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(dòng)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(guò)特定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)和控制,將已經(jīng)浸過(guò)樹(shù)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(duì)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(lái)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(duì)纏繞工藝、工藝裝備及纏繞過(guò)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(guò)程中物理參數(shù)對(duì)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(shí)對(duì)布帶施加恒定的張力,在纏繞點(diǎn)附近使布帶加熱,用氣缸通過(guò)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(kāi)卷到纏繞至模胎的整個(gè)成型工藝過(guò)程中受到的拉力。整個(gè)工藝過(guò)程中的張力控制是一個(gè)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(guò)小,則制品強(qiáng)度偏低,且內(nèi)襯充壓時(shí)變形較大,導(dǎo)致疲勞性能變差;張力過(guò)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(dòng)較大,則各層布帶初始應(yīng)力狀態(tài)不同,不能同時(shí)承載,也導(dǎo)致整個(gè)制品強(qiáng)度下降。實(shí)驗(yàn)證明,如果布帶張力不穩(wěn)定或張力值不適宜,會(huì)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(shí),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(shù)脂具有一定的流動(dòng)性和黏性,以利于布帶之間的粘接和樹(shù)脂的滲透,同時(shí)要避免溫度過(guò)高而導(dǎo)致樹(shù)脂提前發(fā)生膠聯(lián)反應(yīng),失去粘接作用。

　　纏繞過(guò)程中溫度、壓力、張力的數(shù)值在整個(gè)工藝過(guò)程中不斷變化,因而布帶成型系統(tǒng)是一個(gè)多變量、變參數(shù)的復(fù)雜控制系統(tǒng),對(duì)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(jì)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(shí)現(xiàn)數(shù)控兩坐標(biāo)運(yùn)動(dòng);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(dòng);工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)際值,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(zhǎng)度:4 000 mm ,質(zhì)量:2 000 kg ;主軸轉(zhuǎn)速范圍: 0～200 r/ min (無(wú)級(jí)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(shí)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(cè)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(zhǎng)度可達(dá)4 000 mm) ,尤其是在斜疊纏繞時(shí),熱壓輥必須偏轉(zhuǎn)某個(gè)角度,這些因素給機(jī)床總體布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)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(jì)為分體式,為加工制造和安裝調(diào)試帶來(lái)了較大方便。小車部件設(shè)計(jì)為三層結(jié)構(gòu),上層可轉(zhuǎn)動(dòng)(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(shí)) 或刀架(切削狀態(tài)和測(cè)量狀態(tài)共用) ,結(jié)構(gòu)小巧,使用方便。同時(shí)上層內(nèi)部裝有行程為100 mm 的氣缸組件,纏繞時(shí)使壓輥緊密壓在模胎上。小車部件縱向(z向) 由3 150 mm 長(zhǎng)滾珠絲杠拖動(dòng); 橫向( x向) 由1 200 mm 滾珠絲杠拖動(dòng),保證了運(yùn)動(dòng)范圍和傳動(dòng)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(cè)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(duì)實(shí)現(xiàn)張力的高精度控制起著決定性作用。方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,系統(tǒng)阻尼小。但由于帶盤(pán)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(shí)變系統(tǒng),特別是在小張力時(shí),問(wèn)題就更加突出;帶盤(pán)在開(kāi)卷過(guò)程中由于膠連等因素不是勻速的,具有隨機(jī)性、振動(dòng)性、不可預(yù)測(cè)性,這對(duì)控制過(guò)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(shí)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(guò)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(shí)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(pán)卷徑變化與張力控制無(wú)關(guān);阻尼輪是施力機(jī)構(gòu),避免了帶卷在非勻速開(kāi)卷過(guò)程中帶來(lái)的系統(tǒng)干擾。但傳感器安裝在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的中軸線,布帶中心與傳感器軸線共面,對(duì)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(diǎn)及布帶纏繞機(jī)的結(jié)構(gòu)形式,將測(cè)力機(jī)構(gòu)的夾角變?yōu)? ,并采用雙傳感器裝置。該方案實(shí)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(shí)具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

　　3.3 壓力控制

　　為了在纏繞過(guò)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(duì)纏繞壓力的控制精度提出了較高要求。壓力的實(shí)施方案較多,主要有液壓、電動(dòng)、氣動(dòng)等方式。液壓驅(qū)動(dòng)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(duì)環(huán)境的要求更高;電動(dòng)方式構(gòu)造復(fù)雜,生產(chǎn)及維護(hù)成本較高;氣動(dòng)方式具有體積小、成本低、驅(qū)動(dòng)及響應(yīng)速度較快的優(yōu)點(diǎn),且容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作,為此選用綜合性能良好的氣動(dòng)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(jì)難點(diǎn)是要在碳/ 酚醛或高硅氧/ 酚醛預(yù)浸膠布帶纏繞過(guò)程中的極短時(shí)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(shù)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(diǎn)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(diǎn)前方設(shè)計(jì)安裝了熱風(fēng)器。熱壓輥:根據(jù)壓力、溫度對(duì)纏繞制品質(zhì)量的共同作用效果及布帶纏繞的工藝特點(diǎn),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(shí)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(wú)超調(diào)PID 控制算法,對(duì)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(shí)間內(nèi)無(wú)超調(diào)、無(wú)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(guò)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中,PID 控制具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),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(shí)變的特點(diǎn),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(shí)變不確定等特點(diǎn),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(jì)一個(gè)兩輸入、三輸出的模糊控制器,輸入語(yǔ)言變量為偏差值e及偏差變化值ec ,輸出語(yǔ)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(yǔ)言變量的取值為NB,NM,NS,ZO,PS, PM , PB共7個(gè)元素,并合理設(shè)計(jì)其量化因子及比例因子。為了在簡(jiǎn)化計(jì)算同時(shí)得到較好的控制效果,選取三角形隸屬函數(shù)作為各語(yǔ)言變量的隸屬函數(shù)。

