多層柔膜錐囊成型設備控制系統設計

(武漢紡織大學 湖北 武漢 430200)

一、研究背景

隨著航空航天、汽車以及軍工等領域不斷地發展，三維空間形狀的異型結構件的使用越來越廣泛，因此需要有設備來高速制備大型構件的預成型件[1-2]。目前，歐美等發達國家對縫合織物增強復合材料的研究主要集中在先進縫合機械、固化成型方法、制品性能及測試方法等幾個方面，在縫合復合材料力學性能理論分析和試驗方法等方面取得了許多重大成果，積累了大量的性能數據，并已應用到了飛機制造中。而我國在這方面的研究工作起步相對較晚，主要集中在縫合工藝參數與縫合復合材料性能的關系方面，在縫制設備上也有一些研究[3]。

多層柔膜錐囊一體化成型設備是為滿足多層柔膜錐囊的自動生產需要而專門研制的。由于縫合材料是多層柔性材料，在小空間且異形的椎體上縫制，提出一種設計方案。該設備由錐形工裝及傳動部件、工業機械臂及平移導軌、激光切割模塊、熱熔壓合模塊、母線縫制模塊、底邊縫制模塊、控制系統及軟件等部分組成。為保證縫合質量，選擇鎖式縫合，該縫合方式的縫合線彎曲長度相對較少，有利于提高縫合的流暢程度以及各層間強度；同時，此縫合方式對面內纖維的損傷少，由縫合引起的應力集中也較小，使縫合材料具有相對更高的損傷容限。

二、結構設計

設備組成效果圖如下圖1所示：

圖1 設備組成效果圖

其中1.錐形工裝及傳動 2.電動卡盤 3.機械臂 4.機械臂平移導軌 5.縫合裝置 6.輔助結構 7.配電柜8.平板PC。

根據柔膜錐囊生產需求，將縫合裝置安裝在工業機器人的末端法蘭上，在柔膜錐囊生產工藝中，對錐囊的母線進行縫合。該工業機器人的定位精度為0.05mm，滿足錐囊母線縫合及縫合裝置對定位精度的要求。

三、柔膜錐囊一體化控制系統的設計

(一)柔膜錐囊一體化控制統設計方案

整個設備所有運動單元采用Ethercat總線連接，實現全體聯動，并且能夠方便地進行功能調整和擴充。為滿足工業機器人對實時性，穩定性，安全性的要求。本系統選用德國Beckhoff公司的Twincat2。Twincat 是一個一個自動控制軟件包含工程和運行時間軟件針對于實時核、I/O數據采集、順序控制(軟PLC)、運動控制(軟移動控制)、通迅(ADS)。在TwinCAT 系統中，各個軟件模塊(如TwinCAT PLC、TwinCAT NC、Windows 應用程序等)的工作模式類似于硬件設備，它們能夠獨立工作。Twincat控制支持一臺PC上最多4個PLC，一個PLC最多4個任務，支持在線程序修改，擁有全面的調試特性，如斷點、監測、功率流、示波器。該系統是PC 通過現場總線與驅動器和總線式IO模塊連接，從而實現PC對機器人本體，執行器以及錐形工裝的控制[4]。

(二)柔膜錐囊一體化控制系統硬件設計

該柔膜錐囊一體化控制系統系統硬件主要由工業平板PC、總線式一體伺服電機驅動器(機械臂)、總線式簡易伺服驅動器，總線式步進電機驅動器以及總線式IO模塊等組成。通過網線依次將各個總線模塊串聯起來然后接入PC的Ethercat Twincat網口，并在工業PC與機器人之間建立信號通訊。

在進行柔膜錐囊的生產過程中，機器人末端的縫合裝置執行對母線的縫合這一步驟。縫合裝置的運動控制由工業PC進行控制，在機器人運動至縫合點時，給工業PC發送到達縫合位置的信號，縫合裝置開始對當前縫合點進行縫制，待縫合動作結束，工業PC向工業機器人控制系統發送運動至下一針的指令。

在判斷整條母線是否縫合完成時，需滿足兩個條件，第一是機器人運動至縫合最后一點，向工業PC發送縫合結束信號，第二是在工業PC端程序中有計數程序，該計數可以跟根據實際情況進行修改，一般為固定值。在同時滿足這兩個條件的基礎上，可以控制系統可以自行判斷是否正確縫合完成。

(三)柔膜錐囊一體化控制統軟件設計

根據柔膜錐囊一體化機構的工作步驟及程序控制流程圖的邏輯，使用ST語言進行程序編寫程序。TwinCAT PLC Control 使用的是計算空間內處理運行，提供所有的聯機功能。因此不需要 PLC 硬件，就可以測試程序的邏輯正確性。

Twincat 可視化編輯器是編程系統的一部分，提供的圖形元素可以按照需要進行布局，并且可以與項目變量進行連接。因此在聯機模式下這些圖形元素的外觀將隨對應的變量值變化。圖形交互界面能方便完成各部分的參數設置、工作模塊的轉換、動作的自動監控等功能。

四、結語

本文設計的一體化成型設備能夠在各個機構相互配合下完成自動完成柔膜錐囊預制體的生產，能方便的通過交互界面設置調整參數，監控出現的異常狀態。結果表明，縫合密度(母線針距)以及縫合線的直徑都會對最終的縫合效果產生影響。在試驗中取得良好的測試結果，滿足對柔膜錐囊的生產工作的需求