（机械电子工程专业论文）专用数控缠绕机及其控制部分的开发与研究.pdf

西北工业大学硕士论文 摘要 目前，随着科技的发展，复合材料的缠绕制品越来越多的被应用于航空航天 等高科技领域，作为缠绕制品的缠绕设备数控缠绕机也发生着翻天覆地的变 化。由于制品的工艺要求不同，不同的专用设备日渐成为需求的对象。而国外对 于一部分特殊缠绕技术和控制技术都是严格控制的，因此，自主开发与研究专用 数控缠绕机具有十分重要的意义。 本课题结合用户的要求，针对特殊制品的缠绕过程中需要分别使用连续布带 和非连续布块对锥段和柱段进行缠绕的问题，对专用缠绕机进行了方案设计。特 别是在柱段缠绕小车的设计中，提出了许多新的方案，使得专用缠绕机在性能和 功能方面都达到了要求，提高了生产效率和制品的质量。 张力的稳定控制是复合材料缠绕过程中保证制品质量的关键技术之一，如果 张力选择不当或张力控制不稳定，可使缠绕制品的强度损失达2 0 3 0 。由此可 见，性能优良的数控缠绕机必须配备精确控制张力的张力控制器。针对锥段和 柱段不同的缠绕工艺，本文分别采用了将磁粉离合器和力矩电机作为锥段和柱段 的张力执行元件的控制方案，并以柱段控制方案为实例，对控制方案的各个环节 与装置进行较为深入的分析之后，建立了控制模型。 在工业控制中，由于p i d 调节具有适用性强，鲁棒性好而且原理简单等优点 而得到了广泛的应用，但是当输入方式改变或环境的变化使干扰的形式发生变化 时，p i d 控制系统的三个控制系数( k p 、k i 、l ( d ) 需要重新人工整定，难以取得满意 的控制效果。本文在分析模糊控制与神经网络控制理论之后，提出了一种基于模 糊神经网络的p i d 控制算法，并且将其应用于专用缠绕机物理参数的控制中。通 过对张力的实验表明，这种新算法克服了传统p i d 控制的缺陷，能使张力的控制 稳定化，在满足系统要求的同时，精度得到了较大的提高，是一种切实可行的方 法。 对于缠绕过程中其他的物理参数控制压力控制和温度控制，本文也进行 了简要的介绍，并且对整体的控制软件进行了设计。 关键字：专用缠绕机，张力控制，p i d 控制，模糊神经网络 西北工业大学硕士论文 a b s t r c t a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to ft e c h i l o l o g 如m o 觚dm o r ec o m p o s i t ew i n d i n gp r o d u c t s a 璐c di nh i 曲t c c h n o l o g yo f 跏s p a c ef i e l d ，锄dg r e a tc h a t l g e sa l s oh a p p e n e dt o m l 玎矧c a lc o m r o lw i n d i n gm h i n ew h i c hi st l l ek e ye q u i p m e n to fm 咖f a c 州n g w i n d i l l gp r o d l l c t s t h es p e c i a ld l e 、，i c 豁h a 、，e b e e nb e c o m i i 玛d e m a n d sb e c a u o f d i 仃b r e n tp | 佻e s so fw i l l d i l l gp f o d u c t s a n ds i n c et h em o n o p o l yo ft e c l l r m l o g yi n 黜s p a c ef i e l d t od e 、，e l o p 缸l d 托s 舒瞰i ht l l e 印e c i a lm l m e d c a lc o m r o lw i n d 啦 m h i n eo u r l v e sh 邪v e 巧i 加p o r t 锄tm e a l l i n g s sp r o j e c tc o m b i n e dc l i e n t s d 锄a i l d s 锄da i m e d 砒m cs i e c i a lp r o c e s so f w i n d i l l gp r o d u c t s ，m a d eap r e c e p to f t l l en 岫e r i c a lc 0 唾l n o lw i l l d i n gd e v i c e e s p e c i a l l y i l lt l l ed e s i 鲥n gp m c e s so fc o l u mp a n ，t l l e s i sm a d em 锄yc r e a t i v es c h e m 舒o n w i n d i n gm a c l l i n e a n da l lt l l e w o r km a d ew i n d i i l gm a c h i l 圮l l a v eab e t t e rp 晌衄 t l l e 血n c t i o n 卸dc 印a b i i i 劬a tt h es 锄et i 眦，t l l e s ew