导弹等武器装备的需要，1 9 4 6 年纤维缠绕 成型工艺在美国取得专利，1 9 4 7 年美国成功地研制了世界上第一台缠绕机。6 0 年 代初期，多家公司开始提供机械式缠绕机，这类机械式缠绕机是山一个电动机拖 动主轴和小车组成，这类缠绕机可以划为第一代纤维缠绕机。由于机械式缠绕机 受单纯靠齿轮、链条布局进行控制的局限性，使得许多计算彳i 能够精确实现，缠 绕精度较数字程序控制缠绕机低。 到6 0 年代中期，应火箭发动机成型的特殊缠绕要求，出现了控制更加复杂的 缠绕机，其特点是采用了液压伺服马达。这类缠绕机是将芯模的角位移量和小车 的线位移量都转换为电脉冲形式的数字量进行控制。这类缠绕机可划为第二代缠 绕机，即数字程序控制缠绕机。但这类缠绕机的缺点在于：非线性缠绕时仍需要 设计加工凸轮，而且拨码开关只能存储少量信息，数字程序控制系统没有编程和 运算的功能，因此改变纤维制品时准备工作量仍很大，所以还不能满足缝绕复杂 制品的要求。 7 0 年代初期出现了计算机数字控制( c n c ) ，于1 9 7 3 年e n l e c 公司按美国政 府合同开发了第一台微处理器控制的缠绕机。这类缠绕机可划为第三代缠绕机， 即计算机控制纤维缠绕机。前西德于8 0 年代采用西门子的通用数控系统，成功开 发出了新一代的c n c 纤维缠绕机。近十几年来，计算机和伺服驱动技术飞速发展， 性能大幅度提高，价格也下降了许多，世界上也相继出现了很多缠绕机厂家”1 。 1 6 2 国内纤维缠绕技术的发展现状 6 0 年代中后期，北京玻璃钢研究所和哈尔滨玻璃钢研究所都成功地研制了链 条式机械纤维缠绕机。1 9 7 4 年，北京玻璃钢研究所又相继研究成功了x l 型和x 2 型行星式纤维缠绕机。1 9 7 5 年哈尔滨玻璃钢研究所从前西德引进了w e - 2 5 0 型脉 冲数字伺服纤维缠绕机，同年园家建材总局给北京玻璃钢研究所下达了参照 w e 2 5 0 型缠绕机原理研制大型纤维缠绕机的任务，1 9 7 9 年浚所研制成功了 s y c 2 5 0 数字程序控制电液伺服纤维缠绕机。 1 9 8 3 年至1 9 8 5 年，哈尔滨工业大学试制成功台实验用原理性样机，型号为 j k c r 5 0 4 0 0 k ，该机系国内首创，获航天部科学技术进步二等奖。1 9 8 6 年又进行 了两次技术开发转化成商品，研制了j k c r l 0 0 6 0 0 b 闭环控制纤维缠绕机供航天 部4 3 所试用。同时为航天部5 0 8 所研制一台步进电机驱动的开环控制纤维缠绕机 7 第一章概述 _ 一 _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ n - _ - - _ _ - _ - _ _ _ - - - _ _ - - - d _ _ _ _ - _ - - _ _ _ _ ，- h - _ _ _ - ，_ _ ，_ _ _ - - _ ，- _ _ _ _ _ - - _ _ _ 一 j k c r l 2 0 4 0 0 k 。所研制的这3 台纤维缠绕机皆采用主轴恒速旋转产生基准脉冲， 然后分频来控制其它各轴的运动控制方案。其主要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。 1 9 8 9 年至1 9 9 3 年，哈尔滨工业人学又为航天工业总公司7 0 3 所研制成功了新 一代固产高性能微机数控纤维缠绕机j k c r l 2 0 8 0 0 b ，实现了4 辅联动血轴控制， 零度和“探戈( t a n g o ) ”缠绕( 即各轴都是自主变速的) ，控制系统具有了自动加 减速和暂停等新功能。经专家签定认为，该缠绕机是一台高技术的机电一体化新 “品，并用它成功地为7 0 3 所缠绕了东风3 1 后仪器舱壳体工艺试验件，标志着微 机控制纤维缠绕机从研制走向了成熟和实用，缩4 , t 我国纤维缠绕机与因外水平 的差距”。 