專利名稱：：復(fù)合材料彎頭纏繞機(jī)控制機(jī)構(gòu)及纏繞方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料彎頭纏繞機(jī)控制機(jī)構(gòu)，是一個慣量變化很大的非線性時變位置同步隨動控制系統(tǒng)，以及利用該機(jī)構(gòu)進(jìn)行纏繞的方法。
背景技術(shù)：
：玻璃鋼纏繞管道在轉(zhuǎn)彎處需要相應(yīng)的彎管，彎管纏繞的復(fù)雜性在于其為非對稱形體，且彎管內(nèi)側(cè)存在復(fù)合材料架空的可能性；彎管又是連接區(qū)域，受力復(fù)雜，截面特殊，彎管纏繞需要出紗嘴能進(jìn)行多自由度運動，然而多軸纏繞機(jī)不僅機(jī)械結(jié)構(gòu)和軌跡規(guī)劃非常復(fù)雜、而且造價高，限制了其工業(yè)化的應(yīng)用。傳統(tǒng)的彎管一直采用手工纏繞的方式，生產(chǎn)的彎管外管粗糙、強(qiáng)度低、成本高，性能難以保證，成為玻璃鋼管道施工的短板，嚴(yán)重的制約了玻璃鋼管道工業(yè)的發(fā)展。而近年來發(fā)展的多軸纏繞機(jī)已經(jīng)從七軸達(dá)到13軸，通過計算機(jī)進(jìn)行控制，成本非常高，不適合中國的國情。與傳統(tǒng)材料相比，復(fù)合材料管道具有耐腐蝕，強(qiáng)度高，質(zhì)量輕，內(nèi)表面光滑和不結(jié)垢等顯著優(yōu)點，在石油、化工和水處理等各領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。為充分發(fā)揮玻璃纖維的優(yōu)點，玻璃鋼管道常以定長往復(fù)式纏繞法為主要加工方式，即，把浸有樹脂的纖維纏繞在定長芯模上的加工方法。其加工過程為纖維纏繞機(jī)用吐絲嘴控制浸有樹脂的纖維束使之沿預(yù)先設(shè)計的路徑纏繞在旋轉(zhuǎn)的芯模上，并通過多層覆蓋形成復(fù)合材料制品。目前纖維纏繞已經(jīng)成為一種重要的復(fù)合材料加工技術(shù)。管道在使用時通常采用螺紋連接，在管道轉(zhuǎn)彎處就需要相應(yīng)的彎管進(jìn)行連接。隨著計算機(jī)在纏繞機(jī)中的應(yīng)用，人們開始探索用于纖維纏繞的CAD/CAM技術(shù)，即纖維路徑以及對應(yīng)的機(jī)器路徑(吐絲嘴和芯模的運動軌跡)的輔助設(shè)計。美國在90年代就研制出了計算機(jī)控制的六軸聯(lián)動纏繞機(jī)，同時纏繞CAD/CAM技術(shù)更加成熟，解決了基本異型件的纏繞成型問題，結(jié)束了用手糊、半手糊方式生產(chǎn)常用管道配件-彎管和三通T型管的歷史。同時更多運動軸纏繞機(jī)的引入使得纏繞形狀更為復(fù)雜的產(chǎn)品成為了可能，目前國際上已有七軸甚至多達(dá)十一軸的計算機(jī)控制纖維纏繞機(jī)。目前，國際上已有多個纖維纏繞CAD軟件，但絕大部分軟件只能設(shè)計和生產(chǎn)簡單的軸對稱纏繞部件；對于非軸對稱纏繞部件，如彎管，只有比利時leuven大學(xué)CADWIND[3]和英國Nottingham大學(xué)CADFIL[4]兩個軟件能夠設(shè)計纖維路徑，它們都采用三角片逼近的方法，這種近似方法設(shè)計出的纖維路徑是否穩(wěn)定和能否均勻覆蓋彎管需要開機(jī)試?yán)p才能檢驗，這其實是一種嘗試-修正方法。這些CAD/CAM系統(tǒng)的價格昂貴，只在科研、軍工和一些特殊行業(yè)得到了應(yīng)用。而無法在玻璃鋼管道制造企業(yè)推廣應(yīng)用。因此研制造價低、生產(chǎn)率高的自動彎管纏繞機(jī)控制系統(tǒng)就成為玻璃鋼管道制造工業(yè)迫切需要解決的課題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種復(fù)合材料彎頭纏繞機(jī)控制機(jī)構(gòu)及纏繞方法，解決了現(xiàn)有彎管纏繞系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)和軌跡規(guī)劃復(fù)雜、造價高的問題，通過兩軸實現(xiàn)彎管的纏繞，大大簡化了纏繞設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用示教再現(xiàn)方式完成管道纏繞。纏繞部分以開放式數(shù)控結(jié)構(gòu)形式為主導(dǎo)思想，設(shè)計新型纏繞機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，結(jié)合纖維纏繞的加工特點，在最低投入的基礎(chǔ)上，使纖維纏繞獲得高加工精度和柔性。