（机械电子工程专业论文）数控布带缠绕机工艺参数控制方法研究.pdf

西北工业大学硕十学位论文 摘要 摘要 数控布带缠绕机是用碳酚醛、高硅氧酚醛预浸胶带缠绕固体火箭发动机喷 管，耐烧蚀、防热材料零部件、导弹鼻锥、发射筒以及宇航飞行器防热零部件的 专用设备。对于布带缠绕机，西方先进工业国家对我国实行严格封锁、禁售政策。 该类设备对于我国航天工业型号研制和生产是急需的配套工艺装备。因此，研究 新型的、多轴、多功能、多物理参数控制的不规则零件缠绕设备和控制软件以及 工艺参数匹配已是当务之急。本课题研究的目的就是打破国际禁运和技术封锁， 自主研发拥有独立知识产权的高档多功能数控布带缠绕机。 多功能数控布带缠绕机是集机械、电子、气动、控制、软件和数控等技术一 体化的多学科交叉综合应用的复杂设备，它的研制是一个复杂庞大的系统工程， 本文从参数控制角度出发，在认真研究复合材料成型工艺要求的基础上，对影响 缠绕制品性能的张力、温度和压力等工艺参数进行研究，提出了切实可行的闭环 控制方案，并增加自动尺寸测量功能，旨在提高数控布带缠绕机的性能和可靠性， 完善其功能。使数控布带缠绕机的自动化程度更高，功能更全面，使用更方便。 随着控制技术和硬件电路技术的发展，不断有各种成熟的专用控制器问世， 其控制精度、可靠性等技术性能指标已经过实践的检验，完全可以用于多功能数 控布带缠绕机的参数控制。所以，本文对数控布带缠绕机的研究也与时俱进，尽 可能利用现有的技术成熟的控制器和控制算法。 文中提出了新型张力装置，提高了张力测量的精度，为精确控制提供了条件。 为了提高工艺参数控制软件的实时性，论文中采用硬件控制器完成张力和温度的 闭环控制，工控机只负责参数的监视和显示。压力系统采用气动回路，气缸作为 执行元件，比例阀为控制元件，使用动态积分分离算法闭环控制。成功研制出基 于s i e m e n s 数控系统的尺寸测量功能。 本文的研究设计成果己成功应用到为某研究所研制的多功能数控布带缠绕机 上，经过验收，缠绕出了完全符合要求的产品，用户对此十分满意。 关键字：多功能布带缠绕机，闭环控制，张力控制器，自动尺寸测量 堑! ! 三些查耋堡圭兰堡丝圣 垒呈! 垩垒呈三 a b s t r a c t n cc i o t hw i i l d i n gm a c l l i n ei ss p e c i a le q u i p m e mt h a tw i n ds i t m sn o z z l ea i l dp 眺o f b c 撕n ga b l a t i o n h e a tp r o t e c t i o l l ，l l l i s s i l ec o n e ，e i l l i t t e r 锄d 鹪昀n a v i g 撕0 na i r c r 蛆p a r t s 、) l ，i t hb a l 【e l i t e 1 1 l cw e s td c v c l o p e d 抽d l l s t r i a l i z e dc o 瑚t r i e se m b a r g ob l o c k a d et l 垃 t c c h n i co f n c 、 ，i n d i n gm a c l l i n et i 曲t l y t i l i sc q u i p r n e n ti s 舯玳q u i s i t l yn e e d c dc m f t e q u i p m e n tf o rr e s e a r c ha n dp r o d u c t i o no f 姗s p a c ei i l d u s 仃yi no l l rc o i l m i y t h e r e f o r e ， t l l e 如j d yo f n e wt y p e ，m u h i a ) 【i s ，m l l i t i f l i n c t i o 璐，c o n t r o lo f m u m p a r a m c t e r s 如r a _ b n o m 姆p a r t s 觚dc o n t r o l 竹w a r e 锄dm a t c h i n gc 撇p a r 锄e t e ra u 玛e m a f f 葡娼 f o rb r e a l ( i n ga b 加a de m b a r g ob l o c k a d e ，t h ea u m o rs t t l d ya d v a n c e dm u l t i - 删sn c c l o t hw i n d i n gm a c h i n eo w ni n t e l l e c t t l a lp t d p e r 哆 t m s 州e c t m o t e d 行o mc o 加戳tt h ts i g n c d 研t ho a c a d e m i ci n s t i t l l t ci ns h 锄g h a i m u l t i 一鼬n c t i o n sn cc l o t l lw i l l d i n gm h i n ei n t e g 豫t em e