数控缠绕机床嵌入式纤维张力控制系统研究

文章编号:1001-2265(2008)12-0052-03收稿日期:2008-07-23 *基金项目:山东大学威海分校青年成长基金(1050506432003)

作者简介:王世寰(1975)),男,黑龙江嫩江人,山东大学威海分校机电工程学院讲师,工学博士,研究方向为纤维复合材料缠绕、数控技术,(E-mail)wangsh@sdu.edu.cn。

数控缠绕机床嵌入式纤维张力控制系统研究*王世寰1,蔡志刚2,张克国1(1.山东大学威海分校机电工程学院,山东威海 264209;2.哈尔滨工业大学机电工程学院,哈尔滨 150001)

摘要:针对缠绕加工的实际状况,在深入分析系统需求的基础上,设计了数控缠绕机床嵌入式纤维张力控制系统。系统在数控系统实时内核中嵌入了纤维张力控制器,借助于多轴联动数控技术,采用消元法将未知被控量转化为已知量,从而简化了缠绕过程中的纤维张力控制算法,提高了纤维缠绕中张力的控制精度。关键词:纤维缠绕;张力控制;力矩;计算机数控系统中图分类号:TB33011;U6811527 文献标识码:A

ResearchonEmbeddedFilamentTensionControlSystemofNumericalControlledWindingMachineWANGSh-ihuan1,CAIZh-igang2,ZHANGKe-guo1

(1.DepartmentofMechanica-lElectronicsEngineering,ShandongUniversityatWeiha,iWeihaiShandong264209,China;2.DepartmentofMechanica-lElectronicsEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)Abstract:Anembeddedfilamenttensioncontrolsystemofwindingmachinebasedononlinetensioncontrolisdesignedintermsofsystemrequirements.Tensioncontrollerisembeddedintherea-ltimekernelofCNCsys-tem.Byvirtueofmult-iaxismovementcontroltechnology,themethodofeliminationisappliedtotransformtheunknownquantityintoaknownquantity,thustheprecisionoftensioncontrolinfilamentwindingisimproved.Keywords:filamentwinding;tensioncontro;ltorque;CNC

0 引言纤维缠绕成型法是一种重要的复合材料成型工艺,其优点是:可设计性强、比强度高、生产效率和可靠性高及成本低等。纤维缠绕复合材料首先被应用于军工和航空航天等高技术领域,近年来正迅速向民用工业扩展。在纤维缠绕过程中,施加张力的主要目的是控制树脂含量和使纤维在芯模上按规定线型排列。缠绕加工中形成的纤维张力是缠绕构件纤维预张力的主要来源[1]。在按摩擦机理设计的非测地线缠绕中,若缠绕张力不稳定,则必然会影响产品的质量和生产效率。其中两种极端情况,张力过大所造成的断纱,张力过小造成的纤维松弛,是导致缠绕加工失败的重要原因[2-3]。纤维缠绕成型技术逐渐向高速、高精度缠绕方向发展,现有张力器的控制精度已难以满足加工要求。为提高缠绕成型制造工艺水平,本文设计了一种嵌入CNC内部的张力控制器方案,并在此基础上初步实现了数控缠绕加工中纤维张力的在线控制。1 缠绕机床嵌入式张力控制器设计随着纤维缠绕CAD/CAM技术逐渐成熟,纤维轨迹和各坐标轴的运动坐标主要是利用纤维缠绕CAD/CAM软件计算。一般情况下,缠绕机床数控系统需具

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#控制与检测#组合机床与自动化加工技术有多坐标联动能力。从插补技术的要求上看,缠绕机床数控系统只需具备多坐标联动线性插补能力即可。因此缠绕机床数控系统的设计难度大大降低。这也为嵌入式纤维张力控制器研究提供了有利条件。111 硬件系统设计缠绕机床数控系统主要包括工业PC(CNC)、伺服驱动器和伺服电机以及用于实现模拟量/数字量控制的I/O栈,其中工业PC中还要加插一块SoftSERCANS光纤通信板,如图1所示。CNC与伺服驱动之间的实时数据通讯采用SERCOS(SerialRea-lTimeCommunica-tionSystem)协议,SoftSERCANS光纤通信板就是软SERCOS通信适配器。SERCOS是一种用于高速、高精度运动控制的现场总线接口和数据交换协议。本系统利用I/O栈实现了缠绕加工中纤维张力物理量的输入输出。CNC不仅可以和伺服系统实时地传送控制命令和数据(服务数据和实时操作数据),还可以向嵌入式张力控制器实时传输服务数据。

图1 硬件系统112 软件系统结构缠绕机床嵌入式纤维张力控制系统研究的软件系统结构见图2。缠绕机床的数控系统具有通用数控系统的基本功能,其系统结构与通用数控并无太大差别。但系统实时内核中,嵌入了张力控制器。控制器工作时,可通过SERCOS接口及伺服系统,获得当前各伺服轴位置和速度信息,实现多轴联动的数据采样插补;还可通过SERCOS接口及I/O栈,获得缠绕实时纤维张力数据。由于缠绕加工过程中张力控制的特殊性,本系统采用的张力控制方式必须从插补器获得插补点和实时轴位置数据,以实现张力控制的前馈控制。因此张力器的采样周期和控制周期设定为插补周期的整数倍,具体数值可根据控制精度要求以实验方法确定。