　　模糊控制器設(shè)計(jì)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:

　?、佼?dāng)e 較大時(shí),說(shuō)明誤差的絕對(duì)值已經(jīng)很大。不論誤差變化趨勢(shì)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(duì)值以最大速度減小的目的。此時(shí)相當(dāng)于實(shí)施了開(kāi)環(huán)控制, KP, KI, KD不參與控制過(guò)程。

　?、诋?dāng)eec >0,且︱e︱較大時(shí),說(shuō)明誤差絕對(duì)值有繼續(xù)增大的趨勢(shì)。可考慮通過(guò)增大KP, KI, KD實(shí)施較強(qiáng)的控制作用,以達(dá)到扭轉(zhuǎn)誤差絕對(duì)值朝減小方向變化,并迅速減小誤差絕對(duì)值。

　　③當(dāng)eec >0,且︱e︱較小時(shí),說(shuō)明盡管誤差朝絕對(duì)值增大方向變化,但誤差絕對(duì)值本身并不很大,可考慮不改變KP, KI, KD的值,實(shí)施一般的控制作用。只要扭轉(zhuǎn)誤差的變化趨勢(shì),使其朝誤差絕對(duì)值減小方向變化即可。

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

　?、莓?dāng)︱e︱很小時(shí),說(shuō)明誤差的絕對(duì)值很小,此時(shí)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(yàn)建立模糊規(guī)則庫(kù)及數(shù)據(jù)庫(kù),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(hào)。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(hào)調(diào)節(jié)時(shí)間較短,實(shí)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(dòng)態(tài)積分分離的壓力控制策略

　　提出一種動(dòng)態(tài)積分分離的PID 控制算法以實(shí)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(dòng)、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(jiǎn)化參數(shù)整定,達(dá)到了減少超調(diào)量、縮短調(diào)整時(shí)間的目的。

　　動(dòng)態(tài)積分分離PID 算法的基本思想是:大偏差時(shí)去掉積分作用,以防系統(tǒng)穩(wěn)定性變差;小偏差時(shí)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(duì)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(shí)間常數(shù)) ; KD為微分系數(shù), KD = KPT/TD(TD為微分時(shí)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(jiǎn)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(dòng),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(lái)就不足的情況下加入該環(huán)節(jié),將使上升時(shí)間更長(zhǎng),反而不利。因此加入積分判斷環(huán)節(jié),通過(guò)對(duì)監(jiān)視偏差的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(dòng)態(tài)積分分離控制算法后,系統(tǒng)的上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)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(shí)現(xiàn)

　該數(shù)控布帶纏繞機(jī)采用NC 嵌入PC( PC +運(yùn)動(dòng)控制器) 的開(kāi)放式CNC 結(jié)構(gòu),其運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制功能由獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)控制器完成。運(yùn)動(dòng)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(kāi)放程度高、運(yùn)動(dòng)軌跡控制精確、通用性好等特點(diǎn),大大簡(jiǎn)化了數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)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(gè)CPU 各自實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能,同時(shí)PMAC 還開(kāi)放了通信端口和結(jié)構(gòu)的大部分地址空間,因而易于實(shí)現(xiàn)通用動(dòng)態(tài)連接庫(kù)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(guò)調(diào)用相應(yīng)功能函數(shù),實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)功能及物理參數(shù)控制。

　　以纏繞運(yùn)動(dòng)軌跡控制和物理參數(shù)控制為被控對(duì)象,采用工業(yè)控制機(jī)+ 運(yùn)動(dòng)控制器( PMAC2PC) 所組成的專用開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)如圖11 所示。利用PMAC2PC 的運(yùn)動(dòng)控制功能,將3 套交流伺服系統(tǒng)與PMAC2PC 的3 個(gè)通道分別相連,實(shí)現(xiàn)三軸三聯(lián)動(dòng)的閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制。通過(guò)PMAC 的I/ O接口實(shí)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(dòng)控制、恒定連續(xù)直線運(yùn)動(dòng)控制和手動(dòng)調(diào)整機(jī)床。

　　物理參數(shù)控制算法計(jì)算量大,實(shí)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(jì)算功能的工業(yè)控制機(jī),并以美國(guó)NI 公司的虛擬儀器編程語(yǔ)言Labwindows/ CVI 作為設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)。采用多線程技術(shù),合理設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了并行控制,又保證了軟件控制的實(shí)時(shí)性。通過(guò)工業(yè)控制機(jī)的外設(shè)還可實(shí)現(xiàn)程序的輸入、編輯、物理參數(shù)的設(shè)置和狀態(tài)的實(shí)時(shí)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(jì)要求,某些指標(biāo)超過(guò)了原設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了纏繞成型過(guò)程的自動(dòng)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(guò)程的關(guān)鍵制造技術(shù)難題。所有的物理參數(shù)均實(shí)時(shí)自動(dòng)顯示、記錄、打印,操作簡(jiǎn)單,減輕了工人的勞動(dòng)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。