（机械设计及理论专业论文）内固化高压玻璃钢管道专用机床数控系统设计.pdf

d i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g d es i g no nn u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e mo f i n s o l i d i f i e dh i g h p r e s s u r e g l a s sf i b r ew i n d i n g p i p e s p e c i a lm a c h i n et o o l c a n d i d a t e s u p e r v i s o r a c a d e m i cd e g r e e a p p l i e df o r s p e c i a l t y d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n u n i v e r s i t y y uz h e n z h o n g 场ub 0 m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r i e s m a r c h 2 0 0 6 h a r b i n u n i v e r s i t y o fs c i e n c e r 一 a n d1e c h n o l o f f v i l 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明 此处所提交的硕士学位论文 内固化高压玻璃钢管道专用 机床数控系统设计 是本人在导师指导下 在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所取得的成果 据本人所知 论文中除已注明部分外不 包含他人已发表或撰写过的研究成果 对本文研究工作做出贡献的个人和集 体 均已在文中以明确方式注明 本声明的法律结果将完全由本人承担 作者签名 于振冲 同期 私以年2 月叩日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 内固化高压玻璃钢管道专用机床数控系统设计 系本人在哈尔滨理工大 学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文 本论文的研究成果归 哈尔滨理工大学所有 本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表 本人完 全了解哈尔滨理工大学关于保存 使用学位论文的规定 同意学校保留但不同 意向有关部门提交论文和电子版本 不允许论文被查阅和借阅 本人授权哈尔 滨理工大学可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 可以公布论文的部 分内容 本学位论文属于 保密函 在3 年解密后适用授权书 不保密口 请在以上相应方框内打 作者签名 于振中 日期 w 以年z 月刁日 导师签名 屯云臣日期 如俘工月 7 b 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 内固化高压玻璃钢管道专用机床数控系统设计 摘要 内固化高压玻璃钢管道专用机床是生产高压玻璃钢管道的成套设备 集 缠绕 固化 脱模三道工序于一身 它是玻璃钢管道生产技术水平的体现 将计算机控制技术应用到缠绕机上 是缠绕设备及技术的一次重大飞 跃 对于缠绕部分本文主要论述和分析了管道微机缠绕控制系统硬件系统和 软件系统的研制 分析了缠绕部分的硬件组成 分析了缠绕部分控制系统原 理并提出了控制方案 设计了控制系统的位置 运动控制 输入输出等模 块 最后在分析了缠绕加工工艺的机床上设计了控制系统得软件 软件用c 语言开发运行于d o s 操作系统下 传统的外固化方式 将管道连同芯模置入固化炉体中进行固化 能耗 高 固化时间长达几小时 而且采用外固化方式成型的玻璃钢管质量上存在 着一定的缺陷 本系统采用的内固化方式是通过向玻璃钢管的芯模内通入高 压热蒸汽来使玻璃钢管固化成型的 这种快捷的传热方式会很快使制品升 温 可在数十分钟内完成树脂固化的全过程 而且提高了产品的性能 固化 部分控制系统采用主从式控制 上位机为带触摸屏的工控机 下位机为可编 程控制器 控制稳定 自动化程度高 对于这一部分本文主要设计了控制系 统的硬件和软件 硬件设计主要包括固化控制管线的结构和硬件配置 软件 设计包括上位机软件和p l c 软件 上位机软件使用组态软件编制 下位机 软件使用梯形图编制 实现温度调节的p i d 算法通过欧姆龙c j l w 型p l c 自带的p i d a t 指令通过设置参数完成 为了提高脱模工序的自动化程度 本文设计了基于p l c 控制系统的软 硬件 本文首先介绍了控制系统的软硬件组成 然后设计了脱模部分的电气 原理图 最后在分析脱模工艺的基础上设计了脱模控制系统的软件 此脱模 控制系统在生产中收到了良好的效果 缠绕 固化和脱模三道工序采用分别控制的策略 但是三者必须满足一 定的互锁关系 本文最后给出了 三道控制系统的互锁情况 关键词微机缠绕控制 内固化 自动脱模 p k 卜 p i p es p e c i a lm a c h i n e t o o l a b s t r a c t i n s o l i d i f