数控布带缠绕机是用碳/ 酚醛、高硅氧/ 酚醛预浸胶带缠绕固体火箭发动机喷管、耐烧蚀、防热材料零部件、导弹鼻锥、发射筒以及宇航飞行器防热零部件的专用设备,其首要功能是通过特定的机械运动和控制,将已经浸过树脂胶液的布带,按照所要求的线型规律缠绕至芯模表面,其性能水平,对缠绕制品的质量和工作性能起着决定作用。
哈工大、华南理工、703 所、西工大等院所在缠绕成型工艺及工艺装备方面进行了相关研究,并出现了不同用途和功能的缠绕工艺装备。然而未来复合材料在不同行业的大量应用,特别是航天、航空产品的研制,对缠绕工艺、工艺装备及缠绕过程中物理参数控制提出了更高的要求,尤其体现在影响缠绕件质量的关键物理参数控制策略及匹配等方面。
1 缠绕过程中物理参数对制品的影响
布带缠绕是用耐烧蚀绝热织物的预浸渍布带缠绕成型零件,缠绕时对布带施加恒定的张力,在缠绕点附近使布带加热,用气缸通过压辊以恒定的压力将布带滚压在成型模胎上,缠绕后立即使布带冷却定型。
张力是指布带从开卷到缠绕至模胎的整个成型工艺过程中受到的拉力。整个工艺过程中的张力控制是一个比较重要又难以很好解决的关键技术,张力的大小直接关系到缠绕制品的强度与疲劳性能。张力过小,则制品强度偏低,且内衬充压时变形较大,导致疲劳性能变差;张力过大,则布带所能承受的载荷减小,制品强度下降;若张力波动较大,则各层布带初始应力状态不同,不能同时承载,也导致整个制品强度下降。实验证明,如果布带张力不稳定或张力值不适宜,会使缠绕制品强度损失20 %～30 %。
缠绕压力是指当布带缠绕至模胎时,沿径向施加在布带上的正压力。压力主要作用:增强浸胶布带层间粘接和驱除气泡效果;提高布层间的粘接强度和制品的致密度;防止层间褶皱以及滑移的作用。
加热的目的是使预浸胶布带上的树脂具有一定的流动性和黏性,以利于布带之间的粘接和树脂的渗透,同时要避免温度过高而导致树脂提前发生胶联反应,失去粘接作用。
缠绕过程中温度、压力、张力的数值在整个工艺过程中不断变化,因而布带成型系统是一个多变量、变参数的复杂控制系统,对其进行精确控制是十分困难的。此外,各参数之间的合理匹配也是决定缠绕制品质量的关键因素。
2 数控布带缠绕机的系统组成
多功能数控布带缠绕机由机床本体、CNC 数控系统、工业控制计算机和加热设备4 部分组成。机床本体由床头箱(即主轴箱部件) 、尾座床身及缠绕小车(即小车床身部件) 几部分组成,可实现数控两坐标运动;加热装置可提供稳定的、充足的室温-200 ℃干燥热风;数控系统控制机械主机的有关部件按缠绕所需要的规律运动;工业控制计算机系统主要实现对张力、压力、温度等物理参数的控制、显示、存贮及打印;LCD2 和小车操作面板用以显示物理参数的设定值和实际值,实现对CNC 系统、热风、热辊温度调节、压辊进退操作、物理参数设定、工作方式切换、启、停等操作。
其主要技术参数为:绕制品直径:50～1 700mm ,最大长度:4 000 mm ,质量:2 000 kg ;主轴转速范围: 0～200 r/ min (无级调速) ; 张力控制范围:918～588 N ;压紧辊压力范围:0～3 920 N ;热压辊表面温度范围: 室温～170 ℃; 热风温度范围:室温～200 ℃,其升温速度不小于25 ℃/ min 。
3 数控布带缠绕机的关键技术及实现方式
3.1 机床本体
