（机械电子工程专业论文）空间构件fwfp柔性制造技术的研究——计算机控制部分.pdf

摘要 纤维增强复合材料与一般的金属材料相比，具有质轻、高强度、耐腐蚀 性、抗冲击性、整体成型容易等优点，在各行各业已经获得普遍的应用，特 别是在航空航天工业中。复合材料结构正在逐步取代金属结构，占驻有利地 位。 纤维缠绕纤维铺放技术是加工增强型复合材料成型技术中的一种，其 生产装备为机电气一体化设备。欧美发达国家于上个世纪七十年代就开始研 究它，已经取得了很大的进展。目前该技术、设备在我国发展尚属起步。因 此，对该课题进行研究已经迫在眉睫。该课题的研究能弥补国内有关这方面 的空白，对我国的民用工业、特别对于国防工业的发展具有重要的意义。 本课题的研究目标就是在已有五轴数控纤维缠绕机的基础上增加纤维 铺放执行机构的计算机控制，研究开发纤维缠绕纤维铺放机的6 7 轴联动 的计算机控制系统，实现复杂形体的纤维缠绕纤维铺放成型。 纤维增强复合材料铺放成型技术是在手工迭层铺放和纤维缠绕工艺的 基础上发展起来的一种机械化、自动化成型工艺。在纤维铺放成型技术中， 主要采用铺放头机构实现纤维的铺放。该机构包括进料装置、加压装置、剪 切装置等。它们使用电机和气缸作为驱动执行元件。纤维缠绕纤维铺放成 型技术的控制系统主要是采用计算机数控技术来实现。 本文主要就是实现对进料装置、加压装置、剪切装置的计算机控制。它 包括总线设计、接口设计、系统的总体设计以及软件编制等。总线采用i s a 内部总线；接口主要有模拟量输入接口、模拟量输出接口、开关量输入输出 接口等，课题分别选用p c 一6 3 3 0 d 型a d 板卡、基于i s a 总线的型号为p c l 一7 2 8 的d a 板卡、型号为i p c - 5 3 7 5 的i o 板卡：另外，课题选用了微动式行程 丌关、压力变送器作为传感元件检测系统，选用继电器、电磁控制换向阀实 现对气缸、电机的控制；采用v c + + 6 0 编制控制软件，实现了纤维铺放技术 的计算机控制。 通过系统安装、调试证明，该计算机控制系统能够实现纤维铺放过程中 的进料、加压、剪切的自动控制，完成一个完整的铺放过程。 关键字：纤维铺放，铺放头，计算机控制系统 a b s t r a c t f i b e rr e i n f o r e e dp l a s t i c sh a v eu s e dw i d e l yi ne v e r yw a l ko f l i f e ，e s p e c i a l l yi n a v i a t i o na n d s p a c e f l i 曲t b e c a u s e t h e y h a v em o r em e r i t st h a nc o m m o nm e t a l m a t e r i a l s ，s u c ha sl i g h tq u a l i t y ，h i g hi n t e n s i t ya n ds oo n 。t h e yh a v er e p l a c e dm e t a l s t e pb ys t e pa n d h o l da na d v a n t a g e d p o s i t i o n 。 f i b e rw i n d i n g f i b e rp l a c e m e n ti so n eo fm e a n st h a tw em a c h i n i n gf i b e r r e i n f o r e e d p l a s t i c s 。i t s f u r n i s h m e n ti st h e e q u i p m e n to ft h e c o m b i n a t i o no f m e c h a n i s ma n de l e c t r o n 。t h ed e v e l o p e dc o u n t r i e si no c c i d e n th a v er e s e a r c h e di ta n d h a v em a d e p r o g r e s si n1 9 7 0 s 。a tp r e s e n t ，t h ed e v e l o p m e n to f t h et e c h n o l o g ya n d t h ef u m i s h m e n ti si n c h o a t ei no u rc o u n t r y 。t h e r e f o r e ，i ti s v e r yn e c e s s i t o u st o r e s e a r c ht h i st a s k 。i tn o to n l yc a nm a k eu pf o rt h ev a c a n c ya b o u tt h i sa r e ai no u r c o u n t r y ，b u ta l s om a k e s ag r e a tc o n t r i b u t i o nt ot h ei n d u s t r ya n dn a t i o n a ld e f e r i s e p r o j e c t 。 