i e dh i g h p r e s s u r eg l a s sf i b r ew i n d i n gp i p ec o m b i n e dm a c h i n et o o li s ak i n do fe q u i p m e n tt h a ti su s e dt op r o d u c eh i g h p r e s s u r eg l a s sf i b r ew i n d i n g p i p e i tc o m b i n e st h r e ew o r k i n gp r o c e d u r eo fw i n d i n g s o l i da n de x t r a c t a n di t e m b o d i e st h et e c h n i c a ll e v e ro fp r o d u c i n gh i g h p r e s s u r eg l a s sf i b r ew i n d i n gp i p e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y i ti sag r e a tl e a pi nw i n d i n g m a c h i n ea n dt e c h n o l o g yt oa p p l yc o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y t h i s t h e s i s m a i n l yd i s c u s s e sa n dd e s i g n st h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r e o fw i n d i n gc o n t r o l s y s t e m i ta n a l y s e dt h ec o m p o s i n go fw i n d i n gc o n t r o ls y s t e m a n da n a l y s e dt h e t h e o r yo fw i n d i n gc o n t r o ls y s t e m a n db r i n g f o r w a r di t sc o n t r o ls c h e m e a n d d e s i g n e dt h ep o s i t i o nm o d u l e m o t i o nc o n t r o lm o d u l ea n di om o d u l e a tl a s t o n t h eb a s eo fa n a l y z i n gw i n d i n gt e c h n i c st h et e x tp r e s e n t e dt h es o f t w a r eo fc o n t r o l s y s t e m t h es o f t w a r ew a sp r o g r a m m e db yc a n di tr u n so nd o ss y s t e m t h et r a d i t i o n a lo u ts o l i d i f i e dm o d ew a s t ee n e r g yg r e a t l ya n dt h ew o r k i n g p r o c e d u r en e e d ss e v e r a lh o u r s b e s i d e s t h e r ea r em a n yb u g so ft h i sk i n do fh i g h p r e s s u r eg l a s sf i b r ep i p e i n s o l i d i f i e dm o d et h a ti sa d o p t e db y t h i sc o n t r o ls y s t e m s o l i d i f e sh i g h p r e s s u r eg l a s sf i b r ep i p eb yh i g h p r e s s u r eh o ts t e a m t h i sm o d e c a ns o l i d i f i e st h ep i p ef a s t e ra n dt h eq u a l i t yo ft h ep i p e sa r eb e t t e rt h a no u t s o l i d i f i e dp i p e s t h ec o n t r o ls y s t e mo fi n s o l i d i f i e dm o d ec o n s i s t so fh o s ta n d i n f e r i o rs y s t e m t h eh o s ti si n d u s t r yc o m p u t e rw i t ht o u c h i n gs c r e e n t h ec e n t e r o fi n f e r i o rs y s t e mi sp r o g r a m m i n gl o g i cc o n t r o l l e r t h i sk i n do fc o n t r o ls