上述的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)復(fù)合材料彎頭纏繞機(jī)控制機(jī)構(gòu)，其組成包括主軸三相異步電機(jī)，所述的主軸三相異步電機(jī)通過主軸減速器連接主軸，所述的主軸對應(yīng)連接彎管芯模，所述的彎管芯模對應(yīng)纏繞浸漬樹脂的復(fù)合材料，所述的復(fù)合材料纏繞于導(dǎo)絲頭上，所述的導(dǎo)絲頭由具有操作手柄的纏繞小車帶動，所述的纏繞小車連接浸膠槽。所述的復(fù)合材料彎頭纏繞機(jī)控制機(jī)構(gòu)，所述的主軸三相異步電機(jī)與主軸減速器、所述的主軸減速器與主軸之間分別通過一組相互嚙合的齒輪連接。復(fù)合材料彎頭纏繞機(jī)控制機(jī)構(gòu)的纏繞方法，通過電位器控制主軸的轉(zhuǎn)速及其旋轉(zhuǎn)方向，推動小車上的位置控制操作手柄來控制小車的往復(fù)擺動，從而利用主軸帶動彎管芯模的轉(zhuǎn)動和纏繞小車帶動復(fù)合材料的導(dǎo)絲頭沿著彎管芯模軸線作半圓形軌道往復(fù)擺動二者的復(fù)合，將浸漬樹脂的復(fù)合材料有規(guī)律的纏繞到彎管芯模表面，多層纏繞后形成復(fù)合材料纏繞層，纏繞完成后將彎管芯模脫掉形成復(fù)合材料彎頭。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明只需要兩軸就能實現(xiàn)彎管的纏繞，大大簡化了纏繞設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)。而且生產(chǎn)線系統(tǒng)整機(jī)響應(yīng)速度快，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，人機(jī)交互性好，實現(xiàn)了復(fù)合材料彎頭的工業(yè)化、低成本纏繞。在玻璃鋼管道的整體技術(shù)上實現(xiàn)了較大的突破。本發(fā)明采用兩軸控制的復(fù)合材料彎頭纏繞機(jī)，彎管芯模由主軸驅(qū)動繞其軸線旋轉(zhuǎn)，纏繞小車沿半圓形軌道往復(fù)擺動，完成管道纏繞，能完成復(fù)合材料彎管的纏繞。不但外表面的平滑程度與直線管道相匹配，管道的強(qiáng)度質(zhì)量非常穩(wěn)定，開辟了工業(yè)化的迅速發(fā)展之路。突破了彎管處的整體結(jié)構(gòu)瓶頸。本發(fā)明采用手動操作進(jìn)行彎管纏繞，解決了多軸自動彎管纏繞機(jī)系統(tǒng)的價格昂貴，技術(shù)不成熟等問題，成本大幅度降低，其結(jié)構(gòu)更加簡單，使用方便。在實際生產(chǎn)中可以通過工人用一個電位器控制主軸的轉(zhuǎn)速及其旋轉(zhuǎn)方向，通過推動小車上的位置控制操作手柄來控制小車的往復(fù)擺動，從而生產(chǎn)出合格的復(fù)合材料彎頭，這樣就可以不用復(fù)雜的多軸纏繞機(jī)進(jìn)行彎管的工業(yè)化纏繞制造。附圖1是本產(chǎn)品的主視結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2是本產(chǎn)品的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施例方式實施例1復(fù)合材料彎頭纏繞機(jī)控制機(jī)構(gòu)，其組成包括主軸三相異步電機(jī)1，所述的主軸三相異步電機(jī)通過主軸減速器2連接主軸3，所述的主軸對應(yīng)連接彎管芯模4，所述的彎管芯模對應(yīng)纏繞浸漬樹脂的復(fù)合材料5，所述的復(fù)合材料纏繞于導(dǎo)絲頭6上，所述的導(dǎo)絲頭由具有操作手柄7的纏繞小車8帶動，所述的纏繞小車連接浸膠槽9。實施例2所述的復(fù)合材料彎頭纏繞機(jī)控制機(jī)構(gòu)，所述的主軸三相異步電機(jī)與主軸減速器、所述的主軸減速器與主軸之間分別通過一組相互嚙合的齒輪10連接。實施例3復(fù)合材料彎頭纏繞機(jī)控制機(jī)構(gòu)的纏繞方法，通過電位器控制主軸的轉(zhuǎn)速及其旋轉(zhuǎn)方向，推動小車上的位置控制操作手柄來控制小車的往復(fù)擺動，從而利用主軸帶動彎管芯模的轉(zhuǎn)動和纏繞小車帶動復(fù)合材料的導(dǎo)絲頭沿著彎管芯模軸線作半圓形軌道往復(fù)擺動二者的復(fù)合，將浸漬樹脂的復(fù)合材料有規(guī)律的纏繞到彎管芯模表面，多層纏繞后形成復(fù)合材料纏繞層，纏繞完成后將彎管芯模脫掉形成復(fù)合材料彎頭。實施例4多軸復(fù)合材料彎管纏繞機(jī)結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜，設(shè)備成本高，本發(fā)明的示教再現(xiàn)式復(fù)合材料彎頭纏繞機(jī)僅采用兩軸控制，彎管芯模由主軸驅(qū)動繞其軸線旋轉(zhuǎn)，纏繞小車沿半圓形軌道往復(fù)擺動，采用示教再現(xiàn)方式完成管道纏繞?？