图2 软件系统2 嵌入式张力控制系统运动学、动力学分析张力控制系统由开卷辊、控制器、测量及辅助装置组成,如图3所示。在复合材料缠绕成型工艺中,开卷辊在缠绕材料的拉力下旋转放线,纤维是在旋转芯模带动下产生运动。在开卷辊和芯模之间,可有多个导向辊控制缠绕纤维的走向。为了产生张力,必须有施力装置产生阻力矩施加于开卷辊上,本系统采用力矩电机作为张力执行元件。

图3 张力系统组成依循对开卷轴的力矩平衡原理,调节张力控制力矩实现纤维张力恒定。卷轴的平衡力矩方程如下:

JdXdt+dJdtX+(F-$F)R+Mf-M=0(1)式中,J为纱团(包括开卷辊)的转动惯量;X为开卷辊的角速度;F为给定张力;R为纱团实时半径;Mf为摩擦力矩;M为施加于卷筒上的控制力矩[5]。$F为纤维变形张力。回转体构件环绕、螺绕加工中,纤维弹性变形量$l主要纤维在芯模上的落纱量与纱团出纱量之间的差值。对简单回转体环绕、螺绕,可以利用过程消元法消去未知量$F。在本系统架构下,是通过机床实时位置

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2008年第12期#控制与检测#来计算$F。采用微分方法,由C轴回转造成的纤维落纱量:

dl=R(z(C(t)))#dCsinU(2)式中,U为螺旋角,R(z(C(t)))为回转体的当前回转半径,dC为C轴角位置的微分,dl为落纱量的微分。考虑到缠绕过程中回转体构件的半径是变化的,而缠绕在芯模上的每一铺层均可视为芯模曲面的等距面,则应有:R(z(t))=R(z)+n(t)#h(3)式中,n(t)为随时间t变化的纤维叠层层数,h为单层纤维厚度。正常缠绕条件下,若纤维变形可视为弹性变形,联立式(2)、(3)和(4):

$F=K#(R(z)+n(t)#h)#dCsinU-X(t)#r(t)#dt(4)

式中K为纤维材料的弹性系数,$lC即为由于C轴运动造成的纤维弹性变形量,X(t)为力矩电机控制下的开卷辊的角速度,r(t)为当前纱团回转半径,可通过半径反馈装置实测。综上所述,在缠绕加工过程中,利用插补器提供的机床各坐标位置数据,计算纤维弹性变形量$l,可消去不可控量$F。纤维张力控制得到很大简化。

3 实验结果评价复合材料缠绕纤维张力控制器性能优劣的重要指标是静差率D。

D=2@FaFm@100%(5)式中,Fa为纤维张力幅值,Fm为平均纤维张力。不考虑纤维预张力对缠绕成型构件应力状态的影响,采用测地线螺绕方式,缠绕用16束纱,取5组设定张力数据,样本量均为100。实测数据结果如表1。

表1 实测张力数据组别设定张力(N)张力幅Fa(N)平均张力Fm(N)静差率D19810113439712112176%21961031311194185531398%32941051427292101231717%43921081102388178341134%549010111355483166741695% 独立式张力控制器的静差率一般为10%~16%。嵌入式张力控制器静差率大约在5%以内,控制精度有了较大改善。但从试验结果上看,随着纤维设定张力的增大,由于纤维弹性系数不是定常数,系统静差率有所增加。

4 结束语经过实际缠绕证明,系统仿真结果与张力实测数据相吻合。说明系统设计是正确合理的。对缠绕过程中的纤维张力控制开展系统性研究,是缠绕成型技术领域的重要研究方向。本文设计了缠绕机床的嵌入式纤维张力控制系统,有利于实现缠绕加工中纤维张力的精密控制,同时也为纤维复合材料缠绕CAD/CAM/CAPP/CNC一体化研究提供了初步理论基础。[参考文献][1]王春香,王永章,路华,等.精密张力控制系统及其控制精度的研究[J].仪器仪表学报,2000,21(4):407-408,415.[2]Koussios.Souris;Bergsma.Otto.K.Frictionexperimentsforfilamentwindingapplications.JournalofThermoplasticCom-positeMaterials,2006,19(1):5-34.[3]Vaidyanathan,R.;Campbel,lJ.;Lopez,R.;Halloran,J.;Yarlagadda,S.;GillespieJr.;J.W.Water.Solubletoolingmaterialsforfilamentwindingandvartm.InternationalSAMPESymposiumandExhibition(Proceedings),v50,SAMPE05:NewHorizonsforMaterialsandProcessingTechnologies-Con-ferenceProceedings,2005:889-900.[4]王春香,付云忠,杨汝清,等.纤维缠绕过程中的张力分析[J].复合材料学报,2002,19(6):120-123.(编辑 赵蓉)