1 6 3 纤维缠绕技术的发展趋势 目前，虽然纤维缠绕机在技术和功能上日趋成熟，但它仍在不断飞速发展， 概括来说，有以f 几大发展趋势“： 1 、给缠绕机配备高性能的精密张力控制系统在缠绕过程中，浸胶的纤维在一定张 力作用下逐层缠绕到芯模上，适当和平稳的预张力可增强缠绕制品承受内压的能 力，提高其抗疲劳特性。尤其在按摩擦机理设计的非测地线缠绕中，如果缠绕张 力不稳定，则很难缠出预定的线型，甚至导致缠绕失败。因此张力控制器是纤维 缠绕机的必备辅助装置，是随着缠绕机一同发展的。 2 、缠绕机向高生产率方向发展为提高生产率，通常在一台缠绕机中采用多个绕丝 嘴并行工作的方法。 3 、缠绕机向工艺方法复合化方向发展将挤拉成型、带缠绕( t a p ew i n d i n g ) 、带 铺放和纤维编制工艺引入缠绕机。热塑性树脂用作基体具有耐高温、抗湿热、抗 冲击、断裂韧性和损伤容限高及可修补、可回收等优点，近十年来在复合材料应 用领域呼声很高。因为热塑性树脂具有许多优于热圃性塑料的优点，缠绕机也朝 着兼有热塑性纤维带缠绕能力的方向发展。将工艺复合化，需要在缠绕机上增加 诲多辅助装置，如带铺放头，加热和压轴装置及切斯装置等。 4 、结合机器人来简化缠绕机的研制因为传统的纤维缠绕机比较复杂，造价昂贵， 而机器人在发达国家却是批量生产的现成商品，所以许多欧美的大学尝试用机器 人( 通常有6 个自由度) 与外加一个主轴和尾座构成一台缠绕机，缠绕了三通、t 型等零件。其优点是缠绕机主机的锖造由于购买机器人而得到简化，而且机器人 自由度多，腕关节灵活，可以缠绕三通及弯管等异型构件，并完成质量检验、装 卸芯模的工作。其缺点是普通机器人工作空间有限，缠绕零件尺寸较小。另外， 机器人重复定位精度也较专用缠绕机差，需要在机器人臂上安装导纱机构，并且 需研制不同的操作器来适应缠绕、质量检验、装卸芯模等工作。 一8 一 第章概述 1 7 选题的目的和意义 本课题是应保定5 5 0 厂要求，为其定制“卣九”型直升机尾部螺旋桨缠绕设备， 在此基础上，我 j 对这种非回转体( 芯模) 缠绕的张力控制系统进行了深入地研 究，归纳总结了非叫转体缠绕的特性，针对尾桨叶片缠绕机，设计了张力控制系 统。 通过本课题的研究，我们建立了非回转体纤维缠绕张力系统的数学模型，设 计了纤维缠绕过程中的纤维张力控制系统。为此，我们主要完成以下几方f l i f 工作： l 、在以回转体( 芯模) 纤维缠绕的基础上，对非回转体环向纤维缠绕的运动状念 进行研究，分析它的运动特性，受力状况，构建非回转体环向纤维缠绕运动和 受力的数学模型。 2 、在实验室实验数据的基础上，提出一种可编程控制器( p l c ) 和功能模块为控 制器，以交流数字伺服电机、张力控制器、磁粉制动器为执行元件的精密张力 控制系统。 3 、进行张力控制系统的方案设计，求出张力控制系统传递函数，对控制过程进行 优化，对控制过程进行仿真实验。 4 、丌发控制系统软件，实现张力的闭坏控制，对控制过程进行一系列试验，通过 本课题的研究，为后续工作打下坚实的基础。 第一章纤维缠绕张力状态的理论分析 第二章纤维缠绕张力状态的理论分析 缠绕运动规律是描述纤维缠绕机将纤维均匀排前i 在芯模表面时，主轴芯模和 纤维之间运动关系的规律。本课题所研究的纤维缠绕机缠绕运动主要是：纤维在 芯模上做环向缠绕，基于这种缠绕运动特点，本章主要分析了纤维缠绕机的芯模 运动舰律和纤维所受张力的状况。 缠绕运动过程中纤维的张力控制是整个缠绕运动控制中关键的步骤，纤维张 力控制的优劣直接决定缠绕产品质量的好坏。对纤维在缠绕运动中的张力变化规 律、张力构成要素、张力影响因子等因素的分析是纤维缠绕机张力控制系统设计 中重要的工作。 