計算機控制纖維纏繞樣機的研制

山東勞動職業技術學院 尹四倍 孫常華 郝 濤

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計算機控制纖維纏繞樣機的研制

山東勞動職業技術學院 尹四倍 孫常華 郝 濤

【摘要】本文主要研究以工控機和可編程邏輯控制器為控制核心實現纖維纏繞張力和溫度的閉環控制，介紹了纖維纏繞樣機的機械設計和控制系統設計，不但實現了各項技術指標，還能通過無線網絡對運行情況進行實時監控并錄像，具有極好的人機交互性。

【關鍵詞】纖維纏繞樣機；計算機控制；張力控制；溫度控制

0　引言

纖維纏繞機是將專用玻璃纖維按照規定張力要求逐層纏繞到芯模，脫模后獲得成品的專用設備。隨著以樹脂基為代表的復合材料在航天航空等高科技領域的廣泛應用，專用纖維纏繞機在纏繞過程中，不僅需要對纖維的張力進行控制，還需要對溫度進行控制，即一邊纏繞一邊加溫固化。張力和溫度控制是以樹脂基為原材料的纖維纏繞機關鍵技術。纖維纏繞機在纏繞過程中，張力過大、會造成樹脂粘結劑的含量過低，降低制品穩定性，甚至會造成纖維帶的斷裂；張力過小會導致纖維層間的密實程度不同，出現氣泡，最終將影響其強度。過高和過低的溫度也同樣會對纏繞制品的性能產生重大影響。目前計算機控制成為纖維纏繞機發展的重要趨勢，計算機能夠在合適溫度下，按產品的最佳受力狀況設定纏繞規律及方式，能實時修改各項纏繞參數，便于實現張力和溫度控制的高精度和快速響應，能存貯和查看各項歷史數據，還能通過無線網絡對運行情況進行實時監控和錄像，具有很好的人機交互性。為此我們研制了計算機控制纖維纏繞樣機。

1　纖維纏繞樣機總體結構

纖維纏繞是通過纖維和芯模的相對運動來實現縱向、環向等多個方向的纏繞。我們研制的纖維纏繞樣機的Solidworks三維視圖如圖1所示。

圖1　纖維纏繞樣機三維視圖

纖維纏繞樣機的機械部分由芯模、摩擦輥、卷軸和絲杠組成。芯模是纏繞成形的中心部件，它通過軸承與步進電機1相連。絲杠作用是把步進電機2旋轉運動轉換為直線運動，帶動工作臺升降。卷輥上放置纖維纏繞材料，運動由力矩電機控制。摩擦輥是實現張力控制的重要機械環節，本樣機采用間接張力的控制方式，纏繞材料從卷輥放線，經過摩擦輥后，傳送到芯模上。通過摩擦輥與纏繞材料的摩擦產生纏繞要求的張力，摩擦輥的尺寸參數是由纏繞張力及纏繞位置的計算得出的。

纖維纏繞樣機使用三個電動機，兩個為步進電機、一個為力矩電機。步進電機1為芯模驅動電機，通過帶動芯模做旋轉運動實現纖維材料的纏繞。步進電機2為工作臺升降電機，通過帶動絲杠實現工作臺的升降。張力控制是利用力矩電機和步進電機1的轉速差，通過摩擦輥與纏繞材料的摩擦而產生纏繞要求的張力，這就要求力矩電機在纖維材料張力足夠時應具有足夠大的電磁轉矩來維持張力，在張力不足時又能在短時間內快速反轉實現纖維倒帶。電機選型上，我們選用了中大光軸力矩電機，功率10W，型號為：4TK10A-CP。步進電機選用冠宇自動化的步進電機，功率48W，型號為：57BYGH301T8。

2　纖維纏繞樣機控制系統設計

張力和溫度的控制是使用樹脂基復合材料纖維纏繞機關鍵技術。可編程邏輯控制器運算速度快、運算精度高、可靠性好，精度高、響應快。所以我們以可編程邏輯控制器為控制核心，用工控機對纖維纏繞樣機的張力和溫度進行集中監控，實現纖維纏繞樣機張力和溫度的閉環控制，控制系統框圖如圖2所示。本系統采用的可編程邏輯控制器是西門子公司的SIMATIC S7-200 CPU 224XPsi CN。