y s t e m h a sg o o ds t a b i l i z a t i o na n dh i g hr o b o t i z a t i o n h a r d w i r ed e s i g nm a i n l yc o n s i s to f t h ec o n s t r u c t i o no fi n s o l i d i f i e ds y s t e m s a n dc o n f i g u r a t i o no fh a r d w a r e s o f t w a r ed e s i g nm a i n l yc o n s i s to ft h es o f t w a r eo fh o s ta n dt h es o f t w a r eo fp l c t h es o f t w a r eo fh o s tw a sp r o g r a m m e db ym c g sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e p i d i i 哈尔滨理二r 大学t 学硕 学位论文 a r i t h m e t i cw a sa c h i e v e db yt h ei n s t r u c t i o no fc j1wp l co fo m r o nc o m p a n y p i d a t i no r d e rt oi m p r o v er o b o t i z a t i o nl e v e ro fe x t r a c t o r t h i st h e s i sd e s i g n e da c o n t r o ls y s t e mt h a tb a s e do np l c f i r s t t h et e x ti n t r o d u c e st h ec o n s t i t u t e so f c o n t r o ls y s t e mo fe x t r a c t o r s e c o n d i td e s i g n st h ee l e c t r i ct h e o r yc h a r t a tl a s ti t d e s i g n st h es o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mo nt h eb a s eo fa n a l y s i n gt e c h n i c so f e x t r a c t o r t h isc o n t r o ls y s t e mm e e t st h ed e m a n d si nt h er e a l i t yo ft h ef a c t o r y a n d i tr u n sv e r yw e l l t h ew o r k i n gp r o c e d u r eo fw i n d i n g i n s o l i d i f i e da n de x t r a c ta r ec o n t r o l l e d s e p a r a t e d b u tt h r e ew o r k i n gp r o c e d u r em u s tm e e tc e r t a i nc o n d i t i o n a tl a s t t h e t h e s i sp o i n to u tt h er e l a t i o no ft h et h r e ew o r k i n gp r o c e d u r e k e y w o r d sc o m p u t e rc o n t r o l l e dw i n d i n g i n s o l i d i f i e d a u t o m a t i ce x t r a c t o r i i i i 哈尔滨理t 大学工学硕二 j 学位论文 目录 i h 1 1 意义 1 点及重点应用领域 3 绕线型 4 管组合机床简介 5 6 7 2 1 机床本体介绍 7 2 2 脱模小车结构介绍 8 2 3 液压系统原理图 8 2 4 气动系统原理图 9 2 5 机床动作逻辑 1 0 2 5 1 机床初始状态 1 0 2 5 2 机床动作逻辑 l l 2 6 本章小结 一1 2 第3 章机床缠绕部分控制系统设计 1 4 3 1 缠绕部分总体结构 1 4 3 1 1 缠绕部分机械本体组成 1 4 3 1 2 缠绕部分控制系统组成 1 4 3 2 缠绕部分控制系统原理和结构 1 6 3 3 缠绕运动控制方案的提出 1 7 3 4 缠绕部分控制系统各模块设计 1 8 3 4 1 速度位置控制模块分析 18 3 4 2 伺服控制分析 2 6 3 4 3 开关量输入输出模块分析 2 7 3 5 高压玻璃钢管道的缠绕加工工艺 j 2 9 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 高压玻璃钢管道的加工参数设计 2 9 运动控制参数设计 2 9 控制按钮站介绍 3 0 玻璃钢管缠绕运动规划 3 1 缠绕过程中速度 加速度规划 3 2 3 5 6 缠绕过程中端部停留角的处理 3 3 3 6 缠绕部分控制系统软件设计 3 4 3 6 1 控制软件的整体规划 3 4 3 6 2 