（机械电子工程专业论文）数控布带缠绕机设备改造及控制系统研究.pdf

西北工业大学硕士论文摘要 摘要 复合材料缠绕制备的零部件在现代飞行器中的 应用愈来愈广泛。 如固体火 箭 发动机壳体、 火箭发动机喷管扩散段、 人造卫星、 航空雷达罩、 各种飞行器所用 的 螺旋桨以 及高压容器、 管道等。由 于现代技术的飞 速发展，飞机、 导弹、 火箭 的飞行速度越来越快， 导弹和火箭发动机的推力越来越大。 对于采用缠绕技术制 成的诸如飞机雷达罩、 导弹头锥、 运载火箭的整流罩以及导弹和火箭发动机喷管 等轻质高强度、 耐高温、 耐烧蚀、 耐高 速冲刷的零部件的 性能要求也就越来越高。 对于一些特殊零部件缠绕技术， 国外都是严密禁运封锁的， 对于控制技术更 是无法引 进的。 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。 本课题的目的， 正是为新型多 功能 布 带 缠 绕 机 整体设 备的 研发 做 准备， 围 绕 提高 复 合 材 料 制品的 质 量， 对 影 响 制品 质量的张力、压力、布带纠偏以 及温度系统进行研究和进一步的完善。 首先， 根据用户的需要分析了导致现有的数控布带缠绕机精度不高的原因， 对张力、 压力和温度控制系统提出有效的解决方案。 其次， 对张力的传动机构进 行改造， 减少外界对张力控制系统的干扰， 奠定了 高精度控制的 基础。 然后， 对 纠偏装置进行了设计， 原布带纠偏由 人手动完成，自 动化程度底， 改造后大大提 高了自 动化水平。 接着， 对张力、 压力、 温度、 纠偏控制系统的控制方法进行针 对性设计。 并采用计算机自 动辨识、 仿真技术， 验证了改造后的效果。 为使用户 更方便使用、 标定，又对软件进行了 改进。 最后. 对所设计的张力、 温度、 压力 和纠偏控制系统进行的一系列试验，并对结果进行分析。 关键词: 数控布带缠绕机 闭环控制 改造 纠偏 辨识 模糊控制 西北工业大学硕士论文 ab s tra ct abs t ract c o m p o s i t e m a t e r i a l w i n d i n g t h e c o m p o n e n t o f p r e p a r a t i o n i n m o d e rn fl i g h t p r o d u c - t io n a p p l i c a t i o n i s m o r e e x t e n s i v e , a s s o l i d r o c k e t e n g i n e h o u s i n g a n d r o c k e t e n g i n e s p r a y p i p e t h e p r o p e l l e r t h a t s e c t i o n , a r t i f i c i a l s a t e l l i t e , a e r i a l r a d a r c o v e r a n d v a r i o u s fl i g h t s u s e a s w e l l a s t h e v e s s e l o f h i g h v o l t a g e a n d p i p e l i n e e t c . b e c a u s e o f m o d e r n t e c h n o l o g y d e v e l o p f a s t , t h e fl i g h t s p e e d o f a i r p l a n e , m i s s i l e a n d r o c k e t i s m o r e a n d m o r e r a p id , t h e t h r u s t o f m i s s i l e a n d r o c k e t e n g i n e i s b i g g e r a n d b i g g e r . f o r a d o p t i n g w in d in g , t h e t e c h n i c a l r e c t i f i c a t io n c o v e r a s w e l l a s m i s s i l e a n d r o c k e t e n g i n e s p r a y p ip e a n d o t h e r l i g h t q u a l i t y s u c h a s a i r p l a n e r a d a r c o v e r , mis s i l e f i r s t a w l a n d c a r r i e r r o c k e t t h a t m a d e a r e h i g h - s t r e n g th , h i g h t e m p e r a t u r e r e s i s t a n t , e n d