數(shù)控布帶纏繞機(jī)是用碳/ 酚醛、高硅氧/ 酚醛預(yù)浸膠帶纏繞固體火箭發(fā)動機(jī)噴管、耐燒蝕、防熱材料零部件、導(dǎo)彈鼻錐、發(fā)射筒以及宇航飛行器防熱零部件的專用設(shè)備,其首要功能是通過特定的機(jī)械運(yùn)動和控制,將已經(jīng)浸過樹脂膠液的布帶,按照所要求的線型規(guī)律纏繞至芯模表面,其性能水平,對纏繞制品的質(zhì)量和工作性能起著決定作用。

　　哈工大、華南理工、703 所、西工大等院所在纏繞成型工藝及工藝裝備方面進(jìn)行了相關(guān)研究,并出現(xiàn)了不同用途和功能的纏繞工藝裝備。然而未來復(fù)合材料在不同行業(yè)的大量應(yīng)用,特別是航天、航空產(chǎn)品的研制,對纏繞工藝、工藝裝備及纏繞過程中物理參數(shù)控制提出了更高的要求,尤其體現(xiàn)在影響纏繞件質(zhì)量的關(guān)鍵物理參數(shù)控制策略及匹配等方面。

1 　纏繞過程中物理參數(shù)對制品的影響

　　布帶纏繞是用耐燒蝕絕熱織物的預(yù)浸漬布帶纏繞成型零件,纏繞時對布帶施加恒定的張力,在纏繞點附近使布帶加熱,用氣缸通過壓輥以恒定的壓力將布帶滾壓在成型模胎上,纏繞后立即使布帶冷卻定型。

　　張力是指布帶從開卷到纏繞至模胎的整個成型工藝過程中受到的拉力。整個工藝過程中的張力控制是一個比較重要又難以很好解決的關(guān)鍵技術(shù),張力的大小直接關(guān)系到纏繞制品的強(qiáng)度與疲勞性能。張力過小,則制品強(qiáng)度偏低,且內(nèi)襯充壓時變形較大,導(dǎo)致疲勞性能變差;張力過大,則布帶所能承受的載荷減小,制品強(qiáng)度下降;若張力波動較大,則各層布帶初始應(yīng)力狀態(tài)不同,不能同時承載,也導(dǎo)致整個制品強(qiáng)度下降。實驗證明,如果布帶張力不穩(wěn)定或張力值不適宜,會使纏繞制品強(qiáng)度損失20 %～30 %。

　　纏繞壓力是指當(dāng)布帶纏繞至模胎時,沿徑向施加在布帶上的正壓力。壓力主要作用:增強(qiáng)浸膠布帶層間粘接和驅(qū)除氣泡效果;提高布層間的粘接強(qiáng)度和制品的致密度;防止層間褶皺以及滑移的作用。

　　加熱的目的是使預(yù)浸膠布帶上的樹脂具有一定的流動性和黏性,以利于布帶之間的粘接和樹脂的滲透,同時要避免溫度過高而導(dǎo)致樹脂提前發(fā)生膠聯(lián)反應(yīng),失去粘接作用。

　　纏繞過程中溫度、壓力、張力的數(shù)值在整個工藝過程中不斷變化,因而布帶成型系統(tǒng)是一個多變量、變參數(shù)的復(fù)雜控制系統(tǒng),對其進(jìn)行精確控制是十分困難的。此外,各參數(shù)之間的合理匹配也是決定纏繞制品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

2 數(shù)控布帶纏繞機(jī)的系統(tǒng)組成

　　多功能數(shù)控布帶纏繞機(jī)由機(jī)床本體、CNC 數(shù)控系統(tǒng)、工業(yè)控制計算機(jī)和加熱設(shè)備4 部分組成。機(jī)床本體由床頭箱(即主軸箱部件) 、尾座床身及纏繞小車(即小車床身部件) 幾部分組成,可實現(xiàn)數(shù)控兩坐標(biāo)運(yùn)動;加熱裝置可提供穩(wěn)定的、充足的室溫-200 ℃干燥熱風(fēng);數(shù)控系統(tǒng)控制機(jī)械主機(jī)的有關(guān)部件按纏繞所需要的規(guī)律運(yùn)動;工業(yè)控制計算機(jī)系統(tǒng)主要實現(xiàn)對張力、壓力、溫度等物理參數(shù)的控制、顯示、存貯及打印;LCD2 和小車操作面板用以顯示物理參數(shù)的設(shè)定值和實際值,實現(xiàn)對CNC 系統(tǒng)、熱風(fēng)、熱輥溫度調(diào)節(jié)、壓輥進(jìn)退操作、物理參數(shù)設(shè)定、工作方式切換、啟、停等操作。

