风机叶片主梁自动铺层装置的设计

郑 楠，徐长春，王惠民，孙 巍，田 丰，张元良（通信作者），周庆贵

（1 江苏海洋大学机械工程学院 江苏 连云港 222005）

（2 连云港中复连众复合材料集团有限公司 江苏 连云港 222006）

0 引言

随着我国对风力发电需求的进一步增长，风机叶片的市场需求及质量要求也越来越高，风机叶片的自动化生产水平成了制约风机叶片市场发展的重要因素[1]，而风机叶片主梁是风机叶片的核心承载部件，其质量占风机叶片总质量的25%～35%，其生产质量直接影响所生产风机叶片的品质[2]。叶片生产流程有多个复杂工艺，包括多层玻璃纤维布逐层铺设，真空灌注，加热固化成型，最后获得成品风机叶片。其自动化生产设备对主梁生产质量的提高尤为重要[3]，本文重点提出一种对风机叶片主梁自动铺层装置的设计方案。

主梁自动铺层装置——自动铺层小车，三维图见图1，设计主要分为机械机构与电气控制设计。在满足生产工艺的基础上可根据生产叶片主梁尺寸要求设定铺放长度，调整铺层数据，可实现手动运行与自动运行的切换。其工作方式是先进行第1 层主梁玻纤布铺设，完成后，铺层装置停止，系统调出下一层铺设数据，运行到第2 层起始处，进行下一层玻纤布铺设，由控制板发出反向控制信号使铺层装置反向运行到这层铺设初始位置，然后发出开始铺设信号，装置开始自动运行，以此类推，完成风机叶片主梁的铺设。

1 自动铺层小车结构设计

本文提出的自动铺层小车其结构参考了华南理工大学李明星的工业铺布机[4]以及山东理工大学文永双的智能铺布机[5]，结合其产品生产工艺要求及其设备成本要求，将自动铺层小车结构设计主要分为张力卷层机构设计与柔性传动机构设计。张力卷层机构主要包括支架、布卷辊、张力机构等；柔性传动机构主要包括伺服电机、联轴器、减速器、行走轮、随行滚轮等。

1.1 张力卷层机构

张力卷层机构包括布卷存放机构与张力机构。

其中，布卷存放机构上有存放支架，用于玻纤布卷存放。而张力机构关于存放支架对称，分为前后两个部分，满足双向铺层用布要求。在布卷支架上配有用于人工旋转的操控手柄。经过手柄旋转完成人工对玻纤布的收取和释放，并能实现装载玻纤布从起始压紧装置处穿过压紧滚轮，以及在玻纤布卷拆卸时，易于完成剩余玻纤布卷的收集等功能。

而张力机构主要由导轮压紧装置、固定导轮与张紧轮组成，导轮压紧装置是一块开有孔的固定板，螺栓从固定板上的孔中穿过，在螺栓上套有弹簧，并用螺母拧紧。该张力机构可以通过调节螺栓在固定板上穿过的孔洞位置以及螺栓松紧来调整其与模具表面之间的间隙与压力的大小。通过固定导轮对玻璃纤维布进行运送和铺放，张紧轮通过调节距离设定，达到对玻璃纤维布所受张力均匀的要求。其工作方式是，将玻纤布从固定导轮与张紧轮之间穿过，在设备运行时，通过导轮传动带动整个玻纤布卷的旋转，通过对张紧论之间位置调整，可以实现对玻纤布所受张力调整，以便实现放布、铺布的功能[6]。张力机构系统工作图见图2。

1.2 柔性传动机构

为实现装置的自动行走，需要在主梁产品模具两侧铺设轨道。因为主梁模具是曲线结构、高点和低点落差接近1.5 m，而且铺设的主梁玻纤布自重约300 kg，为此本文选用齿轮齿条驱动式轨道。

而自动铺层小车装置的柔性传动机构主要是基于伺服控制技术，实现叶片模具轨道随型，通过柔性联轴器，减速机和齿条齿轮传动。驱动轮装置通过钢结构框架和放布装置连接，驱动轮装置通过电机传动柔性联轴器再到电机减速机的驱动齿轮和齿条啮合，实现整个装置在整个模具轨道上的随型运动。设备采用直流电源驱动伺服电机旋转，提高玻纤布卷的铺设精度，实现整个设备在轨道往复精准运动。伺服电机与联轴器连接，联轴器与蜗轮蜗杆减速机连接，蜗轮蜗杆减速机作为两端连接设备的桥体，起到支撑与行走的作用。

在自动铺层装置中，伺服电机作为动力输入端，经过联轴器、减速机的转换，为装置运动提供足够的转速和扭矩。考虑到减速机的重量、摩擦系数、转动惯量等机械参数，采用输入端和输出端不同轴式设计，选用NRV090 蜗轮蜗杆减速机，匹配的伺服驱动器型号为ASDA2-3043-M。根据参数手册，电机的主要参数为：额定电压220 V，额定转速1 500 r/min，额定功率3 kW，额定转矩19.10 N·m，转子转动惯量8.88×10-4kg·m2。其参数要求计算如下。

1.2.1 转速要求

所选减速机减速比为i=15，满足要求。

存布筒最高转动速度为70 m/min，由于铺布机最高行走速度与存布筒最高转动速度相同，所以取铺布机最高运动速度为70 m/min，根据电机转速计算公式，此时电机最大转速为：