控制策略设计 3 5 3 6 3 控带 软件的关键技术分析 3 6 3 6 4 缠绕机控制界面 4 0 3 7 本章小结 4 l 第4 章机床固化部分控制系统设计 4 2 4 1 可编程控制器简介 4 2 4 1 1 可编程序控制器的特点 4 2 4 1 2 可编程序控制器的基本结构 4 2 4 1 3 可编程序控制器的工作过程 一4 2 4 2 内固化原理 4 3 4 3 固化部分的作用与组成 4 4 4 3 1 固化部分设备组成 4 4 4 3 2 固化部分控制系统组成 4 5 4 4 固化控制系统硬件设计 4 5 4 4 1 蒸汽管线结构 4 5 4 4 2 固化控制系统硬件配置 4 7 4 5 固化控制系统软件设计 4 7 4 5 1 固化工艺过程分析 4 7 4 5 2 固化控制系统上位机软件设计 4 8 4 5 3 固化控制系统p l c 程序设计 5 0 4 6 本章小结 5 3 第5 章机床脱模部分控制系统设计 5 4 5 1 脱模部分的作用与组成 5 4 5 1 1 脱模部分主要硬件组成 5 4 5 1 2 脱模部分控制系统组成 5 5 一0l f 硕士学位论文 5 2 脱模部分电气控制技术 5 6 5 2 1 供电线路和液压站电机控制回路 5 6 5 2 2 脱模小车电机控制回路 5 6 5 2 3 继电器控制回路 5 7 5 2 4p l c 输入模块回路 5 8 5 2 5p l c 输出模块回路 5 8 5 3 脱模控制系统软件设计 6 0 5 3 1 脱模工艺过程分析 一6 0 5 3 2p l c 程序设计 6 2 5 4 缠绕 固化 脱模部分连锁关系分析 6 2 5 5 本章小结 6 2 结论 j 6 5 参考文献 6 6 附录 6 9 攻读学位期间发表的学术论文 7 0 致谢 7 1 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题的题目是 内固化高压玻璃钢管道组合机床数控系统设计 它是 大庆汉维长垣高压玻璃钢管道有限公司的委托项目 1 2 课题研究的目的与意义 高压玻璃钢管道是一种纤维复合材料经过缠绕 固化 脱模 打压检测等 多道工序完成的 它的缠绕成犁技术是纤维缠绕成型技术中的一个应用 高压 玻璃钢管属于定长缠绕 它不同于连续缠绕 连续缠绕管只有一个方向的缠绕 角 定长缠绕管的缠绕需要小车的往复运动 产生正 反两个不同方向但大小 相等的缠绕角 由于定长缠绕使高压玻璃钢管的两端有 风头堆积 或者说 停留堆积 1 1 堆积部分需要切除 造成材料的浪费 如果控制系统精度 低 更加容易造成材料的浪费 而且高压玻璃钢管的长度一般在8 0 0 0 m m 9 0 0 0 m m 需要控制系统具有良好的稳定性 另外由于生产流水作业要求 在 不牺牲加工精度和控制系统平稳性的前提下 需要提高加工效率 为此 受厂 家委托 在提供机床本体的基础上 研制一套具有较高控制精度 良好的控制 平稳性 操作简便 加工效率高和留有扩展接口的缠绕机控制系统 玻璃钢缠绕系统是生产玻璃钢管道的重要设备 我国现有的缠绕系统一般 是机械式的 机械式缠绕系统在生产不同规格的制品时须频繁改变装置 生产 效率低 操作极不方便 而且 由于机械调速的限制 导致缠绕系统的速比不 能连续可调 影响了产品的工艺 当今 自动化控制系统已经在各行各业得到 了广泛的应用和发展 采用先进的控制系统控制玻璃钢缠绕工艺己成为发展趋 势 2 高压玻璃钢缠绕系统是一种纤维缠绕系统 需要的缠绕工艺与纤维缠绕成 型一样 纤维缠绕 f i a m e n tw i n d i n g 成型工艺中的关键设备是纤维缠绕机 f w m 从1 9 4 7 年第一台纤维缠绕机问世以来 发展十分迅速 四十多年 来 f w m 经历了一个从低级到高级 从简单到完善的发展过程 从最初的机 械控制f w m 到微机控制纤维缠绕机1 3 儿4 微机控制的缠绕过程具有显著的优 啥尔滨理工大学工学硕士学位论文 点口 1 缠绕过程的自动化程度得到很大的提高 可实现仅输入几个形状及 工艺参数就能在计算机的控制下自动的完成整个制品的缠绕 2 缠绕精度 高 排线线型的精度高达 0 o l m m 3 适应性强 可以生产复杂形状的制 品 4 操作简单容易 5 设计灵活 可在不改变硬件备置的情况下 修改软 件来满足特殊的要求 6 易于实现缠绕过程中的张力 温度 浸胶的自动控 制 严格满足控制精度 7 易于实现自动化和智能化缠绕工厂 开发微机缠 绕控制系统具有很大的市场前景和战略意义 国内外现在的微机缠绕机系统采 用的控制系统没有统一的规范 e n t e c 公司的管道缠绕机采用p m a c 作为硬件 控制核心 用p m a c 自带的语言开发控制软件 它的特点是精度高 控制平 稳 采用的缠绕算法实用性很强 操作界面简单 缺点是操作语言是英语 因 为p m a c 本身不支持汉语 1 另外价格极其昂贵 一般厂家很难承受 现在国 内有很多开发和研制微机控制纤维缠绕机的科研院校和厂家 哈尔滨工业大学 研制出了我国第一台微机控制纤维缠绕机 在微机数控纤维缠绕技术方面具有 国内先进性 武汉理工大学在微机纤维缠绕技术中具有很强的实力和国内先进 性 虽然微机纤维缠绕机在国内从某种意义上来说是日趋完善 多样化 出现 了百家争鸣的局面 但是对于高压玻璃钢管道这种特殊管道的加工 很少有成 型的加工设备 有必要进行专门的研制 玻璃钢管的固化成型方式常用的有外固化和内固化两种 外固化就是从外 向里加热固化成型的方式 内固化就是从里向外加热固化成型的方式 外固化 方式 