四自由度数控缠绕机控制系统设计

发布时间：2017-07-28 08:40

第 1 章 绪论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

纤维复合材料主要以玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维为主，具有耐腐蚀、比强度高、可设计性强、易成型等特点。多年来纤维复合材料在化工行业、建筑行业、新能源产业、土木工程行业及航天领域等均有广泛应用[1-3]。具有一定的纤维张力是缠绕成型工艺的必要条件，缠绕机按照预设的线型规律将浸满树脂胶液的纱线缠绕在芯模上，在缠绕结束后经过固化和脱模从而获得纤维制品的过程[4]。维缠绕制品除了具有复合材料的共同特点外，由于缠绕结构的方向强度比可根据结构要求而定，使其各部位载荷要求的强度与各部位材料提供的实际强度相适应，因而可设计成能充分发挥材料效率的结构[5]。

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1.2 国内外纤维缠绕机的发展状况及发展趋势

上世纪四十年代初机械式缠绕机发展迅速，美国人将其应用到制导系统、航天设备等领域[10]。Kellog 公司于 1947 年研发出世界上首台缠绕机，并成功缠绕了火箭发动机壳体。此后机械式缠绕机的产品越来越大，型号越来越多，如EnTec公司研制了 400型缠绕机及Mcclean Andrson公司研制了 W-2型缠绕机[11]。该类缠绕机的结构以“主轴+小车”的形式组成，其传动方式以“链条+齿轮”的形式实现。齿轮间的传动可以改变主轴和小车之间的速度比，通过改变链条的长短可以改变小车的行程。由于机械式缠绕机受机械结构的影响，因此缠绕的纤维制品精度较低[12-14]。

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第 2 章 缠绕机的缠绕轨迹分析及优化

2.1 轴对称回转体芯模轨迹设计

在本文设计的四自由度缠绕机控制系统中，主要对轴对称回转体芯模进行轨迹设计，其中间筒身段为圆柱型，而两端封头分别为圆球、椭圆、圆台。纱线通过装满胶液的胶槽，，跟随导丝头的往复运动均匀的缠绕在芯模表面。

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2.2 缠绕角优化

在实际缠绕过程中，需要根据缠绕芯模的尺寸和工艺参数对缠绕角进行计算。如果缠绕角设置不合理会导致滑纱、端部大头等现象。所以本文提出一种缠绕角的优化方法，即先计算出预设缠绕角缠绕时的芯模转角，然后根据纤维均匀布满的稳定条件对缠绕角进行优化。

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第 3 章 缠绕机控制系统硬件设计................19

3.1 缠绕机机械结构及工作原理...............19

3.2 控制系统硬件方案设计...............21

第 4 章 缠绕机控制系统软件设计................28

4.1 控制系统软件结构设计................28

4.2 缠绕机上位机软件设计...............29

第 5 章 缠绕实验及分析...............38

5.1 缠绕机实验设备介绍................38

5.2 实验及分析................39

第 5 章 缠绕实验及分析

5.1 缠绕机实验设备介绍

本次实验所用的四自由度缠绕机设备，由哈尔滨理工大学机电控制及自动化控制研究所开发的龙门式缠绕机。如图 5-1 所示。该缠绕机具体参数：主轴转速范围 0-100 rpm/min；纤维张力控制为 40-60N；最大出纱速度为 180 m/min；缠绕直径 1-1000mm；小车行程 0-4500mm；伸臂行程为 0-600mm；丝嘴旋转范围为±180°。

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5.2 实验及分析

本实验利用四自由度缠绕机上位机缠绕软件对芯模进行线型设计与优化，本实验所用芯模为轴对称回转体容器，其封头截面为圆、筒身段为圆柱型的容器，其模型图如图 5-2 所示。

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结论

缠绕机是复合材料制品成型的核心设备。二、三自由度的缠绕机由于采用“主轴跟随”的缠绕方式，容易对控制系统精度造成影响。四自由度数控缠绕机虽然利用集成数控系统但是其不但价格昂贵并且很难进行二次开发。为了解决这些问题，本文设计了四自由度开放式数控缠绕机控制系统，论文所做工作归纳如下：1. 通过对轴对称回转体芯模进行分析，利用微分几何原理分别对轴对称回转体芯模的封头和筒身段的芯模转角公式进行推导。建立回转体芯模的落纱点极坐标方程，利用落纱点的极坐标与悬纱的单位切向量对导丝头的运动方程进行求解。最后根据纤维均匀布满的稳定条件对预设缠绕角进行优化。

参考文献（略）

本文编号：583102