基于多絲束預(yù)浸鋪放機(jī)構(gòu)的恒張力控制技術(shù)研究

劉林陰，邵峰，楊猛

（1.鄭州科技學(xué)院電氣工程學(xué)院，河南鄭州450064；2.鄭州華力信息技術(shù)有限公司研發(fā)部，河南鄭州450006）

0 引言

樹(shù)脂基復(fù)合材料自1932年在美國(guó)誕生后，至今已有70多年的歷史，由于其具有很高的比強(qiáng)度、比模量、抗疲勞、耐腐蝕以及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，自發(fā)明之時(shí)就被用于軍工、航空航天以及化工等領(lǐng)域［1］。目前，樹(shù)脂基復(fù)合材料已成為航天航空領(lǐng)域與鋁合金、鈦合金和鋼并駕齊驅(qū)的四大結(jié)構(gòu)材料之一。自動(dòng)纖維鋪放技術(shù)是飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件自動(dòng)化成型的關(guān)鍵技術(shù)之一，又可分為自動(dòng)纖維絲鋪放和自動(dòng)纖維帶鋪放技術(shù)。前者適用于平面型、低曲率的曲面型或者準(zhǔn)平面型復(fù)合材料構(gòu)件的鋪層制造；后者綜合了自動(dòng)纖維纏繞與自動(dòng)纖維帶鋪放兩者的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面型復(fù)合材料構(gòu)件的鋪層制造［2-3］。

本研究根據(jù)我國(guó)復(fù)合材料構(gòu)件應(yīng)用發(fā)展需求，介紹一種多絲束預(yù)浸鋪放技術(shù)，選用寬度為3.2 mm的數(shù)根碳纖維絲束為原料，絲束浸漬樹(shù)脂膠液后在鋪放頭的直線運(yùn)動(dòng)和芯模旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)下從芯模的一端被平穩(wěn)、無(wú)離縫地鋪疊至芯模的另一端，完成鋪放過(guò)程。在纏繞、成型過(guò)程中，張力與制品的強(qiáng)度、致密度、疲勞性以及一致性有著密切的關(guān)系，對(duì)制品性能的影響極大［4-5］，為保持張力恒定，絲束管由伺服電機(jī)帶動(dòng)，芯模由變頻電機(jī)帶動(dòng)，雙電機(jī)只要速度協(xié)調(diào)即可保證張力穩(wěn)定。為此，采用閉環(huán)控制方法，由PLC、光電編碼器、張力傳感器、FR93、周波發(fā)生器、固態(tài)繼電器等組成的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)纖維絲束的全自動(dòng)恒張力鋪放。系統(tǒng)可根據(jù)速度匹配任意改變鋪放角度，多層次網(wǎng)狀鋪放。

1 多絲束鋪放機(jī)整體設(shè)計(jì)

纖維纏繞成型具有高效率、高自動(dòng)化和低成本的優(yōu)點(diǎn)，在纏繞過(guò)程中必須滿足3個(gè)條件［6］：①落絲穩(wěn)定，纖維軌跡必須滿足曲面測(cè)地線或準(zhǔn)測(cè)地線，從而限制了纖維方向的設(shè)計(jì)自由度；②纖維連續(xù)纏繞，纖維分步的周期性限制了成型厚度及分步的設(shè)計(jì)自由度；③纏繞張力恒定，纏繞過(guò)程中如制件形狀發(fā)生改變，應(yīng)及時(shí)調(diào)節(jié)給絲速度，保證張力恒定。

本研究根據(jù)上述條件，制定纖維鋪放工藝，介紹一種多絲束預(yù)浸鋪放系統(tǒng)的工藝及結(jié)構(gòu)。

1.1 鋪放工藝

浸漬樹(shù)脂膠液的碳纖維絲束帶經(jīng)加熱后垂直于芯模中心軸線被依次鋪放，即當(dāng)芯模旋轉(zhuǎn)1周，預(yù)浸絲束帶被鋪放至芯模寬度為n×3.2 mm（單絲束寬度為3.2 mm，絲束總數(shù)為n），當(dāng)芯模第2周，鋪放頭被軸向移動(dòng)n×3.2 mm，依次循環(huán)下去，便可以使預(yù)浸絲束帶從芯模的一端鋪放至芯模的另一端，即完成1次單層鋪放。鋪放過(guò)程中要求實(shí)現(xiàn)無(wú)離縫、恒張力、滿鋪放的控制要求。鋪放工藝如圖1所示。

