張毅莉，周慶貴

(1.連云港中復(fù)連眾復(fù)合材料集團(tuán)有限公司,江蘇 連云港 222006)(2.淮海工學(xué)院,江蘇 連云港 222005)

纖維纏繞張力控制機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張毅莉1，周慶貴2

(1.連云港中復(fù)連眾復(fù)合材料集團(tuán)有限公司,江蘇 連云港 222006)(2.淮海工學(xué)院,江蘇 連云港 222005)

本文概述了纖維纏繞機(jī)的整體結(jié)構(gòu)及工作原理，重點(diǎn)分析了計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡為控制系統(tǒng)部件、交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行元件的張力控制機(jī)構(gòu)的張力測(cè)量及精度控制裝置和纖維紗安裝的方法，介紹了基于A/D和D/A數(shù)據(jù)采集卡編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)輸入輸出的程序基本結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成。

復(fù)合材料；纏繞機(jī)；張力測(cè)量；張力控制；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)采集

1 引 言

纖維纏繞是玻璃鋼生產(chǎn)中的重要成型工藝之一，纖維纏繞工藝是纖維在一定的預(yù)張力作用下，浸漬樹(shù)脂粘結(jié)劑后，按照一定的線型有規(guī)律地排布在芯模上，在纏繞過(guò)程中，提高密實(shí)程度，進(jìn)而提高制品的強(qiáng)度。在復(fù)合材料制品纏繞成型過(guò)程中，對(duì)纖維材料施加張力并對(duì)張力進(jìn)行精密控制是十分重要的，施加張力可以使纖維拉直、驅(qū)除氣泡、滲透樹(shù)脂，使纏繞出的制品更加緊密，同時(shí)為了避免因張力過(guò)大造成纖維斷裂而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。這又對(duì)纏繞張力參數(shù)的控制提出了更高的要求。

2 設(shè)備機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)控制纏繞是用纖維預(yù)浸樹(shù)脂通過(guò)特定的機(jī)械和控制，將已浸過(guò)樹(shù)脂的纖維，按所要求的線型規(guī)律纏繞至芯模表面上，其性能水平對(duì)纏繞制品的質(zhì)量和工作性能起著決定作用。

2.1 纏繞工藝

圖1是纏繞工藝原理，玻璃纖維從帶有張力控制的紗架引出，經(jīng)過(guò)樹(shù)脂浸透，進(jìn)入安裝在行走軌道的纏繞小車上的繞絲嘴，并按一定規(guī)律均勻纏繞在旋轉(zhuǎn)的模具上。纏繞小車延軌道做縱向直線來(lái)回運(yùn)動(dòng)，繞絲嘴垂直軌道做徑向進(jìn)退運(yùn)動(dòng)。

圖1 纏繞工藝原理圖1-模具；2-繞絲嘴；3-纏繞小車；4-軌道；5-纖維；6-膠槽；7-纖維測(cè)量反饋裝置；8-纖維安裝控制

主軸模具1由伺服電機(jī)根據(jù)要求通過(guò)減速機(jī)減速做均勻旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)速度由編碼器輸出反饋；纏繞小車3由伺服電機(jī)根據(jù)所需的要求通過(guò)減速機(jī)減速延軌道4做縱向均速來(lái)回運(yùn)動(dòng)，其行走速度由編碼器輸出反饋；繞絲嘴2由伺服電機(jī)根據(jù)要求通過(guò)減速機(jī)減速做徑向進(jìn)退運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)速度由編碼器輸出反饋。玻璃纖維5從帶有張力測(cè)量反饋裝置7的纖維安裝控制8引出，經(jīng)過(guò)膠槽6浸透樹(shù)脂后，進(jìn)入安裝在纏繞小車3上的繞絲嘴2；主軸的旋轉(zhuǎn)、小車的縱向運(yùn)動(dòng)和繞絲嘴的徑向運(yùn)動(dòng)組成纏繞機(jī)的主運(yùn)動(dòng)，由計(jì)算機(jī)控制。由于纖維纏繞于模具上的張力直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，所以纖維的張力控制是非常重要的。

2.2 纏繞機(jī)結(jié)構(gòu)

由于計(jì)算機(jī)控制纖維纏繞機(jī)是將纖維按照一定的規(guī)律均勻的纏繞在芯模上而成型的專用設(shè)備，組成主體的各部件可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制三坐標(biāo)。在滿足工藝要求的前提下，又考慮結(jié)構(gòu)的緊湊性，為此總體布局將主軸箱、尾座、軌道小車、繞絲嘴設(shè)計(jì)在一個(gè)主體框架上，并根據(jù)制品的大小設(shè)計(jì)成兩工位纏繞，如圖2。主軸、纏繞小車、繞絲嘴的運(yùn)動(dòng)均有數(shù)據(jù)反饋于計(jì)算機(jī)，輸入所需的要求完成產(chǎn)品纏繞。