c h a i l i c s ，e l 蜘n i c ，g 髂，c o m r o l ， s o r 啪f e 锄dn 啪e r i cc o n 旬r o lt c 倒c t h e 托s e a r c hi sac o m p l e xp r o j e c t a f t c rs t i j d y i n g t h ec o m p o s i t em a t 瞳a lm o l d i n 舀t h e 卸t l l o r a r c ht c n s i o l l t e m p c 豫t t i 糟，p r e 辎t l l a t 拯c tt l l ep f o d u c t i o 地q u a l i t ) ，a n dp u tf o n 旧r da p p l i e dc l o s e d - l o o pc o 咖lp f o j e c t ，锄d a d dt h ea u t o m e a s u 此f h n c t i o n t h e e 血a n c et l l em a c l l i n e s 豫l ia _ b i l i t y 锄dp c d e c t m a c h i n e sf u n c t i o 咀s w i t l ld e v e l o p m 明to f t l l cc o n n d l 锄dh a r d w a r et e c h 血c ，a l lk i n d so f s p e c i a lc n d l l c r a r ep r o d u c e d t h e i rc o n 仃o lp r e c i s i o na n dr e l i a b i l i 哆甜et e s t e db yp r t i c e ，a n da r e 懈e d t oc o m r o lt i 圮p a 咖e t e r so fm i l l t i f h n c t i o nn cw i n d i n gm h i n ec o m p l e t e 量y a u t i l o r m a ：k e s 如l lu o f m a u 咒t e c t l i l i c a lc o n 缸d l l e ra 1 1 da l g o r i t h m a u t h o rp u t sf o r v 枷n e wt y p et e n s i o ne q u i p m e n t ，缸di m p m v e dt l l ea c c 啪c ym a t t e n s i o nm e 勰u r e s ，龇d 缸r o r dc o n d i t i o nf o rc o n 缸d 1 f o ri n c f e 嬲i n gt 王l er e a l 6 m eo f s o f h v a r e ，a u t l l o rl l s eh a r d w a f ec o n t r o l l c rt o 如l f i l lc o n n d lo f t e 船i o na l l dt e m p e m t t 】r c i n d m 仃i a lc o m p u t e rt a k eo nw a t c h i i l g dd i s p l a y i n g 弘狮c t e r s c y l i n d e ri se x e c u t i f l g e l c l n e n to fa i rp 砖韶u r es y s t e m p f o p o n i 伽i a lv a l v ei st l l ec o n t le l 咖e m ad ) ，i l a l n i c 王l l t e g r a ls e p a r a t e dp i da l g o r i t h mc o n t r o lp r e s s a u t l l o rd e v e 王o p e da u t o m e 勰u r eb 嚣e d o ns i e m e n sn cs u c c e s s 削1 y n er c s e a r c h 化s l l l ta r ca p p l i e di i i 、：v i n d i n gm a c h i mi i ls h a n 曲a i a 缸rc h e c k o 心t l l e i i l a c h i l l e 、v i n da c c o r d 、i t hr e q u e s tp r o d u c tc o m p l e t e l y t h eu s e re x 仃e m e i ys a t i s 6 龉 r c g a r d i n gt l l i s k e yw o r d s ：m u l t i f i l l l c t i o 邺c l o t h 谢n d i n g ， c l o s e l o o pc o n 仃o l ， t c l l s i o n c o r l n d l l e r ，a u t om e 嬲u r e i i 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的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。