圖1 鋪放工藝

1.2 鋪放機(jī)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)鋪放工藝，多絲束預(yù)浸鋪放機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，該裝置包括兩大部分：①纖維鋪放部分，芯模由變頻電機(jī)帶動(dòng)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；②工作臺(tái)部分，工作臺(tái)安裝在絲杠上，伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為工作臺(tái)的橫向直線運(yùn)動(dòng)。其中，工作臺(tái)上安裝有以下幾個(gè)裝置：①送絲裝置，由8導(dǎo)絲管和9絲束管組成，導(dǎo)絲管送絲速度由伺服電機(jī)控制，絲束管負(fù)責(zé)將單根絲束排列為整齊、無(wú)離縫、無(wú)疊加的絲束帶；②測(cè)壓裝置，由6導(dǎo)輪和7壓力傳感器組成，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測(cè)絲束帶的張力，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳送至控制中心PLC，控制導(dǎo)絲管伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速以達(dá)到張力恒定的要求；③浸漬膠液裝置，該裝置由5膠槽完成碳纖維絲束的預(yù)浸；④夾緊裝置，該裝置由3壓緊輥和4夾持輥組成，夾持棍可去除絲束多余膠液，壓緊輥負(fù)責(zé)將預(yù)浸絲束帶壓緊以便平穩(wěn)傳送；⑤加熱裝置，纖維鋪放成型時(shí)鋪放頭和加熱增粘器構(gòu)成一個(gè)整體，把預(yù)浸絲束碾壓至芯模表面，并排出氣泡。

圖2 鋪放機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖

由于工藝過(guò)程復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難，據(jù)此，分析鋪放過(guò)程提出如下基本要求：

（1）芯模旋轉(zhuǎn)與絲杠橫向運(yùn)動(dòng)一起完成對(duì)絲束帶的定位，控制變頻電機(jī)速度與絲束隨絲杠橫向運(yùn)動(dòng)速度相協(xié)調(diào)以保證絲束搭接的準(zhǔn)確性；

（2）絲束帶的張力大小由固定在絲束管上面的伺服電機(jī)與芯模電機(jī)的速度差產(chǎn)生，必須保證速度的穩(wěn)定性才能保證鋪放時(shí)應(yīng)有的張力；

（3）熱風(fēng)溫度在預(yù)定的溫度范圍內(nèi)，溫度過(guò)大會(huì)引起膠液脫落而過(guò)小會(huì)影響預(yù)浸帶的柔軟性。

2 纖維鋪放恒張力控制策略

在纏繞、成型過(guò)程中，張力與制品的強(qiáng)度、致密度、疲勞性及一致性有著密切的關(guān)系，對(duì)制品性能的影響極大，國(guó)內(nèi)方面，西工大、哈工大等均在精密張力控制系統(tǒng)方面進(jìn)行了大量的研究工作，并取得階段性成果，國(guó)外方面，法國(guó)已開(kāi)發(fā)出一種用于粗紗的張力控制系統(tǒng)［7］。纖維鋪放系統(tǒng)采用張力閉環(huán)和轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方法，基于模糊自整定PID控制算法使預(yù)浸絲束帶張力在2%～5%范圍內(nèi)波動(dòng)，響應(yīng)速度、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)時(shí)間都達(dá)到最佳。

2.1 鋪放過(guò)程張力分析

在鋪放的過(guò)程中，應(yīng)對(duì)預(yù)浸帶施加合適的張力，目的是使預(yù)浸帶產(chǎn)生一定的預(yù)張力，保證各層預(yù)浸帶處于等張力狀態(tài)，進(jìn)而保證各層預(yù)浸帶在芯模上按規(guī)定線型排列，以達(dá)到鋪放成品的承載和抗疲勞要求［8］。為此本研究施加與預(yù)浸帶運(yùn)動(dòng)方向相反的阻尼力矩，從而張緊預(yù)浸帶，產(chǎn)生張力。

設(shè)收絲線速度為v2（m/s），放絲線速度為v1（m/s），根據(jù)胡克定律：

式中：T—絲束帶張力；E—絲束帶彈性模量；A—絲束帶橫街面積；ε—絲束形變率；L1,L0—絲束在自由狀態(tài)和拉伸狀態(tài)下的長(zhǎng)度。

將上式進(jìn)行拉氏變化可得：

式中：KT=EA/L0；C—時(shí)間常數(shù)的倒數(shù)。

由上述公式分析可得，要使得絲束張力恒定，必須使v2和v1保持恒速度差。多絲束預(yù)浸鋪放系統(tǒng)中，根據(jù)要求設(shè)定收絲速度為恒定，這樣，可以通過(guò)改變放絲速度v1來(lái)保證絲束帶的張力恒定。當(dāng)張力作為被調(diào)節(jié)對(duì)象時(shí)，張力和線速度是一個(gè)積分環(huán)節(jié)。