将管道连同芯模置入固化炉体中进行固化 炉体本身热惯量大 能耗 高 工件升降温慢 对固化条件的设置与调控很难随心如意 时间长达几小 时 而且采用外固化方式成型的玻璃钢管质量上存在着一定的缺陷 内固化是 通过向玻璃钢管的芯模内通入高压热蒸汽来使玻璃钢管固化成型的 纤维缠绕 层包裹在可加热的金属模腔外面 模腔中的热能通过较小热阻的金属管壁可直 接传给玻璃纤维层口1 这种快捷的传热方式会很快使制品升温 可以恰到好处 的引发环氧树脂的凝胶和固化反应 可在数十分钟内完成树脂固化的全过程 而且在升降温程序上可作较精细的调节与控制 只要调节蒸汽的压力就可调节 蒸汽的温度 使环氧玻璃钢向精细化进展 这样可以提高产品的性能 承受更 高的压力 因此本控制系统采用内固化方式 把微机引入固化控制系统 并采 用主从机控制方式来自动的控制蒸汽的压力 进而控制蒸汽的温度 脱模是高压玻璃钢管生产的主要工序之一 脱模工序就是把固化成型后的 玻璃钢管从芯模上脱下来 传统的脱模方式有人工脱模和半自动脱模 人工脱 模效率低下 工人工作强度大 现在已基本不用 半自动脱模减轻了工人的劳 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 动强度 但是效率仍然不高 基于此 本文设计了一种自动脱模控制系统 生 产实践证明此控制系统具有较高的工作效率 现在大部分的高压玻璃钢管的加工设备都包括独立的缠绕机 固化炉和脱 模机 占地面积大 本文设计的机床把缠绕机 固化设备和脱模设备集中到一 台机床上 三道工序之间有一定的连锁关系 不但可以有效地减少机床的占地 面积 而且还能提高生产效率 1 3 高压玻璃钢管的特点及重点应用领域 采用纤维缠绕工艺制造的高压玻璃钢管与传统的钢管 混凝土管相比 除 具备复合材料本身的一些优异特性外 还具有以下特点m 3 1 使用寿命长 其设计使用寿命可达到3 0 年至5 0 年 2 性能可设计性 产品适用性强 可根据使用工况设i l 成耐高温 一般最 高可达1 2 0 选择合适的树脂体系可达到1 6 0 耐高压 一般最高可达 2 5 m p a 经过特殊设计 部分型号可达到3 0 肝a 满足一定腐蚀性能要求的产 品 3 安装 运输方便 免维护 玻璃钢的密度不足钢的l 4 搬运 安装都 非常方便 d n l 0 0 以下的管线只需3 个人和一些必备的简单工具即可 工程费 用低 4 内壁光滑 介质输送阻力小 由于模具表面光洁度高 制成的管道内壁 哈森一威廉姆斯系数高达1 5 0 且其不结垢的特性使管内壁的光洁度不会随时间 而改变 5 抗菌性能好j 不易寄生有机物 这一点对于二次和三次采油过程中使用 的聚合物和微生物驱油技术非常有利 6 导热系数小 不足钢的百分之一 保温性能好 高压玻璃钢管在石油工业主要应用于以下领域 1 原油或天然气集积和输送 2 化学处理及污水处理管线 3 高 中 低压流体输送管线 4 盐水注入管线 5 三次采油注入 聚合物 c 0 2 n a 0 h 等 管线 6 罐进 出液管及站内管线 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 7 生产井 处理井 盐水 化学流体或污水 注入井 盐水 c 0 2 聚合 物 热等 其中1 6 采用高压玻璃钢线管 7 采用高压玻璃钢油管 套管 1 4 高压玻璃钢管的缠绕线型 按力学和工艺的要求 高压缠绕线型排布必须稳定 不滑线 均匀布满 芯模表面州1 0 3 缠绕线型的基本类型 如图1 1 包括 环向 h o o p w i n d i n g 缠绕 纤维排布走向与芯模轴向呈近9 0 螺旋 h e l i c a l w i n d i n g 缠绕 纤维走向与芯模轴向夹角小于9 0 一般在1 5 8 5 平面 p l a n a rw i n d i n g 缠绕 线型轨迹近似与水平面平行的曲线 一般在o 1 5 a 环向缠绕b 螺旋缠绕c 平面缠绕 图1 1 缠绕线型 f i g 1 1w i n d i n gl i n e t y p e 根据缠绕工艺要求 理论上无环向缠绕的缠绕角为5 4 7 5 9 一般取5 5 6 0 之间 1 1 o 5 4 7 5 是假定管子仅仅受内压的情况下由无矩理论得到的 当 外界条件改变 玻璃钢管受到复杂外荷载的作用 如管子埋于地下 受土壤载 荷 时 需要根据实际情况重新设计缠绕角度 或者在最外层补加环向纤维层 以提高管子刚度 对于长径比比较大的管道 可单独使用螺旋缠绕 平面缠绕 线型一般适用于缠绕长径比较小的圆筒形容器 要保证平面缠绕时丝线能紧密 p 一 相接 必须保证缠绕角大于d 卢晌 e m i l i t a n 一 i 等 d 缠绕直径 n v 纱架引出的纱线条数 s 纱线间距 缠绕线型主要靠保证主轴和小车的运行速度比实现 由于单条玻璃纤维纱 线强度有限 小车反复地减速 停留 加速 运行一段时间后 会出现断纱 纱线分布不均等现象 这时需及时停止缠绕 对纱线进行人工调整 然后重新 启动 因此缠绕机要具有良好的启停特性 且在此过程中亦需严格保证主轴和 小车电机的速度比n 引 不论是正常运行时的缠绕 还是加速减速过程中 上述 速比关系应严格保持不变n 3 1 这样才能保证玻璃钢制品的质量 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 5 内固化高压玻璃钢管专用机床简介 在复合材料制品的生产工艺中 缠绕成型的优点是能充分发挥纤维的强度 制得高比强度的产品 缠绕成型工艺已成为生产复合材料制品的重要工艺方法 