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王世寰 （山东大学威海分校信息工程学院测控系，工学博士） 简介：王世寰，男，1975年生，籍贯黑龙江省肇州县，民族汉。毕业于哈尔滨工业大学机械制造及自动化专业，工学博士。研究领域包括先进制造技术、数控技术和复合材料缠绕加工技术等，目前以第一作者身份发表学术论文6篇，其中EI Compendex一篇，EI INSPEC 一篇。曾经参与国家自然科学基金、航天部院级预研，哈尔滨市科委自然科学基金以及哈尔滨工业大学校级实验室建设等项目的研究开发工作。 报告摘要：关于数控缠绕机床发展状况和应用，对数控缠绕机床机械系统、主控和监控系统以及缠绕工艺软件等研究成果等 正文： 本文从以下几个方面介绍数控缠绕机床系统的研究状况。即： 1数控缠绕机床在国内外发展状况和实际应用； 2机床机械系统、主控制系统和在线监控系统； 3缠绕工艺软件。 1、数控缠绕机床在国内外发展状况和实际应用； 缠绕成型生产的制品强度最高，生产效率、重复生产可能性仅次于连续成型，其自动化程度高，工人劳动强度较低，但设备投资稍高。研究复合材料的一些学者，如美国麻省理工学院（M.I.T）的Krolewski，Gutowski，Zhong Cai]，MichaelF.Foley等评价了不同的复合材料成型工艺的成本效益性（cost effectiveness），指出纤维缠绕比其它工艺方法有更佳的投资效益。因此说纤维缠绕成型法是一种应优先选用的复合材料成型工艺。 纤维缠绕复合材料主要有两类用途：（1）做主承力结构材料，在保证强度的前提下减轻结构的重量；（2）做特殊功能材料，起到诸如防腐、防冷热变化、抗电磁波干扰等功能。缠绕对象包括球、锥、筒、压力容器；三通、叶片和板状、变截面等复杂异型构件。 目前哈工大关于生产用数控缠绕机的研究、设计和制造主要包括:立式卧式通用四、五坐标联动通用数控缠绕机、细长杆件数控缠绕机、布带数控缠绕机、龙门式双主轴气瓶数控缠绕机和高档六坐标联动数控缠绕机等，相关工作包括通用缠绕工艺软件开发（纤维缠绕构件CAD/CAM）、专用的如火箭发动机后仪器舱缠绕软件开发以及数控纤维缠绕机的精密张力控制系统等。 2、关于数控缠绕机床的机械系统。 所谓纤维缠绕成型工艺，就是将浸渍过树脂的连续纤维，按一定的规律缠绕到芯模上并层叠至所需的厚度，然后在加热或常温下固化制成一定形状制品的工艺方法。 按照现代成形学的观点，纤维缠绕成型属于堆积成形，而传统机械加工方式属于去除成形。 图1直观地说明了纤维缠绕的基本过程，纤维缠绕机犹如一台简易的的车床，把张紧的纤维按预先设计好的路径铺放到芯模上，最终形成以纤维为增强材料、树脂为基体的复合材料产品。 图2是六坐标数控缠绕机的机械系统。  图1 纤维缠绕过程  图2 六轴数控缠绕机的机械系统 其中六个坐标轴为： 1、回转主轴与尾座一起完成对芯模的轴向定位，控制芯模转角位置，并为芯模提供驱动力，为C轴。 2、小车沿导轨方向的直线往复运动，为Z轴。 3、小车伸臂向前后的往复运动，为X轴。 4、小车沿垂直于XOZ平面的坐标轴上下运动，为Y轴。 5、丝嘴绕Y轴的摆动，为B轴。 6、丝嘴绕伸臂的旋转，为A轴。 纤维缠绕工艺相当复杂，按成型方式分为外侧缠绕和内侧缠绕，外侧缠绕时纤维缠绕在芯模的外侧，复合材料制品的几何形状取决于芯模的外表面，为目前最常见和普遍使用的一种缠绕方法。