计算机控制纤维缠绕样机的研制

山东劳动职业技术学院 尹四倍 孙常华 郝 涛



计算机控制纤维缠绕样机的研制

山东劳动职业技术学院 尹四倍 孙常华 郝 涛

【摘要】本文主要研究以工控机和可编程逻辑控制器为控制核心实现纤维缠绕张力和温度的闭环控制，介绍了纤维缠绕样机的机械设计和控制系统设计，不但实现了各项技术指标，还能通过无线网络对运行情况进行实时监控并录像，具有极好的人机交互性。

【关键词】纤维缠绕样机；计算机控制；张力控制；温度控制

0　引言

纤维缠绕机是将专用玻璃纤维按照规定张力要求逐层缠绕到芯模，脱模后获得成品的专用设备。随着以树脂基为代表的复合材料在航天航空等高科技领域的广泛应用，专用纤维缠绕机在缠绕过程中，不仅需要对纤维的张力进行控制，还需要对温度进行控制，即一边缠绕一边加温固化。张力和温度控制是以树脂基为原材料的纤维缠绕机关键技术。纤维缠绕机在缠绕过程中，张力过大、会造成树脂粘结剂的含量过低，降低制品稳定性，甚至会造成纤维带的断裂；张力过小会导致纤维层间的密实程度不同，出现气泡，最终将影响其强度。过高和过低的温度也同样会对缠绕制品的性能产生重大影响。目前计算机控制成为纤维缠绕机发展的重要趋势，计算机能够在合适温度下，按产品的最佳受力状况设定缠绕规律及方式，能实时修改各项缠绕参数，便于实现张力和温度控制的高精度和快速响应，能存贮和查看各项历史数据，还能通过无线网络对运行情况进行实时监控和录像，具有很好的人机交互性。为此我们研制了计算机控制纤维缠绕样机。

1　纤维缠绕样机总体结构

纤维缠绕是通过纤维和芯模的相对运动来实现纵向、环向等多个方向的缠绕。我们研制的纤维缠绕样机的Solidworks三维视图如图1所示。

图1　纤维缠绕样机三维视图

纤维缠绕样机的机械部分由芯模、摩擦辊、卷轴和丝杠组成。芯模是缠绕成形的中心部件，它通过轴承与步进电机1相连。丝杠作用是把步进电机2旋转运动转换为直线运动，带动工作台升降。卷辊上放置纤维缠绕材料，运动由力矩电机控制。摩擦辊是实现张力控制的重要机械环节，本样机采用间接张力的控制方式，缠绕材料从卷辊放线，经过摩擦辊后，传送到芯模上。通过摩擦辊与缠绕材料的摩擦产生缠绕要求的张力，摩擦辊的尺寸参数是由缠绕张力及缠绕位置的计算得出的。

纤维缠绕样机使用三个电动机，两个为步进电机、一个为力矩电机。步进电机1为芯模驱动电机，通过带动芯模做旋转运动实现纤维材料的缠绕。步进电机2为工作台升降电机，通过带动丝杠实现工作台的升降。张力控制是利用力矩电机和步进电机1的转速差，通过摩擦辊与缠绕材料的摩擦而产生缠绕要求的张力，这就要求力矩电机在纤维材料张力足够时应具有足够大的电磁转矩来维持张力，在张力不足时又能在短时间内快速反转实现纤维倒带。电机选型上，我们选用了中大光轴力矩电机，功率10W，型号为：4TK10A-CP。步进电机选用冠宇自动化的步进电机，功率48W，型号为：57BYGH301T8。

2　纤维缠绕样机控制系统设计

张力和温度的控制是使用树脂基复合材料纤维缠绕机关键技术。可编程逻辑控制器运算速度快、运算精度高、可靠性好，精度高、响应快。所以我们以可编程逻辑控制器为控制核心，用工控机对纤维缠绕样机的张力和温度进行集中监控，实现纤维缠绕样机张力和温度的闭环控制，控制系统框图如图2所示。本系统采用的可编程逻辑控制器是西门子公司的SIMATIC S7-200 CPU 224XPsi CN。

图2　纤维缠绕样机控制系统框图

2.1张力控制的实现

工控机通过组态软件与可编程逻辑控制器、张力传感器、步进电机及驱动器、力矩电机和固态继电器构成张力闭环控制系统。张力传感器把张力反馈信号送给可编程逻辑控制器，经与张力目标值运算后，发出驱动信号，驱动步进电机和力矩电机，通过步进电机和力矩电机的配合，完成芯模上纤维材料张力的调整，如图3所示。可编程逻辑控制器通过数模转换模块驱动固态继电器，实现对力矩电机控制。输出高速脉冲信号给步进电机驱动器，通过步进电机驱动器实现对两个步进电机控制。在恒张力缠绕中，可通过在上位机输入张力值，可编程逻辑控制器实时更新张力设定值。

图3　可编程逻辑控制器为核心的张力控制

2.2温度控制的实现

工控机通过组态软件与可编程逻辑控制器、晶闸管驱动模块、加热极板和无线红外温度传感器构成温度闭环控制系统。温度反馈信号送到可编程逻辑控制器的模数转换模块与温度目标值运算后并经过数模模块送到晶闸管驱动器的输入端，驱动器再驱动加热极板进行温度控制。在恒温度缠绕中，可通过在上位机输入温度值值，可编程逻辑控制器实时更新温度设定值。

图4　纤维缠绕样机组态主界面

图5　纤维缠绕样机实物图

2.3计算机监控系统

本系统采用一台工控机对纤维缠绕机（见图4）的张力和温度进行集中监控。使用组态软件进行数据采集和过程控制，组态软件选用的是组态王。同时在设备上方设置摄像头，通过控制云台能在样机运行过程中对顶端进行实时监控，视频信号通过无线网络送到工控机中，进行实时监控和录像。

3　纤维缠绕样机实物研制

纤维缠绕样机已经设计、装配、调试完毕，如图5所示，经实验测试，样机缠绕的张力控制和温度控制均能实现要求的技术指标，它具有以下特点：

（1）纤维缠绕样机能够在合适温度下，按纤维的最佳受力状况设定缠绕规律及方式，实现纵向缠绕和环向缠绕，实现了自动化生产，控制精度高，为实际设备开发奠定了基础。

（2）张力和温度控制采用可编程逻辑控制器来实现，结构简单，控制精度高，大大提高缠绕效率及纤维缠绕成品质量。

（3）使用计算机控制，具有很好的人机交互功能，通过无线网络可进行实时监控和录像，各种缠绕参数很容易通过组态软件来修改，使用方便。

（4）在缠绕中能实现和其他材料（如树脂、纤维和内衬）搭配缠绕。

参考文献

［1］谢霞，刘良森，邱冠雄，姜亚明，王鹏.多向纤维缠绕小样机的研制［J］.机械设计与制造，2006（08）.

［2］谢霞.多向纤维缠绕复合材料制件及其设备的研制［D］.天津工业大学，2006.

［3］陈静.纤维缠绕机计算机控制系统的设计及实现［D］.天津工业大学，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.

基金项目：2016年度山东省教育科学研究课题（课题编号：16SC116）；2015年度鲁劳职院院级教科研项目（项目编号：2015KJZ001）；2015年度鲁劳职院教学改革项目（项目编号：XJG201503011）。

作者简介：

尹四倍（1979—），男，江苏徐州人，讲师，工作于山东劳动职业技术学院，研究方向：电力电子与电力传动；职业教育。