之一 纤维增强复合材料是各向异性的材料 制品的力学性能与纤维缠绕的线 型 缠绕的精度 缠绕张力的控制等有密切的关系n 引 因此 可以说 缠绕机的 性能在很大程度上制约着复合材料制品的力学性能 纤维缠绕高压玻璃钢管的制造工艺流程图如图1 2 所示 采用玻璃纤维缠 绕成型工艺生产玻璃钢管的原理主要是纤维螺旋缠绕n 副 它是纤维缠绕机主轴 芯模的旋转运动和小车沿着芯模轴向移动二者复合运动的结果 浸渍胶粘剂的 纤维纱片通过缠绕机小车上的丝嘴按设计的线型有规律地铺敷在芯模表面上形 成缠绕层 多层缠绕后形成端部带有阴螺纹的缠绕构件 高压玻璃钢管一般采 用环氧树脂作为的基体 缠绕完成后 需要加热固化 通常采取外固化方式 温度难以精确控制 固化后进入脱模工序 该工序利用移动小车带动管体使缠 绕固化后的玻璃钢管管体与芯模分离 脱模完成后的玻璃钢管送至磨螺纹机进 行端部连接阳螺纹制作 对高压玻璃钢管进行水压检验 喷涂标识 安装螺纹 护套后形成成品 图1 2 高压玻璃钢管制造 t 艺流图 f i g 1 2h i 曲p r e s s u r eg l a s ss t e e lp i p ep r o c e s sf l o w 通常缠绕 固化和脱模分为三道工序 由三台机床分别完成 本文介绍的 组合机床将三道工序的机床合为一体 具有四个主轴 个电机可以控制其中 哈尔滨理工大学工学硕二卜学位论文 的两轴 分别进行控制 两边可以同时固化 也可以同时进行两道不同工序的 操作 采取内固化方式 解决了原来的硬件设施成本高 需要操作人员多 生 产效率低 设备占地面积大 制品质量差等诸多缺点 组合机床在硬件结构上将普通缠绕机 固化设备和脱模机融为一体 设备 总长约2 6 米 可以加工长1 0 米左右的玻璃钢管 机床装有四根主轴 分为两 组 每组的两根主轴用同一个交流伺服电机驱动 同时进行同样的工作 一次 可以缠绕两根管 两组设备在满足一定条件下可独立的工作 两组主轴公用一 个缠绕小车 缠绕小车由一个交流伺服电机驱动 缠绕部分主要由工控机通过 运动控制卡来驱动伺服电机来进行缠绕 软件使用c 语言编制 运行于d o s 操作系统下 固化部分主要由蒸汽传输系统和控制系统组成 控制系统采用主 从式结构上位机软件用组态软件编制运行于w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统下 用来 控制蒸汽的温度和加热时间 有自动控制和手动控制两种模式 热蒸汽通过传 输系统进入中空的芯模内部 由内到外进行加热固化 产品的强度和硬度可以 大大提高 6 1 脱模部分的控制由p l c 完成 实现脱模的自动化 1 6 主要研究内容 本课题完成的是内固化高压玻璃钢管道组合机床控制系统的研制 主要内 容如下 1 机床总体设计 2 缠绕部分控制系统设计 3 固化部分控制系统设计 4 脱模部分控制系统设计 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 1 机床本体介绍 第2 章机床整体设计 本组合机床共由四根主轴组成 分别起名为l 2 3 4 号主轴 其中1 和2 号轴公用一个电机 3 和4 号轴公用一个电机 l 2 轴运动情况相同 3 4 轴运动情况相同 称l 2 轴为生产线i 3 4 轴为生产线i i 生产线i 和i i 公用一个缠绕小车 因此本机床一次可以同时加工两根玻璃钢管 主轴和 缠绕小车电机均为5 k w 松下交流伺服电机 机床本体的俯视图和侧视图分别 图2 1 机床本体俯视示意图 f i g 2 1m a c h i n et o o ln o u m e n o np l a n f o r ms k e t c hm a p 图2 2 机床本体侧视示意图 f i g 2 2m a c h i n et o o ln o u m e n o ns i d ee l e v a t i o n 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 为图2 1 和图2 2 旋转接头用来连接固定的蒸汽管道和旋转的芯模 支撑 辊 挡胶帽和开锁气缸均由气缸驱动 气缸动作由可编程控制器控制 调试时 可以单独的控制各个电磁阀的动作 2 2 脱模小车结构介绍 图2 3 给出了脱模小车结构示意图 处于缠绕工序时 开锁气缸伸出把芯 轴尾部内的钢珠撑出 使得芯轴和脱模小车连为一体 拉紧油缸伸出顶住脱模 小车从而拉紧芯轴 为缠绕和固化做好准备 一旦开锁气缸缩回 涨出的钢珠 在弹簧力的作用下回位 则芯模和脱模小车分离 为脱模做好准备 2 3 液压系统原理图 图2 3 脱模小车结构示意图 f i g 2 3s t r u c t u r eo fd r a w nd o l l y 液压系统原理图如图2 4 所示 此液压系统主要用来拉紧芯模 各油缸不 仅能被p l c 控制 每个油缸还可以单独进行手动控制 每个电磁阀均为双向 换向阀 液压泵电机为5 5 k w 三相交流异步电动机 2 5 机床动作逻辑 2 5 1 机床初始状态 图2 5 气动系统原理图 f i g 2 5p n e u m a t i cs y s t e mt h e o r y 分1 0 个方面说明机床的初始状态 1 四个芯模头部与主轴用法兰联接好 2 四个尾座处于拉紧芯模的工作位置 3 四个芯模尾部支承在尾座中央孔内 4 八个芯模支承辊处于工作位置 5 四个芯模拉紧油缸处于非工作状态 6 四个芯模开锁气缸处于非工作状态 7 