（计算机应用技术专业论文）新型缠绕机的计算机控制.pdf

摘要 复合材料是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。复合材料与传统金属材料相比，具有许多突出的优点和优 良性能。树脂基复合材料制品的一种成型方式是由缠绕成型后，用树脂胶固化、 脱膜后形成的产品，主要应用于国防及航空航天领域，建筑、能源等一般产业领 域。 纤维缠绕技术是一项涉及复合材料、高分子化学、数学、机械、电子、计算 机等多门学科的综合性科学的综合性技术。本课题所研究的纤维缠绕机就是生产 纤维缠绕制品的主要设备，本文通过对缠绕机缠绕运动特点的分析，结合当前最 新的缠绕技术和加工工艺要求，提出了新型多向铲i 型纤维缠绕机。同时讨论了 计算机控制系统的组成原理，控制系统的总体设计。 本文主要研究的是q - i 型多向纤维缠绕机分为单片机控制系统和动力系统 两部分。单片机控制系统由c p u 、键盘电路、显示电路和掉电保护电路等构成， 用于控制动力系统的动作：动力系统主要由挂纱动力和缠纱动力构成，用于带动 执行部件动作。 单片机控制系统采用a t 8 9 c 5 2 为c p u ，利用a t 8 9 c 5 2 的串行口和移位寄存器 7 4 l s l 6 4 配合扩展出键盘和数码显示接口，控制缠纱和挂纱步进电机来完成工艺 要求的动作。动力系统中缠纱步进电机采用斯达特公司的型号为l l o b y g 3 5 0 c 的 步迸电机，与之配套的驱动器采用m s - 3 h l l o m 型驱动器；挂纱步进电机采用斯达 特公司的型号为1 3 0 b y g 3 5 0 b 的步进电机，与之配套的驱动器采用 l s 一3 h 1 3 0 m 型 驱动器。这两款步迸电机均能满足系统的动力要求。 关键字：电气控制系统，a t 8 9 c 5 2 ，纤维缠绕机，计算机控制 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 d li sc o m p o s e dt w oo rm o r ek i n d s o fd 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 l m a t e r i a l ，i th a sm a n yp r o m i n e tm e r i i sa n df i n ep e r f o r m a n c e s r e s i nc o m p o s i t e p r o d u c t i o ni sm a n u f a c t u r e db ys o l i d i f y i n gw i t ht h er e s i na n dd o 砸n gt h em e l da f t e r w i n d l i n gt h r o u g hf i b r a m e n tw i n d i n gm a c h i n e i ta p p l i e sc h i e f l yi nf i e l d so fm a t i o n a l d e f e n s ea n da v i a t i o n & s p a c e a n dc o m m o ni n d u s t r yf i e l d so fc o n s t r u c t i o na n de n e r g y s o u r c e s a n ds oo n f i b e rw i n d i n gt e c h n o l o g yi sa l l i n t e g r a t e dt e c h n o l o g y , i n c l u d i n gc o m p o s i t e m a t e r i a l ，m a c r o m o l e c u l e - c h e m i s t r y , m a t h e m a t i c s ，m e c h a n i c s ，e l e c t r o n i c sa n d c o m p u t e r , e t c f w mr e s e a r c h e di nt h i st h e s i si st h ep r i m a r ye q u i p m e n tt h a tm a n n f a c t r u e sf i b e r p r o d u c t i o n a n dt h ec o n t r o l l e ri sc o r ei nc o n t r o ls y s t e mo ft h i se q u i p m e n t d u r i n gf i b e r w i n d i n g , t h ep e r f o r m a n c eo f c o n t r o l l e rd e c i d e sd i r e c t l yt h e s t a b i l i t y o f s y s t e m ，p r e c i