u r e a b l a t i o n , e n d u r e t h e p r o p e r t y r e q u i r e m e n t c o n c e rn i n g w i n d i n g c o m p o n e n t t h a t e r o d e d w i t h h i g h s p e e d i s a l s o h i g h e r a n d h i g h e r f o r s o m e s p e c i a l c o m p o n e n t s a r e w i n d i n g t e c h n o l o g y a b r o a d i s t i g h t e m b a r g o b l o c - k a d e , i s t o c a n n o t in t r o d u c e m o r e f o r c o n t r o l t e c h n o l o g y . s a t i s f y t h e s p a c e fl i g h t i n d u - s t r y o f o u r c o u n t r y d e v e l o p d e m a n d f a s t , s o l u t i o n n e w a a c t in g s o l i d r o c k e t e n g i n e d e - v e lo p s a n d s a t i s f i e s h i g h p r o p e r t y e n g in e s p r a y p i p e a s w e l l a s a e r o s p a c e fl i g h t w a r e s h e a t i n s u l a t i o n , e n d u r e a b l a t i o n p a rt s t o d e v e l o p n e e d s . d e v e l o p n e w , m u c h a x l e a n d m u l t i f u n c t i o n , m u c h p h y s i c a l p a r a m e t e r t o c o n t r o l , w in d i n g e q u i p m e n t , a s w e l l a s i m - p r o v e p e r f e c t t a p e w i n d i n g m a c h i n e p h y s i c a l p a r a m e t e r i n s p e c t i o n a n d c o n t r o l s o ft w - a r e h a s b e e n u r g e n t m a t t e r . t h e p u r p o s e o f r e s e a r c h i s p r e p a r a t i o n f o r t h e n e w m u l t i f u n c t i o n d i g it a l c o n t r o l t a p e w i n d i n g m a c h i n e . a t f i r s t , a n a l y s is t h e r e a s o n s o f lo w p r e c i s i o n o f m u lt i f u n c t i o n d i g i t a l c o n t r o l t a p e w i n d i n g m a c h i n e a c c e d i n g t o u s e r s n e e d , a n d p u t f o r w a r d t h e e f f e c t i v e s o l u t i o n o n e b y o n e a ft e r a n a l y s i n g t h e t e n s i o n , p r e s s u r e a n d t e m p e r a t u r e c o n t r o l s y s t e m r e s p e c t - t i v e l y . s e c o n d l y , c a r r y o n t h e t r a n s f o r m a t i o n t o t h e t r a n s m i s s i o n o f t e n s i o n , r e d u c e t h e i n t e r f e r e n c e t o t h e c o n t r o l s y s t e m o f t e n s i o n , h a v e e s t a b l i s h e d t h e f o