　　其主要技術(shù)參數(shù)為:繞制品直徑:50～1 700mm ,最大長度:4 000 mm ,質(zhì)量:2 000 kg ;主軸轉(zhuǎn)速范圍: 0～200 r/ min (無級調(diào)速) ; 張力控制范圍:918～588 N ;壓緊輥壓力范圍:0～3 920 N ;熱壓輥表面溫度范圍: 室溫～170 ℃; 熱風(fēng)溫度范圍:室溫～200 ℃,其升溫速度不小于25 ℃/ min 。

3 數(shù)控布帶纏繞機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)方式

　　3.1 機(jī)床本體

　　由于該設(shè)備是集纏繞、切削和測量三大功能為一體的先進(jìn)設(shè)備,加之加工產(chǎn)品的尺寸變化范圍寬(直徑50～1 700 mm ,長度可達(dá)4 000 mm) ,尤其是在斜疊纏繞時,熱壓輥必須偏轉(zhuǎn)某個角度,這些因素給機(jī)床總體布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了很大困難。為此,總體布局將該設(shè)備的三大部件(主軸箱、尾座床身和小車床身部件) 設(shè)計為分體式,為加工制造和安裝調(diào)試帶來了較大方便。小車部件設(shè)計為三層結(jié)構(gòu),上層可轉(zhuǎn)動(床頭端60°,尾座45°) ,上面安裝有張力、壓力、溫度傳感器,前端可以安裝熱壓輥支架(纏繞狀態(tài)時) 或刀架(切削狀態(tài)和測量狀態(tài)共用) ,結(jié)構(gòu)小巧,使用方便。同時上層內(nèi)部裝有行程為100 mm 的氣缸組件,纏繞時使壓輥緊密壓在模胎上。小車部件縱向(z向) 由3 150 mm 長滾珠絲杠拖動; 橫向( x向) 由1 200 mm 滾珠絲杠拖動,保證了運(yùn)動范圍和傳動精度。

　　3.2 張力控制

　　布帶纏繞機(jī)的張力控制系統(tǒng)是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測量和控制部分組成的外拉式張力系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)形式對實現(xiàn)張力的高精度控制起著決定性作用。方案的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,成本低,系統(tǒng)阻尼小。但由于帶盤直徑的變化,其阻尼力矩和帶速都在變化,張力控制系統(tǒng)為時變系統(tǒng),特別是在小張力時,問題就更加突出;帶盤在開卷過程中由于膠連等因素不是勻速的,具有隨機(jī)性、振動性、不可預(yù)測性,這對控制過程的干擾很大,甚至使系統(tǒng)振蕩,增加了控制的難度,難以實現(xiàn)張力的高精度控制。

　　把磁粉離合器安裝在阻尼輪上產(chǎn)生阻尼力矩,通過直徑不變的阻尼輪使布帶獲得張力,解決了張力控制系統(tǒng)為時變系統(tǒng)這一不足;也保證了阻尼輪前的布帶處于自由狀態(tài)且?guī)ПP卷徑變化與張力控制無關(guān);阻尼輪是施力機(jī)構(gòu),避免了帶卷在非勻速開卷過程中帶來的系統(tǒng)干擾。但傳感器安裝在機(jī)構(gòu)運(yùn)動的中軸線,布帶中心與傳感器軸線共面,對機(jī)構(gòu)安裝、裝帶及布帶跑偏都提出了更高的要求。

在分析上述方案的基礎(chǔ)上,結(jié)合布帶纏繞的工藝特點及布帶纏繞機(jī)的結(jié)構(gòu)形式,將測力機(jī)構(gòu)的夾角變?yōu)? ,并采用雙傳感器裝置。該方案實現(xiàn)了平穩(wěn)放帶及張力的高精度控制,避免因零件或布帶安裝誤差而導(dǎo)致的精度下降,同時具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