s i o no fw i n d i n ga n de 确c i e n c yo fm a n u f a c t u r e ，e t c a tt h es a n l et i m e ，t h e c o n f i g u r a t i o np r i n c i p l eo fc o m p u t e rc e n t r a l ，t h ew h o l ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e ma n d t h ed i s t r i b u t e dc o m p u t e rs y s t e mc o m p r i s i n ge p i g y n o u sc o m p u t e ra n dh y p o g y n o u s c o m p u t e ra r ed i s c u s s e di n t h i sd i s s e r t a t i o n t h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tt 1 1 er e a l i z a t i o no ft h ee l e c t r i c a lc o n t r o l l i n gs y s t e m t o w a r d0 一im a c h i n e t h es y s t e mi sm a d eu po fs i n g l e - c h i pc o n t r o ls y s t e ma n dp o w e r s y s t e m 1 1 峙s i n g l e - c h i pc o n t r o ls y s t e mw h i c hi su s ei sm a d eu po fc p u k e y b o a r d c i r c u i t ，d i s p l a yc i r c u i ta n dp o w e rs u p p l yk e e p i n g c i r c u i t t h es y s t e mi sm a d eu po fac p uw h i c hi sa na t 8 9 c 5 2 ak e y b o a r di n t e r f a c ea n d ad i 舀t a ld i s p l a yi n t e r f a c ew h i c ha r ee x p a n d e db ya s s o r t i n gt h ea t 8 9 c 5 2 ss e r i a lp o r t w i t hs h i f tr e g i s t c i _ 7 4 l s l 6 4 ni su s e dt oc o n t r o lt h ed r i v et of u l f i l lt h ea c t i o n sw h i c h t h ec r a f tr e q u e s t s t h er e a l i z a t i o no ft h es y s t e ms i m p l i f i e st h em e c h a n i s mo fm a c h i n e ， i m p r o v e st h ea u t o m a t i o nd e g r e ea n dl o w e rt h em a n u f a c t u r i n gc o s ta tt h es a m et i m e k e yw o r d s ：t h ee l e c t r i c a lc o n t r o l l i n gs y s t e m a t 8 9 c 5 2 ，f i b r a m e n tw i n d i n g m a c h i n e ( f w m ) ，c o m p u t e rc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下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，也不包含为获得云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。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：柳 签字日期：词年埔目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼王些盍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说明) 学位论文作者签名： 棚p导师签名：形跏 签字日期：佥0 年) 月工日签字日期：凋年工月r 日 学位论文的主要创新点 一、为了达到轴向缠绕，对新型带挂钩缠绕机的缠绕要求进行设计编 程 二、对传统的掉电保护电路进行了改造，增强了系统的稳定性和可靠 性。 