t h er e s e a r c h g o a l o ft h et a s ki st oa d dt h e e q u i p m e n to ff i b e rp l a c e m e n t c o n t r o l l e db yc o m p u t e ri nt h eb a s eo fe x i s t e n tf i v e a x e sn u m e r i c a lc o n t r o jf i b e r w i n d i n gm a c h i n e ，r e s e a r c ha n de m p o l d e rt h es i xt os e v e na x e sl i n k a g ec o m p u t e r c o n t r o ls y s t e mo ft h ef i b e rw i n d i n g f i b e rp l a c e m e n tm a c h i n e 。a n dr e a l i z ef i b e r w i n d i n g | f i b e rp l a c e m e n to f c o m p l i c a t e d f o r ma n ds t r u c t u r e ， t h ep l a c e m e n t m o l d i n gt e c h n o l o g y o ff i b e rr e i n f o r c e d p l a s t i c s h a sb e e n d e v e l o p e df r o mt h e b a s e so ff i l a m e n t w i n d i n ga n df i b e rb e s p r e a d i n g 。i t i sa m e c h a n i z a t i o na n da u t o m a t i o nm o l d i n gt e c h n i c s 。i nt h e t e c h n 0 1 0 9 y o ff i b e r p l a c e m e n tm o l d i n g ，i t i sm a i nt ou s et h ea s s e m b l yo f p l a c e m e n td e l i v e r yh e a d 。 i ti n c l u d e sa d d i n gm e a n s ，c o m p a c t i o n m e a n s ，c u t t i n gm e a n sa n d s oo n 。t h e yh a v e u s e dt h eb i c y c l ep u m pa n dt h em o t o rf o rt h ep e r f o r l n a n c es e t u p 。t h ec o n t r o ls y s t e m o f t h ef i b e rw i n d i n g f i b e r p l a c e m e n t j su s u a lt oa d a p t c o m p u t e rn u m e r i c a l c o n t r o j 。 t h e g o a lo f t h ep a p e ri st or e a l i z et h ec o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1o f t h ea d d i n g m e a n s ，t h ec o m p a c t i o nm e a n sa n dt h ec u t t i n gm e a n s 。i ti n c l u d e sb u sd e s i g n ， i n t e r f a c e sd e s i g n ，s y s t e mc o l l e c t i v i t yd e s i g na n d p r o g r a m m i n g 。w e u s ei s ab u s 。 a n dt h ei n t e r f a c e sh a v ea n a l o gi n p u t ，a n a l o g o u t p u ta n dd i g i t a li n p u t o u t p u t 。w b h a v eu s e dd i f f e r e n t l yc a r d s s u c ha sp c 6 3 3 0 da dc a r d ，p c l 7 2 8d ac a r db a s e d l s ab u s ，l p c 一5 3 7 5i oc a r da n ds oo n 。