2 1 回转体纤维缠绕运动理论的分析 非回转体( 芯模) 缠绕相对于回转体( 芯模) 缠绕，可以看作是回转体缠绕 的一种特殊形式，它与回转体缠绕具有许多相同的特性、力学特征、运动规律， 我们以与回转体缠绕运动对比的方式分析非回转体缠绕的特点、特性，分析它们 的共性，找出特性，为设计叶片缠绕机张力控制系统的设计掌握第一手的资料。 2 1 1 回转体纤维缠绕运动的性质 所谓回转体缠绕是指芯模为回转体构件，既芯模的任意垂直于自身轴线的裁 而的几何图形为中心点位于芯模轴线上的圆形。我们通常使用的回转体：薛模主要 有圆柱体、锥体、球体以及母线为规贝日曲线构成的回转体。 对常见或者典型的回转体，要实现测地线缠绕，必须严格控制芯模的回转速 度和纤维的行进速度。在常有的缠绕过程中，一般都是固定一个运动的速度，调 节另个速度。最常见的就是让芯模傲匀速转动，通过调节纤维的行进速度，以 保持缠绕角的恒定不变。在测地线缠绕的时候1 ： r js i n n j c 其中：r 一任意截面处的半径； 口一任意截面处帽应的缠绕角； c 一常数，由缠绕的边界条件或其他要求确定。 第一二章 纤维缠绕张力状态的理论分析 如果要在整个曲面中实现测地线缠绕，那么，对于任意的两个截面，有 r 。s i n a 。= r is i n a t 其中：r 一任意截面j 处的半径： a 一任意截面f 处相应的缠绕角： 尺一任意截面i 处的半径： 口，一任意截面i 处相应的缠绕角。 旧转体纤维缠绕运动主要包括两方面内容： 1 、纤维在芯模上的缠绕轨迹； 2 、缠绕机落纱点的运动方程。在纤维缠绕过程中，落纱点在产品芯模表面处于最 稳定状态称“落点稳定”，从几何意义上讲，在曲面上测地线是稳定的，因此， 只有沿测地线缠绕的落点最稳定。稳定缠绕足纤维缠绕规律计算和缠绕机落纱点 运动规律设计与控制的基础。 根据回转曲面测地线的r ls i n a 。c 可知，只有满足这个条件的曲线，j 。是缠 绕最稳定的测地线。纤维与芯模( 或纤维与已缠绕在芯模上的纤维层) 之间的摩擦 力将起作用，我们就可以以此着手，进行回转表面上偏离测地线而不产生滑移的 非测地线缠绕的计算，非测地线缠绕的基本思想是：缠绕于芯膜表面的浸胶纤维与 芯模表面之间、纤维层与层之间总是存在着摩擦力，在缠绕纤维偏离测地线的 定范围内，浚摩擦力能阻止纤维的侧向滑移。我们已经知道当纤维缠绕不滑移时， 应满足如下的关系式： d fs 弘o d n 其中： d f 一摩擦阻力的合力； d n 一法向力的合力； 一静摩擦系数 只有满足d fs 。d 这种情况，纤维在缠绕过程中纤维才可以保持紧密、不 打滑、连续地缠绕。 2 1 2 回转体纤维环向缠绕的运动公式 由于本课题的目的是设计叶片缠绕机的张力控制系统，而叶片缠绕机的缠绕 运动是典型的环向缠绕，所以我们着重讨论回转体纤维环向缠绕的运动规律，与 下面的章节的非回转体纤维环向缠绕进行比较，找出他们的异同点。 第一章纤维缠绕张力状态的理论分析 轴 纤维 导辊 图2 - 1| 亓1 转体纤维环向缠绕轴视图 l 、组孵所受外力与：卷模运动的关系 轴 h2 - 1 我们可以得出，纤维沿芯模外表面做环向运动，每旋转一周，切入 ，i ip 。y 。k ) 在芯模半径方向上移动一个纤维厚度的距离。下面我们讨论一一次完 整1 5 1 绕小j 运动特征方程。将纤维某段看作刚性体来研究时，其所受合外力为ff 即为纤绁昕受张力y f ，n ，口为纤维运动的加速度。 “o 为j - 傈证纤维磷受张力恒定，其所受外力的合力必须为零即：警f ；o ，即： 纤维 运动过程中始终保持匀速运动( 口t o ) 。 “” i 矧2 - 1 我们可知，芯模旋转的加速度与纤维运动的加速度相同，即n 。：d 且 v = w r 町得： 口。v , _ - v o ( 一，r t ；0 其中： 席。芯模旋转加速度； 一f 时刻缠绕点线速度； k o 时刻缠绕点线速度； 一，时刻芯模角速度； & o 时刻芯模角速度； r f 时刻预浸料团半径； 因为单次缠绕，缠绕半径且在一个周期内保持恒定，所以芯模角速度w 保持 、 o ， 笙：二兰竺丝塑笙鲞查坚查塑堡垒坌堑 恒定，即：芯模以恒角速度旋转爿。