第一章绪论 1 缠绕机的历史背景 第一章绪论 纤维缠绕技术始于上个世纪4 0 年代，1 9 4 6 年在美国申请专利。6 0 年代是纤 维缠绕技术发展的最佳时期，其后长时间发展较慢。进入9 0 年代，发展速度明 显加快，进入新的高速发展阶段。我国纤维缠绕技术研究始于1 9 5 8 年，6 0 年代 就完全掌握了缠绕速比、增量的基本概念，实现了螺旋缠绕排线机械化。9 0 年 代，我国的纤维缠绕技术进入了一个新的发展阶段。 复合材料是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 构成的一种新型的材料。与传统金属材料相比，复合材料具有许多突出特点，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，并逐渐向民用工业发展。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业装备，传统的机械设备已不 能满足新材料、新工艺的发展要求了，因此研制适合复合材料生产的先进、高性 能纤维缠绕机和与之配套的计算机控制系统是科学发展技术的必然要求。 1 2 缠绕机的工艺分类和功能“1 1 2 1 缠绕机的工艺分类 纤维缠绕成型工艺方法可分为下列几种类型： 1 根据纤维缠绕在芯膜内腔、外侧分布情况 ( 1 ) 外侧缠绕 外侧缠绕是纤维缠绕在芯膜的外侧进行的缠绕，是目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膜外表面。 ( 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新膜内侧，制品形状取决 于芯膜内腔的几何尺寸，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缠绕机缠绕。纤维轨迹所在平面与芯轴相交成较小夹 角。 第一章绪论 ( 2 ) 环向缠绕 环向缠绕较简单，芯轴转一周，环向纤维前进一个纱片宽，纤维缠绕角接近 9 0 度，其轨迹似密牙螺纹。 ( 3 ) 螺旋缠绕 螺旋缠绕稍复杂一点，其纤维轨迹在空间程螺旋线形状，并均布于芯膜表面， 按规律排列出各种不同的缠绕线型。 1 2 2 缠绕机的工艺分类 2 1 在纤维制品生产过程中，最关键的是缠绕工艺，因此缠绕机生产的核心设备， 缠绕工艺要求缠绕机可以根据不同芯膜直径、长度、缠绕角等工艺参数，精确完 成纤维缠绕，这对缠绕控制系统提出了比较严格的要求。根据缠绕工艺的缠绕过 程，纤维缠绕机控制系统应具有如下功能： 1 由于理想的设计工艺参数在实际缠绕过程中往往很难实现，因此要求计算机控 制系统具有对设计工艺参数进行优化修正的功能。 2 缠绕过程对芯膜和导纱小车等机械部分的运动规律要求相当精确的控制，要求 传动系统有良好的调速性能。由于缠绕机械的工作速度变换频繁，且波动幅度 大，因此要求驱动装置的调速范围要大，启制动性能好，调速平稳，且换向容 易要求导纱小车根据主轴电机的速度，实现快速跟踪，同时保证精度要求。 在长度l m 的工作平台上，跟踪控制精度要求位置稳态误差小于o 1 r a d 嘲。 3 保护功能完善、过载能力强，并有一定的应急处理措施。 4 良好的环境适应性，控制系统有一定的抗干扰能力，结构坚固可靠，其性能受 温度、湿度变化的影响小。 5 节约能源，操作和维护简单、方便。 1 3 国内外纤维缠绕机的发展概况及应用和地位 1 3 1 国外纤维缠绕机的发展概况 1 机械式纤维缠绕机纤维缠绕机技术始于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k e l l o g 公司成 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 绕机如e n t e c 的4 0 0 型和m c c l e a na n d e r s o n 的w - 2 型，这类机械式缠绕机 是由一个电动机拖动主轴和小车组成，主轴与小车之问采用齿轮和链条传动， 齿轮问的传动比决定了主轴和小车的速比，链条长度决定了小车的行程，链条 的布局决定了超越长度和小车速度。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 第一章绪论 不能够精确实现，缠绕精度较数字程序控制缠绕机低“1 。 2 数字程序控制纤维缠绕机到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。如e n t e c 的8 0 0 型和m c c l e a n a n d e r s o n 的 w 1 8 型，其特点是采用了液压伺服马达。这类缠绕机是将芯膜的角位移量和 小车的线位移量都转换为电脉冲形式的数字量进行控制。前西德j o s e p hb a e r 公司7 0 年代初期生产的w e = 2 5 0 型缠绕机也属于这种类型。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 不能满足需要。 