u n d a t i o n o f h i g h a c c u r a c y c o n t r o l . t h e n , d e s i g n e a r e c t i f y in g d e v ia t i o n d e v i c e , b e f o r e t h i s p e o p l e r e c t i fi e d d e v i a t i o n m a n u a l l y , n o w t h i s d e v ic e h a s i m p r o v e d t h e a u t o m a t i c l e v e l g r e a t l y . t h e n , t o t e n s i o n , p r e s s u r e , t e m p e r a t u r e , r e c t i f y a d e v i a t i o n c o n t r o l m e t h o d s o f t h e c o n t r o l s y s t e m g o o n t h e p e rt i n e n c e d e s i g n . a d o p t c o m p u t e r d i s t i n g u i s h i n g a u t o m a t i - c a l l y , s i m u la t e t e n s i o n c o n t r o l s y s t e m , v e r i f y in g t h e r e s u l t a ft e r t r a n s f o rmi n g . s o ft w a r e i s i m p r o v e d t o f a c i l it a t e u s e r s t o s t a n d a r d a n d u s e . f i n a l l y , a s e r i e s o f t e s t s o f r e c t i f y d e v i a t i o n , t e n s i o n , t e m p e r a t u r e , a n d p r e s s u r e a r e d e s i g n e d t o v a l i d a t e t h e r e s u l t k e y w o r d : d i g i t a l c o n t r o l t a p e wi n d i n g m a c h i n e , c lo s e d - l o o p c o n t r o l , t r a n s f o r m a t i o n , r e c t i f y i n g d e v i a t i o n , d i s t i n g u i s h , f u z z i ly c o n t r o l 西北工业大学硕士论文 论文 发表 发表与学位论文工作相关的学术论文 论文题目i : 数控布带缠绕机张力精密控制系统 作者:李敬华 史耀耀 发表时间:2 0 0 5 年第6 期 刊物名称: 机械科学与技术 刊物期刊号:i s s n 1 0 0 3 - 8 7 2 8 作者单位:西北工业大学 论文题目2 : 数控布带缠绕机张力和压力系统的改造 作者:李敬华 史耀耀 彭家样 蔡蕊 发表时间:2 0 0 6 年第二期 刊物名称: 机床与液压 刊物期刊号:i s s n 1 0 0 1 - 3 8 8 1 作者单位:西北工业大学 论文题目3 : 基于概率统计的数字滤波方法研究 作者:李敬华 史耀耀 彭家样 蔡蕊 发表时间: 2 0 0 5 年第三期 刊物名称: 组合机床与自 动化加工技术1? 刊物期刊号:i s s n 1 0 0 1 - 2 2 6 5 作者单位:西北工业大学 西北工业大学硕士论文致谢 致谢 在攻读硕士学位的过程中， 作者一直得到导师史耀耀教授的精心指导， 在论 文的完成过程中， 给予作者极大的 鼓舞和帮助， 尤其是他严谨求实、 一丝不苟的 科学态度， 立志求新、 孜孜不倦的开拓精神， 敏捷的思维和渊博的知识将使作者 终身受益。在此向他表示崇高的敬意和衷心的感谢。 在作者研究生学习期间 和论文完成过程中， 作者还得到了 西北工业大学1 0 0 4 教研室唐虹教授、 胡翠华教授、 严新民 教授的大力支持和帮助， 他们认真、 细心 的指导给予作者极大的启发，在此一并表示诚挚的谢意。 同时， 对涂华军、 赵红显和龙春国等同学在c 语台 编程、 c v 1 运用以 及设备 调试等方面给予作者诸多有益的建议 和帮助，在此表示特别的 感谢。 最后，向关心和支持我成长的师长、亲人和朋友表示由衷的感谢! 西北工业大学硕士论丈第一章 绪论 第一章 绪论 纵观人类科学技术的发展， 每一次科学技术的进步都伴随着新材料、 新工艺 的出 现。 