鄭 楠，徐長(zhǎng)春，王惠民，孫 巍，田 豐，張?jiān)迹ㄍㄐ抛髡撸?，周慶貴

（1 江蘇海洋大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇 連云港 222005）

（2 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）

0 引言

隨著我國(guó)對(duì)風(fēng)力發(fā)電需求的進(jìn)一步增長(zhǎng)，風(fēng)機(jī)葉片的市場(chǎng)需求及質(zhì)量要求也越來(lái)越高，風(fēng)機(jī)葉片的自動(dòng)化生產(chǎn)水平成了制約風(fēng)機(jī)葉片市場(chǎng)發(fā)展的重要因素[1]，而風(fēng)機(jī)葉片主梁是風(fēng)機(jī)葉片的核心承載部件，其質(zhì)量占風(fēng)機(jī)葉片總質(zhì)量的25%～35%，其生產(chǎn)質(zhì)量直接影響所生產(chǎn)風(fēng)機(jī)葉片的品質(zhì)[2]。葉片生產(chǎn)流程有多個(gè)復(fù)雜工藝，包括多層玻璃纖維布逐層鋪設(shè)，真空灌注，加熱固化成型，最后獲得成品風(fēng)機(jī)葉片。其自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備對(duì)主梁生產(chǎn)質(zhì)量的提高尤為重要[3]，本文重點(diǎn)提出一種對(duì)風(fēng)機(jī)葉片主梁自動(dòng)鋪層裝置的設(shè)計(jì)方案。

主梁自動(dòng)鋪層裝置——自動(dòng)鋪層小車(chē)，三維圖見(jiàn)圖1，設(shè)計(jì)主要分為機(jī)械機(jī)構(gòu)與電氣控制設(shè)計(jì)。在滿足生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上可根據(jù)生產(chǎn)葉片主梁尺寸要求設(shè)定鋪放長(zhǎng)度，調(diào)整鋪層數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)運(yùn)行與自動(dòng)運(yùn)行的切換。其工作方式是先進(jìn)行第1 層主梁玻纖布鋪設(shè)，完成后，鋪層裝置停止，系統(tǒng)調(diào)出下一層鋪設(shè)數(shù)據(jù)，運(yùn)行到第2 層起始處，進(jìn)行下一層玻纖布鋪設(shè)，由控制板發(fā)出反向控制信號(hào)使鋪層裝置反向運(yùn)行到這層鋪設(shè)初始位置，然后發(fā)出開(kāi)始鋪設(shè)信號(hào)，裝置開(kāi)始自動(dòng)運(yùn)行，以此類推，完成風(fēng)機(jī)葉片主梁的鋪設(shè)。

1 自動(dòng)鋪層小車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的自動(dòng)鋪層小車(chē)其結(jié)構(gòu)參考了華南理工大學(xué)李明星的工業(yè)鋪布機(jī)[4]以及山東理工大學(xué)文永雙的智能鋪布機(jī)[5]，結(jié)合其產(chǎn)品生產(chǎn)工藝要求及其設(shè)備成本要求，將自動(dòng)鋪層小車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要分為張力卷層機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與柔性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。張力卷層機(jī)構(gòu)主要包括支架、布卷輥、張力機(jī)構(gòu)等；柔性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、減速器、行走輪、隨行滾輪等。

1.1 張力卷層機(jī)構(gòu)

張力卷層機(jī)構(gòu)包括布卷存放機(jī)構(gòu)與張力機(jī)構(gòu)。

其中，布卷存放機(jī)構(gòu)上有存放支架，用于玻纖布卷存放。而張力機(jī)構(gòu)關(guān)于存放支架對(duì)稱，分為前后兩個(gè)部分，滿足雙向鋪層用布要求。在布卷支架上配有用于人工旋轉(zhuǎn)的操控手柄。經(jīng)過(guò)手柄旋轉(zhuǎn)完成人工對(duì)玻纖布的收取和釋放，并能實(shí)現(xiàn)裝載玻纖布從起始?jí)壕o裝置處穿過(guò)壓緊滾輪，以及在玻纖布卷拆卸時(shí)，易于完成剩余玻纖布卷的收集等功能。