圖2　纖維纏繞樣機控制系統框圖

2.1張力控制的實現

工控機通過組態軟件與可編程邏輯控制器、張力傳感器、步進電機及驅動器、力矩電機和固態繼電器構成張力閉環控制系統。張力傳感器把張力反饋信號送給可編程邏輯控制器，經與張力目標值運算后，發出驅動信號，驅動步進電機和力矩電機，通過步進電機和力矩電機的配合，完成芯模上纖維材料張力的調整，如圖3所示。可編程邏輯控制器通過數模轉換模塊驅動固態繼電器，實現對力矩電機控制。輸出高速脈沖信號給步進電機驅動器，通過步進電機驅動器實現對兩個步進電機控制。在恒張力纏繞中，可通過在上位機輸入張力值，可編程邏輯控制器實時更新張力設定值。

圖3　可編程邏輯控制器為核心的張力控制

2.2溫度控制的實現

工控機通過組態軟件與可編程邏輯控制器、晶閘管驅動模塊、加熱極板和無線紅外溫度傳感器構成溫度閉環控制系統。溫度反饋信號送到可編程邏輯控制器的模數轉換模塊與溫度目標值運算后并經過數模模塊送到晶閘管驅動器的輸入端，驅動器再驅動加熱極板進行溫度控制。在恒溫度纏繞中，可通過在上位機輸入溫度值值，可編程邏輯控制器實時更新溫度設定值。

圖4　纖維纏繞樣機組態主界面

圖5　纖維纏繞樣機實物圖

2.3計算機監控系統

本系統采用一臺工控機對纖維纏繞機（見圖4）的張力和溫度進行集中監控。使用組態軟件進行數據采集和過程控制，組態軟件選用的是組態王。同時在設備上方設置攝像頭，通過控制云臺能在樣機運行過程中對頂端進行實時監控，視頻信號通過無線網絡送到工控機中，進行實時監控和錄像。

3　纖維纏繞樣機實物研制

纖維纏繞樣機已經設計、裝配、調試完畢，如圖5所示，經實驗測試，樣機纏繞的張力控制和溫度控制均能實現要求的技術指標，它具有以下特點：

（1）纖維纏繞樣機能夠在合適溫度下，按纖維的最佳受力狀況設定纏繞規律及方式，實現縱向纏繞和環向纏繞，實現了自動化生產，控制精度高，為實際設備開發奠定了基礎。

（2）張力和溫度控制采用可編程邏輯控制器來實現，結構簡單，控制精度高，大大提高纏繞效率及纖維纏繞成品質量。

（3）使用計算機控制，具有很好的人機交互功能，通過無線網絡可進行實時監控和錄像，各種纏繞參數很容易通過組態軟件來修改，使用方便。

（4）在纏繞中能實現和其他材料（如樹脂、纖維和內襯）搭配纏繞。

參考文獻

［1］謝霞，劉良森，邱冠雄，姜亞明，王鵬.多向纖維纏繞小樣機的研制［J］.機械設計與制造，2006（08）.

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［3］陳靜.纖維纏繞機計算機控制系統的設計及實現［D］.天津工業大學，2005.

Development Of Computer-controlled Filament Winding Prototype

Yin SiBei Sun ChangHua Hao Tao

（Shandong Labor Vocational and Technology College. Jinan 250353，China）

Keywords：filament winding prototype；computer control；tension Control；temperature control

Abstract：This paper mainly studies IPC and to a programmable logic controller as the control center filament winding tension and to achieve closedloop temperature control，introduced the mechanical design and control system design prototype filament-wound，not only to achieve the technical indicators，but also through wireless network running real-time monitoring and video，excellent man-machine interaction.

基金項目：2016年度山東省教育科學研究課題（課題編號：16SC116）；2015年度魯勞職院院級教科研項目（項目編號：2015KJZ001）；2015年度魯勞職院教學改革項目（項目編號：XJG201503011）。

作者簡介：

尹四倍（1979—），男，江蘇徐州人，講師，工作于山東勞動職業技術學院，研究方向：電力電子與電力傳動；職業教育。