例如， 本世纪6 0 年代美国 设计师在研制北极星( p o l o r i s ) a 3 导弹时大胆 采用了纤维浸溃热固性树脂复合材料缠绕发动机壳体的新工艺， 以取代合金钢的 切削成型工艺， 使该部件减重达4 5 % ， 导弹射程由1 6 0 0 k m 增至4 0 0 0 k m , 增程1 5 0 % 整个制造工艺也得以简化，使生产周期缩短 1 / 3 ，成本降低为原来钦合金的 1 / 1 0 。 它的成功震动了导弹界和材料界， 这是首次采用复合材料作为主承载力结 构材料， 因而被列入航空航天工程史册， 缠绕工艺的创举成功也作为新材料、 新 工艺的里程碑载入了近代复合材料发展史。 复合材料使用适当的方法将两种或两种以上不同性质的材料组合在一起而 构成的一种新型材料。 这种材料能够克服单一材料的缺点， 改进单一材料的性能， 并通过各个组成材料在性能上的互相协同作用， 可得到单一材料所无法比 拟的优 越的综合性能。 与传统金属材料相比， 复合材料具有许多突出 优点。 如: 高比 强、 良 好的化学/ 物理稳定性 ( 耐酸、耐碱、阻燃等) 、减震、防磁等。因而它被首 先应用于航空航天等高技术领域， 并逐渐向民用工业扩展。 但是复合材料的发展 必须依赖于机械制造业为其提供先进的工艺装备， 传统的机械设备己不能满足新 材料、 新工艺的发展要求， 因此研制适合复合材料生产的先进、 高性能数控布带 缠绕机和作为其必备辅助装置的精密张力控制系统是科学技术发展的需要。 1 . 1 布带缠绕机的发展史 布带缠绕机经历了一个由简单向复杂， 由低级向高级， 由单一结构向多种结 构发展的过程。 1 9 4 7 年， 美国k e l lo g 公司与海军合作研制出世界上第一台缠绕机， 它属干 机械控制式。 芯模的旋转和绕丝头的运动是采用齿轮、 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， 必须重新计算调整齿轮的 传动 比 和 链条的长度， 调换相应的齿轮和链条， 既费力又费时， 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。目 前机械缠绕机在我国仍占很大比重。 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 西北工业大学硕士论丈第一章 绪论 第一章 绪论 纵观人类科学技术的发展， 每一次科学技术的进步都伴随着新材料、 新工艺 的出 现。 例如， 本世纪6 0 年代美国 设计师在研制北极星( p o l o r i s ) a 3 导弹时大胆 采用了纤维浸溃热固性树脂复合材料缠绕发动机壳体的新工艺， 以取代合金钢的 切削成型工艺， 使该部件减重达4 5 % ， 导弹射程由1 6 0 0 k m 增至4 0 0 0 k m , 增程1 5 0 % 整个制造工艺也得以简化，使生产周期缩短 1 / 3 ，成本降低为原来钦合金的 1 / 1 0 。 它的成功震动了导弹界和材料界， 这是首次采用复合材料作为主承载力结 构材料， 因而被列入航空航天工程史册， 缠绕工艺的创举成功也作为新材料、 新 工艺的里程碑载入了近代复合材料发展史。 复合材料使用适当的方法将两种或两种以上不同性质的材料组合在一起而 构成的一种新型材料。 这种材料能够克服单一材料的缺点， 改进单一材料的性能， 并通过各个组成材料在性能上的互相协同作用， 可得到单一材料所无法比 拟的优 越的综合性能。 与传统金属材料相比， 复合材料具有许多突出 优点。 如: 高比 强、 良 好的化学/ 物理稳定性 ( 耐酸、耐碱、阻燃等) 、减震、防磁等。因而它被首 先应用于航空航天等高技术领域， 并逐渐向民用工业扩展。 但是复合材料的发展 必须依赖于机械制造业为其提供先进的工艺装备， 传统的机械设备己不能满足新 材料、 新工艺的发展要求， 因此研制适合复合材料生产的先进、 高性能数控布带 缠绕机和作为其必备辅助装置的精密张力控制系统是科学技术发展的需要。 1 . 1 布带缠绕机的发展史 布带缠绕机经历了一个由简单向复杂， 由低级向高级， 由单一结构向多种结 构发展的过程。 1 9 4 7 年， 美国k e l lo g 公司与海军合作研制出世界上第一台缠绕机， 它属干 机械控制式。 芯模的旋转和绕丝头的运动是采用齿轮、 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， 必须重新计算调整齿轮的 传动 比 和 链条的长度， 调换相应的齿轮和链条， 既费力又费时， 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。目 前机械缠绕机在我国仍占很大比重。 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 西北工业大学硕士论文第一章 绪 论 研制出 第二代缠绕机一程序控制缠绕机。如美国麦克林。 安得逊公司( m e c l e a n 1 . 