k1 1 a v ee n i l 肌c e de 伍c i e n c y 锄d q u a l i t ) ，o f t l l ep r o d u c t s t b m i o ns t e a d yc o n t m li sak e yt e c h l o g yt oc n s u r cq u l a l i t yi nt h em 觚响c t l l o f 砸n d i n gp r o d u c t s 1 1 1 ei i l t 哪n yw m d i n gp r ) d u c t sm a yl o s s2 0 0 0 i fm e t e m i o ni sn o ts u i t a b l eo ri th 船a n l 蛐l b l et e 吣i o nc o m r o ls y s t e m t h e r c f o ，i ti so f 掣陀a ti m p o r t 锄c ct oe q u i p 趴c l a t et c i l s i o nc 0 咖l l e ro nn 啪e r i cc o n n d lw i n d 妯g m h i o nc o n s i d e r i n g 也ed i 丘b 糟mp m c c 鼹o fc o n ep a r ta n dc o l u mp a r t ，t i l i s t l l e s i sl i s e dm a g n e 6 cp o w d 盯c l u t c h 锄df n o m c n tm o t o rs c p 口r a t e l y 舔t i 圮g e n e f a t o ro f r e s i s t a n c em o m e n ti nd i f r e mt e n s i o nc o n n d ls c h e m e 趴db l i i l tm ec o n 胁lm o d e lo f c ep a r t 锄dc o l u 舢p a n s p e c t i v e l ya f t e ra i l a l y z i n ge v e r y d e 锄dd e “c eo ft l l i s c o n 臼o lm e t l l o dd e 印l y h lt 1 1 ci n d u 鲥a lc o n 们lf i e l d ，p i d 阳g u l a l i o ni s 谢d e l yu db e c a u o fi 乜鲈a t a d a p 协b i l i t ya n dr o b 璐t l l e s s ，b l nt l l em r e ec o n t m l 弘哦m l e t e r sk ，k i ，k dm a yn e e dt 0 b es e ta g a i l lb yh 柚di ft 1 1 e r ea r es o m ec h a n g e si ni m p o r tw a yo rs o m ed i 丘毫r e n c ei n d i s n 曲i n gf b 肌b c c a u o fd i 丘孤n c eo f t l l ew o d d n gc o n d i t i o 邶，觚di t sa l w a y s1 l a r d t og c tas a t i s 每i l l gr e s u l t a 舭ra i l a l y z i n gf l l z 巧c o n 们lt l l e o r y 锄d 眦in 曲加r k c o n 加lt l l e o t l l i sn l e s i sb r o u g l l tf o n a r dan e wp i dc o i l 仃o la l g o 删埘b a s e d0 n f i l z z y n e u m ln e t w o r k 觚d 印p l i e d “i n t ot 1 1 ec o n 仃o lo fs p e c i a l 、) v i n d i n gm a c l l i s 牟i 均m e t e r s t h ee x p e f i m e mo f t e n s i o ns h o w e dt l l a tm i sa l g o r i t l l m9 0 to v e rt t l e 辩f b a c k o f 仃a d i t i o n a lp i dc o 曲1w a ya n dm a d eas t a b l ec o m m lo f b c l tt e l l s i o n n l ea c c u r a c y t t 西北工业大学硕士论文 a b s t r a c t w 鹊a l s oi n l p r o v c di nt 1 1 ep r e m i o f m c c t i n gt l l en e e do f s y s t e m 锄di tw 嬲t e s t e dt o b eaf e 嬲i b l em e m o d t l l i st l l e s i sa l