根据缠绕时树脂基体所处化学物理状态的不同，生产上又分为干法、湿法及半干法三种。 3、数控缠绕机床控制系统。从80年代到90年代，机床数控技术发展迅速，采用通用数控系统的第四代缠绕机出现。德国的Bear公司、BSD公司、英国的Pultrex有限公司、中国的哈尔滨工业大学等均成功开发了采用通用数控系统的缠绕机。与此同时，为了提高生产效率，多主轴的缠绕机陆续出现，即一台缠绕机可同时缠绕多个零件。 进入90年代后，随着微电子技术迅猛发展，纤维缠绕技术的应用和开发速度也明显加快。随着运动控制卡技术的趋于成熟，由工业控制计算机和运动控制卡组成的四坐标以上缠绕机开始出现。例如哈尔滨工业大学利用工业控制计算机和美国Delta公司的Pmac运动控制卡，研制成功了六坐标联动数控缠绕机。四坐标以上缠绕机的出现，使得以前只能用人工手糊或半人工手糊的异型结构件如三通、弯管、S管等，使用机器缠绕成为可能。目前国际上已有七轴甚至多达十一轴的计算机控制纤维缠绕机。 在本文中，采用Delta Tau公司的多轴运动控制器PMAC作为伺服运算和控制主体，再加上一些外围设备，构成一个模块化的数控系统。由此构成的数控系统，具有开发周期短、成本低、插补轴数多（四轴以上）、控制精度高等特点。 内容包括基于PMAC的开放式数控系统的软硬件结构，以及系统软件用户化开发的关键技术。 具体内容构建了基于PC和PMAC的六轴纤维缠绕机的数控系统，并对PMAC及整个数控系统进行了比较深入的分析和研究。使用VB语言和Windows编程技术，设计开发了适合于自身需要的NC操作界面，以满足系统的功能要求。组成控制系统，设定PMAC参数，对陷波滤波器进行了理论分析和设置。通过实验调节和分析PID，得出响应曲线，优化系统参数。 PMAC是由美国DELTA TAU公司生产的一种多轴运动控制器。其内部采用了Motorola DSP56001数字信号处理器，可以实现8个运动轴的联动插补。在伺服数据的处理能力、轴特性及输入信号带宽方面，PMAC控制器由于采用专门的模块化结构，编码输入的串行处理速度是大多数控制器的10到15倍。PMAC运动控制器具有很强的灵活性，适合于现在应用中的多总路线结构、不同类型电机、反馈元件以及指令数据结构，可随时对其硬件升级。PMAC控制器允许同一控制程序在所有的总路线上运行，同时允许每一轴上电机和反馈元件的不同组合 其中数控G 代码程序执行过程如下：PMAC对命令程序进行解释、识别，变成各种数据流，分别送到命令队列中等待处理。通过固化于芯片中的伺服运算算法，计算出各坐标轴的当前位置并存贮于指定的专用寄存器。专用寄存器是一组24位的二进制寄存器，用于存贮每个伺服周期中各坐标指令位置的数字信号。专用寄存器中的指令经过数模转换器DAC转换成±10V范围内的模拟量，经过与PMAC相连的伺服放大器进行放大后，驱动各坐标电动机运动。各个坐标的实际位置，由伺服电机的测量装置测定，转换为数字信号反馈给PMAC，经PID和陷波滤波器处理，送入比较寄存器与指令位置寄存器中的指令相比较，完成反馈闭环控制。 在本系统中，硬件方面由PC机、美国Delta Tau 公司的PMAC多轴运动控制卡、Panasonic全数字式交流伺服驱动器（型号是MSD043A1XX）、Panasonic交流伺服电机（型号是MSM042A1C）及两组外接直流稳压电源组成。软件方面采用基于Windows9X/NT环境开发的CNC操作软件HPC-NC1.0和PMAC可执行软件PEWIN。