刂葡到y(tǒng)通過主軸每轉(zhuǎn)過一定角度來觸發(fā)記錄主軸和小車的位置實現(xiàn)纏繞示教，采用電子齒輪控制方式實現(xiàn)再現(xiàn)加工時的小車跟蹤主軸的同步運動控制。本實施例詳細(xì)介紹纏繞機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理，分析了彎管纏繞線型和控制系統(tǒng)原理。實踐應(yīng)用表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能完成復(fù)合材料彎管的纏繞。纏繞控制部分采用上下位機(jī)兩級開放式數(shù)控結(jié)構(gòu)，上位機(jī)采用工控機(jī)，負(fù)責(zé)人機(jī)交互，工藝文件的數(shù)據(jù)傳輸、保存和編輯等功能，下位機(jī)以功能可靠的嵌入式運動控制器為運動控制核心，控制系統(tǒng)通過主軸每轉(zhuǎn)過一定角度來觸發(fā)記錄主軸和小車的位置實現(xiàn)纏繞示教，而不是定時記錄電機(jī)位置，從而極大的減少數(shù)據(jù)存儲和處理量，提高了實時性，采用TRIO嵌入式運動控制器的CAMBOX方式實現(xiàn)再現(xiàn)加工時的小車跟蹤主軸的同步運動控制。這種控制方式避免了復(fù)雜的纏繞軌跡規(guī)劃、線型設(shè)計和計算控制。極大地降低了彎管纏繞設(shè)備的復(fù)雜性和成本。1機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計和工作原理彎管纏繞是利用主軸帶動芯模的轉(zhuǎn)動和小車帶動導(dǎo)絲頭沿著芯模軸線往復(fù)擺動二者的復(fù)合運動，將浸漬樹脂的玻璃纖維有規(guī)律的纏繞到彎管芯模表面，多層纏繞后形成復(fù)全材料纏繞層，纏繞完成后將芯模脫掉即形成復(fù)合材料彎管。它主要由兩部分組成一是主軸部分，主軸伺服電機(jī)經(jīng)過減速器后與主軸通過鏈條連接，驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)。將彎管芯模固定于主軸上即可在主軸伺服電機(jī)的驅(qū)動下繞其軸線旋轉(zhuǎn)；二是小車部分，小車伺服電機(jī)通過鏈條帶動小車?yán)@其轉(zhuǎn)動中心做往復(fù)擺動，通過控制小車伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角來控制小車?yán)@其轉(zhuǎn)動中心的擺角。彎管纏繞過程中，主軸做勻速轉(zhuǎn)動，小車按一定的纏繞規(guī)律做往復(fù)協(xié)調(diào)擺動，以完成復(fù)合材料在芯模表面上的纏繞排布，從而達(dá)到制品的技術(shù)要求。示教再現(xiàn)彎管纏繞機(jī)適用于玻璃鋼管道彎頭的纏繞，可完成管件手動纏繞、示教纏繞，再現(xiàn)自動纏繞功能，其工作過程如下手動纏繞工人通過一個電位器控制主軸的轉(zhuǎn)速及其旋轉(zhuǎn)方向，通過推動小車上的位置控制操作桿來控制小車的往復(fù)擺動從而完成彎管的手動纏繞。示教纏繞示教纏繞時，由一個熟練的技術(shù)工人進(jìn)行慢速手動纏繞，同時Trio運動控制器在主軸每轉(zhuǎn)過一定的角度時記錄當(dāng)前主軸和小車電機(jī)的位置，并將一次示教中所有記錄的位置數(shù)據(jù)保存為此種型號彎管的工藝文件，用于以后的自動纏繞。自動纏繞自動纏繞時，先進(jìn)行主軸和小車的零點校正，即將主軸和小車運動到示教時的起始位置，再讀取保存的示教工藝文件，復(fù)現(xiàn)示教全過程。2彎管纏繞線型分析2.1線型設(shè)計90°彎管一般由三部分組成，兩端的圓柱段和中間的圓環(huán)段。在圓環(huán)段可以沿圓環(huán)面的測地線進(jìn)行纏繞，而在圓柱段可以利用非測地線理論生成纖維軌跡。2.1.1圓環(huán)面的測地線纏繞設(shè)是圓環(huán)面的參數(shù)表達(dá)式其中θ為張角，為線型轉(zhuǎn)角，是曲面的兩個參數(shù)，R和r分別為圓環(huán)面中心線的曲率半徑和管半徑圓環(huán)面的第一基本形式的系數(shù)為F＝0，G＝r2由測地曲率的利烏維(Liouville)公式，可得圓環(huán)面上曲線的測地曲率(2)其中α為曲線上某一點的切向θ與參數(shù)曲線在該點切向的交角，即纏繞工藝中的纏繞角，S為弧長。令kg＝0，可得圓環(huán)面上的測地線方程為又由微分幾何知識可得[13]因此對于式(3)-(5)可簡化如下對(7)式積分可得其中C是由初始纏繞角α0決定的常數(shù)。由(7)、(8)式可知圓環(huán)面的測地線具有周期性，即測地線軌跡為一個周期的基準(zhǔn)曲線在圓環(huán)面上的反復(fù)延伸。