3 计算机控制缠绕机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 t c c 公司按美国政府合同开发了第一台微处理控制的缠绕机，直到1 9 7 6 年第 一个商业化标准的缠绕机m e c c l e a n a n d e r s o n6 0 型才投放市场。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j o s e p hb a e r 公司于7 0 年代中期购买了m e c c l e a na n d e r s o n 公司的专利，开始了新一代计算机控制纤 维缠绕机的研制，他们有仿制到创新，近年来已独立发展并进入了世界先进行 列。该公司踟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。 计算机控制纤维缠绕机的控制功能是靠事先存放在存储器里的系统程序来 完成的，改变了系统程序就改变了控制逻辑。其特点是采用系统程序先计算出纤 维轨迹，然后求解出缠绕机各坐标轴的成型轨迹。由于采用计算机控制伺服电机 的转动，因此缠绕精度大幅度提高。缠绕机采用计算机控制后，用软件代替了齿 轮、链条的调整和凸轮的加工。另外，计算机还可以存储多种形状的零件缠绕程 序，这就大大增加了缠绕机的灵活性和适应性，即具有良好的柔性，缠绕效率也 大大提高。 1 3 2 国内纤维缠绕机的发展概况 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 1 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 b 2 5 0 型脉冲数字伺服纤维缠绕机，同年国家建材总局给北京玻璃钢研究所下达了参照 w b 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 年该所研制成功了 s y c 2 5 0 数字程序控制电液伺服纤维缠绕机嘲。 为缩小我国纤维缠绕技术与国外发达国家的差距，满足航天工业和其它部门 第一章绪论 的需求，航天工业总公司在工业与控制规划中将计算机控制纤维缠绕机的研制列 为重点攻关对象。1 9 8 3 年至1 9 8 5 年，哈尔滨工业大学试制成功一台实验用原理 性样机，型号为j k c r s 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，哈尔滨工业大学又为航天工业总公司7 0 3 所研制成功了 新一代国产高性能微机数控纤维缠绕机j k c r l 2 0 临0 0 b ，实现了4 轴联动五轴控 制，零度和“探戈”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。经专家鉴定认定，该缠绕机是一台高技术的机电一体化新产 品，并用它成功的为7 0 3 所缠绕了东风3 1 后仪器舱壳工艺试验件，标志着微机 控制纤维缠绕机从研制走向了成熟和实用，缩小了我国纤维缠绕机与国外水平的 差距。 1 3 3 纤维缠绕机的应用 近十几年来复合材料不仅在日常生活中得到广泛应用，而且在航空、航天、 船舶和陆军武器装备上也得到重视。复合材料的出现为军用新材料的发展开辟了 崭新的研究领域。例如玻璃纤维缠绕结构的锥形雷达罩因其具有理想的电磁波透 过能力和较高的比强度已在高速飞机上采用；另外，纤维缠绕玻璃钢也已用于各 种不同类型的导弹，如北极星、民兵、阿特拉斯、秋比特、发现者、先锋号等。 复合材料的应用部件比较广泛，主要包括固体火箭发动机壳体、液体火箭发动机 容器、喷管、喷管调节锥、热保护层、鼻锥、增压管、电器导管、电子装置外壳 以及雷达罩等。需要指出的是上述部件的制造工艺的发展与纤维缠绕的进展密切 相关。过去，上述部件的制作大都采用增强塑料具有一系列缺点，其应用受到一 定的限制。纤维缠绕发动机壳体具有性能好，成本低等特点，因而得到世界各国 的重视。可以预测，纤维缠绕玻璃钢将成为固体火箭发动机壳体的主要置备手段 和材料。 早在4 0 年代，美国就开始应用玻璃钢增强塑料( 俗称玻璃钢) 。6 0 年代以 后，美国宇航工业研究了由碳、硼等纤维与环氧树脂复合的高膜量、高强度纤维 增强树脂复合材料，具有比钢、钛高得比强度、比钢度和耐疲劳特性。6 0 年代 末，树脂复合材料便开始成为宇航工业中的新型结构材料。美国海军的“北极星 抛”固体中程潜的导弹第一个采用纤维缠绕成型的环氧玻璃钢发动机壳体，减 轻了重量，降低了脆性，在性能上大大超过了“北极星a 1 ”导弹所用高强钢发 第一章绪论 动机壳体。此后，玻璃纤维，环氧树脂复合材料一直是制造战略导弹发动机壳体 的标准材料，7 0 年代以后，k e v l a r - 4 9 有机纤维增强复合材料用于三叉载i 型导 弹的全部三级发动机壳体和m x 导弹发动机壳体。航天飞机在1 9 8 1 1 9 8 2 年试 飞成功后，美国又将2 个d 6 a c 钢的助推器壳体改为k e y 1 a r 纤维缠绕壳体，使 航天飞机允许载荷增加了6 2 9 k g 。