可以保证纤维匀速运动，也就保证r 纤维所受 张力恒定。 2 、缠绕运动的状态公式 山图2l 可知，当纤维沿芯模外缘从p 伍。，y 0 ) 运动到p ( x 。，y 1 ) 点时， 磊丘一蠡2 嘁 ( 2 _ 1 ) 其中：口p ( x 。，r o ) - 与e ( x ，y 1 ) 原点连线的必角； r r 一芯模的半径； 因为芯模的外轮廓为圆形，所以： r r 。r008口(2-2) i y ，= rs i n 0 又田为： 0 = 积 ( 2 3 ) r ，= 如，2 + y ，2 ( 2 4 ) 将公式( 2 - 3 ) 代入公式( 2 2 ) 后，将变换后的公式( 2 - 2 ) 代入公式( 2 4 ) 得m ： 置= 【rc o s ( “) 】2 + f rs i n ( “) 】2 ( 2 5 ) 将公式( 2 - 5 ) 代入公式( 2 - 1 ) 得： 髓= 2 丽”o r , = 塑蜓骂驴业鲣 e ， 由公式( 2 - 6 ) 可知，只要控制芯模旋转的角速度就可以有效地控制纤维的张力。 2 1 3 回转体纤维缠绕运动的参数”2 “4 1 、停留角 停留角是指在纤维缠绕的左端和右端时，小车位置保持原地静止不动，主轴 芯模继续旋转的角度。根据小车停留的位置，停留角分为左停角和右停角。停留 角主要有下面两个作用： ( 1 ) 、根据常规设计，停留角的缠绕可以加强左右两端的应力强度； ( 2 ) 、缠绕中小车换向时有停留角的存在可以保证缠绕返回时封头不滑线。 2 、切点数 第二章纤维缠绕张力状态的理论分析 为完成个完整循环纤维在端部极孔周边的等分点数或切点数。一般用n 表示。 3 、绕速比 缠绕纤维绕芯模的转数与缠绕纤维沿芯轴往返次数之比称为绕速比。绕速比 用f 表示，它等于： i：一k(2-7) h 式中：k 一完成一个完整循环纤维绕芯轴的转数； h 一完成一个完整循环纤维在端部极孔周边的等分点数或切点数。 4 、缠绕角a 缠绕角就是纤维与芯模轴线的夹角。缠绕角是纤维缠绕参数中非常重要的一 个参数它决定了纤维的受力情况，也决定了缠绕制品结构强度，它的实现是靠芯 模的转动和绕丝嘴的移动来实现的，当然也和芯模的回转半径有关，缠绕角和芯 模回转半径、芯模回转角速度、绕丝嘴移动速度三者的关系如下： 培a ：堕 ( 2 8 ) v 丝嚼 式中： a 一缠绕角； v 琏嘴一丝嘴前进速度； m 一芯模转动角速度； 】r 一芯模半径； 5 、芯模转角 芯模转角指缠绕一次完整线型芯模所需旋转的角度。 如：笔生x 3 6 0 。+ 吼+ 靠 ( 2 9 ) 厶1 式中：疗，。一任意段筒身绕芯模轴中心旋转角； 0 l 一左停留旋转角； 0 。一右停留旋转角； l ，一缠绕任意段筒身的长度； ，一线距，即芯模旋转3 6 0 。时，小车的位移，l l ；z d c t g a ； d 一圆柱( 筒) 直径； 。一缠绕角。 7 、线型 线型指完成一个完整缠绕层芯模旋转的圈数，不包括停留角部分。 女：生二丝二叁( 2 - 1 0 ) 3 6 0 9 式中：k 一线型5 0一任意段筒身绕芯模轴中心旋转角：c 第二章纤维缠绕张力状态的理论分析 0 ，一一左停斟旋转角 0 。一右停留旋转角 8 、微增量a 0 当进行完一个线型进入下个循环缠绕时，考虑到缠绕时所用的纤维纱片的 宽度，芯模转角应该增j u ( 或减小) 部分微增量。微增量的计算如下： 8 ；鱼一( 2 1 1 ) ，f d c o s 口 式中：a 0 一微增量； b 一纱片宽度； d 一任意段筒身绕芯模轴中心旋转角。 9 、缠绕中心角”。 缠绕中心角是纤维缠绕工艺中设计确定缠绕线型的重要工艺参数。4 般都把缠 绕中心角作为研究缠绕机运动的独立变量。不仅缠绕小车的运动、伸臂的进给和旋 转运动都是缠绕中心角的函数，而且吐丝嘴运动的轨迹方程也是以缠绕中心角为变 量的参量方程。