數控布帶纏繞機是用碳/ 酚醛、高硅氧/ 酚醛預浸膠帶纏繞固體火箭發動機噴管、耐燒蝕、防熱材料零部件、導彈鼻錐、發射筒以及宇航飛行器防熱零部件的專用設備,其首要功能是通過特定的機械運動和控制,將已經浸過樹脂膠液的布帶,按照所要求的線型規律纏繞至芯模表面,其性能水平,對纏繞制品的質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行了相關研究,并出現了不同用途和功能的纏繞工藝裝備。然而未來復合材料在不同行業的大量應用,特別是航天、航空產品的研制,對纏繞工藝、工藝裝備及纏繞過程中物理參數控制提出了更高的要求,尤其體現在影響纏繞件質量的關鍵物理參數控制策略及匹配等方面。

1 　纏繞過程中物理參數對制品的影響

　　布帶纏繞是用耐燒蝕絕熱織物的預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鍵技術,張力的大小直接關系到纏繞制品的強度與疲勞性能。張力過小,則制品強度偏低,且內襯充壓時變形較大,導致疲勞性能變差;張力過大,則布帶所能承受的載荷減小,制品強度下降;若張力波動較大,則各層布帶初始應力狀態不同,不能同時承載,也導致整個制品強度下降。實驗證明,如果布帶張力不穩定或張力值不適宜,會使纏繞制品強度損失20 %～30 %。

　　纏繞壓力是指當布帶纏繞至模胎時,沿徑向施加在布帶上的正壓力。壓力主要作用:增強浸膠布帶層間粘接和驅除氣泡效果;提高布層間的粘接強度和制品的致密度;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致樹脂提前發生膠聯反應,失去粘接作用。

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

2 數控布帶纏繞機的系統組成

　　多功能數控布帶纏繞機由機床本體、CNC 數控系統、工業控制計算機和加熱設備4 部分組成。機床本體由床頭箱(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,可實現數控兩坐標運動;加熱裝置可提供穩定的、充足的室溫-200 ℃干燥熱風;數控系統控制機械主機的有關部件按纏繞所需要的規律運動;工業控制計算機系統主要實現對張力、壓力、溫度等物理參數的控制、顯示、存貯及打印;LCD2 和小車操作面板用以顯示物理參數的設定值和實際值,實現對CNC 系統、熱風、熱輥溫度調節、壓輥進退操作、物理參數設定、工作方式切換、啟、停等操作。

　　其主要技術參數為:繞制品直徑:50～1 700mm ,最大長度:4 000 mm ,質量:2 000 kg ;主軸轉速范圍: 0～200 r/ min (無級調速) ; 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 ℃; 熱風溫度范圍:室溫～200 ℃,其升溫速度不小于25 ℃/ min 。

3 數控布帶纏繞機的關鍵技術及實現方式

　　3.1 機床本體

　　由于該設備是集纏繞、切削和測量三大功能為一體的先進設備,加之加工產品的尺寸變化范圍寬(直徑50～1 700 mm ,長度可達4 000 mm) ,尤其是在斜疊纏繞時,熱壓輥必須偏轉某個角度,這些因素給機床總體布局和結構設計帶來了很大困難。為此,總體布局將該設備的三大部件(主軸箱、尾座床身和小車床身部件) 設計為分體式,為加工制造和安裝調試帶來了較大方便。小車部件設計為三層結構,上層可轉動(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(纏繞狀態時) 或刀架(切削狀態和測量狀態共用) ,結構小巧,使用方便。同時上層內部裝有行程為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,保證了運動范圍和傳動精度。

　　3.2 張力控制

　　布帶纏繞機的張力控制系統是由執行機構、測量和控制部分組成的外拉式張力系統,其結構形式對實現張力的高精度控制起著決定性作用。方案的優點是結構簡單,成本低,系統阻尼小。但由于帶盤直徑的變化,其阻尼力矩和帶速都在變化,張力控制系統為時變系統,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,具有隨機性、振動性、不可預測性,這對控制過程的干擾很大,甚至使系統振蕩,增加了控制的難度,難以實現張力的高精度控制。