2 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设计的缠绕机上， 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、 生产阶段。 正因如此， 缠绕机目前尚 无统一的严格 分类方法和标准。以下仅供参考。 西北工业大学硕士论文第一章 绪论 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 缠绕速度快，自 动化程度高的技术。 如e n t e c 公司的2 1 0 系列缠绕机有 1 0 个主 轴， 主轴最 大转速可 达1 0 0 0 r / m i n ， 小车最大速度可达1 .2 m 1 s 可以自 动更换芯模。 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， 所以采用新的纠偏系统可大大提高自动化 程度。 3 )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，近 十几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 热固性塑料的优点，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。目前德国a a c h e n大学 f r a u n h o f e r 生产技 术研究院已 建成了一个以 缠绕机为核心。 多种工艺复合化的复合材料柔 性制造中心。 4 )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制产品设计 曲线图表， 发出生产控制指令。 如哥德斯沃斯公司设计的形缠绕机，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 . 2 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设计的缠绕机上， 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、 生产阶段。 正因如此， 缠绕机目前尚 无统一的严格 分类方法和标准。以下仅供参考。 西北工业大学硕士论丈 第一章 绪论 1 . 2 . 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f w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f w 依据小车运动轨迹的安装位置高低不同 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 ;链条:8 -缠绕头 图1 一1 车床式缠绕机 再 . at _ 0户 1 一机头:2 一小车轨道;3 一小车;4 一支撑柱:5 -尾座: 6 一芯模:7 -温控仪:8 -浸胶装置:9 一控制柜; 1 0 一张力控制柜;1 1 一纱架:1 2 -缠绕头 图 1 -2门式缠绕机 西a t 工业大学硕士论文 第一章 绪论 又 分 为 车 床 式 和门 式f w ， 车 床 式f w 小 车 安 装 形 式 为 平 音 式一顶 一画 灭1 万刃不 车位于轨道上， 小车上可以站人， 操作较简便。 这种形式的设备最多， 绝大多 数 生产大型制品的设备都是卧式。门式f w 小车安装形式为悬桂式 ( 见图 1 - 2 ) , 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f w( 见图1 -3 )的特点是芯模垂直放置，用作螺旋缠绕 的立式 f w ， 缠绕时，小车垂直芯模轴线绕芯模匀速圆周运动，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。 用于平面缠绕的 立式f w , 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， 绕丝嘴每转一周，芯模转一小角度，反映在容器上即一个纱片的宽度，这类 f w 主要用于短粗筒形、球形、椭球形制品的平面缠绕。 图1 一 3 立式缠绕机 1 . 2 . 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 . 2 . 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。 l . 3 数控布带缠绕机系统组成 多功能数控布带缠绕机由 机床本体、 c n c数控系统、 工业控制机系统和加 热设备四大部分组成。各部分功能作用及相互之间的联系如图 1 -4 所示。机床 西a t 工业大学硕士论文 第一章 绪论 又 分 为 车 床 式 和门 式f w ， 车 床 式f w 小 车 安 装 形 式 为 平 音 式一顶 一画 灭1 万刃不 车位于轨道上， 小车上可以站人， 操作较简便。 