i na d d i t i o n ，w es e l e c tm i c r o s t i rs w i t c h e s a n d p r e s s u r es e n s o r sa ss e n s o re l e m e n t st oi n s p e c tt h es y s t e ma n dc h o o s er e l a y sa n d i n d u c t i o nv a l v e st oc o n t r o lt h eb i c y c l ep u m pa n dt h em o t o r aw e p r o g r a mc o n t r o l s o f t w a r eb vv c + + 6 0a n da c h i e v et h e c o m p u t e r c o n t r o lo ff i b e r p l a c e m e n t t e c h n o l o g y 。 i ti sp r o v e di ns y s t e mf i x i n ga n dt e s t i n gt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mc a nr e a l i z et h e a u t o m a t i o no ft h em o v e m e n to fa d d i n g ，c o m p a c t i o na n dc u t t i n g ，a n dc o m p l e t ea w h o l e p l a c e m e n tp r o c e s s 。 k e y w o r d s ：f i b e rp l a c e m e n t ，p l a c e m e n t d e l i v e r yh e a d ，c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m 武汉理f 。人学硕七学位论文 1 1 课题来源 第一章概述 本课题的题目为空间构件f w f p 柔性制造技术的研究计算机控制 部分，它是武汉理工大学复合材料缠绕设备研究所受航天部门委托预研项 目的子课题。 1 2 课题研究的目的及意义 纤维增强复合材料与一般的金属材料相比，具有质轻、高强度、耐腐蚀 性、抗冲击性、整体成型容易等优点，在各行各业已经获得普遍的应用。特 9 0 是在航空航天工业中，复合材料结构正在逐步取代金属结构，占驻有利地 位。纤维缠绕纤维铺放( f s b e rw i n d i n g f l b e rp l a c e m e n t ) 技术便是加 _ 1 增强型复合材料成型技术中的一种，其生产装备为机电气一体化设备。欧 荚发达国家于上个世纪七十年代就开始研究它，已经取得了很大的进展。目 前该技术、设备在我国发展尚属起步。因此，对该课题进行研究已经迫在眉 睫。该课题的研究能弥补国内有关这方面的空白，对我国的民用工业、特别 对于国防工业的发展具有重要的意义。 纤维缠绕成型是在专门的缠绕机上，将浸渍树脂的纤维均匀地、有规律 地缠绕在一个转动的芯模上，最后固化、除去芯模获得制件。纤维缠绕成型 方法既适用于制备简单的旋转体，如筒、罐、管、球、锥等，也可以用来制 备飞机机身、机翼及其它异形体等非旋转体制品。 纤维缠绕成型方法可简单分为湿法( 纤维在缠绕过程中浸渍树脂) 或 干法( 预浸纤维束带) 缠绕。目前大量生产的纤维缠绕制品主要是使用 玻璃纤维聚酯以湿法缠绕生产。这种纤维缠绕制品的原材料成本低，可 有利地同传统的金属材料竞争。 纤维缠绕是玻璃钢工业中较新的工艺，它通过选用增强材料和树脂基 体，可使制品达到最优指标。然而目前还有许多问题需要进一步研究和解决： a ) 提高和改善原材料的技术性能和指标。研究增强材料的性能如高强 武汉理i = 大学硕士学位论文 度模量性能、树脂的延伸率、粘结力、耐高温、耐腐蚀等。 b ) 结构设计方面，应进行应力分析和计算理论的研究，确定合理的 结构和设i f 参数，使原材料耗用最少而强度又最高。 c ) 在成型工艺方面，确定合理的工艺制度，特别是研制自动化缠绕 设备，实现缠绕工艺自动化，以保证生产工艺过程的最大稳定性、制品的 可靠性和耐久性，并大大提高劳动生产力。 d ) 在制造过程中需要进行严格的质量检验。 总之，提高质量、简化工艺、降低费用、扩大应用范围，是缠绕技术 的发展方向。 纤维铺放是在纤维缠绕与纤维铺迭的基础上发展起来的。纤维缠绕限 于圆筒体例如火箭发动机壳体的制造，不适合航空工业通常的板壳构形。 纤维铺迭则限于类似飞机机翼蒙皮的一类单曲面结构。为实现复杂形面结 构制造的自动化，开发出了纤维铺放技术。它是纤维缠绕机与纤维铺迭机 两种功能的组合。 纤维铺放技术始于八十年代中末期，其间有过许多改进，但是最重大 的改进是采用了预浸丝束这一种形式和开发了新的铺放头。预浸丝束提供 了均匀一致的质量保证；铺放头的开发可实现锥体铺放和结构的开1 3 四周 的铺放。纤维铺放当今的应用领域有：f a 一1 8 e f 进气道，后中心滑动 板蒙皮，平尾蒙皮，卜1 7 风扇罩，起落架吊窗；b a 6 0 9 前机身；v 一2 2 后机身，滑动板蒙皮等。业内人士认为未来】0 年将会有4 0 5 0 台纤维铺 放机分布在美国与欧洲飞机工厂使用，进而还会在更广的范围内用于大型 复杂形面复合材料结构件的制造。 