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 熊指撵辨 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中 已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已申请学位或其它用途使用 过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者 曰 西北上业大学硕十学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 复合材料的特点及其成型工艺概述 1 ，1 1 复合材料的特点 在材料科学与材料技术的发展历程中，航空材料一直扮演着先导和基础作 用，航空飞行器机体材料的进步不仅推动飞行器本身的发展，而且带动了地面交 通工具及空间飞行器的进步，“一代材料，一代飞行器”是航空工业发展的生动 写照，也是航空材料带动相关领域发展的真实描述，随着材料技术发展的突飞猛 进，航天器的性能在近4 0 年里有了长足的发展。航空材料经历了铝合金、钛合金 和复合材料发展阶段，现在发展的重点集中在低成本、高性能的复合材料技术上。 材料技术的进步推动了航天器制造工艺技术的发展，新型材料要求新的制造工艺 和工艺装备，所以航天产品零件的制造工艺和工艺装备的发展显得尤为重要。因 为它涉及到复合材料产品能否制造出来，并制约着产品的质量和成本。 高分子基复合材料的制造工艺和方法与传统的金属材料的制造完全不同。除 少数产品以外，金属零件的制造基本上可以说是原材料的制造。各种产品是利用 原材料( 金属材料) 经过加工而制成的。与此相比，复合材料的制造主要涉及怎样 按产品设计的要求实现成型，固化等。因此，与金属零件的制造相比，复合材料 零件的制造有很大的灵活性。 复合材料的主要特点是产品性能的可设计性和产品的易成型性。可以采用不 同纤维和基体及不同的组份比得到不同的性能来满足产品使用目的，还可以通过 铺层设计得到不同方向的不同性能，获得高的比强度和比刚度，达到产品性能优 化目标，所以它既可节省材料又可设计出性能优越的产品。由于复合材料的易成 型性，可以使产品结构形状更加具有任意性，能够比较容易经济地制造出大型复 杂形状的产品。在产品设计时，能设计成整体的应尽量设计成整体，这可以保证 受力纤维的连续性，减少连接点，减少装配工作量，同时有利于保证产品质量和 减轻重量。复合材料具有高的比强度、比刚度，能有效地减轻航天器的结构质量 或赋予某些特殊功能( 如防热、吸波等) ，易于实现产品设计、成型工艺，加工制 造一体化，生产效率也能大幅度提高。 西北工业大学硕十学位论文第一章绪论 1 1 2 复合材料成型工艺 复合材料成型技术是将原材料转化为产品结构，将设计思想转变为实物的必 经之路。提高制造技术、降低制造成本是扩大复合材料应用范围的重要措施。复 合材料结构与塑料、金属结构在性质上有着明显的差异，在成型技术上亦显著不 同，主要表现在： 1 ) 复合材料结构设计与复合材料制造技术密切相关，在设计复合材料结构 的同时必须研究制造技术的可行性和先进性。 2 1 增强纤维与基体树脂由于热膨胀系数不同，在冷却过程中可能产生的热 膨胀不匹配引起的热应力，其大小与选用的成型工艺参数有关。 3 1 纤维与树脂的分布均匀性对性能影响甚大，尤其是在厚度方向上分布的 不均匀可能导致变形。 不同的成型方法如平行缠绕、斜叠缠绕和平叠缠绕所获得的结构不同， 在性能上有差异。从成型工艺角度来看，对不同结构其最佳成型方法总 是不相同的，显示出成型工艺方法的可选择性。 鄢由于复合材料的各项异性，使得存在着常规材料所没有的耦合效应。例 如单向纤维复合材料在受到非主轴方向拉伸时，由于纤维的纵向弹性模 量大于横向，将引起扭转变形，这些就是拉剪耦合和弯扭耦合。成型工 艺为消除或利用这一耦合影响提供可能。 回应尽可能采用整体成型技术，回避机械连接，以实现充分发挥纤维承载 和减少应力集中的优越性。并减少连接件，以达到最大减重效果。 在复合材料结构制造过程中，最终检验仅仅是对成品质量好与坏的判断， 已无法回溯。而每一步的工序管理及工艺装备的性能才是保证生产合格 产品的关键。 鳓选用高正品率的成型技术是获得高质量、低成本复合材料零件的重要措 施之一。 复合材料零件制造工艺的关键是要在满足制品形状尺寸及表面质量的前提 下，使增强材料能按照预定方向均匀配置，并尽量减少其性能降低，使基体材料 充分完成固化反应，通过结合面与增强材料良好结合，排除挥发的气体，减少制 品的空隙率。同时，还应考虑操作方便和对人员健康的影响。所选择的设备与工 艺过程应与制品的批量相适应，使得单件制品的平均成本最低。 经过半世纪的发展，复合材料成型方法已经很多。每种工艺都有各自得优缺 点，有各自的使用范围，但是他们之间存在着共性，从原材料到形成制品的过程， 如图1 1 所示。 