主轴箱变速气缸处于主轴高转速位置 8 八个挡胶帽气缸处于使挡胶帽处于开启状态 9 绕线纱梳处于距主轴最近位置 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 4 气动系统原理图 气缸包括主轴变速气缸i i i 处于缠绕和固化工序时主轴变速箱处于快速 档 脱模时主轴变速箱处于低速状态 低速档主要用来腿螺纹 支撑辊气缸 1 2 3 4 挡胶帽开门气缸l 2 3 j4 芯模开锁气缸l 2 3 4 皮爪 子充放气部分的原理图一共有四个 这里只画出了其中的一个 其余三个相 同 如图2 5 所示 所有气缸的动作均由p l c 控制 调试时可以手动单独控 制 心模拉紧油缸1 心模拉紧油缸2心模拉紧油缸3 心模拉紧油缸4 图2 4 液压系统原理图 f i g 2 4h y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e mt h e o r y 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 0 皮爪子胶囊处于放气状态 2 5 2 机床动作逻辑 在初始状态的基础上 接下来的动作逻辑如图2 6 所示 本机床分生产线 i i i 逻辑图主要给出了生产线i 的动作逻辑情况 生产线 基本相同 大胶 槽和小胶槽都需要加热 是因为树脂胶在温度较低时黏度大不利于缠绕 芯模 开锁气缸启动 芯模拉紧油缸启动 支撑辊气缸下降 挡胶帽合上 进给系统 归零位 这几步是为缠绕做准备 在收到缠绕准备就绪信号之前 缠绕控制系 统将无法启动工作 这一步由软件互锁实现 主轴变速气缸实现主轴减速器高 速和低速两个模式的转换 缠绕工序时主轴减速器处于高速位置 脱模和固化 作状态 作状态 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 程控制 也可用 时主轴减速器处于低速位置 挡胶帽让开 支撑辊气缸伸出 芯模拉紧油缸退 回 芯模开锁气缸退回 这几步为脱模工序做好准备 在脱模未就绪的情况 下 由于软件实现的互锁 脱模控制系统不允许启动 生产线i i i 某些工序可以交叉同时进行 如i 线正在缠绕时 i i 线可以进 行脱模也可以固化 i 线缠绕结束后 进入固化工序 这时 线就可以进行缠 绕 固化和脱模三道工序的任意一道工序 i 线处于脱模工序时 i i 线可以进 行三道的任意一道工序 因此在多数情况下两条生产线可以并行工作 2 6 本章小结 本章主要介绍了组合机床的本体结构 脱模小车的结构 介绍了液压和气 动系统的原理图 最后介绍了组合机床的动作逻辑 为后面三章缠绕 固化和 脱模部分控制系统的设计奠定了基础 挡 k 1 挡 i 1 图2 6 机床动作逻辑图 f i g 2 6m a c h i n et o o lm o t i o nl o g i cd i a g r a m 1 3 哈尔滨理工大学二 学硕士学位论文 第3 章机床缠绕部分控制系统设计 3 1 缠绕部分总体结构 高压玻璃钢管道组合机床缠绕机部分主要由主轴箱 床身 尾座 缠绕小 车 砂架和控制部分组成 3 1 1 缠绕部分机械本体组成 1 主轴箱 由于要驱动并列的两组同样的主轴 设计时采用电机分别驱动 的方案 包括主轴电机 主轴旋转传动装置和变速气缸 变速装置 生产线 工 i i 的主轴旋转分别由两个功率为5 k w 的交流伺服电机提供动力 电机输出 的扭矩经带轮传动装置传递给减速器 传动比为1 0 8 8 每一个电机同时驱动 两个主轴旋转 2 床身 起支承和连接主轴箱 尾架和行走小车的作用 每根主轴的下方 有两个脱模时起支撑主轴作用的支撑棍和两个在缠绕时遮挡支撑棍的挡胶帽 位于接胶槽下 有加热装置 防止流入槽内的树脂胶遇冷凝固 3 尾座 主要由开锁气缸和拉紧油缸组成 气缸的工作气体由空气压缩机 提供 压力油由专门的液压设备提供 当工件放到工位上后 由于自身的重 力 会产生一定的挠度 这种挠度对工件的转动及模具的完好是不利的 在高 速旋转时还有严重的安全隐患 开锁气缸将主轴与脱模小车固定到一起 拉紧 油缸可将工件拉直 使主轴的挠度处于允许值 4 缠绕小车 由车架 托架和随动机构组成 单轴缠绕机托架分为大托架 和小托架 大托架为缠绕3 9 英寸的管使用 小托架为缠绕1 5 3 英寸的管使 用 双轴缠绕机托架为缠绕1 5 3 英寸的玻璃钢管使用 托架起导纱作用 随 动机构是使行走小车在行走的过程中托架上的压环与模具保持同心 缠绕小车 由单独的电机驱动 小车电机到小车链轮输出的传动比为5 3 l 5 纱架 起导纱作用 3 1 2 缠绕部分控制系统组成 高压玻璃钢管道组合机床缠绕部分控制系统主要由研华工控机系统 四轴 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 运动控制卡和松下m s m a 5 0 2 a 伺服电机与m s d a 5 0 3 1 a 5 驱动器组成 并利 主轴电机两个 图3 1 控制系统原理简图 f i g 3 1c o n t r o ls y s t e mp r i n c i p l ed i a g r a m 图3 2 工作控制台布置 f i g 3 2c o n t r o lw o r k t a b l el a y o u t 1 5 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 用该运动控制卡自带的1 6 位i n p u t 1 6 位o