本课题的目的就是研制我国自主的纤维缠绕纤维铺放技术及设备，以 满足航空航天复合材料构件制造的需要。 1 3 主要研究内容 本课题的研究目标是在已有五轴计算机数控( c n c ) 纤维缠绕机的基础 e 增加纤维铺放执行机构计算机控制，研究开发纤维缠绕纤维铺放机的 67 轴联动的c n c 系统，实现复杂形体的纤维缠绕纤维铺放成型。 武汉理i ：大学硕十学位论文 研究内容具体来说包括： 1 ) 对铺放头整体结构的运动进行控制，其中铺放头整体结构的运动有 铺放头平行于主轴的运动；铺放头垂直于主轴的运动；铺放头的水平、垂直 旋转运动。如图1 1 所示。 中 图1 1 铺放头整体结构运动示意图 1 一机头2 一芯模3 一尾架4 一小车轨道及床身5 一小车6 一伸臂 7 一 预浸胶纤维带纱架8 一绕丝头9 一纤维铺放头0 一主轴正、反旋转运动 z 一小车水平直线往返运动b 一绕丝头水平轴向旋转运动x 一伸臂直线往返 运动掣一绕丝头垂直轴向旋转运动 2 ) 对铺放头结构内部各种运动的控制。包括：剪切过程控制，它是采 用气压机构传动；重新迸料过程的控制，采用气压传动i 加压运动控制，它 也是采用气压传动；进料机构的机械手臂的旋转运动的控制，此运动采用直 流力矩电机进行驱动等等。 3 ) 编制满足特定工艺要求的空间构件的实现软件。 拟解决的关键问题： 1 ) 对剪切、加压及进料装置的控制要及时、准确。 2 ) 与原纤维缠绕的五轴控制能协调联动工作。 3 ) 软件的通用性。 武汉理j 一夫学硕士学位论文 第二章f w f p 控制系统总体设计 2 1 计算机控制系统简介 计算机控制技术是计算机技术与自动控制理论及自动化技术紧密结合 并应用于实际的结果。它的应用领域非常广泛，不但是国防、航空航天、导 弹制导等高精尖学科必不可少的组成部分，而且在现代的工、农、医等领域 也已经发挥着越来越重要的作用。 计算机控制系统与常规控制系统一样，有闭环控制系统，也有开环控制 系统：控制对象有连续的生产过程，也有间隙的生产过程；采用的工业控制 机型号更是千差万别，但无论如何，各类计算机控制系统的组成是大同小异 的。一般而言，计算机控制系统的组成大致可用下图2 1 表示。 计算机控制系统 硬件部分 软件部分 f 主机、外设、系统总线 控制计算机拈e 产过程输入输出通道 1 人机联系设备、通信设备 现场仪表( 测量传感器、执行机构等) f 操作系统 系统软件 汇编或高级语言、过程控制语言 i 通信恻络软件、诊断程序等 应用软件 过程输入输出程序、过程控制程序 人机接口程序、打印显示程序 各种公共子程序 历史数据库、实时数据库 图2 1 计算机控制系统的组成示意图 图中各主要部分在系统中的作用简述如下： 1 ) 主机由c p u 、r o m 、r a m 组成，是计算机控制系统的核心。它根据 采集到的实时信息按照预先存在内存储器中的程序，自动进行信息处理和运 算，及时选择相应的控制策略，并将控制作用立即输出到生产过程。 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 外设常用的外部设备按功能分成输入设备、输出设备和外存储器。 最常用的输入设备是键盘终端，用来输入程序、数据和操作命令。最常用的 输出设备是打印机、绘图机、c r t 显示器等，用于显示、打印生产的操作状 况、性能指标、生产报表等。常见的外存储器是磁盘、磁带、光盘等，它们 兼有输入和输出两种功能。 3 ) 生产过程输入输出通道包括模拟量和开关量两大类。它们是计算 机与生产过程之间信息交换的桥梁，是过程计算机控制系统必不可少的部 分。 4 ) 人一机联系设备包括c r t 显示器、键盘、专用的操作显示面板或操 作显示台等。它们一方面显示生产过程状况，另一方面供生产操作人员操作 和显示结果。通过人一机联系设备，操作人员与计算机之间进行信息交换。 5 ) 通信设备通过通信设备，不同地理位置、不同功能的计算机之问 或计算机与设备之间可以进行信息交换。当多台计算机或设备构成计算机网 络时，通信网络设备尤显重要。 6 ) 现场仪表包括检测变送仪表、执行机构等。前者的任务是信号的 变换、放大和传送，将生产过程中的各种物理量转换成计算机能接受的电信 号；后者完成计算机输出控制的执行任务。由于直接与生产过程联系，它们 在过程计算机控制系统中占有重要的地位。 7 ) 系统总线系统总线分为内部总线与外部总线两大类，其中内部总 线在计算机各内部模块之间传送各种控制、地址与数据信号，并为各模块提 供统一的电源：外部总线为计算机系统之间或计算机系统与设备之间提供数 字通信。 8 ) 系统软件它管理计算机的内存、外设等硬件设备，为计算机用户 使用各种语畜创造条件，同时为用户编制应用软件提供环境和方便。 9 ) 应用软件是系统设计人员针对具体生产过程编制的控制和管理程 序，其优劣直接影响到系统的控制品质和管理水平。它是控制计算机在特定 环境中完成某种控制功能所必需的软件。一般包括过程输入输出程序、过 程控制程序、人一机接口程序、c y e r j 、显示程序及各种公共子程序等。应用 软件的编制涉及到生产工艺、控制理论、控制设备等各方面的知识，通常由 用户自行编制或根据具体情况在商品化软件的基础上自行组态以及做少量 武汉理丁火学硕士学位论文 特殊应用的开发。 