2 西北工业人学硕士学位论文第一章绪论 匝匦卜盱 暑卧卧 匝匦卜 料匝夏卜 阿砰 卧 馨甲器甲 图卜1 复合材料的发展带动了材料应用领域的革命。一方面，基于复合材料质轻， 比强度、比模量高，耐疲劳，易于整体成型等优点，有取代大多数铝合金的趋势； 而另一方面，由于复合材料成型工艺相对复杂，成本过高的因素，限制了它的广 泛应用。所以复合材料领域的首要任务就是改进成型工艺，应用计算机辅助设计、 自动控制技术、数字控制技术、软件技术和在线检测技术等先进技术，提高设计 和生产的自动化，降低复合材料成型工艺难度和成本。 1 2 布带缠绕机的发展状况 1 2 1 缠绕机的发展史 缠绕机是用于复合材料缠绕制品成型的关键设备，其首要功能是通过特定的 机械运动和控制，将已经浸过树脂胶液的布带( 如高硅氧布、碳布等) ，按照所要 求的线型规律绕上芯模表面。随着复合材料、信息技术、计算机控制技术、电子 等技术的发展，缠绕机的功能不断完善，控制精度也日益提高。 第一代缠绕机是机械控制式。美国k e 工l o g 公司与海军合作于1 9 4 7 年研制出世 界上第一台缠绕机。该缠绕机芯模的旋转和小车的运动均采用齿轮、链轮、链条、 离合器等机械方法来实现的。每当更换产品的类型和规格时，必须重新计算调整 3 西北- 【= 业大学硕士学位论文第一章绪论 齿轮的传动比和链条的长度，更换相应的齿轮和链条。其缺点是准备工作复杂， 机器缺乏灵活性，且无法满足一些特殊形体的缠绕制品生产，控制精度也只有2 0 。 但它制造成本低，工作可靠，容易掌握和维修，对于简单形体和批量生产的缠绕 制品仍不失为一种经济适用的设备。 5 0 年代末，美国和德国开始研制第二代缠绕机。7 0 年代初美国和德国先后研 制出第二代缠绕机程序控制缠绕机。如美国麦克林安得逊公司( m e c l e a n a n d e r s o n ) 定型生产的w 2 简易程序控制缠绕机，德国约瑟夫拜尔( j o s e fb e a r ) 公 司于7 0 年代初研制的w e 一2 5 0 型简易数字程序控制缠绕机，是该类缠绕机的典型代 表。前者采用机械凸轮程序控制和液压伺服伸臂运动控制等，可实现非线性缠绕， 功能及适应性也优于第一代缠绕机；w e 一2 5 0 型机采用拨码盘作数据输入，数字和 机械凸轮仿形联合实现简易数字程序控制，可完成非线性缠绕，使用灵活，操作 简便，能满足一些特殊产品的生产。但这类缠绕机都采用了仿形凸轮，在更换产 品时仍需要较长的时间进行凸轮的设计加工和安装调试，生产复杂产品仍受限制。 第三代缠绕机小型通用计算机数字控制式( c n c ) 出现于7 0 年代初。其控 制功能是依靠事先存放在存贮器中的系统程序来完成的。改变程序控制逻辑以适 应不同制品的缠绕，因此大大增加了设备的灵活性和适应性。但因小型计算机当 时价格较贵，该类缠绕机未得到普及应用。 7 0 年代中期，因廉价微处理器及微型计算机问世，使微型机的c n c 与缠绕机 结合便出现了第四代缠绕机微机控制缠绕机( c c f ) 。1 9 7 7 年前后，美国安得 逊公司和德国拜尔公司先后向市场推出了此种缠绕机。缠绕机的性能也发生了根 本变化，缠绕功能更加完善，适应性和灵活性更强，实现了多轴缠绕运动控制， 线性精度和重复精度高，运行可靠，操作简便。国外生产m c f w 的知名公司有：美 国麦克林安得逊公司( m e c l e a n & a n d e r s o n ) ，英国的科拉斯公司( p u ”r e x ) ，德 国约瑟夫拜尔( j o s e fb e a r ) 公司，意大利撒普拉斯公司等。 然而，对于复合材料成型工艺及工艺设备，国外都严密禁运封锁，对于控制 技术更是无法引进。为了满足我国航天工业的飞速发展需求，解决新一代固体火 箭发动机研制和满足高性能发动机喷管以及宇航飞行器绝热、耐烧蚀部件研制的 需要。研制新型的、多轴、多功能、多物理参数控制的缠绕设备，以及改进完善 布带缠绕机物理参数监测和控制软件已是当务之急。 1 2 2 缠绕机的发展现状 从国外来看，由于工业基础雄厚，技术力量强，缠绕机技术发展的较快，并 于6 0 年代中期布带缠绕工艺基本定型，已用于型号研制。如美国布带缠绕机己用 于型号研制。m d 一2 固体火箭发动机喷管部件中已有1 3 个零件是用布带缠绕机成 4 西北_ 1 = 业大学硕士学位论文第一章绪l 仑 型的，美国犹它州工程技术公司研制成e n - t e c 型卧式布带缠绕机，它沿用卧式彩r 床的结构和驱动方式，并增设了一些缠绕工艺必备的辅助功能。主要用于缠绕喷 管出口锥及其它小型的不规则型面，其主要结构已趋完善。九十年代，美国“影 儒”导弹的发动机喷管、欧洲“阿里安”火箭的助推器喷管、日本m 一3 s 2 、h i 、 h h 火箭的助推器喷管还在继续使用布带缠绕成型耐烧蚀复合材料。各型导弹发 动机壳体9 0 以上采用纤维缠绕聚合物基复合材料，同时先进聚合物基复合材料 在世界各国飞机上也被广泛应用( 占总重量百分比见表卜1 ) ： 表1 一l 美国f 2 2 2 6 苏2 7 ，2 0 法e f 2 0 0 0 4 3 中国歼l o 6 波音7 7 79 9 0 0 k g 架空中客车a 3 4 0 1 1 0 0 0 k g 架 从国内来看，从6 0 年代就开始研制布带缠绕机及其成型工艺，并在这一时期 成功研制链条式缠绕机。