由于该设备是集缠绕、切削和测量三大功能为一体的先进设备,加之加工产品的尺寸变化范围宽(直径50～1 700 mm ,长度可达4 000 mm) ,尤其是在斜叠缠绕时,热压辊必须偏转某个角度,这些因素给机床总体布局和结构设计带来了很大困难。为此,总体布局将该设备的三大部件(主轴箱、尾座床身和小车床身部件) 设计为分体式,为加工制造和安装调试带来了较大方便。小车部件设计为三层结构,上层可转动(床头端60°,尾座45°) ,上面安装有张力、压力、温度传感器,前端可以安装热压辊支架(缠绕状态时) 或刀架(切削状态和测量状态共用) ,结构小巧,使用方便。同时上层内部装有行程为100 mm 的气缸组件,缠绕时使压辊紧密压在模胎上。小车部件纵向(z向) 由3 150 mm 长滚珠丝杠拖动; 横向( x向) 由1 200 mm 滚珠丝杠拖动,保证了运动范围和传动精度。
3.2 张力控制
布带缠绕机的张力控制系统是由执行机构、测量和控制部分组成的外拉式张力系统,其结构形式对实现张力的高精度控制起着决定性作用。方案的优点是结构简单,成本低,系统阻尼小。但由于带盘直径的变化,其阻尼力矩和带速都在变化,张力控制系统为时变系统,特别是在小张力时,问题就更加突出;带盘在开卷过程中由于胶连等因素不是匀速的,具有随机性、振动性、不可预测性,这对控制过程的干扰很大,甚至使系统振荡,增加了控制的难度,难以实现张力的高精度控制。
把磁粉离合器安装在阻尼轮上产生阻尼力矩,通过直径不变的阻尼轮使布带获得张力,解决了张力控制系统为时变系统这一不足;也保证了阻尼轮前的布带处于自由状态且带盘卷径变化与张力控制无关;阻尼轮是施力机构,避免了带卷在非匀速开卷过程中带来的系统干扰。但传感器安装在机构运动的中轴线,布带中心与传感器轴线共面,对机构安装、装带及布带跑偏都提出了更高的要求。
在分析上述方案的基础上,结合布带缠绕的工艺特点及布带缠绕机的结构形式,将测力机构的夹角变为0 ,并采用双传感器装置。该方案实现了平稳放带及张力的高精度控制,避免因零件或布带安装误差而导致的精度下降,同时具有很强的抗干扰能力。
3.3 压力控制
为了在缠绕过程中保持粘接层布带的平顺,尤其在斜叠缠绕中避免布带内侧边(靠近芯模一侧) 因变形而引起褶皱、防止层间褶皱以及滑移,这对缠绕压力的控制精度提出了较高要求。压力的实施方案较多,主要有液压、电动、气动等方式。液压驱动速度较慢,容易造成环境污染,特别是复合材料预浸胶布带对环境的要求更高;电动方式构造复杂,生产及维护成本较高;气动方式具有体积小、成本低、驱动及响应速度较快的优点,且容易实现远程操作,为此选用综合性能良好的气动控制方案,并采用改进的闭环PID 控制算法。
3.4 温度控制
加热装置的作用是使预浸胶带在缠绕到模胎前的一瞬间迅速加热至熔柔状态,保证缠绕到模胎后致密结合,否则各层之间是分离的,不能形成一体。加热装置设计难点是要在碳/ 酚醛或高硅氧/ 酚醛预浸胶布带缠绕过程中的极短时间内加热到胶熔状态以便于缠绕,而且加热温度又不可太高,防止树酯胶熔化或布带烧焦。为此,将加热装置分为两部分:热风器和热压辊。
热风器:为了使缠绕点周围环境温度达到使预浸胶带有一定的熔柔度,在缠绕点前方设计安装了热风器。热压辊:根据压力、温度对缠绕制品质量的共同作用效果及布带缠绕的工艺特点,将电热管安装在施加压力的压辊内部,热量经热传导引起压辊外表面升温,使贴合在压辊上的预浸胶带在承受压力的同时保持良好的熔柔状态。热风器、热压辊温度控制范围为: 50 ～ 250℃,且可调。采用先进的温控仪及无超调PID 控制算法,对热风器、热压辊内的电热管产生的热量进行控制,在短时间内无超调、无振荡控制温度达到设定值,既保持了胶带的熔柔状态,又不至于烧焦布带,使缠绕达到最佳效果。工控机通过温控仪的RS485 通讯接口,采集当前温度值和发送温度设定值,并显示、记录、保存。