在本课题中，涉及到的运动主要有铺放头整体机构的运动，它包括铺放 头平行于主轴的运动、铺放头垂直于主轴的运动、铺放头的水平、垂直旋转 运动；还有铺放头结构内部的运动，有进料、加压、剪切等。其中对铺放头 整体结构的运动控制，可以通过原五轴联动大型数控纤维缠绕设备控制小车 的运动、伸臂的运动、丝嘴的水平、垂直旋转运动来实现。因为铺放头平行 于主轴的运动可随小车的运动完成。铺放头垂直于主轴的运动可随伸臂的运 动完成。铺放头的水平、垂直旋转运动可随丝嘴的水平垂直旋转运动完成。 因此，本课题主要解决进料、加压、剪切的运动控制。根据上述控制系统的 组成，结合课题的要求，主要涉及到以下两个方面的内容。 1 总线 个计算机系统由微处理器、存储器、输入输出等部分组成，计算机 的各个部件均通过系统总线来连接。总线就是计算机之间、模块与模块之间 传递信息的一束束信号线的集合，为各模块间和各部件阃提供标准信息通 路。当模块与总线连接时，一般不需要断开总线，只需把模块的输入输出 端连接到总线相应的信号线上即可。 计算机系统的结构有以处理器为中心的面向处理机结构和以总线为中 心的面向总线的结构。面向处理机的总线结构是将需要交换信息的模块通过 总线建立点到点的连接，这也是当前微机总线的基本形式。面向总线的标准 结构是以总线为中心，计算机的所有设备均看作总线挂接的外设。 总线有两类，一类是连接计算机内部各模块的内部总线，如连接c p u 、 存储器和i 0 接口的总线。常用的有i s a 总线、e i s a 总线、m u l t i b u s ( 多 总线) 、v m e 总线、s t d 总线、p c i 总线等。另一类为系统之间或系统与外部 设备之间连接的外部总线，常用的有e i a r s 2 3 2 c 串行总线、i e e e 一4 8 5 ( c a n b u s ) 串行总线和i e e e - 4 8 8 并行总线。 本课题采用内部总线。因为内部总线系统主要优点是 0 部分能直接和 计算机总线相连，因而：速度快，效率高，因无需较慢的外部通信信道和中 间转换环节；成本低，体积小，因无需单独的机箱和电源，提高了空间利用 率；由于过程i o 部分直接成为计算机相应的i o 接口，用计算机指令可以 直接操作，因此与各种高级语言兼容性好，容易编程，效率高。 武汉理1 人学硕 学位论文 随着微电子技术的发展，现在微型计算机的主要功能可以做在一块总线 模板，卜。因此它只占整个系统的很小部分空问，毋需把计算机和过程i o 控制部分分成不同机箱。这就是内部总线结构成为工控机控制系统的主要结 构的道理所在。 内部总线又称为系统总线，是计算机内部各功能模块之间进行通信的通 道。它是构成完整计算机系统的内部信息枢纽。它可分为地址总线a 、数据 总线d 、控制总线c 和电源总线p 四组。计算机借助于这四组总线实现各个 模块问的数据、地址和控制信息的传送。各种型号的计算机都有其自身的内 部总线，比较流行的总线有：p c 总线、m u l t i b u s1 1 总线、v m e 总线、s t d 总 线等。 2 接口 所谓接口就是微处理器c p u 与外部连接的部件，是c p u 与外部设备进行 消息交换的中转站。为了实现c p u 与外部设备的商效、可靠的信息交换，微 机接口应具备以下几个功能：数据缓冲功能；设备选择功能；信号转换功能； 提供信息交换的握手信号；中断管理功能；可编程功能等。 过程计算机的输入输出( i o ) 接口是计算机与生产过程或外部设备之 问交换信息的桥梁，也是计算机控制系统中的一个重要组成部分。这首先是 因为计算机中运行的程序需要通过人一机接口进行编写和操作：其次是用于 工业过程控制的计算机，必须实时的了解被控对象的情况，并根据现场情况 发出各种控制命令控制执行机构的动作；再有计算机处理后的一些数据结果 必须告知操作人员，以便及时处理。 用于过程控制计算机的输入输出接口可以分为模拟量输出接口、模拟 量输入接口、开关量( 数字量) 输入输出接口和人一机接口四大部分。其 中模拟量输出接口的功能是把计算机输出的数字信号转换成模拟的电压或 电流信号，以便驱动相应的模拟执行机构动作，达到控制生产过程的目的； 模拟量输入接口的功能是把工业生产控制现场送来的模拟信号转换为计算 机能够接受的数字信号，完成现场信号的采集与转换功能；开关量输入输 出接口是把现场的开关量信号，如触点信号、电平信号等送入计算机，实 现环境、动作、数量等的统计、监督等输入功能，并根据事先设定好的参 数，实施报警、联锁、控制等输出功能；而人一机接口的功能是实现操作 武汉理1 人学硕士学位论文 者与计算机之间的信息交换。本课题主要完成前三种接口设计。 2 2f i f p 总体方案 纤维缠绕铺放机是缠绕铺放成型工艺中的关键设备。现今，纤维缠绕 的发展在我国已经达到了一定的水平，不仅有成熟的理论，而且还有根据用 户需求专业设计、制造纤维缠绕机的机构，例如，武汉理工大学复合材料缠 绕设备研究所。我们知道，纤维缠绕只限于圆筒体的制造，不能制造复杂 形面结构。因此，我们必须研究另外一种纤维成型方法一一纤维铺放成型 技术，实现复杂形面结构的制造成型。 