7 0 年代引进德国w e 一2 5 0 数控缠绕机，改进后实现国产 化，8 0 年代后我国引进了各种型式缠绕机4 0 多台，经过改进后，自己设计制造 成功微机控制缠绕机，并进入国际市场。如北京玻璃钢研究设计院、航天一院7 0 3 所及西安航天复合材料研究所等单位先后研制出不同的布带缠绕机。为了促进我 国航空航天事业的发展，为解决新一代固体发动机研制和满足高性能发动机喷管 以及宇航飞行器绝热、耐烧蚀部件研制，从上世纪8 0 年代开始，西工大依托雄厚 的智力支持和技术实力，开始研发多功能布带缠绕机，经过2 0 多年的发展，其技 术遥遥领先于其他同行产品。尽管我国在缠绕机床的研制工作取得了很大的进步， 并缩短了与国外发达国家的差距，但国内对于一些特殊零部件缠绕技术还非常薄 弱，国外对其技术尤其是控制技术实行严密禁运封锁。为了满足我国航天工业的 飞速发展需求，解决新一代固体火箭发动机研制和满足高性能发动机喷管以及宇 航飞行器绝热、耐烧蚀部件研制的需要，研制新型、多轴、多功能、多物理参数 控制的缠绕设备，以及研究布带缠绕机物理参数监测和控制软件已是当务之急。 1 2 3 缠绕机的发展趋势 目前，缠绕机在技术和功能上有一定发展，但随着材料技术的进步，缠绕机 也要不断发展，概括来，有以下几大发展趋势： ( 1 ) 配备高性能的精密物理参数控制系统。随着复合材料及航空工业的发展， 对缠绕制品的质量提出了更高的要求。所以要舍弃人工控制方法和开环 控制方法，采用先进的闭环物理参数控制方法和控制器。 ( 2 ) 缠绕机向多功能方向发展。目前大多数缠绕机床都是针对某一特殊零件 5 西匕工业大学硕士学位论文第一章绪论 而设计的专用机床。生产制品需要缠绕机和机械加工机床，所以投资较 大，浪费资源，故而在缠绕机研制过程中要尽可能实现缠绕机的多功能 作用：缠绕、加工和测量，做到一机多用，降低使用者的投资成本和节 约资源。 ( 3 ) 向高生产率、数字化控制方向发展。为提高生产率，通常在一台缠绕机 中采用缠绕速度快，自动化程度高的技术。主轴转速和恒速送带速度范 围更大，缠绕小车的运行速度范围更大，缠绕效率更高。在布带缠绕机 中，由于布带在压辊上经常水平串动，操作人员需要经常人为干预，所 以采用自动纠偏系统可大大提高自动化程度。为缠绕机引入数字化控制 理念，为缠绕机配备先进成熟的数控系统，提高自动化程度和生产效率。 ( 4 ) 缠绕机向工艺方法复合化方向发展。将挤拉成型、带铺放、纤维缠绕和 二维编织、立体编织工艺引入缠绕机。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。因 此，缠绕机也朝着兼有热塑性布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许多辅助装置，如铺放头，加热和压辊装置及切断 装置等。 ( 5 ) 缠绕机控制系统向集散系统方向发展。把张力、压力、温度，纠偏系统 设计成独立的分系统，以提高可靠性。在这种系统中，上位机作为网络 设备的节点只用来进行通讯和监控。而主控制系统能帮助绘帛4 产品设计 曲线图表，发出生产控制指令。工业控制计算机具有与上位计算机通讯 的接口，可直接获取上位机的c a d 数据，实现直接数据传输，为实现柔 性制造系统( f m s ) 准备了条件。若开发出f m s 控制与调度软件，既可以组 成先进的自动生产线，可实现计算机集成制造系统( c i h i s ) 的先进制造思 想。如哥德斯沃斯公司设计的缠绕机，它与工厂的主计算机相连，由主 计算机对台缠绕机实行群控，协助编制复杂的程序。 1 3 缠绕机的分类 缠绕机的设计和生产，就世界范围而言属于机械制造业中的一个年轻行业， 加之缠绕制品形体类型的多样性和复杂性，以及它在不同领域中的应用，使之在 线性精度和质量要求方面差异很大。因此，目前缠绕机的通用化、标准化和系列 化程度还不高。即使美国的安得逊公司和德国的拜尔公司等这些世界上有代表性 的缠绕机生产厂家，也把精力集中在专用和非标准缠绕机上，以适应市场多样化 的需求和提高商业竞争能力。我国在缠绕机的研究和生产方面起步较晚，仍处于 非定型和非标准设计和生产阶段。正因如此，缠绕机目前尚无统一的严格分类方 6 西北- t ：业大学硕士学位论文 第一章绪论 法和标准。以下仅供参考。 1 3 1 按芯模和小车的运动形式和结构特点分类 分为卧式和立式。卧式缠绕机的芯模是水平放置的，缠绕时，芯模绕其主轴 匀速转动，小车按一定速度沿容器轴线作往返运动。卧式缠绕机依据小车运动轨 迹的安装位置高低不同又分为车床式和门式，车床式缠绕机小车安装形式为平置 式( 见图卜2 ) ，小车位于轨道上，小车上可以站人，操作较简便。