s om a d es o m eb r i e fi i i 的d u c t i o no fd r e s s u i ec o n t l d l 锄d t e i i 】l p e 栅c o n t r o lw h i c ha r ca l s op l r 锄e t c r si nw i l l d i r 培p f o c e s s b e s i d e s ，i tm a d ea w h o l ed i e s i p 皿o f t h ec o n 仃d ls o f t w a r e k e yw o r d s ：s p e c i a lw i i l d i n gm a c h i i l e ，t e n s i o nc o i l 仃o l ，p l dc o n n d l ，矗i z 巧一n e 啪l n e t 、阳出 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两北工业大学。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。 保密论文待解密厉适用本声明。 学位论文作者签名 墨一手基 钞压弓月彩日 蟒 年：) 月呷日 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f 进行研究：1 i 作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 利致谢的地方外，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，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使片j 过的成果。剥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表明。 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。 学位论文作者签名：至么垒 捌年弓月够日 ， 西北工业大学硕士论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在人类科学技术发展的过程中，新材料和新工艺的出现总是能够推动科学技 术的进步。例如，本世纪6 0 年代美国设计师在研制北极星( p 0 1 0 r i s ) a 3 导弹时 大胆采用了纤维浸渍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 l 【i ，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 ，成本降低为原来钛合 金的l 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。比如：典型的轻量特性、卓越的比强度、比模量、独特的耐烧蚀 和隐蔽性、良好的化学物理稳定性( 耐酸、耐碱、阻燃等) 、减震、防磁、材料 性能的可设计性、制备的灵活性和易加工性等。所以复合材料被广泛的应用于航 空航天、兵器等高科技领域，并逐渐向民用工业扩展。然而，复合材料的发展还 必须依赖于机械制造业为其提供先进的工艺设备。就目前来说，传统的机械设备 已不能满足新材料、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 2 布带缠绕机发展史及现状 布带缠绕机根据制品工艺的需要，按照特定的机械运动和控制，将连续的纤 维或布带，按照要求的缠绕规律缠绕在制品成型的芯模表面上。缠绕设备自美国 1 9 7 4 年k e l l o g 公司制造出世界上第一台缠绕机以来，经历了一个由简单向复杂， 低级向高级，单一结构向多种结构发展的过程。 缠绕设备的发展主要可分为以下四个阶段： 第一阶段为机械控制式缠绕机。这种缠绕机的运动是采用齿轮、链条、链轮、 离合器等机械方法实现的。其缠绕过程中要根据制品形状计算缠绕机传动系统的 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 传动比，比较麻烦。更换产品类型和规格时，需要重新计算调整齿轮传动比和链 条长度，调换相应的齿轮和链条，因此非常费时费力，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 。但该型缠绕机制造成本低、结构简单、 运行可靠、维修方便，易于操作，因此目前在我国仍占有很大的比重。该型缠绕 机的典型代表是美国1 9 7 4 年k e l l o g 公司制造第一台机械式缠绕机。 第二阶段为数字程序控制缠绕机。该类型缠绕机是将芯模的角位移和缠绕小 车的线位移转化为电脉冲形式的数字量进行控制。芯模主轴带动一个能发出电脉 冲的编码盘，主轴发出的脉冲按照一定的比例调节后送给缠绕小车的伺服马达使 小车按照一定速度运动。该型缠绕设备可完成非线形缠绕，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，生产复杂产品仍受很大限制。 