国外已经开发出了多种纤维铺放机，如带有双向纤维铺放头的铺放系 统，它由进料装置、接收装置及一个使接收装置相对于进料装置旋转的设备 来组成的，该系统采用一个锁定机构使铺放头能够在两个相反的方向将预浸 带铺放到成型模具上；带有剪切进料模块驱动器的铺放系统，该系统将 进料装雹和剪切装置制成模块驱动器，大大减少了停机时间。 本课题主要的目的便是将上述各种铺放系统的特点综合起来，研制出带 有上述各种功能如双向铺放、进料、加压、剪切等的纤维缠绕纤维铺放系 统。该系统包括机械机构和控制系统两部分。其中，机械机构设计由同一课 题组的于传浩同学设计；控制系统由我来设计。机械机构部分是在原五轴数 控纤维缠绕机的基础上增设一个铺放头机构，该机构包含有进料装置、加压 装置、剪切装置等，分别可以实现进料、加压、剪切等运动；双向铺放功能， 可以通过原五轴数控纤维缠绕机中小车的往返运动来实现。控制系统采用计 算机控制技术，实现对进料、加压、剪切的自动化控制，完成铺放动作。课 题主要对两种形体的制品成型进行研究，一种是圆柱形，另外一种是圆锥形。 根据它们的形体特点，编制出特定的控制软件。 课题之所以采用计算机控制纤维缠绕铺放，不使用机械式的纤维缠绕 铺放是因为机械式的使用麻烦，精度低，灵活性和适应性差：而采用计算机 控制的缠绕铺放工艺过程则具有以下显著的特点： 1 可以实现从缠绕铺放制品的结构设计、工艺设计、线型设计到工艺 武汉理j ：火学硕十学位论文 控制整个过程的集成化。提高设计的科学性和精确性，提高设计和生产效率， 缩短产品的生产周期。 2 缠绕铺放过程的自动化程度得到了很大的提高，可以实现仅输入形 状和t 艺参数之后，就能在计算机控制下自动地完成整个制品的缠绕铺放 过程和辅助工艺控制过程。 3 缠绕铺放精度高，可以适应不同的缠绕n 放精度要求。 4 适应性强，可以生产复杂形状的制品。 5 操作简单方便，设计灵活，可以在不改变硬件配置的情况下，通过修 改软件来满足特殊的要求。 6 易于实现缠绕铺放过程中的张力、温度、粘度、浸胶的自动控制， 满足严格的控制要求。 7 易于实现自动化和智能化缠绕铺放工厂。 2 3f w f p 控制系统总体方案 铺放头机构由进料装置、加压装置、剪切装置等组成。进料装置由旋转 臂、机械手伸出夹持气缸、驱动旋转臂旋转的直流力矩电机组成，气缸往返 驱动机械臂夹紧和放松预浸带，电机驱动机械手臂作往返旋转运动，实现预 浸带进给和辅助剪切定位功能。在纤维被剪断之后需要重新进料时，进料装 置就将预浸带传送到确定的模具表面处进行铺放。加压装嚣带有加压辊、支 撑辊、加压气缸，气缸驱动加压辊，预浸带通过加压辊被压紧在模具上。在 小车运动进行铺放过程中，加压辊能够阻止预浸带松懈滑落，给预浸带提供 一定的张力，使其处于张紧状态。剪切装置由剪切连杆机构、剪切气缸组成， 气缸驱动剪切连杆机构实现剪切。当预浸带需要剪切时，控制系统会发送一 个信号给执行机构，剪切连杆机构便剪断预浸带。 武汉理 人学硕十学位论文 图2 2 纤维缠绕铺放控制系统方案图 纤维缠绕纤维铺放控制系统就是控制铺放头机构的各种运动及加工形 体的工艺参数设计。图2 2 为纤维缠绕铺放控制系统的方案图。 由图可以知道，它主要分为四个小的模块：控制机械手臂夹紧和松开预 浸纤维的夹持气缸，计算机先给i o 模板发出信号，使其输出一个+ 2 4 v 的 直流电压信号，使赢流继电器通电闭合，带动电磁阀工作，从而使气缸运动， 夹紧或释放预浸纤维带；控制加压辊压紧预浸纤维带的加压气缸，它的控制 原理和控制夹持气缸的一样，即计算机先给i o 模板发出信号，使其输出一 个+ 2 4 v 的直流电压信号，使直流继电器通电闭合，带动电磁阀工作，从而 使气缸运动，压紧预浸纤维带，当预浸带被压紧以后，传感器会发出一个信 号给下一执行机构使下一机构运动：控制剪切装置切断预浸纤维带的剪切气 缸，其控制原理如下：计算机先给i o 模板发出信号，使其输出一个+ 2 4 v 的直流电压信号，使直流继电器通电闭合，带动电磁阀工作，从而使气缸运 动，带动剪切机构切断预浸纤维带，当预浸带被剪断以后，传感器会发出一 个信号，切刀开始收回，当切刀回到初始位置撞到行程开关时，计算机便发 武汉理i ：丈学硕士学位论文 信号给下一执行机构使其运动；以及控制机械手臂旋转的永磁式直流力矩电 机，i r 算机给i o 模板发出信号，输出个电压信号，使驱动模块工作，驱 动模块则驱动直流电机工作，使其带动机械手臂运动，在到达铺放位置时， 行程丌关通过w o 模板反馈给系统一个输入信号，要求电机停止运行，由于 课题要求电机正、反转，而现在的直流电机驱动模块大多只是单极性的，因 此，课题采用继电器控制电机的反转，即将电机的两个极反向接在继电器上， 当电机要求反转时，继电器工作，输出一个相反的电压给电机，从而使电机 反转。 武汉理】。火学硕士学位论文 第三章f w f p 执行机构驱动及控制系统设计 3 1f w f p 系统 纤维缠绕纤维铺放系统中采用铺放头机构实现纤维的铺放。在纤维铺 放过程中，一般是根据加工要求，将浸渍了树脂的纤维束制成预期宽度和厚 度的预浸带，然后将预浸带以规定的铺层角铺放在模具上。铺放头可以进行 多维的耦合运动，将纤维铺放到成型模具上，这大大提高了生产率，降低了 生产成本和制造时间。