對于圓環(huán)面來說，并不是所有的測地線都可以環(huán)繞整個圓環(huán)面，并且當(dāng)纖維纏繞在圓環(huán)面內(nèi)側(cè)(凹曲面)時，有可能產(chǎn)架空，因此其初始纏繞角α0必須滿足如下的條件[14]2.1.2兩端頭圓柱段的非測地線纏繞對于圓柱段的非測地線纏繞，其解析形式為[15]其中l(wèi)為圓柱段的長度；r為圓柱段的半徑；λ為滑線系數(shù)；α為終止纏繞角；αb為起始纏繞角。2.2彎管纏繞的布滿分析軸對稱回轉(zhuǎn)體纖維纏繞時纖維路徑是重復(fù)的，絲嘴往返一次的芯模轉(zhuǎn)角只要滿足公式(11)，經(jīng)過M個循環(huán)就可以實現(xiàn)芯模的均勻布滿，M由公式(12)確定。Mθn＝2πK(11)式中M為布滿芯模所需往復(fù)次數(shù)；θn為絲嘴往返往返一次的芯模轉(zhuǎn)角；K為跳躍數(shù)，與M互素的整數(shù)；W為纖維束寬度；r為芯模的最大直徑；α為芯模最大直徑處的纏繞角。像彎管這樣的非軸對稱回轉(zhuǎn)體，每一個絲嘴往返的纖維路徑都是互不相同的，而且橫截圓上各點的纏繞角是關(guān)于的函數(shù)，因此不能再按照軸對稱回轉(zhuǎn)體的方法進(jìn)行布滿分析。在圓環(huán)面上的θ曲線中，是最長的參數(shù)曲線，稱之為外弧。如果纏繞時，纖維束能夠均勻覆蓋該參數(shù)曲線，必然覆蓋整個圓環(huán)面。因此對于圓環(huán)面來說，應(yīng)該在外弧上計算循環(huán)數(shù)M。由于圓環(huán)面上的測地線具有周期性，研究一個周期內(nèi)的圓環(huán)部分的覆蓋問題即可。設(shè)圓環(huán)面上測地線一個周期跨過的θ增量為θcycle，帶寬為W的纖維束實際覆蓋外弧的寬度為w/sinα0，則容易計算出覆蓋一個周期外弧所需要的纖維條M數(shù)為躍數(shù)K的計算，同樣不能運用軸對稱的設(shè)計方法。為此采用參數(shù)曲線剖分曲面法。設(shè){θi}(i＝0，M-1)為θcycle的均勻分割，θi的定義如下然后沿測地線定義對應(yīng)于{θi}的參數(shù)的分割由于0≤θi≤θcycle，從而有整個芯模表面關(guān)于θ＝0截面是對稱的，選擇S(0，0)作為纖維路徑的起始點，這樣從θ＝0出發(fā)，經(jīng)過芯模兩端后再次返回θ＝0處的一個往復(fù)，可以分為如下的四部分從θ＝0出發(fā)到右柱面端部；從右柱面端部回到圓環(huán)面θ＝0處；從θ＝0處出發(fā)到左柱面端部；從左柱面端部回到θ＝0處。由其對稱性易知每一部分中圓環(huán)段所經(jīng)過的θi數(shù)n1是相同的。為了簡便起見，設(shè)每一部分圓柱段經(jīng)過的θi數(shù)n2也是相同的，則有一個纖維往復(fù)所經(jīng)過的總數(shù)f為f＝4(n1+n2)令跳躍數(shù)K＝4(n1+n2)％M(13)如果K與M互素，則經(jīng)過M個來回后纖維將布滿芯模表面。由于圓柱段非測地線纏繞的線型轉(zhuǎn)角值由圓環(huán)段結(jié)束時的纏繞角決定，而圓環(huán)段結(jié)束時的纏繞角，M個往復(fù)有M個不同的值。但可以得到圓柱段非測地線纏繞時線型轉(zhuǎn)角的最大值要使得四部分中n2值能夠相同必須有小于n2個的和的最小值且n2需滿足(13)式。線型轉(zhuǎn)角的差值通過在圓柱段端頭加入停留來解決，即在圓柱段的端頭加入一段線型轉(zhuǎn)角為的環(huán)繞曲線。彎管纏繞機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計彎管纏繞機(jī)纏繞工作時，芯模繞其主軸勻速轉(zhuǎn)動，小車電機(jī)拖動小車在工作臺上往復(fù)擺動，帶動繞絲嘴按一定纏繞角度完成纖維層在芯模上的纏繞鋪放工作。小車電機(jī)在往復(fù)運行時要根據(jù)工藝要求不斷進(jìn)行加減速，而且小車和主軸負(fù)載隨著纏繞膠量的變化而變化，因此在工作中易造成導(dǎo)絲頭和芯模的相對位置的變化，從而造成線型異變和紗片搭接不良。而纏繞機(jī)系統(tǒng)本質(zhì)上是一個慣量變化很大的非線性時變位置同步隨動控制系統(tǒng)，因此，采用基于電子齒輪的位置跟蹤控制方式以確保紗片搭接良好。這種控制方式將纏繞機(jī)的兩軸協(xié)調(diào)運動簡化成了小車跟蹤主軸的單軸伺服運動。電子齒輪模式實際上是一個多軸聯(lián)動模式，其運動效果與兩個機(jī)械齒輪的嚙合運動類似。當(dāng)前軸工作在電子齒輪模式下時，需設(shè)定電子齒輪傳動比，當(dāng)前軸將按照這個速度比值，跟隨主動軸運動。主動軸的運動模式可以是任何一種運動模式。當(dāng)前軸運動位移增量等于與之相聯(lián)系的主動軸的位移增量乘以電子齒輪傳動比。