该型缠绕设备的典型代表是美国麦克林安得逊公司生产的w 2 型简易数字程序 控制缠绕机以及德国约瑟夫拜尔公司研制的w e 一2 5 0 型数字程序控制缠绕机。 第三阶段为小型通用计算机数字控制缠绕机。其控制功能是依靠事先存放在 存储器中的系统程序来完成的。改变程序控制逻辑可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。但是由于小型计算机当时价格相当昂贵， 因此该型缠绕机未得到普及。 第四阶段为微机控制缠绕机。该型缠绕机在性能上发生了根本变化，缠绕功 能更加完善，适应性和灵活性更强，可以实现多轴缠绕运动的控制，线形精度和 重复性精度更高，运行可靠，操作简便。美国麦克林安得逊公司、德国约瑟夫拜 尔公司以及英国的科拉斯公司等都生产该型缠绕机。我国哈尔滨复合材料设备开 发公司，西北工业大学等单位从9 0 年代中后期也研制出了该型缠绕机。 布带缠绕机随着计算机技术、信息技术、复合材料的发展，在功能方面不断 扩大。从国外来看，2 0 世纪6 0 年代是布带缠绕技术发展的最佳时期，其后长时 间内发展速度较慢。到8 0 年代，缠绕机进入新的高速发展阶段。如美国布带缠 绕机已用于型号研制。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 沿用卧式机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“侏儒”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。 从国内来看，我们自6 0 年代就开始研制布带缠绕机及其成型工艺。如北京 玻璃钢研究设计院、航天一院7 0 3 所、航天四院4 3 所、哈工大以及华中科技大 学等单位先后研制出不同的布带缠绕机，由于型号及物理参数检测和控制方面的 不完善，其缠绕质量均存在一定的问题。西工大研制的多功能布带数控缠绕机解 2 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 决了新一代缠绕机研制问题，并成为能满足高性能发动机喷管以及宇航飞行器绝 热、耐烧蚀部件研制需要的关键配套设备。它是自主开发的，拥有独立产权，填 补了国内空白，达到2 0 世纪9 0 年代国际先进水平 1 3 布带缠绕制品的工艺特点 当前，布带缠绕工艺主要用于缠绕成型固体火箭发动机喷管扩张段绝热层和 收敛段绝热层。固体火箭发动机是一种性能优越的火箭发动机，其主要由燃烧室、 主装药、点火器和喷管等部件组成。其中，喷管是燃烧室内的高温、高压燃气的 出口。一方面控制燃气的流出，保持燃烧室内有足够的压强；另一方面，通过喷 管中的膨胀加速，将燃气的热能转化为燃气流的动能，以很高的速度向后喷射出 去，产生反作用推力。为了使燃气流动从亚音速加速到超音速，喷管通道都采用 先收缩后扩张的拉瓦尔喷管，即有收敛段、喉管和扩张段三部分组成。飞行器约 6 5 7 5 的总推力是燃气在喷管喉部加速到音速时产生的，其余的推力则是在喷 管的扩张段产生的。因此，在发动机工作过程中，喷管扩张段绝热层和收敛段绝 热层始终受到高温、高压、高速燃气的传热、冲刷和烧蚀作用，工作条件十分苛 刻。而扩张段绝热层和收敛段绝热层在工作过程中受燃气冲刷的方向正好相反。 对于扩张段绝热层燃气从产品内径小的一端向产品内径大的一端流动，对于收敛 段绝热层燃气从产品内径大的一端向产品内径小的一端流动。因此，对于扩张段 绝热层和收敛段绝热层的受力状态不同，在缠绕成型工艺过程中就要求根据其工 作特点采用不同的工艺方法。 布带缠绕工艺方法主要发展为两种：平叠缠绕和斜叠缠绕。其中平叠缠绕方 式如图l 一1 所示： 图卜1 平叠缠绕原理图 平叠缠绕时，浸胶布带与芯模轴线平行，芯模轴向旋转( n z ) ，缠绕小车纵向 ( z ) 及横向( x ) 连续进给，实现轨迹控制；缠绕头架上的圆柱热压辊沿横向( 一x ) 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) 。缠绕制 品工作是布层的受力方向如图1 2 所示： 3 西北工业大学硕士论文第一章绪论 图卜2 布带的受力方向 斜叠缠绕时，布带与芯模轴线成一夹角( y ) ，芯模轴向旋转( n z ) ，缠绕小车 纵向( z ) 横向( x ) 连续进给，实现轨迹控制，缠绕头架在z x 平面内回转中y 角 度，由锥形热压辊将布带压紧并缠绕在芯模上。可根据制品的实际工作状态采取 以下两种斜叠缠绕方式，如图卜3 所示： i 乡 圹 图卜3 斜叠缠绕原理图 从以上两种缠绕方式比较来看，平叠缠绕方式较为简单。缠绕时，布带相互 粘接，因而缠绕制品纵向强度较高，提高了材料的耐烧蚀性，且缠绕工艺比较简 单( 布带在缠绕过程中保持直线状) ，生产周期较短。但由于布层间粘接面积较小， 制品耐轴向高速气流冲刷能力仍较差。这是因为制品使用中高速气流的冲刷方向 基本上是正对着布带重叠缝的方向，容易造成分层甚至“揭层”现象。 而斜叠缠绕方式则可根据产品的实际工作状态调整缠绕角度和缠绕方向( 从 大端向小端缠绕或从小端向大端缠绕) ，增大了缠绕层粘接面积，同时其能使缠 绕层顺应工作状态的气流方向，提高了抗冲刷性能。