因为铺放头具有类似机械手的功能，所以它可以成型 几何形状不规则的构件。将铺放头黄于纤维缠绕机伸臂前端，即可完成纤维 缠绕件内壁网格形加强筋的成型以及一些波形变化曲面上的迭层铺放等。 纤维缠绕纤维铺放系统能够在两种状态下工作：手动和自动。在手动 情况f ，利用操作按钮，可以实现进料、加压、剪切等机构的位置调整。自 动状念下，由计算机发布命令，控制执行机构的动作。由于纤维缠绕铺放 系统中，气缸、电机等传动元件的开、关频繁，间隔时间短，使手动操作有 一定的难度，所以我们主要采取自动操作。检查、调试单个执行机构时，采 用手动操作。 3 2f w f p 执行机构驱动设计 3 2 1 铺放头执行机构 本课题所研究的是在原五轴大型纤维缠绕机的基础上，通过增设铺放头 机构来实现纤维的缠绕和铺放。铺放头机构主要由进料装置、加压装置和剪 切装簧三个部分组成；进料装置主要是把纤维传送到需要进行铺放的芯模表 面处：加压装置负责把纤维压紧在芯模上，使所铺放的预浸带被展平和压实： 剪切装置则是在需要剪断纤维的地方将纤维剪断。图3 1 为铺放头机构的简 图。 亟竖堡! ；叁堂堡主堂焦笙墨一 0 三球 丑。 图3 1铺放头机构简图 卜加压辊2 一加压气缸3 一定位辊4 一导向辊5 一旋转臂6 一预 浸带7 一直流力矩电机8 夹持气缸9 一夹持手部 l o 一剪切装置气缸 1 卜剪切装置 原五轴大型纤维缠绕机的运动主要有：主轴的旋转运动、小车的运动、 伸臂的运动、丝嘴的垂直及旋转运动等。而铺放头机构的运动则主要有：铺 放头整体机构的运动，它包括铺放头平行于主轴的运动、铺放头垂直于主轴 的运动、铺放头的水平、垂直旋转运动：还有铺放头结构内部的运动，有进 料、加压、剪切等。其中对铺放头整体结构的运动控制，可以通过原五轴联 动大型数控纤维缠绕设备控制小车的运动、伸臂的运动、丝嘴的水平、垂直 旋转运动来实现。因为铺放头平行于主轴的运动可随小车的运动完成，铺放 头垂直于主轴的运动可随伸臂的运动完成，铺放头的水平、垂真旋转运动可 随丝嘴的水平垂直旋转运动完成。本课题主要解决进料、加压、剪切的运动 控制。 冈此，对于进料机构的控制主要控制两个方面，a ) 控制电机使进料机 构能够转动到铺放的工作位置；b ) 控制夹持机构驱动气缸；对于加压机构 的控制主要是控制加压机构驱动气缸；对二f 剪切机构的控制则主要是控制剪 切机构驱动气缸。 3 2 2 执行机构的动作顾序 铺放头机构简图中，各执行机构的动作顺序为：机械手夹持气缸打开 武汉理f ：人学硕士学何论文 机械手伸h j 兴紧预浸带，电机启动，带动进料机构进料至工作表面，电机关 闭；加压气缸打开，对预浸带加压，机械手夹持气缸关闭，机械手松开、收 m ：电机打开，使机械手臂顺时针旋转到初始位嚣；小车运动；机械手夹持 气缸打歼，机械手伸出夹紧预浸带；剪切气缸打开，利用切刀剪断预浸带； 剪切气缸关闭，剪切机构处于初始位置；加压气缸关闭。然后开始下一次铺 放。 3 2 3 执行机构的元器件确定 3 2 。3 1 电机选定 电机选用北京微电机总厂生产的l y 系列的永磁式直流力矩电机，型号 为9 0 l y 5 4 。 永磁式直流力矩电机属于低速直流伺服电动机，通常使用在堵转或低速 情况下。其特点是堵转力矩大，空载转速低，不需要任何减速装置可直接驱 动负载，过载能力强。长期堵转时能产生足够大的转矩而不损坏。该电机可 作为位置和低速随动系统中的执行元件，不用齿轮而直接驱动负载。因此， 既消除了齿隙又缩短了传动链，并具有反应速度快、特性线性度好、共振频 率高等优点，因而提高了系统的稳定性及静态动态精度。它广泛应用于各种 雷达天线的驱动、光电跟踪等高精度传动系统、以及一般仪器仪表驱动装置 h 。 9 0 l 。y 5 4 的技术数据如下： 在峰值堵转情况下，转矩为：1 3 7 2 n m ，电流为：1 5 a ，电压为：4 8 v ， 功率为：7 3 w ；其最大空载转速为4 5 0 r m i n ；在连续堵转情况下，转矩为： 0 7 8 4 n m ，电流为：0 8 6 a ，电压为：2 7 4 v ，功率为：2 3 7 w ；电机常数为： 0 0 1 5 4 k g m _ | v 05 ；转矩灵敏度：0 0 9 3 4 k g m a ；电枢转动惯量：5 8 8 k g m 2 x 1 0 一；反电势系数：0 0 9 6 v r m j n 一；电磁时间常数：3 m s 。 3 2 3 2 气缸选定 1 夹持气缸 气缸控制机械手部伸缩、夹持运动。 央持气缸：s d a l 2 x 2 0 一b 。工作压力：0 5 m p a ；双作用气缸：推力： 4 武汉理 ：人学硕士学位论文 5 6 5 n ，拉力：1 2 6 7 n 。 夹持控制时要求：打开夹持气缸电磁阀，伸出机械手部，夹持纤维带。 松丌控制时要求：关闭夹持气缸电磁换向阀，松开纤维带，收回机械手部。 2 剪切气缸 气缸：s d a l 2 x 4 0 一b 。工作压力：0 7 m p a ；双作用气缸：推力7 9 1 n ， 拉力：1 2 6 7 n 。 控制时要求：在电机带动机械手部旋转至0 。，机械手夹持后，再控制 打开剪切气缸换向阀，切断纤维带后，电磁阀换向，收回切刀。 