3.5 张力压力控制策略
在计算机控制系统中,PID 控制具有成本低、结构简单、鲁棒性较强等优点,是应用最广泛的一种调节规律。然而张力、压力控制系统受到外界冲击等不确定因素的影响以及本身的特性,具有严重非线性、时变的特点,运用常规的PID 控制技术难以取得良好的控制效果,因此需要将常规PID 控制器与其他控制策略结合。
(1) 基于模糊自整定的张力控制策略张力控制系统具有建模困难、时变不确定等特点,故采用模糊自整定PID 控制方法进行张力控制。根据张力控制的要求设计一个两输入、三输出的模糊控制器,输入语言变量为偏差值e及偏差变化值ec ,输出语言变量为Δ KP,ΔKI,ΔKD(ΔKP,ΔKI,ΔKD 分别为比例KP 、积分KI 、微分KD 系数的变化量) 。输入输出语言变量的取值为NB,NM,NS,ZO,PS, PM , PB共7个元素,并合理设计其量化因子及比例因子。为了在简化计算同时得到较好的控制效果,选取三角形隶属函数作为各语言变量的隶属函数。
模糊控制器设计的关键是基于IF...THEN...结构的模糊控制规则的建立,其完善与否直接决定了系统作用效果的优劣, PID 参数模糊自整定控制系统中Δ KP,KI ， KD 自整定的原则如下:
①当e 较大时,说明误差的绝对值已经很大。不论误差变化趋势如何,都应考虑控制器的输出应按最大(或最小) 输出,以达到迅速调整误差,使误差绝对值以最大速度减小的目的。此时相当于实施了开环控制, KP, KI, KD不参与控制过程。
②当eec >0,且︱e︱较大时,说明误差绝对值有继续增大的趋势。可考虑通过增大KP, KI, KD实施较强的控制作用,以达到扭转误差绝对值朝减小方向变化,并迅速减小误差绝对值。
③当eec >0,且︱e︱较小时,说明尽管误差朝绝对值增大方向变化,但误差绝对值本身并不很大,可考虑不改变KP, KI, KD的值,实施一般的控制作用。只要扭转误差的变化趋势,使其朝误差绝对值减小方向变化即可。
④当eec <0,且|e︱较大时,此时的主要任务是增大KP 的值以迅速减小误差,如果此时︱e︱较小,则适当减小KP 实施较弱的控制作用, KI,KD不参与控制过程。
⑤当︱e︱很小时,说明误差的绝对值很小,此时加入积分KI ,减小稳态误差。
基于上述整定原则及工程经验建立模糊规则库及数据库,求得输出变量模糊子集并去模糊化,控制曲线,张力设定值为196 N ,采样周期为100 ms ,并人为加入干扰信号。张力控制系统在干扰作用下产生的干扰峰值在4 %以内,且由冲击产生的干扰信号调节时间较短,实现了快速稳定调节的目的,取得了较好的控制效果。
(2) 动态积分分离的压力控制策略
提出一种动态积分分离的PID 控制算法以实现压力的高精度控制,使得PID 结构能得到充分利用,避免了常规PID 控制中由于启动、暂停、多数量的布带接头或设定值增减造成的运算积分累积。该算法从PD 到PID 结构的变化是光滑连续的,而且简化参数整定,达到了减少超调量、缩短调整时间的目的。
动态积分分离PID 算法的基本思想是:大偏差时去掉积分作用,以防系统稳定性变差;小偏差时使用积分作用,以便消除静差,提高控制精度。其算式为
ΔU ( k) = KP [ e( k) - e( k - 1) ] +αKI ( k) +KD [ e( k) - 2e( k - 1) + e( k - 2) ] (1)