該纏繞機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，上位機(jī)采用臺灣研華IPC610機(jī)箱和PCA-6179主板，它與英國TrioMotionTechnology公司的MC206運動控制器通過RS-232串口實現(xiàn)通訊，形成一個功能強(qiáng)大的開放式運動控制系統(tǒng)。工業(yè)PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)界面管理、運動狀態(tài)顯示、遠(yuǎn)程監(jiān)控和工藝文件存儲等功能。MC206是Trio公司生產(chǎn)的一款緊湊型的5.5軸嵌入式運動控制器(通過SERCOS子板，最多可控制8軸)，該控制器采用32-bit120MHz的DSP微處理器和FPGA技術(shù)。它有16個光電隔離數(shù)字式I/O和2個RS232串口、1個RS485接口，1個USB接口。用戶程序是通過運行在PC機(jī)上的MotionPerfect軟件來進(jìn)行開發(fā)的，采用的是Trio多任務(wù)TrioBASIC語法格式進(jìn)行編寫，編寫后的程序下載到運動控制器內(nèi)即可運行。在彎管纏繞機(jī)中運動控制器負(fù)責(zé)實時運動控制和邏輯控制，該結(jié)構(gòu)支持軟件升級和功能擴(kuò)展，具有上、下兩級的開放性。彎管纏繞機(jī)主軸和小車電機(jī)是日本安川的2.9KW和4.4KW伺服電機(jī)。運動控制器軸0和軸1接口分別實現(xiàn)小車和主軸電機(jī)的閉環(huán)控制。3纏繞機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計示教再現(xiàn)式彎管纏繞機(jī)控制系統(tǒng)上位機(jī)程序采用NI公司的LabVIEW8.2基于Windows2000平臺開發(fā)。LabVIEW是一種通用編程系統(tǒng)，它具有多種功能強(qiáng)大的函數(shù)庫，包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串行儀器控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲和網(wǎng)絡(luò)功能。LabVIEW用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了程序的執(zhí)行順序，而傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序。與傳統(tǒng)的編程語言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節(jié)省85％以上的程序開發(fā)時間，其運行速度卻幾乎不受影響，體現(xiàn)出了極高的效率。開發(fā)的上位機(jī)源程序，它完成人機(jī)交互，系統(tǒng)運行狀態(tài)實時顯示，工藝文件的數(shù)據(jù)傳輸、保存和編輯等功能。上位機(jī)和Trio運動控制器MC206通過串口基于MODBUS協(xié)議完成工藝參數(shù)的傳輸和機(jī)床狀態(tài)參數(shù)上傳顯示。MODBUS通訊采用主從方式的查詢機(jī)制，系統(tǒng)將工控機(jī)設(shè)為主站，MC206設(shè)為從站，只有主站發(fā)出查詢時，從站才能給出響應(yīng)，從站不能主動發(fā)送數(shù)據(jù)。示教時MC206實時記錄主軸和小車示教位置，上位機(jī)實時查詢示教結(jié)束信號，收到信號后讀取示教工藝文件并保存；自動纏繞工作時工人選定待纏繞管件型號并將工藝文件下載后，進(jìn)入纏繞加工狀態(tài)，此時所有運動和邏輯控制由MC206完成，從站僅響應(yīng)主站的查詢并上傳狀態(tài)數(shù)據(jù)。即使工控機(jī)由于某種原因出現(xiàn)故障或死機(jī)，也不會影響當(dāng)前管道的纏繞加工。從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的實時性。3.2纏繞控制下位機(jī)軟件設(shè)計3.2.1纏繞位置函數(shù)概括地講電子齒輪就是能實現(xiàn)機(jī)械齒輪定比傳動功能的電子傳動系統(tǒng)。在纖維纏繞過程中，主軸和小車要根據(jù)工藝要求隨時進(jìn)行加減速、停留和反向啟動等操作。在此過程中仍要按特定的運動規(guī)律控制主軸和小車協(xié)調(diào)運動，此時傳動比不再為某一恒定不變值，瞬時傳動比按照一定的規(guī)律變化，即要求非勻速比傳動。設(shè)主軸的角位移為α(rad)，小車沿芯模軸向位移為S(rad)，則以位置函數(shù)表示非勻速比傳動的規(guī)律可以描述如下S＝f(α)。