　　3.3 壓力控制

　　為了在纏繞過程中保持粘接層布帶的平順,尤其在斜疊纏繞中避免布帶內(nèi)側(cè)邊(靠近芯模一側(cè)) 因變形而引起褶皺、防止層間褶皺以及滑移,這對纏繞壓力的控制精度提出了較高要求。壓力的實施方案較多,主要有液壓、電動、氣動等方式。液壓驅(qū)動速度較慢,容易造成環(huán)境污染,特別是復(fù)合材料預(yù)浸膠布帶對環(huán)境的要求更高;電動方式構(gòu)造復(fù)雜,生產(chǎn)及維護(hù)成本較高;氣動方式具有體積小、成本低、驅(qū)動及響應(yīng)速度較快的優(yōu)點,且容易實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作,為此選用綜合性能良好的氣動控制方案,并采用改進(jìn)的閉環(huán)PID 控制算法。

　　3.4 溫度控制

　　加熱裝置的作用是使預(yù)浸膠帶在纏繞到模胎前的一瞬間迅速加熱至熔柔狀態(tài),保證纏繞到模胎后致密結(jié)合,否則各層之間是分離的,不能形成一體。加熱裝置設(shè)計難點是要在碳/ 酚醛或高硅氧/ 酚醛預(yù)浸膠布帶纏繞過程中的極短時間內(nèi)加熱到膠熔狀態(tài)以便于纏繞,而且加熱溫度又不可太高,防止樹酯膠熔化或布帶燒焦。為此,將加熱裝置分為兩部分:熱風(fēng)器和熱壓輥。

　　熱風(fēng)器:為了使纏繞點周圍環(huán)境溫度達(dá)到使預(yù)浸膠帶有一定的熔柔度,在纏繞點前方設(shè)計安裝了熱風(fēng)器。熱壓輥:根據(jù)壓力、溫度對纏繞制品質(zhì)量的共同作用效果及布帶纏繞的工藝特點,將電熱管安裝在施加壓力的壓輥內(nèi)部,熱量經(jīng)熱傳導(dǎo)引起壓輥外表面升溫,使貼合在壓輥上的預(yù)浸膠帶在承受壓力的同時保持良好的熔柔狀態(tài)。熱風(fēng)器、熱壓輥溫度控制范圍為: 50 ～ 250℃,且可調(diào)。采用先進(jìn)的溫控儀及無超調(diào)PID 控制算法,對熱風(fēng)器、熱壓輥內(nèi)的電熱管產(chǎn)生的熱量進(jìn)行控制,在短時間內(nèi)無超調(diào)、無振蕩控制溫度達(dá)到設(shè)定值,既保持了膠帶的熔柔狀態(tài),又不至于燒焦布帶,使纏繞達(dá)到最佳效果。工控機(jī)通過溫控儀的RS485 通訊接口,采集當(dāng)前溫度值和發(fā)送溫度設(shè)定值,并顯示、記錄、保存。

　　3.5 張力壓力控制策略

在計算機(jī)控制系統(tǒng)中,PID 控制具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性較強(qiáng)等優(yōu)點,是應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)節(jié)規(guī)律。然而張力、壓力控制系統(tǒng)受到外界沖擊等不確定因素的影響以及本身的特性,具有嚴(yán)重非線性、時變的特點,運(yùn)用常規(guī)的PID 控制技術(shù)難以取得良好的控制效果,因此需要將常規(guī)PID 控制器與其他控制策略結(jié)合。

　　(1) 基于模糊自整定的張力控制策略張力控制系統(tǒng)具有建模困難、時變不確定等特點,故采用模糊自整定PID 控制方法進(jìn)行張力控制。根據(jù)張力控制的要求設(shè)計一個兩輸入、三輸出的模糊控制器,輸入語言變量為偏差值e及偏差變化值ec ,輸出語言變量為Δ KP,ΔKI,ΔKD(ΔKP,ΔKI,ΔKD 分別為比例KP 、積分KI 、微分KD 系數(shù)的變化量) 。輸入輸出語言變量的取值為NB,NM,NS,ZO,PS, PM , PB共7個元素,并合理設(shè)計其量化因子及比例因子。為了在簡化計算同時得到較好的控制效果,選取三角形隸屬函數(shù)作為各語言變量的隸屬函數(shù)。