故得到了国内外的广泛青睐。 但从工艺实现的角度来考虑，平缠时浸胶布带不必发生较大的变形，而且缠 绕时稳定性较好。而斜叠缠绕( 不论从缠绕芯模大端向小端还是从小端向大端进 行缠绕) 都必将使浸胶布带的一边受到拉伸展开成扇形，如图1 4 所示，增加了 缠绕的难度。 根据国外有关资料表明，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l o 2 0 。左右，而这时需要浸胶布带最大边变形比在1 0 1 5 4 西北工业大学硕士论文第一章绪论 根据国外有关资料表明，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l - 4 斜叠缠绕对布带的影响 篓豳圣凰 图卜5 缠绕布带变形示图 5 ( b ) 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 1 4 课题的提出及研究意义 近年来，随着国内复合材料技术的不断发展，许多新型的复合材料已经在航 空、航天、航海、兵器以及一些民用行业中得到了广泛的应用，由于我国整体机 械生产的水平不高，尤其是在控制技术、伺服设备、基础理论方面比较落后，因 此纤维制品缠绕工艺与设备方面与世界先进国家相比均有很大的差距。由于西方 发达国家多年来对我国采取的出口技术审批制度，严格限制高档、精密设备和敏 感技术对我国的出口，使我们无法采取引进、消化、吸收的捷径，因此独立自主 地研制我国新型复合材料缠绕设备是当务之急。 该课题是在开发某型武器制品的自动化缠绕设备过程中提出来的。某型武器 壳体由于其缠绕工艺的特殊性，目前还没有一个有效的设备来实现其缠绕的自动 化，其制品缠绕工艺还处于手工操作阶段，产品质量很难得到保证。而且近年来 由于各方面的原因，该产品需求量大大增加，因此当前的人工缠绕方法远远不能 满足需求，而且人工缠绕还存在生产效率低、劳动强度大、可靠性差等方面不利 因素，因此急需要开发该制品缠绕的自动化设备来改善当前的工作条件。 1 5 研究内容 本课题是依据某国有企业所提出的技术要求结合数控布带缠绕机技术，开发 研制一台专用数控缠绕机，并具体应用于和该厂签订的工程合同中。 目前，该特种缠绕制品生产仍采用传统机械方式，人工干预的方法。故而该 课题主要针对特种缠绕制品的工艺要求，进行专用数控缠绕机的开发研制，旨在 减少人工干预，提高缠绕制品的质量及可靠性控制，提高生产效率。 本文针对特殊缠绕制品的工艺要求及以往设计缠绕机中出现的问题，进行专 用缠绕机的开发研究，并对专用缠绕机的物理参数控制系统的重要部分张力 控制系统以及压力控制系统进行研究，主要将在以下几个方面展开工作： ( 1 ) 分析特殊缠绕制品的缠绕工艺，进行专用缠绕机的机械结构方案设计 以达到既定的性能和功能指标。 ( 2 ) 对以交流力矩电机为执行元件进行圆柱段缠绕张力的控制方案的工作 原理和执行元件的静动态特性以及主要组成部件的参数选取进行深入分析，并结 合工厂的工作环境和数据进行试验，以便得到合适的参数。 ( 3 ) 确定在以力矩电机为执行元件的张力系统中采用闭环控制方式，将p i d 控制方法应用于张力控制系统，并比较现在常用的模糊控制和神经网络控制，找 出更为方便的算法与p i d 结合，以便实现张力的精密控制。 6 西北工业大学硕士论文第一章绪论 ( 4 ) 针对柱段部分压力问题，提出简洁、方便和实用的算法。 ( 5 ) 整个系统的控制软件要实现模块化，以达到客户提出的维护和修正方便 的要求。 ( 6 ) 设计数控缠绕机外部电气控制电路，选取电气元件，实现人机交互功能 以及操作的安全可靠性。 7 西北工业大学硕士论文第二章专用缠绕机的改进 第二章专用缠绕机的设计 2 1 专用布带缠绕机主要技术性能指标要求及缠绕工艺 2 1 1 专用缠绕机的主要技术性能指标要求 ( 1 ) 缠绕对象和产品尺寸 缠绕对象：圆柱件、圆锥件及母线为二元或三元方程的抛物砸等回转体 制品尺寸：最大直径不大于8 5 栅，最小直径不小于2 8 唧。 ( 2 ) 主轴( 模胎) 可实现恒线速自动调节功能。 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o 4 0 r m i n ( 无级调速) ； ( 3 ) 张力及控制精度 张力控制范围：l 3 0k g f ( 常用张力值3k g f 、2 0k g f ) ； 控制精度：平均值偏差4 ( 即平稳过程时相对于设定值) ； 最大波动量7 ( 即平稳过程时最大波动幅值) ； 自动控制：恒张力闭合回路控制，实时数显、记录。 ( 4 ) 热压辊压力 压辊压力： 压辊压力范围： 压辊压力控制精度： ( 5 ) 加热部分 热辊、热风加热： 热辊表面温度范围： 自动恒压闭合回路控制，实时数显、记录； o 2 0 0k g f ； 4 ： 热辊表面温差( 母线方向) ： 热风温度范围： 升温速度： 温控精度： ( 6 ) 控制系统 自动恒温闭合回路控制，实时数显、记录； 室温1 7 0 ( 可调) ； 6 ： 室温2 0 0 ( 出风口测量) ； 不小于2 5 m i n ； 5 。 缠绕张力、压力、热压辊温度、热风温度等物理参数由工业控制机系统的 l c d 集中显示，并能存贮、打印记录。 