由纏繞控制位置函數(shù)可知，系統(tǒng)要求具有位置函數(shù)曲線的插補(bǔ)能力，即具有非勻速比傳動功能，非勻速比傳動的電子齒輪與勻速比電子齒輪的結(jié)構(gòu)相同，它的位置函數(shù)可以由主運動α與從運動S兩個坐標(biāo)來描述，但是對它的插補(bǔ)不能認(rèn)為是傳統(tǒng)的兩坐標(biāo)插補(bǔ)，這是因為采用電子齒輪箱對主運動α與從運動S進(jìn)行同步控制，主運動不是控制對象，只能對從運動作單坐標(biāo)插補(bǔ)，在插補(bǔ)過程中主運動將作不可控的連續(xù)運動。該控制器采用直接函數(shù)插補(bǔ)法，使進(jìn)給當(dāng)量隨插補(bǔ)點處的瞬時傳動比發(fā)生變化，從而使插補(bǔ)斜率隨瞬時傳動比發(fā)生變化。直接函數(shù)插補(bǔ)法實際上是對位置曲線在主運動方向的等距分割。其具體步驟如下(1)主運動每運動一個固定的Δα位移，便比較相應(yīng)主運動位置所對應(yīng)的從運動實際位置與理論位置的差值ΔS；(2)當(dāng)ΔS≥0從運動向前進(jìn)給ΔS；(3)當(dāng)ΔS＜0，從運動向后退|ΔS|；(4)返回第一步。重復(fù)上述過程，便可插補(bǔ)出所需的位置函數(shù)曲線。直接函數(shù)插補(bǔ)法的插補(bǔ)輸出是根據(jù)當(dāng)前的主運動與位置函數(shù)曲線實時產(chǎn)生的。直接函數(shù)插補(bǔ)法每一步的進(jìn)給量是根據(jù)位置函數(shù)曲線而變化的，在瞬時傳動比較大的區(qū)間采用較大插補(bǔ)斜率，在較平滑的區(qū)間采用較小的插補(bǔ)斜率，實現(xiàn)了插補(bǔ)斜率的動態(tài)變化。只要主運動的分割間隔足夠小，插補(bǔ)曲線就能夠準(zhǔn)確地復(fù)原位置函數(shù)曲線。3.2.2纏繞運動控制下位機(jī)自動纏繞加工主要是使用CAMBOX指令。CAMBOX指令函數(shù)原型如下[16]CAMBOX(startpoint，endpoint，tablemultiplier，linkdistance，linkaxis[，linkoptions][，linkpos])CAMBOX指令是按照存儲在TABLE變量中數(shù)組組成的位置文件來運動的，運動與另一軸的測量位置連接，形成連續(xù)軟件電子凸輪。其中”startpoint”是Table數(shù)組中使用的第一個元素的地址；”endpoint”是Table數(shù)組中使用的最后一個元素的地址；”tablemultiplier”用于成比例的放縮Table里存儲的數(shù)值；”linkdistance”是連接軸(主軸)所走的距離；”linkaxis”是連接軸參數(shù)；”linkoptions”是連接方式選擇項，為可選參數(shù)；”linkpos”是連接的絕對位置，為可選參數(shù)，只有當(dāng)”linkoptions”為2時，此參數(shù)才有效。Table值是相對于起始點的絕對位置并特指編碼器的脈沖沿。Table數(shù)組由TABLE指令定義，它是TRIO提供的容量很大的數(shù)組，Table值是帶小數(shù)的浮點數(shù)。MC206的每個TABLE可存放16000個值。運動可以被定義成從3到Table數(shù)組可定義的最大值。從動軸根據(jù)Table定義的點作插補(bǔ)運動，使得少量點定義的運動軌跡形成平滑的曲線。兩個或多個CAMBOX指令可以同時執(zhí)行，使用相同或重疊的Table數(shù)組值，而Table文件執(zhí)行一次。CAMBOX可以反向或正向取Table值，這取決于主軸方向。Linkoption可用于定義CAMBOX的不同選項和連續(xù)CAMBOX。例如如果Linkoption設(shè)置成4時，CAMBOX操作就如同理論上的可正反轉(zhuǎn)的CAM。示教時，主軸電機(jī)每轉(zhuǎn)過一定的角度，TABLE命令就將當(dāng)前小車的位置值寫入Table數(shù)組，直到示教過程結(jié)束。這樣在TABLE中記錄的只是主軸和小車的位置函數(shù)，與示教時主軸的轉(zhuǎn)速無關(guān)，這樣可使工人在示教過程中以任何速度進(jìn)行示教加工，而不影響示教效果和示教文件的數(shù)據(jù)存儲數(shù)量。自動加工時CAMBOX指令讀取Table數(shù)組中的數(shù)據(jù)，復(fù)現(xiàn)示教過程，從而完成彎管纏繞加工。如果管件各層的纏繞軌跡相同，這時只需要對一層進(jìn)行示教，剩下的纏繞層可利用CAMBOX的重復(fù)運動功能自動進(jìn)行重復(fù)纏繞，這樣可極大地減少示教工作量。彎管纏繞加工示例代碼如下小車由軸0控制，主軸由軸1控制，示教后的纏繞軌跡放于TABLE的1000-1035地址內(nèi)，這些值表示小車運動的位置，本例中將其限制在0-4000內(nèi)。