1.2.2 负载转动惯量计算

铺布机折算到电机端的转动惯量为：

式中，M2为布料质量。

滚轴为圆柱体，其转动惯量为：

通过减速器和链传动机构，系统折算到电机轴端的总转动惯量为：

式中，JQ为减速器的转动惯量。

折算到电机轴上的负载转矩计算为：

伺服系统的负载/电机惯量比符合选型要求。可计算出系统的加/减速转矩。

系统的加速转矩为：

减速转矩为：

系统的安全率是指电机额定转矩与系统实际转矩之间的比值，取值范围在1.5 ～2 之间，上述系统得到的安全率为1.73，因此，所选电机符合选型要求。

1.2.3 功率与力矩计算

自动铺层小车单卷最大负载为300 kg，工作时最大重量为900 kg。

运行时阻力功率为：

（式中，ηT为传动频率，取0.9；ma为装备运行最大质量；g为重力加速度；f为阻力系数；um为最高行驶速度，取4.5）；

转矩计算为：

（式中，M，T为转矩，F为整体受力，R为卷筒半径，P为功率，n为转速）；

自动铺层所需转矩为：

小车提供的转矩为：

满足所需力矩要求[7]。

由于风力叶片主梁模具轨道为弧形曲线，一般的滚轮无法满足运行条件，所以设计出新型行走轮。传动形式仍以齿轮齿条传动为主，行走轮采用柔性行走轮，来解决弧形轨道运动曲线，并且行走轮需卡在轨道两端，保证齿轮稳定啮合，小车工作时在轨道上不发生偏移，见图3。

2 控制系统设计

控制系统设计包括控制系统硬件结构（电气控制柜）设计与人机交互界面设计。电气控制柜主要有PLC 信号板、伺服驱动器、编码器、传感器以及各种控制保护开关等；该设备的人机交互界面设计采用威纶通MT8070IE 型号触摸屏。

2.1 控制系统硬件组成

该自动铺层小车的控制系统硬件主要包含两大部分：一是作为控制系统的核心，执行通信、数据采集、逻辑判断、数据反馈等任务的PLC 控制器；二是驱动装置运动平台所需的电机及其驱动器[8]。

电气控制柜中安装有电源组、空气开关、电机保护开关、接触器、三菱PLC、伺服驱动器、传感器等。电气控制柜的面板上含触摸屏，启动、停止、左行、右行和急停等操作按钮以及停止、运行、待机、报警等指示灯。感应式位置传感器把信号反馈给PLC 控制板，PLC 控制板再进行逻辑处理，然后发出控制信号控制伺服电机的正反转。感应式位置传感器安装在零点位置，与PLC 控制器连接，负责监测装置的零点位置，并将接收到的传感信号反馈到PLC，通过伺服脉冲精准运行至每次铺层所需达到位移。通过电气控制柜内的电机保护开关及接触器作为输入端连接到PLC，伺服电机连接到PLC 的输出端，通过按钮调节伺服电机的正反向运动，电机与柔性联轴器，改变传动方向，再连接减速器，提供足够转矩，再通过齿轮传动实现装置工作。其控制系统组成见图4。

铺层装置可通过控制柜按钮、远程控制器以及触摸屏进行控制，运行状态可以实现手动/自动状态切换。选择自动铺层，主梁开始铺层时，首先通过手动调整至位置传感器时确定初始点（原点）位置。然后开始自动操作，第1 层铺设完毕，小车停止，留有一定余量自动铺设第2 层，以此工作下去，直至完成主梁铺设。

2.2 人机界面设计

该人机交互界面采用EasyBuilder Pro 编程软件进行触摸屏编程，实现操作人员与设备之间人机交互系统。通过PLC、触摸屏和嵌入式组态软件等技术，组态界面的用户窗口中设有运行窗口、密码输入、系统参数、报警窗口、规格配方、通信异常等，降低了工人使用的操作难度，设备状态监控更为完备，人机交互更友好。

由于风力叶片型号尺寸种类较多，铺设参数复杂，可以通过系统设置界面按照工艺要求进行铺布速度设置与调整、补偿系数设置、工艺配方的编辑与下载等，见图5。而通过运行画面可以对工作模式状态显示、实时反馈当前参数、控制装置回参考点、动作完成指示，见图6。手动画面可以对设备运行状态进行调整与电气柜上按钮调整功能一致。报警记录窗口根据时间日期对报警对象、报警类型、报警描述等实时显示、定期储存。铺层系统人机界面设计完成后，需将PC 端与触摸屏连接、匹配、烧录界面，然后PLC 与触摸屏采用串口通信，建立实时数据库与设备通道链接，实现人机界面与下位机数据交换。人机界面将控制指令发送给下位机，按照已设定的程序进行铺层工艺操作，同时下位机将反馈到的位置、速度等数据传送给上位机界面，通过上位机界面对设备运行状况进行实时监控显示。

3 结语

本文设计的自动铺层小车装置可以很好地完成风机叶片主梁玻纤布的自动铺层工作，研究了变行程双向铺层问题，实现了数据记忆、断点恢复，叶片铺层工艺配方的导入与导出；建立自适应调节与控制方法，实现了玻纤布铺层的张力、速度等参数的调节与控制；基于柔性连轴特性和齿条传动技术，实现长距离、曲面随型传动定位精确控制。初步满足了叶片主梁生产工艺的要求，铺层精度累积误差能够控制在2 cm 范围内。该装置已经得到了本地企业初步试用和肯定，极大地减少了企业人工成本，实现了良好的经济价值。