u t p u t 通用接口及限位开关 回零 开关 其它两道工序的p l c 输出点等专用的输入输出接口和器件进行输入输 出控制 控制系统原理简图和工作控制台布置如图3 1 和图3 2 所示 详细的 电器原理图见附录 3 2 缠绕部分控制系统原理和结构 高压玻璃钢管道缠绕机控制系统主要完成的任务是能接受用户的参数输 入 并对输入参数解析 控制伺服系统按一定的速度运行 要求系统具有良好 的用户交互界面 高控制精度 良好的运动平稳性 为了满足上述要求 整个控制系统主要由工业控制机和相应的输入输出模 块组成的计算机系统 运动控制单元 交流伺服驱动单元和交流伺服电机组 成 采用计算机控制 为建立良好的交互界面和扩展接口创造了条件 随着计 算机技术的发展 硬件本体和软件技术都产生了巨大的进步 对于上位机软件 的编写和运行速度已经不是系统的瓶颈 系统的实时性也有了保证 但是系统 的精度和稳定性需要进一步的研究 高压玻璃钢管道缠绕机运动控制主要由两部分组成 一是主轴系统 拖动 制品芯模绕轴旋转 在主轴的控制中采用速度闭环控制系统 实现恒转速 二 是小车系统 小车拖动导丝头沿轨道往复运动 二者按一定要求同时运动 完 成纤维在芯模上的缠绕 达到制品的技术要求 玻璃钢缠绕生产工艺要求小车 在筒身段作速度 与主轴速度成严格速比关系 跟随运动 在封头段要求精确定 位 采用半闭环伺服系统设计 玻璃钢缠绕中使用伺服系统拖动导丝头 具有 可连续调速的优点 易于达到玻璃钢管道缠绕的工艺要求 上位机控制系统协 调小车与主轴的运动 控制完成不同规格的制品的生产 控制系统可以进行环向缠绕和螺旋缠绕 对于环向缠绕控制系统对精度的 要求可能就没有那么严格 实现环向缠绕相对比较简单 要求玻璃钢管转速 主轴 与小车速度之间满足管每转一周小车移动一个纱片宽度的距离即可 相邻两个纱片并行排列 且无缝隙n 刀n 引 对于螺旋缠绕 示意图如图3 3 所 示 在缠绕时 玻璃钢管 主轴 作单方向转动 小车拉着纱片在导轨上作往 复运动 当玻璃钢管与小车均作匀速运动时 缠到玻璃钢管管身上的纱片在同 个方向运动时 本次缠绕到玻璃钢管管身上的纱片应与前一次缠绕到管身上 的纱片保持相切 使相邻两纱片的中心距离 排纱宽度 不能大于纱片的宽 度 一方面不仅要优化缠绕角口 使缠绕角到管身上的相邻两个纱片相切 另 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 一方面玻璃钢管转速 主轴 与小车速度之间必须保持某 恒定的比例关系 当该比例关系发生变化时 将导致排纱宽度变化 而且 控制好在螺旋缠绕中 一个完整的循环后缠绕纱片必须回到起始点并错过一个纱片宽度 才可做到连 续两个完整循环缠绕的纱片在芯模表面相接 实际输入参数不一定符合线型设 计要求 因为完成一个标准型 主轴旋转的周数为正整数 必须对螺距进行调 整 从而对缠绕角也须作适当调整 玻璃钢管 减速器主轴电机 3 3 螺旋缠绕原理示意图 f i g 3 3h e l i xw i n d i n gp r i n c i p l es k e t c h 3 3 缠绕运动控制方案的提出 玻璃钢缠绕生产工艺要求主轴的转速稳定 即要求主轴系统无静差 动态 恢复过程短 故可在主轴的控制中采用速度闭环控制系统 玻璃钢缠绕生产工 艺要求小车在筒身段作速度跟随运动 在封头段要求定位精度高 故采用位置 伺服系统 坞1 位置伺服系统是一种与调速控制系统有着紧密联系但又有明显不同的系 统 一般调速系统的要求希望有足够的调速范围 稳速精度和快且平稳的启 制动性能 系统工作时 都是以一定的速度精度 稳定调速范围内某一固定的 转速上运行的 系统的主要控制目标是使转速尽量不受负载变化 电源电压波 动及环境温度等于扰因素的影响 而位置伺服系统 一般是以足够的位置控制 精度 定位精度 位置跟踪精度 位置跟踪误差 和足够快的跟踪速度以及 位置保持的能力 伺服刚度 来作为它的主要控制目标 系统运行时要求能以 一定的精度随时跟踪指令的变化 因而系统中伺服电动机的运行速度通常是不 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 断变化的 伺服系统在跟踪性能方面的要求一般要比普通速度系统高而且严格 的多 一个位置伺服系统中 仅当它的指令呈斜坡函数形式 即每单位时间内 移动的距离或转过的角度相等时 其运动与控制特性才与一个普通调速系统类 似 3 4 缠绕部分控制系统各模块设计 根据控制系统要求和上面的分析 系统采用专用的运动控制器 固高 g r 2 0 0 s v 四轴运动控制卡和m i s n a s 系列的伺服电机和驱动器 3 4 1 速度位置控制模块分析 速度和位置模块主要完成主轴和小车的速度和精确位置控制 根据缠绕规 律获得的缠绕数据 控制软件依据此数据控制伺服电机工作 运动控制驱动模 块采用固高g t 2 0 0 一一s v 四轴运动控制卡 该运动控制卡具有如下特点呦儿2 u 采用高性能d s p 和f p g a 技术 每块卡可控制4 个伺服 步进轴 本系统中使用了其中的三个轴 可编程伺服采样周期 2 轴最小插补周期为2 0 0 微秒 单轴点位运动最 小控制周期为2 5 微秒 运动方式 单轴点位运动 直线插补 圆弧插补 速度控制 手脉输 入 电子齿轮 可编程梯形曲线规划和s 曲线规划 在线刷新运动控制参数 所有计算参数和轨迹规划参数均为3 2 位 用户可定义坐标系 便于编程 2 轴联动 2 轴直线插补 2 轴圆弧插补 具有连续插补功能 底层循环程序缓冲区 4 k 存