程序代碼如下‘setthevalvesofTABLETABLE(1000，0，0，6.2，18.5，37，1665，61.7，123，3497，130)TABLE(1010，117，108，105，105，111，117，133，142，148，148)TABLE(1020，142，129.5，123，117，117，117，123，128.4，128，117)TABLE(1030，104.8，74，43，24.7，12.3，0)BASE(1)MOVEABS(StaticOffset)‘SpindlemovetostarpositionWAITIDLE’waitthespindlemovementstopandstartthecontinuously‘repeatingcamboxCAMBOX(1000，1035，1，360，3，4)AXIS(0)FORWARD‘startthemovementofthecarriageWAITUNTILIN(2)＝OFFREP_OPTION＝2‘cancelrepeatingmodebysettingbit1WAITIDLEAXIS(0)‘waitsforcamcycletofinishCANCEL‘stopcamshaftaxisWAITIDLE3.2.3下位機(jī)控制任務(wù)規(guī)劃對于復(fù)雜的多任務(wù)程序應(yīng)為線程分配優(yōu)先級，控制器缺省的伺服周期是1ms，該周期在內(nèi)部被分成三個時間片，每個時間片為1/3ms，它們在內(nèi)部分別被用來處理伺服功能，通訊和通常的“housekeeping”任務(wù)。在每個時間片內(nèi)剩余的時間被用于運行用戶程序。MC206最多可運行7個用戶線程，每個線程用從1到7的數(shù)字標(biāo)號，最高標(biāo)號的線程(線程7和6)被分配固定的時間片，它們被稱為“快速任務(wù)”，主要用于有以下要求的任務(wù)要在每個伺服周期都要進(jìn)行處理的任務(wù)；具有大量的運算和處理的任務(wù)；任務(wù)啟動后程序執(zhí)行速度不能改變的任務(wù)。0-5號線程被稱為“慢速任務(wù)”，它們具有共同的優(yōu)先級，程序執(zhí)行速度會隨任務(wù)的增加而降低。用戶可以使用指令啟動任務(wù)使其按指定的優(yōu)先級運行。在上位機(jī)軟件MotionPerfect中打開一個“Terminal”窗口可以設(shè)置一個“CommandLine”端口，它始終使用“0”號任務(wù)，用于從上位機(jī)輸入指令并立即運行[16]。該纏繞機(jī)控制軟件中共建立了四個任務(wù)，其中任務(wù)7用于纏繞機(jī)電機(jī)同步運動控制和機(jī)床邏輯控制，任務(wù)6用于管理機(jī)床與纏繞相關(guān)的I/O信號和主軸轉(zhuǎn)速控制，任務(wù)2完成串口通訊功能，任務(wù)1實現(xiàn)錯誤及故障處理。其中任務(wù)7和6的優(yōu)先級最高，每個伺服周期(1ms)都分配時間片，任務(wù)1、2和CommandLine(C/L)優(yōu)先級相同，在每個伺服周期輪流為其分配時間片。3.2.4運動指令緩沖執(zhí)行機(jī)理TRIO采用緩存策略執(zhí)行運動指令，用戶自己編制的應(yīng)用程序(APP1-APPn)必須在進(jìn)程內(nèi)才可以運行，被運行的進(jìn)程號可以指定，每個進(jìn)程都是獨一無二的，如果指定的進(jìn)程已經(jīng)有別的程序在運行，則再指定其運行系統(tǒng)就會報錯。被啟動的每個進(jìn)程(PROC1-PROCn)為“運動指令”都分配一個運動緩存(PBUF1-PBUFn)，當(dāng)進(jìn)程執(zhí)行到一條運動指令時，它首先會查詢當(dāng)前的運動緩存是否為空，如果為空則將該運動指令放置進(jìn)去，如果不為空，則進(jìn)程會等待不再向下執(zhí)行，直到該緩存為空并將該運動指令放置進(jìn)去為止。系統(tǒng)內(nèi)存存在一個巡檢機(jī)制，時刻查詢每個進(jìn)程的PBUF是否有運動指令，如果有則判斷該指令的目標(biāo)軸(AXIS0-AXISn)的最后一個緩存(NTYPE)是否為空，如果為空，則將該指令從PBUF中取出，并清空該PBUF，如果目標(biāo)軸中沒有空余的BUFFER，則放棄對該PBUF的操作，轉(zhuǎn)向下一個PBUF的處理。每個軸都分配數(shù)量不等的運動緩存，最少為兩個，該緩存是一種隊列機(jī)制，(FIFO)即運動指令先入先出機(jī)制，運動指令由系統(tǒng)內(nèi)核巡檢機(jī)制送到最后一個緩存，然后軸內(nèi)核控制程序會判斷，如果前面的運動緩存為空，它就向前移動一位，排到最前面的運動緩存我們稱之為MTYPE，即當(dāng)前正在運行的運動指令緩存，排在第2位的緩存名稱為NTYPE。當(dāng)Basic程序向運動系統(tǒng)發(fā)出一個運動指令后，在相應(yīng)軸的MTYPE緩存器中會設(shè)置當(dāng)前的運動類型。