　　把磁粉離合器安裝在阻尼輪上產生阻尼力矩,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為時變系統這一不足;也保證了阻尼輪前的布帶處于自由狀態且帶盤卷徑變化與張力控制無關;阻尼輪是施力機構,避免了帶卷在非勻速開卷過程中帶來的系統干擾。但傳感器安裝在機構運動的中軸線,布帶中心與傳感器軸線共面,對機構安裝、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上,結合布帶纏繞的工藝特點及布帶纏繞機的結構形式,將測力機構的夾角變為0 ,并采用雙傳感器裝置。該方案實現了平穩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致的精度下降,同時具有很強的抗干擾能力。

　　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側邊(靠近芯模一側) 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。液壓驅動速度較慢,容易造成環境污染,特別是復合材料預浸膠布帶對環境的要求更高;電動方式構造復雜,生產及維護成本較高;氣動方式具有體積小、成本低、驅動及響應速度較快的優點,且容易實現遠程操作,為此選用綜合性能良好的氣動控制方案,并采用改進的閉環PID 控制算法。

　　3.4 溫度控制

　　加熱裝置的作用是使預浸膠帶在纏繞到模胎前的一瞬間迅速加熱至熔柔狀態,保證纏繞到模胎后致密結合,否則各層之間是分離的,不能形成一體。加熱裝置設計難點是要在碳/ 酚醛或高硅氧/ 酚醛預浸膠布帶纏繞過程中的極短時間內加熱到膠熔狀態以便于纏繞,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:熱風器和熱壓輥。

　　熱風器:為了使纏繞點周圍環境溫度達到使預浸膠帶有一定的熔柔度,在纏繞點前方設計安裝了熱風器。熱壓輥:根據壓力、溫度對纏繞制品質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部,熱量經熱傳導引起壓輥外表面升溫,使貼合在壓輥上的預浸膠帶在承受壓力的同時保持良好的熔柔狀態。熱風器、熱壓輥溫度控制范圍為: 50 ～ 250℃,且可調。采用先進的溫控儀及無超調PID 控制算法,對熱風器、熱壓輥內的電熱管產生的熱量進行控制,在短時間內無超調、無振蕩控制溫度達到設定值,既保持了膠帶的熔柔狀態,又不至于燒焦布帶,使纏繞達到最佳效果。工控機通過溫控儀的RS485 通訊接口,采集當前溫度值和發送溫度設定值,并顯示、記錄、保存。

　　3.5 張力壓力控制策略

在計算機控制系統中,PID 控制具有成本低、結構簡單、魯棒性較強等優點,是應用最廣泛的一種調節規律。然而張力、壓力控制系統受到外界沖擊等不確定因素的影響以及本身的特性,具有嚴重非線性、時變的特點,運用常規的PID 控制技術難以取得良好的控制效果,因此需要將常規PID 控制器與其他控制策略結合。

　　(1) 基于模糊自整定的張力控制策略張力控制系統具有建模困難、時變不確定等特點,故采用模糊自整定PID 控制方法進行張力控制。根據張力控制的要求設計一個兩輸入、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作為各語言變量的隸屬函數。

　　模糊控制器設計的關鍵是基于IF...THEN...結構的模糊控制規則的建立,其完善與否直接決定了系統作用效果的優劣, PID 參數模糊自整定控制系統中Δ KP,KI ， KD 自整定的原則如下:

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

　　②當eec >0,且︱e︱較大時,說明誤差絕對值有繼續增大的趨勢。可考慮通過增大KP, KI, KD實施較強的控制作用,以達到扭轉誤差絕對值朝減小方向變化,并迅速減小誤差絕對值。

　　③當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。只要扭轉誤差的變化趨勢,使其朝誤差絕對值減小方向變化即可。

　　④當eec <0,且|e︱較大時,此時的主要任務是增大KP 的值以迅速減小誤差,如果此時︱e︱較小,則適當減小KP 實施較弱的控制作用, KI,KD不參與控制過程。