圖2 纏繞機(jī)構(gòu)1-主軸伺服電機(jī)；2-床頭三爪卡盤(pán)；3-模具；4-纏繞小車；5-軌道；6-繞絲嘴；7-頂針；8-尾座；9-尾夾緊氣缸；10-主框架

伺服電機(jī)1驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，主軸端部安裝有三爪卡盤(pán)2，三爪卡盤(pán)2可裝夾不同規(guī)格模具3，尾部用氣缸9推動(dòng)頂針7快速將模具3對(duì)中夾緊，尾架8可根據(jù)模具長(zhǎng)度調(diào)整位置后固定在主框架10上；繞絲嘴6安裝在纏繞小車4上，纏繞小車4由伺服電機(jī)控制延軌道5縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

2.3 纖維張力控制機(jī)構(gòu)

由于纖維的張力對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有很大影響，纖維的張力控制顯得尤為重要，為了保證纖維控制的精度，設(shè)計(jì)了單根纖維計(jì)算機(jī)控制。

圖3是纖維控制機(jī)構(gòu)，已繞成線團(tuán)狀的纖維，放在有獨(dú)立支撐的安裝架上，每根纖維由獨(dú)立的伺服電機(jī)控制，可以保證每根纖維在纏繞的過(guò)程中張力相同。

圖3 纖維控制1-夾緊漲塞；2-纖維紗團(tuán)；3-纖維過(guò)渡輥； 4-纖維安裝架；5-伺服電機(jī)

纖維紗團(tuán)2安裝在由伺服電機(jī)5控制的輸出軸上，用帶錐度的漲塞1將纖維紗團(tuán)2固定夾緊，可保證纖維在纏繞過(guò)程中無(wú)打滑，為使纖維平穩(wěn)進(jìn)入測(cè)量裝置，結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了一個(gè)長(zhǎng)度超過(guò)紗團(tuán)高的過(guò)渡輥3，纖維1從過(guò)渡輥3上方繞過(guò)進(jìn)入測(cè)力裝置。

圖4是纖維張力測(cè)力反饋裝置，纖維經(jīng)過(guò)進(jìn)出導(dǎo)向輥進(jìn)入測(cè)力輥輪組，由測(cè)力傳感器反饋單根纖維的張力。

圖4 纖維測(cè)量反饋裝置1-纖維；2-纖維出導(dǎo)向輥；3-過(guò)渡輪；4-測(cè)力輥； 5-過(guò)渡輪；6-纖維進(jìn)導(dǎo)向輥；7-傳感器

纖維1從成井狀的進(jìn)導(dǎo)向輥6進(jìn)入測(cè)力反饋裝置，再?gòu)某删疇畹某鰧?dǎo)向輥2出測(cè)力反饋裝置，纖維1由過(guò)渡輪3和過(guò)渡輪5調(diào)整走向，使纖維1始終接合在測(cè)力輥4上，將纖維1的拉力無(wú)間斷的傳到傳感器7上。

3 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

3．1 控制系統(tǒng)的組成

圖5為張力控制系統(tǒng)的組成框圖。控制系統(tǒng)的核心部件是研華工控制機(jī)，信號(hào)的A/D和D/A轉(zhuǎn)換分別采用研華PCL-818HG和PCL-727數(shù)據(jù)板卡，此類板卡可用于各類電信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)處理和控制運(yùn)算后的電信號(hào)輸出。PCL-818HG數(shù)據(jù)采集卡將從外界獲取的各種電信號(hào)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)字信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)，并接收計(jì)算機(jī)傳來(lái)的數(shù)字或控制信號(hào)；PCL-727數(shù)據(jù)輸出卡將模擬或數(shù)字信號(hào)傳遞給外部設(shè)備。

圖5 張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

交流伺服電機(jī)為執(zhí)行元件，控制紗團(tuán)的轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)張力，壓力傳感器檢測(cè)紗團(tuán)的動(dòng)態(tài)張力值，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換形成反饋信號(hào)。與交流伺服電動(dòng)機(jī)同軸相聯(lián)的編碼器，將電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋至交流伺服驅(qū)動(dòng)器，并設(shè)定驅(qū)動(dòng)器為恒轉(zhuǎn)矩控制方式。

3．2 A/D采集卡的設(shè)置程序

由于VB并不提供對(duì)計(jì)算機(jī)外設(shè)進(jìn)行底層操作的語(yǔ)句或函數(shù),因而要利用DLL技術(shù)實(shí)現(xiàn)I/O控制，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)I/O端口的控制與訪問(wèn)。動(dòng)態(tài)連接庫(kù)(DLL)是一種函數(shù)庫(kù)，應(yīng)用程序可以在運(yùn)行時(shí)鏈接并使用它。