这种形式的设备最多， 绝大多 数 生产大型制品的设备都是卧式。门式f w 小车安装形式为悬桂式 ( 见图 1 - 2 ) , 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f w( 见图1 -3 )的特点是芯模垂直放置，用作螺旋缠绕 的立式 f w ， 缠绕时，小车垂直芯模轴线绕芯模匀速圆周运动，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。 用于平面缠绕的 立式f w , 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， 绕丝嘴每转一周，芯模转一小角度，反映在容器上即一个纱片的宽度，这类 f w 主要用于短粗筒形、球形、椭球形制品的平面缠绕。 图1 一 3 立式缠绕机 1 . 2 . 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 . 2 . 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。 l . 3 数控布带缠绕机系统组成 多功能数控布带缠绕机由 机床本体、 c n c数控系统、 工业控制机系统和加 热设备四大部分组成。各部分功能作用及相互之间的联系如图 1 -4 所示。机床 西a t 工业大学硕士论文 第一章 绪论 又 分 为 车 床 式 和门 式f w ， 车 床 式f w 小 车 安 装 形 式 为 平 音 式一顶 一画 灭1 万刃不 车位于轨道上， 小车上可以站人， 操作较简便。 这种形式的设备最多， 绝大多 数 生产大型制品的设备都是卧式。门式f w 小车安装形式为悬桂式 ( 见图 1 - 2 ) , 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f w( 见图1 -3 )的特点是芯模垂直放置，用作螺旋缠绕 的立式 f w ， 缠绕时，小车垂直芯模轴线绕芯模匀速圆周运动，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。 用于平面缠绕的 立式f w , 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， 绕丝嘴每转一周，芯模转一小角度，反映在容器上即一个纱片的宽度，这类 f w 主要用于短粗筒形、球形、椭球形制品的平面缠绕。 图1 一 3 立式缠绕机 1 . 2 . 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 . 2 . 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。 l . 3 数控布带缠绕机系统组成 多功能数控布带缠绕机由 机床本体、 c n c数控系统、 工业控制机系统和加 热设备四大部分组成。各部分功能作用及相互之间的联系如图 1 -4 所示。机床 西北工业大学硕士论文 第一幸 绪 论 本体由床头箱 ( 即主轴箱部件) 、尾座床身及运动小车 ( 即小车床身部件)几部 分组成，可实现数控二坐标运动， 床身部分为卧式结构，外形与卧式车床相似， 物理参数控制装置安装在小车溜板上， 用于控制张力、 压力、 温度; 加热装置可 提供稳定的、 充足的 室温 - 2 0 0 干燥冷气流; 数控系统采用f a n u c o i 系统， 它 控制机械主机的有关部件按缠绕所需要的规律运动; 工业控制机系统主要实现对 张力、 压力、温度等物理参数的 控制、显示、 存贮及打印。其由 研华 i p c - 6 1 0 -h , p 4 2 g , l c d 1 、计算机键盘及鼠 标组成。人机通过l c d 1 , 键盘及鼠标进 行信息交换。为了操作方便，还扩展出了l c d 2 和小车操作面板，用以显示物 理参数，实现对c n c系统、小车横向补偿操作及旋转调节、热风、热辊温度调 节、 压辊进退操作、 物理参数设定、 工作方式切换、 启、 停等操作。 另外还有强 电柜，为系统提供机床电源并利用继电器实现顺序控制。 图1 -4 布带缠绕机总体结构图 由于多功能布带缠绕机是集缠绕、切削和测量三大功能为一体的先进设备， 加之加工产品的尺寸变化范围宽 ( 直径 5 0 - 1 7 0 0 m m ，长度可达 2 0 0 0 m m ) ，尤 其是在斜叠缠绕时， 热压辊必须偏转某个角度， 这些因素给机床总体布局和结构 设计带来了很大困难。 为此， 总体布局上将该设备的三大部件一主轴箱、 尾座床 身和小车床身部件一设计为分体式的， 为加工制造和安装调试带来较大方便。 小 车部件设计为三层结构。 上层可以 转动 ( 床头端6 0 0， 尾座4 5 0) ， 上面安装有 张力、 压力、 温度控制器， 前端可以安装热压辊支架 ( 缠绕状态时)或刀架 ( 切 削状态和测量状态共用) ， 结构小巧， 使用方便。 