2.2 絲束帶恒張力控制方案

根據(jù)鋪放工藝介紹，利用線速度之差產(chǎn)生張力，速度差越大，絲束的張力就越大，對(duì)不同的鋪放速度，設(shè)定拖動(dòng)鋪放部分的變頻電機(jī)為恒速，通過(guò)調(diào)節(jié)放絲速度達(dá)到絲束帶的恒張力。絲束的釋放速度由伺服電機(jī)控制，根據(jù)張力傳感器測(cè)量到的張力參數(shù)，輸入系統(tǒng)控制器。控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2.3 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制

圖4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)組成及動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

2.3.1 伺服驅(qū)動(dòng)裝置數(shù)學(xué)模型

調(diào)壓調(diào)速通常采用晶閘管靜止變流器或PWM變換器，把它們作為電力電子變換裝置，看做一個(gè)環(huán)節(jié)，激勵(lì)為控制電壓uc，響應(yīng)作為電機(jī)的電樞電壓輸入ud，考慮到系統(tǒng)的失控時(shí)間，當(dāng)uc變化時(shí)，ud要到下一個(gè)周期才變化，因此，該部分實(shí)際上是一個(gè)純滯后的放大環(huán)節(jié)。假設(shè)失控時(shí)間為T(mén)s，則伺服驅(qū)動(dòng)裝置的數(shù)學(xué)模型可表示為：

2.3.2 伺服電機(jī)數(shù)學(xué)模型

在整個(gè)機(jī)電過(guò)渡過(guò)程中，電氣過(guò)渡過(guò)程與機(jī)械過(guò)渡過(guò)程同時(shí)存在，又相互影響。

伺服電機(jī)的動(dòng)態(tài)方程如下：

式中：u—電壓，V；ia—電流，A；E—感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，V；Te—電磁轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)值，N·m；L—電樞電感，H；TL—負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m；GD2—電動(dòng)機(jī)及其他部件的飛輪轉(zhuǎn)矩，N·m；n—轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min。

基肥畝施油菜專用肥(15-15-15)或宜施壯緩釋肥40公斤，硼肥(10%含量以上)0.5公斤；后期視油菜長(zhǎng)勢(shì)確定是否追肥。

對(duì)式（6～9）進(jìn)行拉氏變換整理可得（初始條件為0）：式中：IL—負(fù)載電流，IL=TLTm；T1—電樞回路電磁實(shí)踐常數(shù)，T1=L/ra；Tm—電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，Tm=GD2ra/375CeCm。

由上述公式可得伺服電動(dòng)機(jī)在不考慮負(fù)載擾動(dòng)時(shí)候的數(shù)學(xué)模型：

2.3.3 模糊PID控制器

（1）PID控制時(shí)最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、可靠性和對(duì)模型依賴程度小，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程。PID控制時(shí)根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差的比例、積分和微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制［9-10］。

常規(guī)數(shù)字PID控制規(guī)律為：

式中：Kp—比例系數(shù)，Kd—微分系數(shù)，Ki—積分系數(shù)，e(k)—偏差值。

（2）模糊自整定PID控制。

模糊控制時(shí)基于操作者或?qū)＜业目刂平?jīng)驗(yàn)和知識(shí)，用語(yǔ)言表示為控制規(guī)則，用這些規(guī)則去控制系統(tǒng)，因此模糊控制特別適用于難以獲得精確數(shù)學(xué)模型或者模型非常粗糙的復(fù)雜系統(tǒng)的控制［11］。多絲束預(yù)浸鋪放系統(tǒng)采用的模糊自整定PID是在PID控制算法的基礎(chǔ)上，不斷檢測(cè)當(dāng)前系統(tǒng)誤差e和誤差變化率Δe的大小，依據(jù)模糊推理規(guī)則實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)Kp′+ΔKp、Ki′+ΔKi、Kd′+ΔKd的在線調(diào)整，以滿足不同時(shí)刻誤差e和誤差變化率對(duì)PID參數(shù)的自整定，從而達(dá)到系統(tǒng)最佳控制的目的，模糊自適應(yīng)PID控制原理圖如圖5所示。