　　模糊控制器設(shè)計的關(guān)鍵是基于IF...THEN...結(jié)構(gòu)的模糊控制規(guī)則的建立,其完善與否直接決定了系統(tǒng)作用效果的優(yōu)劣, PID 參數(shù)模糊自整定控制系統(tǒng)中Δ KP,KI ， KD 自整定的原則如下:

　　①當(dāng)e 較大時,說明誤差的絕對值已經(jīng)很大。不論誤差變化趨勢如何,都應(yīng)考慮控制器的輸出應(yīng)按最大(或最小) 輸出,以達(dá)到迅速調(diào)整誤差,使誤差絕對值以最大速度減小的目的。此時相當(dāng)于實施了開環(huán)控制, KP, KI, KD不參與控制過程。

　?、诋?dāng)eec >0,且︱e︱較大時,說明誤差絕對值有繼續(xù)增大的趨勢?？煽紤]通過增大KP, KI, KD實施較強(qiáng)的控制作用,以達(dá)到扭轉(zhuǎn)誤差絕對值朝減小方向變化,并迅速減小誤差絕對值。

　?、郛?dāng)eec >0,且︱e︱較小時,說明盡管誤差朝絕對值增大方向變化,但誤差絕對值本身并不很大,可考慮不改變KP, KI, KD的值,實施一般的控制作用。只要扭轉(zhuǎn)誤差的變化趨勢,使其朝誤差絕對值減小方向變化即可。

　?、墚?dāng)eec <0,且|e︱較大時,此時的主要任務(wù)是增大KP 的值以迅速減小誤差,如果此時︱e︱較小,則適當(dāng)減小KP 實施較弱的控制作用, KI,KD不參與控制過程。

　　⑤當(dāng)︱e︱很小時,說明誤差的絕對值很小,此時加入積分KI ,減小穩(wěn)態(tài)誤差。

　　基于上述整定原則及工程經(jīng)驗建立模糊規(guī)則庫及數(shù)據(jù)庫,求得輸出變量模糊子集并去模糊化,控制曲線,張力設(shè)定值為196 N ,采樣周期為100 ms ,并人為加入干擾信號。張力控制系統(tǒng)在干擾作用下產(chǎn)生的干擾峰值在4 %以內(nèi),且由沖擊產(chǎn)生的干擾信號調(diào)節(jié)時間較短,實現(xiàn)了快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)的目的,取得了較好的控制效果。

　　(2) 動態(tài)積分分離的壓力控制策略

　　提出一種動態(tài)積分分離的PID 控制算法以實現(xiàn)壓力的高精度控制,使得PID 結(jié)構(gòu)能得到充分利用,避免了常規(guī)PID 控制中由于啟動、暫停、多數(shù)量的布帶接頭或設(shè)定值增減造成的運(yùn)算積分累積。該算法從PD 到PID 結(jié)構(gòu)的變化是光滑連續(xù)的,而且簡化參數(shù)整定,達(dá)到了減少超調(diào)量、縮短調(diào)整時間的目的。

　　動態(tài)積分分離PID 算法的基本思想是:大偏差時去掉積分作用,以防系統(tǒng)穩(wěn)定性變差;小偏差時使用積分作用,以便消除靜差,提高控制精度。其算式為

　　&Delta;U ( k) = KP [ e( k) - e( k - 1) ] +&alpha;KI ( k) +KD [ e( k) - 2e( k - 1) + e( k - 2) ] (1)

　　式中:&Delta;U(k)為第k 次相對于第k-1次控制量的增量; KP 為比例系數(shù); KI為積分系數(shù), KI= KPT/TI (T為采樣周期, TI為積分時間常數(shù)) ; KD為微分系數(shù), KD = KPT/TD(TD為微分時間常數(shù))，為邏輯變量,

　　式中: r 為給定值;為預(yù)定的閥值, 一般情況下r>0 ,>0 ;為積分分離系數(shù),其整定簡單、調(diào)整裕度大,避免了由于和參數(shù)的關(guān)聯(lián)在整定上的復(fù)雜性。關(guān)于e(k) 連續(xù), 能夠?qū)崿F(xiàn)在結(jié)構(gòu)變化上的光滑連續(xù),避免了擾動,因而可以較好地描述積分分離環(huán)節(jié)。