而張力機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)輪壓緊裝置、固定導(dǎo)輪與張緊輪組成，導(dǎo)輪壓緊裝置是一塊開(kāi)有孔的固定板，螺栓從固定板上的孔中穿過(guò)，在螺栓上套有彈簧，并用螺母擰緊。該張力機(jī)構(gòu)可以通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓在固定板上穿過(guò)的孔洞位置以及螺栓松緊來(lái)調(diào)整其與模具表面之間的間隙與壓力的大小。通過(guò)固定導(dǎo)輪對(duì)玻璃纖維布進(jìn)行運(yùn)送和鋪放，張緊輪通過(guò)調(diào)節(jié)距離設(shè)定，達(dá)到對(duì)玻璃纖維布所受張力均勻的要求。其工作方式是，將玻纖布從固定導(dǎo)輪與張緊輪之間穿過(guò)，在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，通過(guò)導(dǎo)輪傳動(dòng)帶動(dòng)整個(gè)玻纖布卷的旋轉(zhuǎn)，通過(guò)對(duì)張緊論之間位置調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)玻纖布所受張力調(diào)整，以便實(shí)現(xiàn)放布、鋪布的功能[6]。張力機(jī)構(gòu)系統(tǒng)工作圖見(jiàn)圖2。

1.2 柔性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)裝置的自動(dòng)行走，需要在主梁產(chǎn)品模具兩側(cè)鋪設(shè)軌道。因?yàn)橹髁耗＞呤乔€結(jié)構(gòu)、高點(diǎn)和低點(diǎn)落差接近1.5 m，而且鋪設(shè)的主梁玻纖布自重約300 kg，為此本文選用齒輪齒條驅(qū)動(dòng)式軌道。

而自動(dòng)鋪層小車(chē)裝置的柔性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是基于伺服控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)葉片模具軌道隨型，通過(guò)柔性聯(lián)軸器，減速機(jī)和齒條齒輪傳動(dòng)。驅(qū)動(dòng)輪裝置通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)框架和放布裝置連接，驅(qū)動(dòng)輪裝置通過(guò)電機(jī)傳動(dòng)柔性聯(lián)軸器再到電機(jī)減速機(jī)的驅(qū)動(dòng)齒輪和齒條嚙合，實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置在整個(gè)模具軌道上的隨型運(yùn)動(dòng)。設(shè)備采用直流電源驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，提高玻纖布卷的鋪設(shè)精度，實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)備在軌道往復(fù)精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)與聯(lián)軸器連接，聯(lián)軸器與蝸輪蝸桿減速機(jī)連接，蝸輪蝸桿減速機(jī)作為兩端連接設(shè)備的橋體，起到支撐與行走的作用。

在自動(dòng)鋪層裝置中，伺服電機(jī)作為動(dòng)力輸入端，經(jīng)過(guò)聯(lián)軸器、減速機(jī)的轉(zhuǎn)換，為裝置運(yùn)動(dòng)提供足夠的轉(zhuǎn)速和扭矩?？紤]到減速機(jī)的重量、摩擦系數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等機(jī)械參數(shù)，采用輸入端和輸出端不同軸式設(shè)計(jì)，選用NRV090 蝸輪蝸桿減速機(jī)，匹配的伺服驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為ASDA2-3043-M。根據(jù)參數(shù)手冊(cè)，電機(jī)的主要參數(shù)為：額定電壓220 V，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，額定功率3 kW，額定轉(zhuǎn)矩19.10 N·m，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量8.88×10-4kg·m2。其參數(shù)要求計(jì)算如下。

1.2.1 轉(zhuǎn)速要求

所選減速機(jī)減速比為i=15，滿足要求。

存布筒最高轉(zhuǎn)動(dòng)速度為70 m/min，由于鋪布機(jī)最高行走速度與存布筒最高轉(zhuǎn)動(dòng)速度相同，所以取鋪布機(jī)最高運(yùn)動(dòng)速度為70 m/min，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式，此時(shí)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為：