8 西北工业大学硕士论文 第二章专用缠绕机的改进 2 1 2 专用缠绕机制品的缠绕工艺 某型制品( 图2 1 ) 由于其特殊的用途以及性能的要求，采用纤维布带和布块 分别完成斜锥段和圆柱段的干法缠绕，即分别采用经过预浸胶处理的预浸胶布带 和布块，在缠绕工艺设备上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模的锥段和柱段上。 图2 一l 缠绕制品的芯模形状 由于该制品的特殊性，缠绕工艺过程相对繁琐，根据用户单位的工艺要求， 制品的锥段采用窄直纹布带进行平叠缠绕，而制品的圆柱段需用宽度与该段长度 几乎相同的4 5 度斜纹布进行缠绕在当前的织布工艺中，布匹都是按直纹进行 编织的，布匹的宽度为8 0 0 唧，从布匹上裁减的4 5 度斜纹布块相当短( 图2 2 为 布块裁减示意图) ，由于缠绕制品中不能掺杂其他材料，圆柱段缠绕的布块不能 用其他材料缝制，而该材料的布块纤维又非常脆，无法缝制布块，因此圆柱段缠 绕只能采用单个布块进行缠绕。 名i煞 瀵羹 n妒 图2 2 布块裁剪示意图 制品缠绕的工艺过程如下： ( 1 ) 对将要缠绕的布带和布块进行预浸胶处理。 ( 2 ) 圆柱段用布块缠绕，连续重叠缠绕( 图2 3 ) ，在重叠缠绕时，保证柱段 与锥段衔接处基本平整过度。 ( 3 ) 用窄布带以平叠的方式缠绕整个芯模。 9 囹囹 西北工业大学硕士论文 第二章专用缠绕机的改进 重叠缠绕 图2 3 制品缠绕方式 2 2 专用缠绕机的机械结构总体方案 根据制品缠绕工艺的要求，缠绕制品分为布带缠绕段和布块缠绕段，由于锥 段和柱段缠绕所用的布带宽度相差太大，并且缠绕的工艺方法也不相同，因此在 该缠绕机设计方案中采用两个缠绕小车，即柱段缠绕小车和锥段缠绕小车，由两 个缠绕小车分别独立对制品圆柱段和斜锥段进行缠绕。锥段缠绕小车利用窄布带 对整个芯模进行缠绕，该段缠绕方式与】( g _ 6 缠绕机的工作方式相同，只是由于 缠绕的布带单一，因此缠绕小车在结构上简单并且较小，其物理参数控制方式相 对成熟，因此在本文将不详细介绍。柱段缠绕过程中，由于采用的是宽布块单张 上布方式进行缠绕，目前还没有一个有效的设备代替手工操作，本文将重点针对 布块缠绕进行研究，完成该段的自动化缠绕，并对其物理参数进行精密控制，特 别对张力控制系统进行重点研究。 该专用缠绕机的机械系统总体方案如下图所示： 柱段缠绕小车z锥段缠绕小车 图2 4 专用缠绕机的机械系统方案 ( 1 ) 主轴箱与尾座一起完成对芯模的轴向定位，控制芯模转角位置，并为芯 谣北工业大学硕士论文 第二章专用缠绕机的改进 模提供驱动力。 ( 2 ) 锥段缠绕小车沿z 向( 导轨方向) 直线运动，以及x 向的运动，实现锥段 缠绕的插补运动，完成制品锥段和柱段窄布带的缠绕。 ( 3 ) 柱段缠绕小车沿导柱方向直线往复运动，实现柱段布块的重叠缠绕，由 于在缠绕工艺中要求锥段小车必须能够完成整个芯模长度段上的缠绕，因此，柱 段缠绕小车必须实现对锥段缠绕小车的让位，在进行让位时，柱段缠绕小车必须 在z 向沿着远离芯模的方向移动，使其让位时可以让开主轴箱，不与箱体发生干 涉 专用缠绕机的三维立体造型如下图所示： 2 3 锥段缠绕的设计 图2 5 专用缠绕机的三维造型图 在专用缠绕机的方案设计中，锥段缠绕的缠绕方式以及物理参数控制系统都 与西北工业大学研制的】( h g 一6 缠绕机相似，只是由于该制品相对较小，因此锥段 缠绕的小车在结构上比x h g 一6 缠绕机小得多。锥段缠绕的张力是通过磁粉离合器 通过对缠绕在其上的布带产生制动作用，使布带产生张力( 图2 6 ) 。张力的控制 通过将压力传感器检测布带张力对传感器的压力反馈到工控机，利用控制算法来 控制磁粉离合器的制动力矩，从而达到控制布带张力的作用。布带的缠绕压力是 利用气缸对热压辊施加压力，使压辊以一定的压力对在芯模上缠绕的布带施加压 力，压力的控制是通过工控机利用压力传感器( 比例阀中自带) 检测的压力对气缸 西北工业大学硕士论文第二章专用缠绕机的改进 进行控制，达到控制压力的作用。加热包括热辊加热和热风加热，热辊加热是在 热压辊内部绕制电阻丝，使热压辊表面产生热量，达到加热目的。热风加热是通 过热风机按图2 6 所示对缠绕布带吹热风。热辊加热温度和热风加热温度都是通 过温控仪进行控制。由于布带缠绕的技术已经产品化，因此在本文将不对锥段缠 绕进行详细介绍，相对与x h g - 6 缠绕机本课题所做新的设计主要是： ( 1 ) 在x h g 一6 缠绕机中，测到的张力是实际张力的分力，原因是布带与压力 传感器轴线之间存在夹角o ，在这次设计中，将。改为零度使得水平方面上面的 分力消失了，提高了检测的灵敏度。 ( 2 ) 带盘与磁粉离合器之问的距离减小，这样就削弱了开盘过程中产生的干 扰。 磁粉离 2 4 柱段缠绕的设计 图2 6 锥段布带缠绕方案 2 4 1 柱段缠绕张力部分的设计 在柱段缠绕中，由于采用的是单个斜纹布块进行缠绕，布块不能放在带盘 上开卷进行连续缠绕，因此不能直接利用以往的张力产生方法。