式中:ΔU(k)为第k 次相对于第k-1次控制量的增量; KP 为比例系数; KI为积分系数, KI= KPT/TI (T为采样周期, TI为积分时间常数) ; KD为微分系数, KD = KPT/TD(TD为微分时间常数)，为逻辑变量,
式中: r 为给定值;为预定的阀值, 一般情况下r>0 ,>0 ;为积分分离系数,其整定简单、调整裕度大,避免了由于和参数的关联在整定上的复杂性。关于e(k) 连续, 能够实现在结构变化上的光滑连续,避免了扰动,因而可以较好地描述积分分离环节。
由于该环节具有积分抑制作用,若在积分本来就不足的情况下加入该环节,将使上升时间更长,反而不利。因此加入积分判断环节,通过对监视偏差的变化来实现动态的积分分离,其判断式为|e(k) - e(k-1) | / e (k)>,0 <δ< 1,
压力值设定为245 N 中可以看出,使用动态积分分离控制算法后,系统的上升时间和调节时间都明显缩短,具有良好的抑制超调的效果。
3.6 数控及控制系统的实现
该数控布带缠绕机采用NC 嵌入PC( PC +运动控制器) 的开放式CNC 结构,其运动控制和逻辑控制功能由独立的运动控制器完成。运动控制器是该系统的核心,它是以PC硬件插件形式构成数控系统,具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制精确、通用性好等特点,大大简化了数控系统的开发及技术更新,方便了系统的安装及维护。PMAC 的CPU 构成主从式双微处理器结构,两个CPU 各自实现相应的功能,同时PMAC 还开放了通信端口和结构的大部分地址空间,因而易于实现通用动态连接库同PC 的结合。其中PMAC 完成插补运算,位置控制、刀补、速度处理以及PLC 等控制;工业控制机则通过调用相应功能函数,实现数控系统功能及物理参数控制。
以缠绕运动轨迹控制和物理参数控制为被控对象,采用工业控制机+ 运动控制器( PMAC2PC) 所组成的专用开放式数控系统如图11 所示。利用PMAC2PC 的运动控制功能,将3 套交流伺服系统与PMAC2PC 的3 个通道分别相连,实现三轴三联动的闭环运动控制。通过PMAC 的I/ O接口实现PLC 控制功能,如行程限位控制、机床回零、机床面板操作、运行方式设定、程序保护以及缠绕工艺所要求的逻辑控制、恒转速运动控制、恒定连续直线运动控制和手动调整机床。
物理参数控制算法计算量大,实现数控系统功能的控制软件较为复杂,为此选用具有强大计算功能的工业控制机,并以美国NI 公司的虚拟仪器编程语言Labwindows/ CVI 作为设计软件平台。采用多线程技术,合理设计系统管理模块、功能控制模块、控制算法模块、通讯模块及故障诊断模块,有效地保证了各模块运行在不同的线程下,既实现了并行控制,又保证了软件控制的实时性。通过工业控制机的外设还可实现程序的输入、编辑、物理参数的设置和状态的实时显示、记录与仿真等功能。
4 结 论
新型多功能数控布带缠绕机的性能指标均达到了设计要求,某些指标超过了原设计要求。该设备采用了功能强大、品质优良的数控系统、先进的机械装置及控制算法,既实现了缠绕成型过程的自动化,又保证了缠绕制品的质量,解决了复合材料零部件成型过程的关键制造技术难题。所有的物理参数均实时自动显示、记录、打印,操作简单,减轻了工人的劳动强度,提高了工作效率。该设备不仅适用于航空航天工业,也可推广到如造纸、绕线、化工等其他领域。
(审核编辑: 智汇张瑜)