一個運動已經(jīng)在執(zhí)行，Basic指令發(fā)出第2個運動，則這個運動會被緩存在Ntype中等待當(dāng)前運動執(zhí)行完畢。當(dāng)Mtype中的運動執(zhí)行完后，在下一個伺服周期會執(zhí)行緩存在Ntype中的運動。如果Mtype，Ntype都有運動，此時又發(fā)出運動，會存在進(jìn)程中，如果在有運動發(fā)射，就會等待，直到進(jìn)程中的運動被執(zhí)行完。結(jié)論本發(fā)明研究的示教再現(xiàn)式彎管纏繞機(jī)系統(tǒng)只需要兩軸就能實現(xiàn)彎管的纏繞，大大簡化了纏繞設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)，同時采用示教再現(xiàn)的控制方式進(jìn)行彎管纏繞，避免了復(fù)雜的計算控制?？刂撇糠植捎蒙舷挛粰C(jī)結(jié)構(gòu)，上位機(jī)采用工控機(jī)，負(fù)責(zé)人機(jī)交互，工藝文件的數(shù)據(jù)傳輸、保存和編輯等功能，下位機(jī)采用Trio運動控制器，負(fù)責(zé)電機(jī)的運動控制。示教時，下位機(jī)自動記錄纏繞時主軸和小車電機(jī)的位置，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)保存為工藝文件；自動纏繞時，下位機(jī)根據(jù)工藝文件中的數(shù)據(jù)控制電機(jī)再現(xiàn)示教的過程?？刂葡到y(tǒng)通過主軸每轉(zhuǎn)過一定角度來觸發(fā)記錄主軸和小車的位置實現(xiàn)纏繞示教。采用TRIO嵌入式運動控制器的CAMBOX方式實現(xiàn)再現(xiàn)加工時的小車跟蹤主軸的同步運動控制。進(jìn)行示教和再現(xiàn)加工時主軸可隨意加減速而不影響纏繞精度。系統(tǒng)能實現(xiàn)直徑為200-600mm各型號彎管的示教再現(xiàn)纏繞。纏繞最高出紗速度可達(dá)54m/min，芯模轉(zhuǎn)角分辨率為0.018°，小車軌跡控制誤差小于0.01毫米。生產(chǎn)線系統(tǒng)整機(jī)響應(yīng)速度快，性能穩(wěn)定，人機(jī)交互性好，實現(xiàn)了玻璃鋼彎管的工業(yè)化、低成本自動化纏繞。權(quán)利要求1.一種復(fù)合材料彎頭纏繞機(jī)控制機(jī)構(gòu)，其組成包括主軸三相異步電機(jī)，其特征是所述的主軸三相異步電機(jī)通過主軸減速器連接主軸，所述的主軸對應(yīng)連接彎管芯模，所述的彎管芯模對應(yīng)纏繞浸漬樹脂的復(fù)合材料，所述的復(fù)合材料纏繞于導(dǎo)絲頭上，所述的導(dǎo)絲頭由具有操作手柄的纏繞小車帶動，所述的纏繞小車連接浸膠槽。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料彎頭纏繞機(jī)控制機(jī)構(gòu)，其特征是所述的主軸三相異步電機(jī)與主軸減速器、所述的主軸減速器與主軸之間分別通過一組相互嚙合的齒輪連接。3.一種復(fù)合材料彎頭纏繞機(jī)控制機(jī)構(gòu)的纏繞方法，其特征是通過電位器控制主軸的轉(zhuǎn)速及其旋轉(zhuǎn)方向，推動小車上的位置控制操作手柄來控制小車的往復(fù)擺動，從而利用主軸帶動彎管芯模的轉(zhuǎn)動和纏繞小車帶動復(fù)合材料的導(dǎo)絲頭沿著彎管芯模軸線作半圓形軌道往復(fù)擺動二者的復(fù)合，將浸漬樹脂的復(fù)合材料有規(guī)律的纏繞到彎管芯模表面，多層纏繞后形成復(fù)合材料纏繞層，纏繞完成后將彎管芯模脫掉形成復(fù)合材料彎頭。全文摘要復(fù)合材料彎頭纏繞機(jī)控制機(jī)構(gòu)及纏繞方法，已有的多軸纏繞機(jī)不僅機(jī)械結(jié)構(gòu)和軌跡規(guī)劃非常復(fù)雜，而且造價高，限制了其工業(yè)化的應(yīng)用。復(fù)合材料彎頭纏繞機(jī)控制機(jī)構(gòu)，其組成包括主軸三相異步電機(jī)(1)，所述的主軸三相異步電機(jī)通過主軸減速器(2)連接主軸(3)，所述的主軸對應(yīng)連接彎管芯模(4)，所述的彎管芯模對應(yīng)纏繞浸漬樹脂的復(fù)合材料(5)，所述的復(fù)合材料纏繞于導(dǎo)絲頭(6)上，所述的導(dǎo)絲頭由具有操作手柄(7)的纏繞小車(8)帶動，所述的纏繞小車連接浸膠槽。本發(fā)明用于復(fù)合材料彎頭的纏繞。文檔編號B29L23/00GK101758621SQ20081020978公開日2010年6月30日申請日期2008年12月25日優(yōu)先權(quán)日2008年12月25日發(fā)明者許家忠,尤波,李東潔,王寶剛,王嘉賓申請人:哈爾濱理工大學(xué)