这种形式的设 1 一机头；2 一芯模；3 一尾座；4 一小车轨道机床身 5 一拨杆；6 一小车；7 一链条；8 一缠绕头 图l 一2 车床式缠绕机 一 l 一机头；2 一小车轨道：3 一小车：4 一支撑柱；5 一尾座； 7 引 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 6 一芯模；7 一温控仪：8 一浸胶装置；9 一控制柜； 1 0 一张力控制柜：l l 一纱架 1 2 一缠绕头 图l 一3 门式缠绕机 图l 一4 立式缠绕机 备最多，绝大多数生产大型制品的设备都是卧式。门式缠绕机小车安装形式为悬 桂式( 见图1 3 ) ，小车吊在横梁上，小车轨道在上，不易粘树脂，易于清洁和维 护，这种形式主要用在小型设备上；立式缠绕机( 见图l 一4 ) 的特点是芯模垂直放 置。当用作螺旋缠绕时，小车垂直于芯模轴线，绕芯模做匀速圆周运动，芯模沿 其主轴方向上下移动，这类缠绕机适用于大型制品进行螺旋及环向缠绕。当用于 平面缠绕时，小车绕芯模匀速转动，芯模绕自己的轴线作慢速的间隙转动，这类 缠绕机主要用于短粗筒形、球形、椭球形制品的平面缠绕。 1 3 2 按缠绕运动控制的不同方法分类 分为机械式、程序控制式、小型通用计算机数字控制式、微机控制式。 1 3 3 按可缠绕制品类型的通用性分类 ( 1 ) 多功能缠绕机。不仅可缠绕常见形体的制品，而且可缠绕某些特殊形体制 品。 ( 2 ) 专用缠绕机。它包含两种意义：一是用于缠绕特定形体制品的缠绕机，如 球形缠绕机，锥形件缠绕机，弧形或环形件缠绕机等；二是用于生产大批量单一 制品的缠绕机，如玻璃钢氧气瓶缠绕机、汽车用压缩天然气瓶缠绕机。 1 4 本文研究意义 数控布带缠绕机是用碳酚醛、高硅氧酚醛预浸胶带缠绕固体火箭发动机喷 管，耐烧蚀、防热材料零部件、导弹鼻锥、发射筒以及宇航飞行器防热零部件的 8 西j 匕- t 业大学硕+ 学位论文 第一章绪论 专用设备。对于布带缠绕机，西方先进工业国家对我国实行严格封锁、禁售政策。 该类设备对于我国航天工业型号研制和生产是急需的配套工艺装备。因此，研究 新型的、多轴、多功能、多物理参数控制的不规则零件缠绕设备和控制软件以及 工艺参数匹配已是当务之急。本课题研究的目的就是打破国际禁运和技术封锁， 自主开发拥有独立知识产权的高档多功能数控布带缠绕机。 多功能数控布带缠绕机是集机械、电子、气动、控制、软件和数控等技术一 体化的多学科交叉综合应用的复杂设备。它的研制是一个复杂庞大的系统工程， 本文从控制的角度出发，以现有技术为基础，以引进先进成熟的控制方法和控制 理论为研究方法。对影响缠绕制品性能的张力、温度和压力等工艺参数进行研究， 并增加自动尺寸测量功能，旨在提高数控布带缠绕机的性能和可靠性，完善其功 能，并将结果应用于实际研制。 9 西北工业大学硕七学位论文 第二章布带缠绕成型工艺研究 第二章布带缠绕成型工艺研究 2 1 布带缠绕成型工艺的分类 ( 1 ) 根据缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同，缠绕成型工艺又分为干 法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。 1 ) 干法缠绕采用经过预浸胶处理的预浸纱或布带，在缠绕机上经加热软 化至粘流态后缠绕到芯模上。由于预浸布带是专业生产，能严格控制树脂含量( 精 确到2 以内) 和预浸布带的质量。因此，干法缠绕能够准确地控制产品质量。干 法缠绕工艺的最大特点是生产效率高，缠绕速度可达1 0 0 2 0 0 m m i n ，缠绕机清 洁，劳动卫生条件好，产品质量高。其缺点是缠绕设备贵，需要增加预浸胶带制 造设备。此外，干法缠绕制品的层间剪切强度较低。 2 ) 湿法缠绕一将纱式带浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯模上。湿法缠 绕的优点为：a 成本比干法缠绕低4 0 ；b 缠绕张力使多余的树脂胶液将气泡挤 出，并填满空隙，所以产品气密性好；c 纤维排列平行度好；d 纤维上的树脂胶 液，可减少纤维磨损；e 生产效率高。湿法缠绕的缺点为：a 树脂浪费大，操作 环境差；b 含胶量及成品质量不易控制；c 可供湿法缠绕的树脂品种较少。 3 ) 半干法缠绕一纤维浸胶后，在缠绕至芯模的途中，增加一套烘干设备， 将浸胶纱中的溶剂除去，与干法相比，省却了预浸胶工序和设备；与湿法相比， 可使制品中的气泡含量降低。 三种缠绕方法中，以干法缠绕应用最为普遍。 ( 2 ) 按照布带缠绕时布层方向的不同，可分为三种形式：平行缠绕，平叠缠 绕和斜叠缠绕。如图2 1 。 r r ( a )( b )( c ) ( a ) 平行缠绕( b ) 平叠缠绕( c ) 斜缠 图2 一l 锥形布带缠绕的几种形式 平行缠绕：布带平行于锥形芯模母线，即芯模旋转一周时，布带沿母线方向 1 0 西北工业大学硕士学位论文第二章布带缠绕成型工艺研究 移动距离等于布带宽度，依次缠绕布满芯模表面后再重复缠绕另一层，直到达到 设计要求的厚度； 平叠缠绕：布带平行于芯模轴线缠绕，即当芯模旋转一周，布带沿芯模轴向 移动宽度s ，同时沿径向移动r ，从芯模小端向大端实现连续重叠缠绕，一直达 到设计要求的厚度。 斜叠缠绕：布带与芯模轴线方向呈一定的角度，该角度大于锥壳的半锥角， 即芯模旋转一周，布带沿芯模轴向移动宽度s ，同时沿径向移动r ，布带由锥形芯 模的小端连续缠向大端，直到达到要求的厚度。 