圖5 模糊自適應(yīng)PID控制原理圖

2.3.4 干擾源

多絲束鋪放系統(tǒng)的擾動(dòng)輸入有很多，可分為兩大類，第一類為伺服驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)阻、電樞內(nèi)阻、其他環(huán)節(jié)內(nèi)阻所引起的擾動(dòng)、電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的擾動(dòng)；第二類為負(fù)載卷徑變化所引起的擾動(dòng)，這些擾動(dòng)不僅會(huì)使系統(tǒng)的機(jī)械特性變軟，還會(huì)引起發(fā)熱等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞電機(jī)。為此，系統(tǒng)必須設(shè)定干擾補(bǔ)償，對(duì)于第一類，干擾源位于轉(zhuǎn)速閉環(huán)內(nèi)部，干擾會(huì)導(dǎo)致電樞電流的變化，因此，在轉(zhuǎn)速閉環(huán)的基礎(chǔ)上增加電流閉環(huán)可有效地減小干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。而隨著鋪放的進(jìn)行，卷徑的變化相對(duì)于第一類干擾源是明顯的擾動(dòng)量［12］，如果只是轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，絲束的放絲速度（v1=w·r）不斷減小使Δv=v2-v1增大，絲束張力隨之增大，因此由于卷徑變化所引起的張力波動(dòng)是造成鋪放質(zhì)量受影響的關(guān)鍵因素。

放料裝置的力學(xué)模型如圖6所示。預(yù)浸帶由絲束管送出，其線速度為機(jī)械的工作速度ve，放料筒的線速度為v1，放料時(shí)的張力為T(mén)1。根據(jù)放卷筒的受力關(guān)系，可建立如下的動(dòng)態(tài)力矩平衡方程：

式中：T1—絲束張力；MR1—等效制動(dòng)力矩；MF1—摩擦力矩；r1—絲束管的半徑；w1—絲束管的角速度；J1—絲束管的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J1=JP1+J10；JP1—絲束管上纖維帶材料的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J10—絲束管芯模的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

圖6 放卷裝置力學(xué)模型

設(shè)纖維帶的密度為ρ，寬度為b，放卷筒的芯軸半徑為r10，則：

設(shè)纖維帶的厚度為δ，卷出量為l1，根據(jù)面積相等，在dt時(shí)間內(nèi)：

將式（16～19）代入式（13），得：

通過(guò)上面的分析，可以知道：張力恒定過(guò)程實(shí)際上就是一個(gè)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，將轉(zhuǎn)矩變化而引入的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償信號(hào)施加到控制系統(tǒng)的綜合調(diào)節(jié)器的輸入端，即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

2.4 熱風(fēng)溫度控制

浸漬膠液的絲束帶經(jīng)加熱后被鋪放，在熱風(fēng)給絲束帶升溫的過(guò)程中，溫度過(guò)大會(huì)會(huì)引起樹(shù)脂膠液脫落，過(guò)小則影響預(yù)浸帶的黏合性［13］。本研究采用日本導(dǎo)電公司生產(chǎn)的智能PID溫度控制儀表FR93、周波發(fā)生器KAC20、固態(tài)繼電器、溫度傳感器等組成溫度控制系統(tǒng)，對(duì)熱風(fēng)溫度進(jìn)行閉環(huán)控制。實(shí)踐證明，溫度在預(yù)定值內(nèi)小范圍內(nèi)波動(dòng)，偏差較小，滿足工藝要求。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用歐姆龍CP1H系列PLC作為中心控制器，采用松下A4系列伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，張力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)作為反饋裝置，在歐姆龍CX-Programmer開(kāi)發(fā)環(huán)境下編寫(xiě)梯形圖指令，采用模糊自整定PID算法實(shí)現(xiàn)了多絲束預(yù)浸鋪放系統(tǒng)的張力、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制，能很好的實(shí)現(xiàn)纖維鋪放過(guò)程的張力恒定，多絲束鋪放張力在100 kg～104 kg之間波動(dòng)，張力效果圖如圖7所示，鋪放效果圖如圖8所示。

圖7 張力效果圖

該系統(tǒng)已被應(yīng)用于實(shí)踐，運(yùn)行結(jié)果證明，多絲束預(yù)浸鋪放機(jī)鋪放定位準(zhǔn)確，絲束鋪放無(wú)重疊且黏合性好，張力曲線穩(wěn)定，能夠達(dá)到工藝要求。多絲束預(yù)浸鋪放機(jī)示意圖如圖9所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究介紹了一種多絲束預(yù)浸鋪放設(shè)備的恒張力控制技術(shù)，結(jié)合鋪放工藝，采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制方法、利用歐姆龍公司CP1H系列PLC作為中央控制器、松下A4系列伺服電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)、基于模糊自整定PID算法實(shí)現(xiàn)絲束帶的恒張力控制。

圖8 鋪放效果圖

圖9 多絲束預(yù)浸鋪放機(jī)示意圖

該設(shè)備已被應(yīng)用于實(shí)踐中，不僅能達(dá)到速度和張力的工藝要求，而且解決了系統(tǒng)受大慣性和干擾的影響，即保持模糊控制的靈活性，又具有PID控制的特點(diǎn)，鋪放過(guò)程平穩(wěn)、無(wú)離縫、工作可靠、故障率低。

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