同时上层内部装有行程为 i o o m m 的 气缸组件，缠绕时使压辊紧密压在模胎上。当换装刀架时， 气缸有锁紧装置， 保证切削时刀架有足够的刚度和测量时的精确度。 中层为过渡层， 内部装有自 动 ( 或手动) 调整上层转动的机构， 并设有极限开关， 保证工作安全。下层与小车 床身相联，内部装有自 动 ( 或手动) 微调中层的结构。小车部件纵向( z 向)由 3 1 5 0 m m长滚珠丝杠拖动; 横向 ( x向)由 1 2 0 0 m m滚珠丝杠拖动，保证运动范 围和传动精度。 随着布带缠绕机向自 动化、 连续化、 高速化方向发展， 尽管采取了许多使布 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 带定心的措施， 但布带跑偏仍不可避免。 引起带材跑偏的主要原困有张力不适当 或张力波动较大、 辊系的不平行和不水平、 辊子偏心或锥度、 布带厚度不均与浪 形及横向弯曲等。 为此， 对布带边缘进行控制， 是避免布带跑偏过大和提高产品 质量的有效途径。 模拟量自 动光电纠偏控制系统是对薄型物料在传送过程中的 位 置偏移进行控制的自 动控制系统，具有自 动检测、自动跟踪、自动纠偏等功能。 传统的数字量光电纠偏控制系统在以下场合下有其缺点:一、 当被纠偏的卷材 为布带等边缘不整齐时， 传统的数字量纠偏控制系统无法保证布带的对中纠偏控 制， 不仅布带难以收齐， 而且纠偏推动器会频繁地往复运动， 加速机械结构的衰 老。 新的模拟量纠偏控制完全克服了这个缺点， 表现出理想的纠偏效果: 二、对 于布带这样的边缘不规则的材料， 使用模拟量纠偏控制系统， 均可以有效的保证 纠偏精度，使得纠偏装置的寿命大幅度的提高。 加热装置的作用是使预浸胶带在缠绕到模胎前的一瞬间迅速加热至熔柔状 态， 保证缠绕到模胎后致密贴合， 否则各层之间是分离的， 不能形成一体。 加热 装置设计难点是要在碳 / 酚醛或高硅氧 / 酚醛预浸胶布带移动缠绕过程中的 极短时间内加热到凝胶状态便于缠绕， 然而加热温度又不可以太高， 防止树脂熔 化 ( 流失) 布带烧焦 ( 发黑) 。 为此， 将加热装置分为两部分: 热压辊和热风器。 此外。 可根据需要加装制冷装置， 制冷装置的主要作用是在胶带缠绕至模胎 上以后， 希望减小树脂的流动性使缠绕的形状稳定住， 以便紧接着连续缠绕下一 层。 尤其在采用斜叠缠绕方式进行加工时， 布带要被强制产生较大的变形， 模胎 的曲率半径越大， 布带的变形越大，由于布带具有的弹性使得布带变形越大， 其 弹性回复力就越大，当树脂流动性过大时， 容易使缠绕层发生滑移， 影响后续缠 绕的进行以及产品的质量。 因而要求使熔柔的胶带迅速冷却下来， 以便保持形状 稳定， 故需提供一套制冷设备。 为了保证缠绕产品质量， 不允许连续缠绕时层问 有夹杂、 气泡等缺陷， 要求所提供的 0 -5 连续冷气流， 不得含有水气和杂质。 因此制冷装置采用两次压缩制冷媒体达到制冷目 的。 第一次压缩制冷降温， 主要 目 的是去除压缩空气中的水气， 保持气流干燥。 第二次压缩制冷降温后， 使介质 保持在 0 左右，使管道中经干燥的压缩空气降至 0 - 5 0c ，提供品质良 好的无 杂质无水气的连续冷气流。 该冷气流经软管前端的喇叭口吹至缠绕点后方的胶带 上使其骤冷，达到固定形状的作用。 1 . 4 布带缠绕机工艺特点 数控布带缠绕机是采用碳/ 酚醛、 高硅氧/ 酚醛等耐烧蚀绝热织物预浸胶带 缠绕固体火箭发动机喷管耐烧蚀防热材料零部件， 以及导弹鼻锥等宇航飞行器防 热零部件的专用设备。 该机用耐烧蚀绝热织物的预浸渍带来缠绕成型零件， 缠绕 西北工业大学硕士论文 第一章 绪论 带定心的措施， 但布带跑偏仍不可避免。 引起带材跑偏的主要原困有张力不适当 或张力波动较大、 辊系的不平行和不水平、 辊子偏心或锥度、 布带厚度不均与浪 形及横向弯曲等。 为此， 对布带边缘进行控制， 是避免布带跑偏过大和提高产品 质量的有效途径。 模拟量自 动光电纠偏控制系统是对薄型物料在传送过程中的 位 置偏移进行控制的自 动控制系统，具有自 动检测、自动跟踪、自动纠偏等功能。 传统的数字量光电纠偏控制系统在以下场合下有其缺点:一、 当被纠偏的卷材 为布带等边缘不整齐时， 传统的数字量纠偏控制系统无法保证布带的对中纠偏控 制， 不仅布带难以收齐， 而且纠偏推动器会频繁地往复运动， 加速机械结构的衰 老。 新的模拟量纠偏控制完全克服了这个缺点， 表现出理想的纠偏效果: 二、对 于布带这样的边缘不规则的材料， 使用模拟量纠偏控制系统， 均可以有效的保证 纠偏精度，使得纠偏装置的寿命大幅度的提高。 加热装置的作用是使预浸胶带在缠绕到模胎前的一瞬间迅速加热至熔柔状 态， 保证缠绕到模胎后致密贴合， 否则各层之间是分离的， 不能形成一体。 加热 装置设计难点是要在碳 / 酚醛或高硅氧 / 酚醛预浸胶布带移动缠绕过程中的 极短时间内加热到凝胶状态便于缠绕， 然而加热温度又不可以太高， 防止树脂熔 化 ( 流失) 布带烧焦 ( 发黑) 。 为此， 将加热装置分为两部分: 热压辊和热风器。 