带缠工艺所用的原料、成型工艺、环境条件都将影响产品的最终性能。主要 工艺参数有：缠绕角、张力、带速、压力、热风温度、固化压力和温度等。缠绕 时还要控制环境温度和湿度，防止浸胶带被污染等。只有各种参数的良好配合， 才能获得高质量产品，带缠一般工艺流程如图2 2 所示。 2 1 1 平行缠绕 图2 2 带缠工艺流程 要实现锥形体平行缠绕，要求布带在缠绕过程中能够变形( 由直线变为扇形) 紧贴在锥形芯模上，并能在芯模上做等距离缠绕，使布带一条挨一条排列。布带 缠绕一般采用预浸胶带干法缠绕。预浸胶带是直条状，要使它变为扇形，必须在 胶带上施加不均匀的张紧力，在贴于芯模之前，应加温使胶带软化与变形，并用 热压辊将布带挤向芯模。现按照布带实现平行缠绕的基本要求来计算布带需要的 变形，图3 2 是布带平行缠绕的几何关系示意图。图中锥形芯模的半顶角为n ， 布带宽b 。考虑直径d 处的布带情况，计算布带两边的相对伸长率。由图看出， 布带以扇形a c e h 等距缠绕在芯模上，锥段a g f h 则可以展开成a d c h 扇形。如果近 似认为4 d ：爿c = 上r c ：船，则布带的相对变形可以用锥段展开的相对变形率来代 替。 爿d = 万d ，c 日= 丌( d + 2 b s i n 口) 西北工业大学硕十学位论文 第二章布带缠绕成型丁艺研究 图2 3 布带平行缠绕示意图 布带松边与紧边的相对伸长率为： 1 ，：堡! ：丝。! 丝：生旦：至2 ! ! 星! ! 璺竺= 曼2 ：! 墨! i 璺竺f 2 一】)1，=7=_；=_一=t z lj a c a d 耳dd 由上式可知，1 ，与布带宽度b 、锥壳半顶角d 成正比，与锥体直径d 成反比。 1 ，愈大，要求缠绕中的变形愈大，工艺实现也就愈困难。由于d 与v 成反比，因 此只要在锥体的小端能够实现缠绕，即， 三! ；! 坚就能实现整个锥体的平行缠 “ 绕。 缠绕厚度r = 栉万 式中：力层数6 胶带厚度 此种缠绕方式的制品因布带之间里对接形式，故轴向抗拉强度低，而且耐气 流冲刷作用的能力低。 2 1 2 平叠缠绕 平叠缠绕是在平行缠绕的基础上改进的。它将布带宽度增大，螺距减小，即 每层缠绕的重叠缠绕加大，缠绕从锥形模胎小端绕向大端。为了使小端能实现缠 绕，芯模设计应在锥形的小端加上一个圆柱，见图2 4 。 由图2 4 ( b ) 可以求出重叠余量s 片 s = = 一 ( 2 2 ) t a n 口 式中：6 胶带厚度 n 锥形芯模半顶角 西北下业大学硕士学位论文 第二章布带缠绕成型丁艺研究 ( a ) 布带 蟹 图2 - 4 平叠缠绕示意图 若给定芯模半顶角d 和制品厚度t ，则可以计算出布带宽度b 口= j 曰= 曰一s = 一s ( 2 3 ) s m 口s m 口 将公式( 2 1 ) 代入公式( 2 2 ) 中可得： b ：三一旦。三( 2 4 ) s i n 口硷n 口s 1 n 口 实际缠绕时要考虑外表面的加工余量m ，加工固化时布带的压缩量k 及布带变形 前后宽度的收缩q 等因素，布带宽度比按( 2 3 ) 式计算值要大，所以实际上按公式 ( 2 5 ) 计算布带宽度。 肚面 ( 2 巧) s m 口i l 一席m i 一口l 再依s 调节速比，便可以实现平叠缠绕。 平叠缠绕时布带相互重叠粘接，克服了平行缠绕制品纵向强度低的缺点，提 高了材料的耐烧蚀性，且缠绕工艺比较简单，生产周期短。但制品耐高速气流冲 刷能力较差，因为制品使用中高速气流冲刷方向基本上正对着布带重叠缝的方向， 容易造成分层甚至揭层现象。 用平叠缠绕制作发动机的喷管扩张段，则由于气流方向不是正对着而是背对 着布层重叠方向，因此其耐冲刷能力较好。 2 1 3 斜叠缠绕 斜缠技术的关键是如何使布带成为连续的扇形并定向排列在芯模表面上。实 西北工业大学硕七学位论文第二章布带缠绕成型工艺研究 际缠绕时必须设计一个环形的锥套装在锥形芯模的大端，布带从环形锥套斜砸的 斜角6 开始缠绕，如图2 5 所示。由a 处放大图可以看到，当芯模转一周，布带 沿芯模轴向移动距离s ，并沿径向移动r 。依次缠下去，就可以按预定要求布满 芯模表面。 旃 戈 ( a ) h 6 d 廓线 图2 5 现在求s 和r 。图2 5 ( b ) 中c 是每转一周布带在芯模上缠绕的距离，由几 何关系可见： c ： 生 s i n ( 一口) ( 2 6 ) s - c c 。s 口= 磊南c o s 口 ( 2 - 7 ) ，= 踟i n 口= 五孝丽面m ( 2 _ 8 ) 式中：6 胶带厚度 斜缠中要求布带两边的相对伸长率较大，随着缠绕进行，锥形芯模直径d 的 变化而变化，其表达式的形式与公式( 2 1 ) 相同，即： “：丝! ! 坐( 2 9 ) 上) 式中：u - 布带相对伸长率 d 芯模直径 b 布带变形后的宽度 b 锥套斜角 只有当布带能提供的相对伸长率大于计算值l l 时才有可能实现斜缠。斜缠中 要求使用易变形的布带。生产中可以采用特殊编制的螺旋形带，也可以用胶带沿 与径向成4 5 0 角的方向斜裁成布条，再经过缝接成为连续的斜裁布带。斜裁布带 可提供较大的相对伸长率以实现扇形变形。