1.2.2 負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算

鋪布機(jī)折算到電機(jī)端的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

式中，M2為布料質(zhì)量。

滾軸為圓柱體，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

通過(guò)減速器和鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)折算到電機(jī)軸端的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

式中，JQ為減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算為：

伺服系統(tǒng)的負(fù)載/電機(jī)慣量比符合選型要求?？捎?jì)算出系統(tǒng)的加/減速轉(zhuǎn)矩。

系統(tǒng)的加速轉(zhuǎn)矩為：

減速轉(zhuǎn)矩為：

系統(tǒng)的安全率是指電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩與系統(tǒng)實(shí)際轉(zhuǎn)矩之間的比值，取值范圍在1.5 ～2 之間，上述系統(tǒng)得到的安全率為1.73，因此，所選電機(jī)符合選型要求。

1.2.3 功率與力矩計(jì)算

自動(dòng)鋪層小車(chē)單卷最大負(fù)載為300 kg，工作時(shí)最大重量為900 kg。

運(yùn)行時(shí)阻力功率為：

（式中，ηT為傳動(dòng)頻率，取0.9；ma為裝備運(yùn)行最大質(zhì)量；g為重力加速度；f為阻力系數(shù)；um為最高行駛速度，取4.5）；

轉(zhuǎn)矩計(jì)算為：

（式中，M，T為轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)為整體受力，R為卷筒半徑，P為功率，n為轉(zhuǎn)速）；

自動(dòng)鋪層所需轉(zhuǎn)矩為：

小車(chē)提供的轉(zhuǎn)矩為：

滿足所需力矩要求[7]。

由于風(fēng)力葉片主梁模具軌道為弧形曲線，一般的滾輪無(wú)法滿足運(yùn)行條件，所以設(shè)計(jì)出新型行走輪。傳動(dòng)形式仍以齒輪齒條傳動(dòng)為主，行走輪采用柔性行走輪，來(lái)解決弧形軌道運(yùn)動(dòng)曲線，并且行走輪需卡在軌道兩端，保證齒輪穩(wěn)定嚙合，小車(chē)工作時(shí)在軌道上不發(fā)生偏移，見(jiàn)圖3。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)（電氣控制柜）設(shè)計(jì)與人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。電氣控制柜主要有PLC 信號(hào)板、伺服驅(qū)動(dòng)器、編碼器、傳感器以及各種控制保護(hù)開(kāi)關(guān)等；該設(shè)備的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)采用威綸通MT8070IE 型號(hào)觸摸屏。

2.1 控制系統(tǒng)硬件組成

該自動(dòng)鋪層小車(chē)的控制系統(tǒng)硬件主要包含兩大部分：一是作為控制系統(tǒng)的核心，執(zhí)行通信、數(shù)據(jù)采集、邏輯判斷、數(shù)據(jù)反饋等任務(wù)的PLC 控制器；二是驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)平臺(tái)所需的電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器[8]。

電氣控制柜中安裝有電源組、空氣開(kāi)關(guān)、電機(jī)保護(hù)開(kāi)關(guān)、接觸器、三菱PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、傳感器等。電氣控制柜的面板上含觸摸屏，啟動(dòng)、停止、左行、右行和急停等操作按鈕以及停止、運(yùn)行、待機(jī)、報(bào)警等指示燈。感應(yīng)式位置傳感器把信號(hào)反饋給PLC 控制板，PLC 控制板再進(jìn)行邏輯處理，然后發(fā)出控制信號(hào)控制伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。感應(yīng)式位置傳感器安裝在零點(diǎn)位置，與PLC 控制器連接，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)裝置的零點(diǎn)位置，并將接收到的傳感信號(hào)反饋到PLC，通過(guò)伺服脈沖精準(zhǔn)運(yùn)行至每次鋪層所需達(dá)到位移。通過(guò)電氣控制柜內(nèi)的電機(jī)保護(hù)開(kāi)關(guān)及接觸器作為輸入端連接到PLC，伺服電機(jī)連接到PLC 的輸出端，通過(guò)按鈕調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的正反向運(yùn)動(dòng)，電機(jī)與柔性聯(lián)軸器，改變傳動(dòng)方向，再連接減速器，提供足夠轉(zhuǎn)矩，再通過(guò)齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)裝置工作。其控制系統(tǒng)組成見(jiàn)圖4。