近年来，在新型的战术导弹上也开始采用复合 材料做固体发动机壳体，如齐奥科尔公司为降低机载导弹的重量，提高飞机作战 性能而采用了复合材料的固体发动机。但k e v 1 a r - 4 9 增强的复合材料壳体钢度和 强度尚不够理想，需在筒段上用石墨纤维加强钢度。潘兴2 地导弹已采用了 k e v l a r - 4 9 复合材料的发动机。此外，导弹弹体结构、卫星和宇宙飞行器太阳能 电池底版、航天飞机形高压容器等许多零件也都采用了复合材料。 我国自改革开放以来，引进了各种复合材料成型设备，如数控缠绕机，喷射 缠绕机、挤拉机等，这对我国玻璃钢产品的生产技术、产品质量及性能的提高， 对我国玻璃钢工业的发展起到了促进作用。可是由于以美国为首的西方发达国家 规定禁止对中国出口技术先进的微机控制缠绕机( 四轴以上联动) ，我们也只能 引进常规的数控缠绕机，有必要结合本国的实际情况，加强对国外技术的消化， 突破国外技术封锁。 国内，目前在以哈尔滨工业大学、武汉工业大学为代表的高等院校在微机控 制缠绕机研制方面取得了可喜的进步，其研制的设备己应用于科研生产中，在某 些领域已能够替代进口产品。 1 3 4 纤维缠绕机在复合材料工业中的地位 纤维缠绕工艺是纤维增强塑料的主要成型方法之一。它采用连续纤维经浸渍 树脂后，然后通过缠绕机，按照一定的线形分布在可打碎或可拆卸的芯膜上，经 过加热使树脂固化，然后将芯膜拆除，得到一定形状、一定壁厚的空心制品，最 终获得一种能承受高压的容器。所用的纤维有玻璃纤维、碳纤维和k e v l a r ( 芳纶 纤维) 等，以玻璃纤维为主。缠绕工艺是目前成型工艺中机械化和自动化程度最 高的一种。 缠绕工艺最突出的优点是能充分发挥纤维的强度和膜量的性能优势。固体火 箭发动机壳体实质上是以承受内压为主的高压容器，设计时力求使容器任何部位 都呈等强度状态。有时为了满足钢度需要或其他力学性能，在缠绕机上可将几种 缠绕线型加以组合，如螺旋缠绕加环向缠绕或平面缠绕加环向缠绕。因此，缠绕 机是必不可少的工艺装备。宇航和航空对缠绕制品的形状要求越来越复杂，精度 和可靠性要求越来越高。已广泛将缠绕工艺与拉挤、模压等成型工艺相结合，生 产如用于直升飞机的推进翼、机身、风扇叶片等异型凹面的复合材料构件。由此 可见，缠绕机在复合材料制造工艺中的应用越来越广泛”1 。 第一章绪 论 1 4 纤维缠绕机的发展趋势 目前，虽然纤维缠绕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，有以下几个大发展趋势： 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膜上，适当和平稳的预张力可增强缠绕制品承受内压 力的能力，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 纱嘴并行工作的方法。例如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 r a i n ，小车最大速度可达1 2 m s ，可以自动更换芯膜。又 如e n t e c 公司缠绕透平机叶片双小车计算机控制缠绕机拥有1 1 个轴。 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 辅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1 0 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 绕机上增加许多辅助装置，如带辅放头，加热和压辊装置及切断装置等”1 。 第二章新型纤维缠绕机的介绍 第二章新型纤维缠绕机的介绍 2 1q - l 型新型多向纤维缠绕机的结构及工作原理 纤维缠绕是树脂基复合材料制品成型常用的工艺方法。嗍这种方法具有节省 原材料、易于实现机械化，自动化，生产效率高等优点，因而应用十分广泛，并 已形成批量生产的产业。纤维缠绕机是生产纤维缠绕复合材料制品的关键设备。 不同结构和性能的制品，对缠绕机的要求也是各不相同的。本文中研究的多向纤 维缠绕机是生产由螺旋缠绕、轴向缠绕形成的多向纤维缠绕复合材料预制件的设 备，与传统的缠绕机相比，由于要实现多向纤维缠绕，对电气控制系统具有更多 更复杂的要求。在目前的纤维缠绕机械中，主要以生产螺旋缠绕制品、平面缠绕 制品和环向缠绕制品为主，未见到对多向纤维缠绕设备的研究报道。 新型多向纤维缠绕复合材料制品是环向缠绕、螺旋缠绕和轴向缠绕形成的一 种产品，这种制品的特殊之处在于实现了纯轴向缠绕( 即缠绕角q = o 。) 。这种 结构相对于传统的仅有螺旋缠绕和环向缠绕形成的制品来说，提高了纤维缠绕复 合材料制品承受轴向载荷的能力，更容易实现等强度和等刚度设计，因而应用更 加广泛f 9 1 新型多向纤维缠绕小样机的主要功能是用来生产多向纤维缠绕复合材料制 品，即要在运动上实现轴向、螺旋向等多个方向的缠绕。主要构成( 如图2 1 ) 有机头1 、机尾4 、小车轨道7 及床身、缠绕小车6 等。小车6 在步进电机5 的带动下 沿着小车轨道与芯模轴线平行作水平直线的往复运动。小车上装有绕丝头。