变形后布带宽度b 可由下式确定 1 4 西北1 = 业大学硕士学位论文第二章布带缠绕成犁工艺研究 8 ：l ( 2 一l o ) s i n ( 夕一口) 。 式中：t - _ 4 品厚度 变形前布带宽度b 0 与公式( 2 5 ) 相似，即： 蜀= 面编 1 1 ) 式中：酚斜裁布带的裁剪宽度 t 啼0 件的设计壁厚 m 机械加工余量 k 缠绕制件加压固化时的压缩比 ( 广荣 切布带在变形前后的宽度收缩比 8 布带与锥形芯模表面定向角 斜裁布带不是直接缠在锥形芯模上，而是预先在一个热锥辊上展呈扇形后， 再缠绕到锥形芯模上，以满足工艺要求的布带相对变形量。要使锥辊能在锥芯表 面成一定角度的锥面上滚动，必须满足以下条件： ，；戤s i n 堕警) ( 2 - 1 2 ) 式中：y 锥辊的半顶角 d 锥辊的小端直径 从公式( 2 1 2 ) 可见，当d 和p 不变时，r 应随着d 的减小而增大，但在缠绕 过程中连续改变锥辊的半顶角是无法实现的。因此实际上是用几个不同角度的锥 辊分段使用。实践证明，一个锥辊可以在一定锥芯直径范围内便斜裁布带展开成 无皱纹的扇形。 斜叠缠绕会使浸胶布带的一边受到拉伸展开成扇形，如图2 6 所示，增加了 缠绕的难度。资料表明，导弹头锥及火箭发动机喷管扩张段绝热层布带缠绕时， 缠绕角一般为1 0 2 0 。左右，而这时需要浸胶布带最大边变形比在1 0 1 5 左右。 图2 6 布带变形 另外，斜叠缠绕时，工艺也不稳定，极易沿芯模或缠绕层向芯模小端滑动， 从而改变正常的缠绕程序，影响缠绕层厚度的控制及造成制品内部疏松、积胶等 西北t 业大学硕+ 学位论文第二章布带缠绕成犁工艺研究 质量问题。因此，在缠绕机上实现斜缠工艺必须面临以下两个问题：布带在缠 绕过程中两边不同的变形比问题：浸胶布带在缠绕过程中的稳定性问题。 2 2 平叠缠绕制品参数分析 前面已经对平叠缠绕进行了定性的论述，这一节将建立具体缠绕的力学模型， 并对其进行定量的分析。平缠所用的芯模如图2 7 所示： 图2 7 芯模 由上图可知锥形芯模半顶角a 为： 口：a r c t a n ! 堡* 二堡m 2 2 式中：d 。i 吐_ 芯模的最小直径 d 。群芯模的最大直径 l 芯模的长度 缠绕成品( 固化及加工后) 的厚度为： 丁= 口s i n 口( 1 一后) ( 1 一g ) 一聊 式中：t 制品的厚度 b 胶带宽度 r _ 一加工余量 k 加工固化时布带的压缩量 q 布带变形前后的收缩量 缠绕制品的缠绕层数为： 口 舻i 式中：n 层数 b 胶带宽度 s 重叠余量，由公式( 2 1 6 ) 计算得来 s = 6 c l g a 1 6 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 西北丁业大学硕士学位论文第二章布带缠绕成型工艺研究 将公式( 2 1 6 ) 代入公式( 2 1 5 ) 中可得： 四 甩= 一 6 c l g 口 根据已知的芯模的参数，胶带的参数及固化和加工的参数， 绕制品及成品的尺寸及参数。 2 3 在定张力情况下预浸胶带的应力计算 ( 2 一1 7 ) 就可以计算出缠 在布带缠绕工艺中，缠绕张力对产品的性能影响非常大，是一个重要的工艺 参数。在忽略压力的情况下，下面对预浸胶布带进行应力分析计算。 在缠绕过程中，随着缠绕层数的增加，外层的缠绕胶带犹如卡箍，紧包着内 层，使内层的胶带的应力降低。在后面的分析中要用到的符号较多，现在将这些 符号全部列出，后面不再重复论述。 厶卜分别为芯模及胶带的弹性模量 艿。万厂分别为芯模及胶带的应力 ，芯模的半径 艿预浸胶带的厚度 力缠绕层数 s 重叠余量 乃作用在截面中的缠绕张力 缠绕中缠绕张力为定值，各层的应力随层数的变化而交化，由内到外逐层考 虑，现取任意截面为研究对象，为研究方便，设截面内胶带的宽度为单位l 。 当缠绕完第一层后，分析如图2 8 。由于第一层中张力的作用，芯模受到压 缩，根据内力平衡得： 五= 冬 ( 2 1 8 ) 二 缠绕第一层胶带的应力为： q = 每 ( 2 1 9 ) 口 芯模的应力： 7 乃= ( 2 2 0 ) 上r 在缠绕第二层情况下，第二层不仅对芯模，而且对先缠上的第一层和均有压 紧的作用，这样使第一层的应力降低，如图2 9 。 1 7 西北工业大学硕士学位论文 第二章布带缠绕成型1 = 艺研究 t t t t 2 t i 厶t t l t 2 图2 8 缠绕第一层的状态图2 9 缠绕第二层的状态 在缠绕第二层时，由于树脂和压力的作用，可假定第一层和芯模为同一刚体， 则此时二者的应变相同。 毛= 颤= s _ 2 等 峰鲁 第二层内的应力为： j 等2 等州吼她q 。乏 z ， e e 6 4l e o 民：量 占 由内力平衡得；令孑+ a 五= 正 五= q j1 等：岍r f 酬町h 岍如瓦2 4 j 将公式( 2 2 1 ) 代入公式( 2 2 4 ) 可得： 孕q 厂+ q 扯五 11 虾竞 在缠完第二层后，第一层的应力降为： q = q 一q q 2 吾一彘 1 8 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) p “北二l 业大宁坝十甲曰化又 r 弟一覃邗常理玩厩型i