　　⑤當︱e︱很小時,說明誤差的絕對值很小,此時加入積分KI ,減小穩態誤差。

　　基于上述整定原則及工程經驗建立模糊規則庫及數據庫,求得輸出變量模糊子集并去模糊化,控制曲線,張力設定值為196 N ,采樣周期為100 ms ,并人為加入干擾信號。張力控制系統在干擾作用下產生的干擾峰值在4 %以內,且由沖擊產生的干擾信號調節時間較短,實現了快速穩定調節的目的,取得了較好的控制效果。

　　(2) 動態積分分離的壓力控制策略

　　提出一種動態積分分離的PID 控制算法以實現壓力的高精度控制,使得PID 結構能得到充分利用,避免了常規PID 控制中由于啟動、暫停、多數量的布帶接頭或設定值增減造成的運算積分累積。該算法從PD 到PID 結構的變化是光滑連續的,而且簡化參數整定,達到了減少超調量、縮短調整時間的目的。

　　動態積分分離PID 算法的基本思想是:大偏差時去掉積分作用,以防系統穩定性變差;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; KI為積分系數, KI= KPT/TI (T為采樣周期, TI為積分時間常數) ; KD為微分系數, KD = KPT/TD(TD為微分時間常數)，為邏輯變量,

　　式中: r 為給定值;為預定的閥值, 一般情況下r>0 ,>0 ;為積分分離系數,其整定簡單、調整裕度大,避免了由于和參數的關聯在整定上的復雜性。關于e(k) 連續, 能夠實現在結構變化上的光滑連續,避免了擾動,因而可以較好地描述積分分離環節。

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

　　壓力值設定為245 N 中可以看出,使用動態積分分離控制算法后,系統的上升時間和調節時間都明顯縮短,具有良好的抑制超調的效果。

　　3.6 數控及控制系統的實現

　該數控布帶纏繞機采用NC 嵌入PC( PC +運動控制器) 的開放式CNC 結構,其運動控制和邏輯控制功能由獨立的運動控制器完成。運動控制器是該系統的核心,它是以PC硬件插件形式構成數控系統,具有信息處理能力強、開放程度高、運動軌跡控制精確、通用性好等特點,大大簡化了數控系統的開發及技術更新,方便了系統的安裝及維護。PMAC 的CPU 構成主從式雙微處理器結構,兩個CPU 各自實現相應的功能,同時PMAC 還開放了通信端口和結構的大部分地址空間,因而易于實現通用動態連接庫同PC 的結合。其中PMAC 完成插補運算,位置控制、刀補、速度處理以及PLC 等控制;工業控制機則通過調用相應功能函數,實現數控系統功能及物理參數控制。

　　以纏繞運動軌跡控制和物理參數控制為被控對象,采用工業控制機+ 運動控制器( PMAC2PC) 所組成的專用開放式數控系統如圖11 所示。利用PMAC2PC 的運動控制功能,將3 套交流伺服系統與PMAC2PC 的3 個通道分別相連,實現三軸三聯動的閉環運動控制。通過PMAC 的I/ O接口實現PLC 控制功能,如行程限位控制、機床回零、機床面板操作、運行方式設定、程序保護以及纏繞工藝所要求的邏輯控制、恒轉速運動控制、恒定連續直線運動控制和手動調整機床。

　　物理參數控制算法計算量大,實現數控系統功能的控制軟件較為復雜,為此選用具有強大計算功能的工業控制機,并以美國NI 公司的虛擬儀器編程語言Labwindows/ CVI 作為設計軟件平臺。采用多線程技術,合理設計系統管理模塊、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行在不同的線程下,既實現了并行控制,又保證了軟件控制的實時性。通過工業控制機的外設還可實現程序的輸入、編輯、物理參數的設置和狀態的實時顯示、記錄與仿真等功能。

4 結　論

　　新型多功能數控布帶纏繞機的性能指標均達到了設計要求,某些指標超過了原設計要求。該設備采用了功能強大、品質優良的數控系統、先進的機械裝置及控制算法,既實現了纏繞成型過程的自動化,又保證了纏繞制品的質量,解決了復合材料零部件成型過程的關鍵制造技術難題。所有的物理參數均實時自動顯示、記錄、打印,操作簡單,減輕了工人的勞動強度,提高了工作效率。該設備不僅適用于航空航天工業,也可推廣到如造紙、繞線、化工等其他領域。