在缠 绕制品时，芯模2 在步进电机8 的带动下做旋转运动，而绕丝头带着纱线以预定的 缠绕角作左旋和右旋交替地缠在芯模上。其传动机构采用同步齿形带传动实现。 多向纤维缠绕小样机的特殊之处在于轴向缠绕的实现，为此，在芯模两端各 配备有专门设计的轴向挂线盘。轴向挂线盘的具体结构如图2 2 所示，圆盘的边 缘植入强度很好的细钢丝数根，为了防止纱线的脱落，钢丝端部带有弯钩。这样， 缠绕小车带着纱线做往复直线运动时，就可将纱线挂到钢丝( 即挂纱钩) 上，从 而实现轴向缠绕“”。 7 第二章新型纤维缠绕机的介绍 图2 1 q - i 型多向纤维缠绕小样机总体结构图 图2 _ 2 轴向挂线盘的截面图 l 一机头2 一芯模3 一轴向挂线盘垂_ 尾座 卜步进电机6 _ 缠绕小车7 _ 导轨8 - 哆进电机 2 2 基本公式介绍 1 切点数 为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。一般用n 表示。 2 线速比 缠绕纤维绕芯膜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i 表示，它等于 l f - ! 公式( 2 - 1 ) 万 式中：k - 一完整一个完整循环纤维绕芯轴的转数 n 一完成一个完整的循环纤维在端部极孔周边的等分点数或切点数1 。 3 缠绕中心角 缠绕纤维绕芯轴回转中心轴旋转的角度成为缠绕中心角。它又分为局部和 总体缠绕中心角。在缠绕过程中，缠绕角是影响产品质量的非常重要的因素。 4 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 轴芯膜继续旋转角度。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。 5 芯膜转角 芯膜转角指缠绕一次完整线芯膜所需旋转的角度。 第二章新型纤维缠绕机的介绍 - 芋3 叭岛+ 只 式中：如怔意段筒身绕芯膜轴中心旋转角； 岛左停留旋转角 见右停留旋转角 屯缠绕任意段筒身的长度 2 3q _ i 型新型多向缠绕机的介绍 公式( 2 2 ) 2 3 1 q - i 型新型多向缠绕机的面板要求 天津工业大学复合材料研究所研究出q i 型新型多向缠绕机，其面板设计如 图2 - 3 ： 圆圈园 数字键盘区 网褂魄趣网圆圆回 圈团圆 图2 - 3q 1 型多向缠绕机的面板示意图 2 3 2 q _ l 型多向新型缠绕机的芯轴要求 这种新型多向缠绕机就是在原有的纺织机的基础上在两头加上挂钩，可以让 纺纱技术不只是在竖向上织，也可以在横向上织，而且角度可以达到0 度加强了 织出布的强度“”。织布机结构如下图2 4 9 冒 第二章新型纤维缠绕机的介绍 蚴糍 位置：小车导丝嘴轴向挂纱左端启停位置，由左端的霍尔开关决定； 位置：小车导丝嘴环向、螺旋向缠绕左端启停位置，由缠纱“零点设定” 决定； 位置：小车导丝嘴环向、螺旋向缠绕最右端返回位置， 位置：小车导丝嘴轴向挂纱右端停止位置，由右端的霍尔开关决定。 位置要求： 缠绕位置：每次缠绕前要求小车电机带动导纱嘴停在即可，对芯膜电机无要求。 挂纱位置：每次挂纱要求小车电机带动导纱嘴停在，同时要求芯膜电机带动挂 纱钩，使导纱嘴停在固定的两个挂钩之问的位置。 本机器由两电机控制，一个叫芯膜电机，是带动芯膜转动的。一个叫小车电机， 控制小车的这个纺织机完成两个工作，一是挂纱，即把小车上的线挂到挂钩上， 另一个是缠纱，即把小车的线缠在芯膜上o ”。 2 3 3 q _ i 型多向新型缠绕机的功能 本系统要求有掉电保护措施，要求要以下情况之一发生时，运转的机器自停， 且按下“启动”、“慢点动”按钮后，机器不能转动。 1 小车滑杠左右溢出行程开关碰撞后，要求整机断电，显示器黑屏。 2 浸胶槽树脂预热温度没达到要求 3 缠绕纱线断线自停器作用 4 缠绕纱线过紧自停器作用 5 缠绕纱线导纱嘴与芯膜挂钩发生碰撞 6 整个缠绕工艺过程结束，“布满复位”按钮没按下前布满指示灯绿灯亮。显 示屏显示如图2 5 full 图2 - 5 布满显示 1 0 第二章新型纤维缠绕机的介绍 7 机器中没有输入缠绕参数，“启动”、“慢点动按钮失效显示图2 - 6 i sd l 图2 - 6 按钮失效显示 8 机器没有进行。零点设置”，“启动”、“慢点动”按钮失败，显示器显示如图 2 6 9 缠绕工艺参数设定过程中，包括参数输入，修改、添加、重设、显示屏显示 为当前输入的参数，参数设定过程中，“启动”“慢点动”按钮失效。 1 0 缠绕零点设定过程，显示为正在输入的零点输入状态 按下挂纱按钮以后显示器的显示情况 1 挂纱参数输入 在“s d ”，则显示屏显示改为如图2 7 ： 代表挂纱左端位置 憾n i 代表本汝缠绕工艺进行第几次循环，自动生成 图2 7 挂纱输入显示1 输入n l 后，按回车键，则显示屏显示改为如图2 8 ： l g 曩4 l i 1l l 代表挂纱右端位置 代表砬 图2 - 8 挂纱显示2 输入n 2 后，按回车键，则显示屏显示改为如图2 9 ： l g 墨 f f i l lo 代表按照n i ，正进行挂纱目l 环 传$ e 按照畦心进行挂眇徊目擞- 图2 - 9 挂纱显示3 其中n 1 、n 2 分别代表导纱嘴在位置、时，芯膜电机转过的挂钩数，角度为 5 度* n l ( n 2 ) 2 缠纱参数输入与挂纱参数输入屏幕显示极为相似这里就不重复介绍了，只是把 c s 改常g s 其中n 1 变成w 1 代表小车电机在芯膜电机匀速转动一周的时间内所 l l 第二章新氆纤维缠绕机的介绍 转过的角度或距离。