在此结合以前张 力产生方式的特点，采用图2 7 的张力产生方式，第一块布的尾部以及下一块布 的前端有一定重叠的夹紧在运动小车上，布块在芯模上缠绕时带动运动小车向前 移动，对力矩电机施加反向力矩，从而对运动小车旋加了向后的拉力，使得布块 产生了张力。当一块布缠绕完毕，小车退回再次对下一块布施加张力。 1 2 西北工业大学硕七论文第二章专用缠绕机的改进 图2 7 单个布带缠绕张力的产生 这种设计的方案解决了布块不能直接施加缠绕张力的缺点，通过对力矩电机 的控制，达到间接控制布块张力的作用。但是存在的不足是在缠绕过程中必须使 前后缠绕的两个纤维布块首位有一定的重叠，这样就使得每块布在缠绕时其前端 与尾部有一段不能施加张力。由于不能施加张力的布块长度相对于整个布块长度 小的多( 小于1 1 0 ) ，因此是制品缠绕工艺所允许的。 诺 这种方案还实现了厂方要求的在单张布块缠绕时自动送料功能，力矩电机的 正向旋转就使得布料快速向前进给，反向旋转时使得小车快速后退以便夹持下一 块布块来再次完成送料过程。图中所示的压板造型是为了送料时小车尽可能的靠 近芯模与压辊的接触线，以便将布料送到。 2 4 2 柱段缠绕压力部分的设计 专用制品的柱段相对较长，为了使缠绕成型后的制品能够顺利脱模，芯模在 柱段上有多段拔模斜度( 图2 9 ) ，因此在施加压力时采用多个压辊进行分段施压。 同时，为了平衡芯模上所受的压力，在圆柱段采用两排压辊上下交错施压的方式 ( 图2 9 ) ，这样不但抵消了压辊所受的压力，也可以使整个圆柱段上的缠绕材料 都能受到压力，避免了由于压辊之间存在间隙而导致局部材料不能受压的问题。 同时每个压辊可以沿着销轴中心摆动，使整排压辊具有一定的柔性，在一定程度 上解决拔模斜度引起局部受压不均的问题。 图2 - 8 芯模 1 3 西北工业大学硕士论文 第二章专用缠绕机的改进 图2 _ 9 压辊施压方式 为了使压辊能够进一步压紧芯模，同时为了防止摆动角度过大，在每个销轴 的下部都安装了一个小弹簧，零件如2 1 0 所示 图2 一l o 弹簧安装视图 在人工缠绕布带时，工人实时观察布带缠绕状态，将布带上起皱的部位进行 展平，但是压辊在辊压过程中没有智能展平作用。为了解决布块展平问题，在压 辊上刻上浅斜条纹如图2 1 1 所示，使布带缠绕时向两边展开。 图2 1 l 压辊表面斜纹 1 4 仁 西北工业大学硕士论文 第二章专用缠绕机的改进 2 4 3 柱段温度控制部分的设计 加热的目的是使预浸胶带( 或布块) 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胶熔状态便于缠绕，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) 。在专用缠绕机同样采用热压辊和热风加热两种 方式，热风对布块的缠绕面进行加热，使缠绕时布块的缠绕面温度相对较高。热 压辊在缠绕点进一步对布块加热，使其进一步软化为此，利于层间粘接。加热装 置分为两部分：热辊和热风器。( 图2 一1 2 ) 热风器 图2 1 2 加热方式原理图 由于缠绕点空间很小，增加机构困难，故利用施加压力的压辊，在其内部安 装电热丝，电热丝发热通过压辊内表面向外传热使压辊外表面升温，使贴合在压 辊上的预浸胶带熔柔( 图2 1 3 ) 。 电 羁，匪 _ _ 】 图2 1 3 柱段热压辊结构示意图 柱段缠绕的布块宽度较大，热吹风需要载较大面积上供给风源，本课题选择 在一根钢管上均匀的打上小孔用来吹热风，如图所示。 图2 一1 4 热吹风的结构示意图 西北工业大学硕士论文 第二章专用缠绕机的已叟进 2 5 本章小结 本章对专用缠绕机的技术性能指标及缠绕工艺进行的阐述，针对用户要求和 特殊的工艺提出了专用缠绕机的整体设计方案，特别是对柱段缠绕小车的张力、 压力和温度等设计方案提出了新的想法，使得专用缠绕机的性能和功能都达到了 既定的要求。 1 6 西北工业大学硕士论文 第三章专用缠绕机张力控制的设计与建模 第三章专用缠绕机张力控制的设计与建模 3 1 张力控制系统的设计 张力控制是在复合材料缠绕过程中至关重要的一项技术，它对缠绕制品的性 能影响最大，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 缠绕制品的强度和疲劳性能与缠绕张力有密切关系。张力过小，制品强 度偏低，而且内衬充压时变形较大，变形越大其疲劳性能就越差。张力过大则布 带磨损增大，从而使制品强度下降。若张力波动较大，使各层布带的初始应力状 态不同，不能同时承载，也导致整个制品强度下降。 ( 2 ) 在缠绕成型过程中，由于胶液有挥发性的气体使制品中产生许多微孔。 过多的微孔不仅是制品机械性能下降，而且会使制品气密性变坏。缠绕张力是控 制和限制孔隙含量的决定性的因素之一。 ( 3 ) 缠绕张力增大，含胶量降低。张力波动也使得缠绕制品内外层胶质含量 不均，导致不均匀的应力分布而影响制品性能。 ( 4 ) 各布带之间张力的均匀性对缠绕制品性能的影响最大。例如布带张力程 度不同，当制品承受载荷时布带不能同时受力，紧的布带最先断裂，载荷转嫁到 余下的布带上，即按张力程度各层被逐个击破。因此，缠绕过程中应尽量保持布 带闯和布带内张力的均匀性。 因此，一台性能优良的缠绕机必须配备有对张力控制精确的张力控制系统。 