鋪層裝置可通過(guò)控制柜按鈕、遠(yuǎn)程控制器以及觸摸屏進(jìn)行控制，運(yùn)行狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)切換。選擇自動(dòng)鋪層，主梁開(kāi)始鋪層時(shí)，首先通過(guò)手動(dòng)調(diào)整至位置傳感器時(shí)確定初始點(diǎn)（原點(diǎn)）位置。然后開(kāi)始自動(dòng)操作，第1 層鋪設(shè)完畢，小車(chē)停止，留有一定余量自動(dòng)鋪設(shè)第2 層，以此工作下去，直至完成主梁鋪設(shè)。

2.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

該人機(jī)交互界面采用EasyBuilder Pro 編程軟件進(jìn)行觸摸屏編程，實(shí)現(xiàn)操作人員與設(shè)備之間人機(jī)交互系統(tǒng)。通過(guò)PLC、觸摸屏和嵌入式組態(tài)軟件等技術(shù)，組態(tài)界面的用戶窗口中設(shè)有運(yùn)行窗口、密碼輸入、系統(tǒng)參數(shù)、報(bào)警窗口、規(guī)格配方、通信異常等，降低了工人使用的操作難度，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控更為完備，人機(jī)交互更友好。

由于風(fēng)力葉片型號(hào)尺寸種類較多，鋪設(shè)參數(shù)復(fù)雜，可以通過(guò)系統(tǒng)設(shè)置界面按照工藝要求進(jìn)行鋪布速度設(shè)置與調(diào)整、補(bǔ)償系數(shù)設(shè)置、工藝配方的編輯與下載等，見(jiàn)圖5。而通過(guò)運(yùn)行畫(huà)面可以對(duì)工作模式狀態(tài)顯示、實(shí)時(shí)反饋當(dāng)前參數(shù)、控制裝置回參考點(diǎn)、動(dòng)作完成指示，見(jiàn)圖6。手動(dòng)畫(huà)面可以對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整與電氣柜上按鈕調(diào)整功能一致。報(bào)警記錄窗口根據(jù)時(shí)間日期對(duì)報(bào)警對(duì)象、報(bào)警類型、報(bào)警描述等實(shí)時(shí)顯示、定期儲(chǔ)存。鋪層系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)完成后，需將PC 端與觸摸屏連接、匹配、燒錄界面，然后PLC 與觸摸屏采用串口通信，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與設(shè)備通道鏈接，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面與下位機(jī)數(shù)據(jù)交換。人機(jī)界面將控制指令發(fā)送給下位機(jī)，按照已設(shè)定的程序進(jìn)行鋪層工藝操作，同時(shí)下位機(jī)將反饋到的位置、速度等數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)界面，通過(guò)上位機(jī)界面對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)鋪層小車(chē)裝置可以很好地完成風(fēng)機(jī)葉片主梁玻纖布的自動(dòng)鋪層工作，研究了變行程雙向鋪層問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)記憶、斷點(diǎn)恢復(fù)，葉片鋪層工藝配方的導(dǎo)入與導(dǎo)出；建立自適應(yīng)調(diào)節(jié)與控制方法，實(shí)現(xiàn)了玻纖布鋪層的張力、速度等參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制；基于柔性連軸特性和齒條傳動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、曲面隨型傳動(dòng)定位精確控制。初步滿足了葉片主梁生產(chǎn)工藝的要求，鋪層精度累積誤差能夠控制在2 cm 范圍內(nèi)。該裝置已經(jīng)得到了本地企業(yè)初步試用和肯定，極大地減少了企業(yè)人工成本，實(shí)現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。