n 2 变成w 2 代表导纱嘴缠纱到达右端返回点时，小车电 机转过的角度或走过的距离。在输入参数时，还可以随时进行参数修改l 。 在参数输入完后，电机转动前要先对电机进行零点设定。这样使得电机转动的 角度以此为起点；避免挂纱过程中或挂纱与缠纱的相互转换的过程中，导纱嘴与 挂纱钩相碰撞 如图2 1 0 时，按左右或上下键，小车电机和芯膜电机( 屏幕显示c s ) 就会 相应的变化，直到变化到合适的位置，按回车键就完成了设定 l g 嚣曩 d l 图2 1 0 屏幕显示 3 缠纱零点设置 缠纱零点指每次缠纱前小车电机停止的位置，缠纱缠绕时，小车电机必须以此位 置为起点，工艺中缠纱的小车电机转角以次为基础。 ( 1 ) “s d ”闪烁情况下按下“缠纱”键，显示屏的显示改为如图2 1 1 此时可以 通过按“缠纱”然后“ ”键来调节小车电机逆时针还是顺时针方向慢慢转动。 同时在通过挂钩位置时为了避免与挂钩相碰，可以用按“挂纱”然后“ ”键 来调节芯膜电机的转动。 匪匪田 图2 1 1 零点设置屏幕显示 ( 2 ) 当“缠纱”零点位置调节好后，从键盘输入“0 0 屏幕上显示如图2 - 1 2 ， 将“缠纱零点”输入机器 图2 1 2 零点设置屏幕显示 ( 3 ) 显示屏幕显示上只有按“缠纱、挂纱、 、0 ”键有用，别的键按下无 效。 ( 4 ) 在“缠纱”零点设置期间，如果外部电控失效，则显示屏的显示马上改为 与设置相对应的内容，并且零点设置，并且零点设定无法完成，需把相应内容设 置好后，重新进行零点设置操作。 ( 5 ) 零点设置完毕按回车键后屏幕显示“o p e n ” 第二章新型纤维缠绕机的介绍 在“挂纱”、“缠纱”零点位置都确认以后可以按下“零点设置”来结束挂纱、缠 纱零点设置，显示屏的显示改为：( 1 ) 缠绕参数的第一组循环数( 2 ) 零点任意 修改前所显示的缠绕参数循环数如果挂纱或缠纱其中任意一个没有进行零点设 置，则按零点设置键不能结束零点设置“”。 4 按钮操作及运转显示要求： ( 1 ) 电源开关打开后显示屏显示为“s d ” ( 2 ) 如果屏幕显示为“f u l l ”如图，说明一个缠绕工艺已完成，“布满指示灯” 会同时亮起，此时只能按下“布满复位”按钮，才能使“布满指示灯”熄灭，同 时屏幕显示改为“s d ”则可进行下面操作。 ( 3 ) 外部电控要求任意一项失控，“故障指示灯”亮起，显示屏的显示马上改为 “s d ” ( 4 ) 当启动钮失效或者中途停止时，故障排除后，按下启动钮，电机按照上次 输入的缠绕参数，从显示屏显示的缠绕循环数继续向下进行自动缠绕。 ( 5 ) 在设备正常运行情况下，按下停止键，电机马上停止转动。 ( 6 ) 在设备正常运行情况下，外部电控出现问题，电机马上停止转动。 ( 7 ) 如果打算停止一个为完成的缠绕过程，打算新的缠绕。停止机器按下布满 复位键，机器中存储的输入好的数值就清空。 ( 8 ) 电灯开关为独立设置，设备停止缠绕后，电灯仍可独立工作。 ( 9 ) 不论因为什么情况停止缠绕，或者缠绕结束关机，再开机显示屏显示内容 应该与关机前一样。 ( 1 0 ) 在正常缠绕情况下，显示屏显示数据为正常进行的循环数，并且随着每次 循环完成而递增，整个工艺结束后显示器屏幕显示为“f u l l ” ( 1 1 ) 在缠绕过程中，键盘是实效的，只有停止缠绕，键盘才有效。 第三章用单片机控制电机的实现 第三章用单片机控制电机的实现 3 1q i 型多向纤维缠绕电机电气系统控制要求“町 3 1 1 0 _ i 型多向纤维缠绕机部件参数及要求 1 挂纱步进电机 速度调节范围要求：o 一4 0 转分。 调节档位：0 - 9 9 档 所需个数：1 个 电机启动升速完成时间：3 秒 电机停止速度衰减完成时间：1 秒 2 绕纱步进电机 每横列转动角度范围要求：0 - 5 0 。 调节档位：旷9 9 档 所需个数：1 个 3 挂纱步进电机驱动器 所需个数：1 个 4 绕纱步进电机驱动器 所需个数：1 个 5 接近开关 电压要求：1 2 v 所需个数：4 组 6 绕纱、挂纱操作开关 开关要求：包括“启动”、“停止”、“手动”三个按钮，其中“停止”按钮采 用凸出式按键，“启动”和“手动”按钮采用凹进式按键。 所需个数：2 组 7 电器箱 数量：1 个 l 第三章用单片机控制电机的实现 8 电器控制操作面板 数量：1 张 9 电路控制板 数量：1 套 1 0 电停保护装置 型号：d g , c 2 a 型漏针器( 慈溪) 电压要求：1 2 v 数量：8 个 ”防止机头溢出保护开关 型号：l x k 3 行程开关 数量：4 个 1 2 设备照明 型号：双排4 0 w 日光灯 数量：1 组 3 1 2 创新点说明 本课题有3 个创新点，都是在电路设计与程序编成中的创新。