本系统属于闭环控制系统，需要对被控制信号不断地进行测量、变换并反馈到系统的控制端与控制信号进行比较，产生偏差信号，实现偏差控制。但对于闭环控制系统来说，稳定性始终是一个重要问题。因为闭环控制系统可能引起超调，从而造成系统振荡，甚至使得系统不稳定。所以对闭环控制系统的分析和调试显得尤为重要。 针对缠绕加工实际，设计了数控缠绕机关于缠绕过程中纱线张力的在线检测系统。利用工控机和温度调节器组成基于RS485的浸胶温度监控系统，实现对缠绕加工过程中浸胶系统温度的自动控制。 缠绕加工中，纤维张力是重要的控制参数，对缠绕制品的质量影响很大。本文针对缠绕加工的实际状况，在深入分析系统需求的基础上，设计了数控缠绕机张力的在线检测系统。系统采用曲线拟合的数学描述方法实现对张力传感器的标定，通过复合滤波消除干扰，并运用数据库技术管理组织数据。系统采用多个传感器对每束纱线的张力进行检测。系统设计合理，操作方便，人机界面友好，目前已在航天相关部门使用。经实际应用证明系统运行稳定，测量数据准确、可靠。 使用温度调节器实现对浸胶系统胶液温度的测试与控制。温度调节器内部设有对微弱信号的调理电路，能直接读入热电偶温度计测得的信号,可直接对执行机构进行PID控制，并带有RS485通信接口，便于与计算机通讯。本文采用VB6.0的ActiveX控件—Microsoft Comm Control6.0,在Windows环境下利用工控PC机与温度调节器的串行通信，实现对温度调节器的监控，进而实时控制温度，使之保持在所要求的范围内。 4.关于缠绕工艺软件。根据纤维缠绕的基本原理，建立了其完整的数学模型： 1、通过对曲面上纤维的受力分析，建立了纤维在曲面上稳定不架空的数学模型。并针对组合回转体芯模进行了深入讨论，给出了凹曲面过渡段的优选曲面，并在设计的实验芯模上进行了实际验证； 2、研究了纤维完全覆盖芯模的代数模式，这是数学意义上较严密的缠绕模式定义，并分析了与传统切点法的异同点； 3、根据纤维缠绕机的运动特点，利用微分几何的原理建立了六轴纤维缠绕机的运动方程。通过偏摆坐标和丝嘴回转坐标的加入，可以使得展纱均匀解决了宽带缠绕容易出现的松边、紧边现象。 举弯管缠绕为例。对弯管的线型、缠绕模式和机器路径分别进行了研究。利用圆环面上的测地线和圆柱段的非测地线实现了弯管的线型设计，通过在圆柱端头加入停留从而实现了不同于轴对称回转体的缠绕模式。在机器路径生成时，为了防止碰撞，采用两种不同的约束轨迹：直线和随动约束轨迹，使得利用简单的三坐标或四坐标缠绕机对弯管进行缠绕成为可能。然后利用软件进行缠绕加工仿真。 缠绕实验。纤维缠绕是一门实践性很强的技术，只有软件仿真是不够的。许多问题诸如滑线和架空只有在实际缠绕过程中才能发现。缠绕理论的正确性只有通过实践才能得到验证，因此实验对于纤维缠绕CAD/CAM有着极其重要的意义。 为了对仿真结果进行进一步验证，作者设计了一弯管芯模，中间部分材料为石膏，两端加金属堵头。缠绕时，从中间位置起始，初始缠绕角设为80°，带宽取为5，需要33个循环即可以将芯模布满，跳跃数K=17。缠绕时机器运行平稳，线型稳定。实验验证了理论的正确性。 总结，本文介绍数控缠绕机床发展状况和应用，并分别就机床机械系统、主控制系统和在线监控系统和缠绕工艺软件等方面作了深入探讨。 |
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