圖6(a)為多通道數(shù)據(jù)采集程序流程圖。其中DRV-DeviceOpen函數(shù)為初始化指定設(shè)備，DRV-DeviceClose函數(shù)用于關(guān)閉DRV-DeviceOpen函數(shù)打開(kāi)的設(shè)備，并釋放所分配的存儲(chǔ)空間，DRV_MAIConfig函數(shù)對(duì)設(shè)置采樣通道的電壓輸入范圍。DRV-MAIVoltageIn函數(shù)為獲取相應(yīng)端口的模擬電壓信號(hào)，該函數(shù)被調(diào)用一次就對(duì)通道的設(shè)置完成一次I/O操作，重復(fù)調(diào)用DRV-MAIVoltageIn函數(shù)則可獲取相應(yīng)端口的模擬電壓信號(hào)。表1為A/D板卡初始化及數(shù)據(jù)采集的主要編程方法。

圖6 數(shù)據(jù)輸入輸出流程圖

VB程序代碼說(shuō)明ErrCde=DRV_DeviceOpen(0,DeviceHandle)打開(kāi)PCL-818板卡ErrCde=DRV_MAIConfig(DeviceHandle,ptMAIConfig)輸入通道屬性設(shè)置ptMAIVoltageIn.NumChan=ptMAIConfig.NumChan采樣通道數(shù)ptMAIVoltageIn.StartChan=ptMAIConfig.StartChan采樣起始通道ptMAIVoltageIn.GainArray=DRV_GetAddress(usGainCode(pt-MAIConfig.StartChan))輸入信號(hào)首地址賦值ErrCde=DRV_MAIVoltageIn(DeviceHandle,tMAIVoltageIn)通道信號(hào)輸入ErrCde1=DRV_DeviceClose(DeviceHandle)關(guān)閉PCL-818板卡

3．3 D/A輸出卡的設(shè)置程序

圖6(b)為多通道數(shù)據(jù)輸出程序流程圖。其中DRV-DeviceOpen和DRV-DeviceClose函數(shù)為打開(kāi)和關(guān)閉設(shè)備，DRV_AOConfig函數(shù)為模擬輸出通道的設(shè)置，DRV-AOVoltageOut( )：該函數(shù)被調(diào)用一次就對(duì)通道的設(shè)置完成一次I/O操作。重復(fù)調(diào)用DRV-AOVoltageOut函數(shù)則可從相應(yīng)端口輸出模擬電壓信號(hào)。表2為D/A板卡初始化及數(shù)據(jù)采集的主要編程方法。

表2 D/A卡主要DLL函數(shù)配置

4 結(jié) 語(yǔ)

基于計(jì)算機(jī)控制的纖維纏繞張力控制機(jī)的研制，具有參數(shù)設(shè)置方便，界面友好，控制精度滿足工藝要求。本文介紹了機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和DLL技術(shù)實(shí)現(xiàn)VB編程環(huán)境下多通道數(shù)據(jù)信號(hào)的檢測(cè)的方法。該機(jī)床在實(shí)際生產(chǎn)使用中具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。

[1] 方立，周曉東．連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的浸漬及其纏繞成型[J]．纖維復(fù)合材料，2008，25(3)：27-29.

[2] 周慶貴．纖維纏繞計(jì)算機(jī)張力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2008(7)：267-269.

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[4] Advantech Co.Ltd.Advantech DLL Drivers User’s Manual[Z].1999.

[5] 范逸之,廖錦棋.Visual Basic與數(shù)字輸入輸出適配卡控制[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

Design of Structure and Control System of the Fiber Winding Tension Control Mechanism

ZHANG Yili1，ZHOU Qinggui2

(1.Lianyungang Zhongfu Lianzhong Composites Group Co.，Ltd.Lianyungang,Jiangsu 222006 ) (2.Huaihai Institute of Technology,LianYunGang,JiangSu 222005 )

This paper outlines the overall structure and working principle of the filament winding machine.The tension measurement and precision control device and method for fiber yarn installed actuators of tension control mechanism based on PC and data acquisition cards which actuators are AC servomotors are mainly discussed.The principle to develop data input and output signal based on A/D and D/A data acquisition card is introduced in this paper.

composite materials; winding machine; tension detection; tension control; mechanical architecture design; data acquisition

2014-11-06)

張毅莉(1963-)，女，江蘇人，本科，高級(jí)工程師。研究方向：復(fù)合材料制品的制作設(shè)備、模具、工裝的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。E-mail：zhangyili@lzfrp.com.