　　由于該環(huán)節(jié)具有積分抑制作用,若在積分本來就不足的情況下加入該環(huán)節(jié),將使上升時間更長,反而不利。因此加入積分判斷環(huán)節(jié),通過對監(jiān)視偏差的變化來實現(xiàn)動態(tài)的積分分離,其判斷式為|e(k) - e(k-1) | / e (k)>,0 <&delta;< 1, 

　　壓力值設(shè)定為245 N 中可以看出,使用動態(tài)積分分離控制算法后,系統(tǒng)的上升時間和調(diào)節(jié)時間都明顯縮短,具有良好的抑制超調(diào)的效果。

　　3.6 數(shù)控及控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

　該數(shù)控布帶纏繞機(jī)采用NC 嵌入PC( PC +運(yùn)動控制器) 的開放式CNC 結(jié)構(gòu),其運(yùn)動控制和邏輯控制功能由獨(dú)立的運(yùn)動控制器完成。運(yùn)動控制器是該系統(tǒng)的核心,它是以PC硬件插件形式構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng),具有信息處理能力強(qiáng)、開放程度高、運(yùn)動軌跡控制精確、通用性好等特點,大大簡化了數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)及技術(shù)更新,方便了系統(tǒng)的安裝及維護(hù)。PMAC 的CPU 構(gòu)成主從式雙微處理器結(jié)構(gòu),兩個CPU 各自實現(xiàn)相應(yīng)的功能,同時PMAC 還開放了通信端口和結(jié)構(gòu)的大部分地址空間,因而易于實現(xiàn)通用動態(tài)連接庫同PC 的結(jié)合。其中PMAC 完成插補(bǔ)運(yùn)算,位置控制、刀補(bǔ)、速度處理以及PLC 等控制;工業(yè)控制機(jī)則通過調(diào)用相應(yīng)功能函數(shù),實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)功能及物理參數(shù)控制。

　　以纏繞運(yùn)動軌跡控制和物理參數(shù)控制為被控對象,采用工業(yè)控制機(jī)+ 運(yùn)動控制器( PMAC2PC) 所組成的專用開放式數(shù)控系統(tǒng)如圖11 所示。利用PMAC2PC 的運(yùn)動控制功能,將3 套交流伺服系統(tǒng)與PMAC2PC 的3 個通道分別相連,實現(xiàn)三軸三聯(lián)動的閉環(huán)運(yùn)動控制。通過PMAC 的I/ O接口實現(xiàn)PLC 控制功能,如行程限位控制、機(jī)床回零、機(jī)床面板操作、運(yùn)行方式設(shè)定、程序保護(hù)以及纏繞工藝所要求的邏輯控制、恒轉(zhuǎn)速運(yùn)動控制、恒定連續(xù)直線運(yùn)動控制和手動調(diào)整機(jī)床。

　　物理參數(shù)控制算法計算量大,實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)功能的控制軟件較為復(fù)雜,為此選用具有強(qiáng)大計算功能的工業(yè)控制機(jī),并以美國NI 公司的虛擬儀器編程語言Labwindows/ CVI 作為設(shè)計軟件平臺。采用多線程技術(shù),合理設(shè)計系統(tǒng)管理模塊、功能控制模塊、控制算法模塊、通訊模塊及故障診斷模塊,有效地保證了各模塊運(yùn)行在不同的線程下,既實現(xiàn)了并行控制,又保證了軟件控制的實時性。通過工業(yè)控制機(jī)的外設(shè)還可實現(xiàn)程序的輸入、編輯、物理參數(shù)的設(shè)置和狀態(tài)的實時顯示、記錄與仿真等功能。

4 結(jié)　論

　　新型多功能數(shù)控布帶纏繞機(jī)的性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計要求,某些指標(biāo)超過了原設(shè)計要求。該設(shè)備采用了功能強(qiáng)大、品質(zhì)優(yōu)良的數(shù)控系統(tǒng)、先進(jìn)的機(jī)械裝置及控制算法,既實現(xiàn)了纏繞成型過程的自動化,又保證了纏繞制品的質(zhì)量,解決了復(fù)合材料零部件成型過程的關(guān)鍵制造技術(shù)難題。所有的物理參數(shù)均實時自動顯示、記錄、打印,操作簡單,減輕了工人的勞動強(qiáng)度,提高了工作效率。該設(shè)備不僅適用于航空航天工業(yè),也可推廣到如造紙、繞線、化工等其他領(lǐng)域。