这里特别指出： 一、对传统的掉电保护电路进行了改造，增强了系统的稳定性和可靠性。使得在 断电以后保留原有输入的内容，并且能稳定长久的保存，下面章节中也有介 绍 二，对新型带挂钩缠绕机的缠绕要求进行设计编程。如上图2 2 所示，使本系统 的最大创新点，由于机器设计者独创性的，在芯膜两端增加了挂钩，使得轴 向缠绕可以达到0 度，改变了以前缠绕技术中到不了0 度的弊端，结合设计 者的创意，本系统为挂钩挂纱设计了控制系统，下面章节中将有详细介绍。 3 2 单片机控制系统设计方案 根据系统的控制要求，单片机控制系统采用a t 8 9 c 5 2 芯片为c p u ，a t 8 9 c 5 2 管脚排列如图3 一l 所示。 第三章用单片机控制电机的实现 图3 - 1a t 8 9 c 5 2 管脚捧列 1 a t 8 9 c 5 2 的特点及功能“町 a t 8 9 c 5 2 具有如下特点： 与m c s - 5 i “产品兼容 8 k 字节的系统内部可编程闪存 1 , 0 0 0 次反复写擦 工作频率：0 到2 4 m h z 三级程序内存锁定 2 5 6 字节的片内r a m 3 2 条可按位寻址的y o 线 三个1 6 位的定时器计数器 八个中断源 可编程串口通道 低能耗空闲和掉电模式 a t 8 9 c 5 2 芯片具有如下功能： 有1 个专用的键盘f 显示接口； 有1 个全双工异步串行通信接口： 有2 个1 6 位定时计数器。 这样，1 个8 9 c 5 2 芯片承担了3 个专用接口芯片的工作，不仅使成本大大下 降，而且优化了硬件结构和软件设计，给用户带来许多方便。 2 a t 8 9 c 5 2 的管脚定义“” a t 8 9 c 5 2 的p o 口和p 2 口的一部分管脚用作键盘和开关的输入接口，p l 口用 作输出接口，p 3 口的部分管脚用作键盘选择和显示接口。a t 8 9 c 5 2 的管脚的详细 定义如表3 - i 所示。 j 4 3 2 l 0 o i 2 3 4 5 6 7 0 111ill，8 d dddndddo d d d d d d d d a a直里矗 正上丘 ，dp， o l 2 3 4 5 6 t t h r 5 5 4 3 2 l n c ，ee ， ， i o o o o o!i 2 2 2 2 2 2 2 2 t p p p p p p p p菩一p p p p p p p p p们拍拍钉；j舒科轮；竹幻玎；8雒h牡n ：0 4 56，o，n坨”h蜡惦”神 p p p p p p p p e p p p p p p p p t l 他既 肋加丽一hn赢一曲 ， 啬 藻嘎鹭蛐，呲 ( h 第三章用单片机控制电机的实现 表3 - 1a t 8 9 c 5 2 的管脚的详细定义 端口管脚 功能类型 p o 口 p o o 启动开关输入 p 0 1右霍尔输入 p 1 o绕纱电机e n -输出 p 1 1 挂纱电机e n 输出 p 1 2慢点开关输入 p 1 口 p 1 3 电停开关 输入 p 1 4 挂纱d i r - 输出 p 1 5 挂纱c p 输出 p 1 6绕纱d 1 r -输出 p 1 7 绕纱c p -输出 p 2 0 设置电键输入 p 2 1挂纱电键输入 p 2 口p 2 2绕纱电键输入 p 2 3 重设置电键输入 1 2 4零位设置电键输入 p 2 5回车输入 p 3 2 断电开关输入 p 3 口 p 3 3 p 3 5 键盘输入 p 3 6左霍尔输入 p 3 7 复位开关 输入 3 利用a t 8 9 c , 5 2 的串行口和7 4 l s l 8 4 实现i 0 扩展洲 由于在本系统中a t 8 9 c 5 2 的串行口没有串行通讯的任务，所以在本系统中可 用串行口和7 4 l s l 6 4 配合来扩展i o 接口。 l ：) | 邮嘲 _ ll 图3 屹7 4 l s l 6 4 管脚捧列图 如图3 2 所示，7 4 l s l 6 4 为t t l 单向8 位移位寄存器，可实现串行输入，并 行输出。其中a 、b ( 第l 、2 脚) 为串行数据输入端，这两个引脚按逻辑与运算 第三章用单片机控制电机的实现 规律输入信号，共一个输入信号时可并接。c p ( 第8 脚) 为时钟输入端，可连接 到串行口的t x d 端。每一个时钟信号的上升沿加到c p 端时，移位寄存器移一位， 8 个时钟脉冲过后，8 位二进制数全部移入7 4 l s l 6 4 中。m r ( 第9 脚) 为复位端， 当r = o 时，移位寄存器各位复0 ，只有当m r = i 时，时钟脉冲才起作用。0 0 - 0 7 ( 第 3 - 6 和1 0 - 1 3 引脚) 为并行输出端o ”。 在本系统中，采用串行口和一片7 4 l s l 6 4 结合扩展出一个2x8 键盘选择接 口，a t 8 9 c 5 2 的p 3 4 、p 3 5 作为键输入线；串行口和七片7 4 l s l 6 4 结合扩展出 七个八段l e d 数码管的静态显示接口，a t 8 9 c 5 2 的p 3 3 作为同步脉冲输出控制 线。 第四章基于a t 8 9 c 5 2 的单片机控制