在许多情况下，吐丝嘴的旋转和翻转也是以缠绕中心角为变量的。 中心轴旋转的角度称为缠绕中心角。计算由图2 2 、图2 _ 3 、图2 4 所示得出： 图2 - 2 芯模经向偏角 图2 - 3 经纬向增嚣关系 r ：d0 一 一。2一 、 0，一 第二章纤维缠绕张力状态的理论分析 由图2 3 可得 由图2 4 可得 将2 1 3 代入到2 一1 2 中得 所以 图2 - 4 平行剧静向和经阳增量关系 玉罂= t g a 变换可得 r 2 a c p d o = 2 t g a d q j r j d r _ ；c o s 妒 r i d c p d o 。堡! d r ，c o s 舻 厶= i 吼，一吼：i = 0 a 1 0 a 2 a 2 一l d 8 a i 如果爿，在y 。o 处。陔处的平彳亍圆半径为r o ，那么中心角为： 和一l 急rr o ”y 2 2 非回转体纤维缠绕运动的理论分析 2 2 1 非回转体纤维缠绕运动的性质 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 1 、任何纤维缠绕制品( 球形除外) 至少其两端端部缠绕角为9 0 。对于连续纤维缠绕制 品来说，其端部必为缠绕纤维的返回点，即设备上绕丝嘴正好在端部停留，或者 浇绕丝嘴在芯轴方向行进速度在两端必然为零。因为这是绕丝嘴行进速度由f 变 负的转折点。因此，除球形以外的任何制品，至少在其两端顶部缠绕层较厚，其 第章纤维缠绕张力状态的理论分析 螺旋缠绕最薄处通常不在两端顶点。 2 、绕速比决定总体线型 缠绕纤维在芯模表面上的交叉点个数、沿圆周方向等分点数( 切点数) 或者排成的 平行四边形的个数决定缠绕的总体线型。绕速比决定着纤维缠绕的总体线型。 3 、绕速比极限引起线型种类变化 纤维缠绕种类一+ 般分环向缠绕、平面缠绕和螺旋缠绕三种。如理论上认为纤维宽 度非常小时，绕速比的极限变化为“： i o o ，为环向缠绕： i 。o ，为平面缠绕 当考虑剑纱片宽度b 时，f 。_ b + l构成环向缠绕 ( 21 6 ) 疗d i r a i n 五而b k 构成平面缠绕 ( 2 1 7 ) 而介于i 一f 。i 。之问应为螺旋缠绕。 4 、纤维排布决定于微绕速比，纤维缠绕是否密布由微绕速比公式决定”“： fs l( 2 一1 8 ) n m ) c o s 口 其中：f 一微绕速比； b 一纱片宽度； n 一切点数； 儿符合以匕公式的微绕速比，纤维都能密布 a i = l 为萨好密布； h 7 d c o s d f 。l 为密布有重叠； n m ) c o s a 5 、绕速比决定于缠绕中心角之总和 绕速比与中心角总和的关系为： i = 一3 6 氅0 ( 2 1 9 ) 其巾：i 一绕速比； 晶缠绕一个往返循环芯模旋转之中心转角总和； 6 、沿测地线方向缠绕最为稳定 筇二章纤维缠绕张力状态的理论分析 沿着弯曲空1 白j 中最接近于直线的曲线称之为测地线。因为测地线时有无数微 段短程线构成的，而短程线是最稳定的，因为测地线是最稳定不滑线的。采用测 地线缠绕就意味着纤维都在稳定位置，可不必担心会滑线。由丁纤维层之间有摩 擦力存在，纤维偏离测地线在一定的范围内不滑线处于稳定状态也是有町能的， 这样的缠绕称为非测地线缠绕，非测地线在纤维缠绕中也是经常遇见的情况，特 别在非回转体缠绕中广泛存在。在非测地线缠绕过程中，要进行缠绕，必须满足 非测地线的稳定条件，否则，将会产生滑线，不能进行缠绕。 7 、对任何制品，单旋转轴往复螺旋缠绕不可能使整体全部达到等缠绕角。任何制 品要使整体全部等厚螺旋缠绕是不可能的。对任何制品进行螺旋缠绕计算，一般 至少要分两段，而对一般有端头带筒身的缠绕制品，至少要分三段进行缠绕计算。 2 _ 2 2 非回转体纤维环向缠绕的缠绕点轨迹公式 下面我们以典型的非回转体缠绕一芯模为悬臂粱的缠绕，我们分析缠绕点力 学公式和轨迹公式。 1 、缠绕点力学公式 原