本课题中研究的专用缠绕机分为锥段和柱段缠绕两部分，锥段的缠绕工艺已 经相对产品化，而且本文中对其也进行了新的设计，控制系统方案如图2 6 所示； 柱段的张力控制系统方案设计如下图所示。 图3 1 柱段张力控制系统图 1 7 机 西北工业大学硕士论文第三章专用缠绕机张力控制的设计与建模 3 2 张力控制系统的组成 结合锥段和柱段两部分的张力控制系统，我们可以看出张力控制系统的可以 分为几大部分：控制器、执行元件、测力装置以及辅助装置 3 2 1 控制器 随着科技的发展，在控制器方面已经由早期的模拟式转化为智能化仪表或计 算机，克服了可靠性差和控制精度低的缺点。本课题采用工业控制机作为控制器。 工业控制机简称工控机，即能适应工业现场控制生产过程的计算机。目前国内的 工控机主要分为三类：p c 总线工控机、s t d 总线工控机和e 总线工控机。 工控机除了具有普通商用计算机的全部软硬件资源外，为满足工业控制现场 的生产环境，还具有自己的一些特征和结构。工控机的模块化程度更高，中央处 理器( c p u ) 也做成c p u 卡的形式，与其它板卡一起插在底板上，升级容易，更换 方便。工控机的硬件资源更加丰富，具有常见的i s a 、p c i 及a g p 等类型的总线 插槽，且数量更多，便于扩充。在与外部设备的通信上，除了提供普通商用计算 机具有的串口、并口外，还配置了工业上常见的可与仪器、仪表通信的r s 一2 3 2 口等。在机壳选择上，工控机要比商用机更能适应较恶劣的工业状况，具有很高 的防尘、抗干扰等优点。 基于工控机的计算机控制系统功能齐全，对用户方便之处是解决了人机交互 问题。用户可通过键盘、鼠标等输入设备向控制程序设定被控制量大小、精度等， 也可提供程序需要的数据。由于具有高分辨率的彩色显示器，工控机可提供优良 的图形方式的人机界面，方便的实现动态图形显示、三维动态仿真等功能。以工 控机作为控制系统的核心，可使整个系统可靠度提高，充分利用计算机系统完备 的硬件，便于以后系统的扩充。 根据专用缠绕机物理参数控制的要求，在此选用研华i p c 6 1 0 h 工业控制 机。它是以4 u 高1 4 个i s a 或i s a p c i 槽机架安装工业控制机箱，专为关键任务 的应用而设计。此机箱包括一个通用1 4 槽无源底板、带p f c ( 功率因数补偿) 电源的高效3 0 0w a t x 和易于维护的双冷却风扇。机箱前面板上的系统状态l e d 指示灯可显示电源、硬盘和系统电压的运行情况。带有两个高c f m 风扇的先进 冷却系统能够提供充足的气流来冷却系统的主要部件。前端接线的u s b 和p s 2 键盘i 0 接口可以连接各种外部设备，以便进行数据传输、备份和输入。灵活 的机械设计支持单p s 2 电源或冗余电源( 通过更换电源托架) 。所有这些特点使 i p c 一6 1 0 h 成为性价比最佳和总价最优的选择。 1 8 西北工业大学硕士论文第三章专用缠绕机张力控制的设计与建模 3 2 2 执行元件 就目前来说，缠绕张力的执行元件主要有两种：磁粉离合器和力矩电机。 ( 1 ) 磁粉离合器 1 ) 磁粉离合器工作原理 磁粉离合器是由主动转子，从动转子及含激磁线圈的磁轭组成，三部分相对 同心配置，形成一个可以相对转动的整体。在主动转子和从动转子之间的环形空 隙( 工作腔) 内填有高导磁性的合金粉体。 当激磁线圈无电流通过时，工作腔中的磁粉呈松散状态。在主动转子所产生 的离心力的作用下，被甩出来，压附在主动转子的内壁上，主动转子与从动转子 之间无力的相互作用，两转子间没有转矩传递。离合器处于离的状态( 图3 2 ( a ) ) 。当激磁线圈中有电流通过时，磁轭中产生工作磁通，在此工作磁通的作 用下，工作腔中的磁粉沿磁通方向呈链状连接起来( 称磁粉链) ，磁粉离合器就是 靠此时磁粉与磁粉、磁粉与工作面间的摩擦力和磁粉链的抗剪力传递转矩，离合 器处于合的状态( 图3 2 ( b ) ) 。切断电流时，磁通随激磁电流的消失而消失，磁“ 粉在重力的作用下又重新处于松散状态，并在离心力的作用下压附在主动转子的 ，内壁上，主从动转子又重新处于离的状态。 图3 - 2 磁粉离合器结构 2 ) 磁粉离合器的特点 磁粉离合器具有以下特点： a 励磁电流一传递制动转矩呈良好的线形关系，转矩可控制性好； b 传递制动转矩仅受激磁电流的控制，与转速相对转速及其他因素无关， 转矩控制的准确性好； c 散热结构合理，热容量大，允许在连续滑差状态下长期运行； d 无响应时间短、转矩时间常数小、响应速度快，结合、分离平稳无冲击， 无震动，无噪音； e 空载转矩小，开合性能好，操作方便、准确、可靠。 1 9 西北工业大学硕士论文第三章专用缠绕机张力控制的设计与建摸 3 ) 磁粉离合器数学模型 磁粉离合器的磁通增长速度取决于励磁线圈中的电感量，是一阶惯性环节。 但是，磁粉由离散状态到形成横过间隙的磁粉链时有延时过程，而且布带由于其 自身的延展性也会延迟张力的建立，这是磁粉离合器还有滞后的特性。因此，磁 粉离合器的传递函数应为： r g ( j ) = - 二卫一口1( 3 1 ) 2 奢+ l 式中岛一磁粉离合器增益； t 一磁粉离合器滞后时间； s 一时间常数。 ( 2 ) 交流力矩电机 交流力矩电机是交流异步电动机的一个品种，在结构