3 加压气缸 加压气缸：x q g a 中3 2 x 2 0 一f a 。工作压力：0 7 m p a ：双作用气缸：推力 5 6 2 1 n ，拉力：4 8 3 7 n 。 在电机带动机械手部旋转2 0 6 。后，打开加压气缸换向阀，压紧纤维带 后松开机械手，再控制铺放机的小车运动，铺到纤维带剪切端后，换向，收 回加压辊。 3 2 3 3 电磁控制换向阀的选定 电磁控制换向阀是依靠电信号，经电磁铁产生的电磁吸力来实现阀的切 换，控制气流的流动方向。由于它适合应用于长距离遥控，因而在生产自动 化领域得到广泛的应用。 电磁控制换向阀主要由电磁控制部分和换向阀两部分组成。电磁控制换 向阀通常分为直动式和先导式两种。 直动式电磁控制换向阀也分为单电控和双电控两种。直动式单控电磁换 向阀只有一端受电磁控制，而另一端是靠弹簧复位。直动式双电控换向阀是 指换向阀的切换和复位都靠电磁力来控制，在电磁阀中有两个电磁铁。 当电磁控制阀通径较大时，再用直动式必然要加大电磁控制部分的尺 寸。为此可采用先导式电磁控制方式。先导式电磁控制换向阀的先导级实际 上是一个直动式电磁控制换向阀，以控制较小的气流，产生先导气体压力， 再由此气体压力控制主阀芯换向。先导式电磁控制换向阀也分为单电控和双 电控两种。 在选择控制阀时，我们要注意： 武汉理工火学硕十学位论文 1 根据使用条件和环境要求，选择技术规格与其相适应的阀。其中包 括工作条件，工作压力范围，环境温度，腐蚀情况，润滑条件，粉尘等。 2 根据任务需要，选择阀的机理。 3 根据执行元件需要的流量，选择通径及连接管径的尺寸。 4 根据使用条件，选择阀的结构形式。 5 尽量减少阀的种类，并选择标准阀，通用阀。 课题选用直动式单控电磁换向阀，型号为4 y 2 1 0 一0 8 。表3 1 为其技术 参数。 表3 - 14 v 2 1 0 0 8 技术参数 、 型号 淤 4 v 2 1 0 一0 8 介质空气( 经4 0 微米滤网过滤) 动作方式内部引导式 位置数五口二位置 有效截面积 16 m m 2 ( c v = o 7 8 ) 接口管径进气= 出气= g 1 4 ”排气= g 1 8 ” 润滑不需要 使用压力1 7 7 o k f g c m 2 ( 2 4 l o o p s i ) 最大耐压力1 0 5 k f g c m 2 ( 1 5 0 p s i ) 工作温度5 5 0 0 c ( 4 1 1 2 2 0 c ) 电压范围 1 0 耗电量 a c ：4 ，5 v ad c ：3 o w 绝缘性f 级 保护i p 6 5 ( d i n 4 0 0 5 0 ) 接电型式端子式 最高动作频率每秒五次 最短励磁时间0 0 5 秒 重量2 2 0 克 武汉理1 人学硕士学位论文 3 幺3 4 过滤调压器的选定 为了将压缩空气中的微粒污物及雾状水过滤出来，净化压缩气体，我们 要选用过滤调压器。当过滤器在存水杯中的水位升高到一定高度时，它能自 动开启放水阀把污水排掉。 课题选用型号为a f r 2 0 0 0 的过滤调压器。表3 2 为其技术参数。 表3 - 2a f r 2 0 0 0 技术参数 ： a f r 2 0 0 0 l使用流体空气 l接1 ：3 管径g l 4 5滤心粗度 4 0 帅 l调节压力范围0 5 8 5 k f g c m 2 l最大可调压力9 5 k f g c m 2 i保证耐压力 1 5 0k f g c m 2 i使用温度范围 5 6 0 0 c 滤水杯容量 1 5 c m 3 重量0 2 6 k g 本体铝合金压铸成型 【材质容杯聚碳酸酯 保证杯罩 3 2 3 5 油雾器的选定 气动系统中应用的各种气动元件，例如气缸、气阀等，其可动部分都需 要润滑。若没有润滑剂润滑摩擦力就会增大，密封圈很快就会被磨损，造成 密封失效，使系统不能正常工作。然而以压缩气体为动力的器动元件都是密 封气室，不能用一般的方法注油。只能以某种方法将润滑油混入气体中，带 到需要润滑的地方。油雾器就是这样的一种特殊的注油装置它使润滑油雾 化，变成油雾，随着气体进入到需要润滑的部件上，实现润滑。用这种方法 武汉理丁大学硕十学位论文 加油，具有润滑均匀，稳定，耗油量少和无需大的贮油设备等特点。 油雾器是利用压缩空气的流动，把润滑油送到所需的地方。它先根据引 射和雾化原理将润滑油进行雾化，再凭借压缩空气的流动，把雾化后的润滑 油送到各摩擦副处。一般微小粒子油的直径约为1 5 帅，微粒较大的迅速 沉降，而较小的附着在机械的必要润滑部分，其颗粒直径和润滑特性有直接 关系，为此必须选定适当的油雾器。 课题选用型号为a l 2 0 0 0 一0 2 的油雾器。表3 3 为其技术参数。 表3 - 3a l 2 0 0 0 0 2 的技术参数 型号 顶趴 a l 2 0 0 0 - 0 2 使用流体空气 接管口径g 1 4 使用温度范围5 6 0 0 c 保证耐压力 1 5k f g c m 2 最大可调压力 1 0 k f g c m 2 建议润滑用油 i s ov 63 2 或同级用油 额定流量 8 0 0 l m i n 最小油滴流量1 5 l f l l i l 3 给油杯容量 2 5 c m 2 重量0 2 2 k g 本体锌压铸 材质容杯聚碳酸酯 保护杯罩 3 2 3 6 压力传感器