此外。 可根据需要加装制冷装置， 制冷装置的主要作用是在胶带缠绕至模胎 上以后， 希望减小树脂的流动性使缠绕的形状稳定住， 以便紧接着连续缠绕下一 层。 尤其在采用斜叠缠绕方式进行加工时， 布带要被强制产生较大的变形， 模胎 的曲率半径越大， 布带的变形越大，由于布带具有的弹性使得布带变形越大， 其 弹性回复力就越大，当树脂流动性过大时， 容易使缠绕层发生滑移， 影响后续缠 绕的进行以及产品的质量。 因而要求使熔柔的胶带迅速冷却下来， 以便保持形状 稳定， 故需提供一套制冷设备。 为了保证缠绕产品质量， 不允许连续缠绕时层问 有夹杂、 气泡等缺陷， 要求所提供的 0 -5 连续冷气流， 不得含有水气和杂质。 因此制冷装置采用两次压缩制冷媒体达到制冷目 的。 第一次压缩制冷降温， 主要 目 的是去除压缩空气中的水气， 保持气流干燥。 第二次压缩制冷降温后， 使介质 保持在 0 左右，使管道中经干燥的压缩空气降至 0 - 5 0c ，提供品质良 好的无 杂质无水气的连续冷气流。 该冷气流经软管前端的喇叭口吹至缠绕点后方的胶带 上使其骤冷，达到固定形状的作用。 1 . 4 布带缠绕机工艺特点 数控布带缠绕机是采用碳/ 酚醛、 高硅氧/ 酚醛等耐烧蚀绝热织物预浸胶带 缠绕固体火箭发动机喷管耐烧蚀防热材料零部件， 以及导弹鼻锥等宇航飞行器防 热零部件的专用设备。 该机用耐烧蚀绝热织物的预浸渍带来缠绕成型零件， 缠绕 西脸工业大学硕士论文第一章 峰论 时对布带施加恒定的张力， 在缠绕点附近使布带加热， 用气缸通过热压辊以恒定 的压力将布带滚压在成型模胎上， 缠绕后立即使布带冷却定型。 如图1 -5 所示。 所缠绕零部件的 特点是材料性能好、 致密度高; 缠绕工艺简单， 所用模具制 造容易， 尤其适用于大型固体火箭发动机喷管及宇航飞行器大面积热防护零件的 缠绕。 缠绕方式分平缠和斜缠两种，如图1 -6 所示。 平 缠 时 如图1 - 6 ( a ) ， 布 带 与芯 模 轴平 行， 芯 模旋 转 ( 从) ， 小车 纵向( z) 及横向 ( a) 连续进给，实现轨迹控制;缠绕头架上的圆柱压辊沿横向 ( ao 将 布带压紧并缠绕在芯模上，也可以进行无纵向 进给缠绕 ( 重叠缠绕 ) 。 冷风 肢胎 布带张力 图1 一5 布带缠绕工艺 斜缠时 如图 1 - 6 ( b ) , 布 带与 芯 模轴 线 成一 夹 角 ( y ) ， 芯 模旋 转 ( n , ) , 小 车 纵 向( 幻横向( x)连 续 进 给 ， 实 现 轨 迹 控 制 ， 缠 绕 头 架 在z x 平 面 内 回 转 o r 角 度，由 锥形压辊将布带 压紧并缠绕在芯模上。 图1 一6 布带缠绕方式 1 . 5 数控布带缠绕机系统主要技术性能指标 ( 1 )缠绕方式、对象和产品尺寸 缠绕方式:平行缠绕，平叠缠绕及斜叠缠绕 缠绕对象:直线截锥体，曲线截锥体 产品尺寸:直径 o -1 z o o mm 西脸工业大学硕士论文第一章 峰论 时对布带施加恒定的张力， 在缠绕点附近使布带加热， 用气缸通过热压辊以恒定 的压力将布带滚压在成型模胎上， 缠绕后立即使布带冷却定型。 如图1 -5 所示。 所缠绕零部件的 特点是材料性能好、 致密度高; 缠绕工艺简单， 所用模具制 造容易， 尤其适用于大型固体火箭发动机喷管及宇航飞行器大面积热防护零件的 缠绕。 缠绕方式分平缠和斜缠两种，如图1 -6 所示。 平 缠 时 如图1 - 6 ( a ) ， 布 带 与芯 模 轴平 行， 芯 模旋 转 ( 从) ， 小车 纵向( z) 及横向 ( a) 连续进给，实现轨迹控制;缠绕头架上的圆柱压辊沿横向 ( ao 将 布带压紧并缠绕在芯模上，也可以进行无纵向 进给缠绕 ( 重叠缠绕 ) 。 冷风 肢胎 布带张力 图1 一5 布带缠绕工艺 斜缠时 如图 1 - 6 ( b ) , 布 带与 芯 模轴 线 成一 夹 角 ( y ) ， 芯 模旋 转 ( n , ) , 小 车 纵 向( 幻横向( x)连 续 进 给 ， 实 现 轨 迹 控 制 ， 缠 绕 头 架 在z x 平 面 内 回 转 o r 角 度，由 锥形压辊将布带 压紧并缠绕在芯模上。 图1 一6 布带缠绕方式 1 . 5 数控布带缠绕机系统主要技术性能指标 ( 1 )缠绕方式、对象和产品尺寸 缠绕方式:平行缠绕，平叠缠绕及斜叠缠绕 缠绕对象:直线截锥体，曲线截锥体 产品尺寸:直径 o -1 z o o mm 西非工业大学硕士论文第一章 绪 论 长度:1 5 0 0 m m 质量: 2 0 0 0 k g( 包括模胎质量) ( 2 ) 主轴 ( 模胎) 可实现恒线速或恒转速缠绕功能。 主轴转动与纵、 横向进给运动实现联动。 主轴转速范围: 缠绕时 1 - 4 0 r / m i n( 无级调速) ;切削时 5 -2 0 0 r / m in( 无级调速) 。 ( 3 )进给运动 纵向 ( z 向 ) 、横向 ( x 向 ) 进给量: 每转进给时为: 0 . 1 2 5 1 2 5 m m/ : 每分进给时为