（机械工程专业论文）矩形玻璃钢缠绕机控制系统设计.pdf

摘要 随着缠绕技术的不断发展，纤维缠绕制品被广泛应用于石油、化工、航天、 建筑、电力、造船等行业。传统的缠绕工艺以回转体构件缠绕为主，回转体构件 的缠绕技术已日渐成熟。然而各个领域对非回转体缠绕制品的需求越来越大，研 究非回转体缠绕工艺，并能实现非回转体自动化纤维缠绕是未来纤维缠绕发展的 主要方向。 本文以为非回转体( 矩形) 研究对象。首先分析回转体缠绕工艺，回转体测 地线稳定理论和非测地线稳定缠绕理论。给出了非测地线缠绕纤维不架空、不滑 线的条件。在此基础上，对矩形构件纤维稳定缠绕做了系统化地分析。依据“相 当圆”假设理论，计算了矩形构件缠绕各面的缠绕角。分析了保证矩形各面缠绕 角不变的导丝头到芯模的距离。分析了矩形构件稳定缠绕纤维在边界的受力情 况。阐述了纤维缠绕的线型分类、特点。 本文基于f w 系列缠绕机基础上，设计研发了矩形玻璃钢缠绕机。对应f w 系列的浸胶系统进行改造，并且增加了两个自由度以满足非回转体构件缠绕。缠 绕机控制系统硬件上采用美国m 公司p c i 7 3 4 4 运动控制卡、p c i - 6 2 2 1 数据采集 卡、张力传感器及张力控制器。软件方面采用m 公司的l a b v i e w 软件，设计 缠绕机运动控制和监控模块、张力控制模块等。本文对纤维缠绕张力进行系统分 析，介绍了张力控制系统构成。 最后对缠绕机控制机界面进行了设计，以为满足用户界面友好、实时性好的 要求。在完成缠绕机及控制系统调试后，进行了矩形构件的缠绕实验。实验结果 表明缠绕机运行稳定，控制系统控制精度高，完全能满足设计功能及精度要求。 关键词：非回转体缠绕工艺l a b v i e w 运动控制卡张力控制 a b s l r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff i l a m e n tw i n d i n gt e c h n o l o g y , t h ew i n d i n gc o m p o n e n t s a r ea p p l i e dt oa l lf i e l d s t h ef i l a m e n tw i n d i n gt e c h n o l o g yb a s e do ng y r a t i o n c o m p o n e n ti si n c r e a s i n g l ym a t u r e a n dt h en e e do fn o n - g y r a t i o nw i n d i n gc o m p o n e n t i s i n c r e a s i n g s t u d yo nf i l a m e n tw m d i n gt e c h n o l o g y b a s e do nn o n - g y r a t i o n c o m p o n e n ta n da u t o m a t i ct e c h n o l o g yo fn o n - g y r a t i o nc o m p o n e n ta r eb e c o m e st h e t w of u t u r ed i r e c t i o n so ff i l a m e n tw i n d i n g t h ep a p e re x p a t i a t e so nt h ep r o c e s so fg y r a t i o nc o m p o n e n t , g e o d e s i cs t e a d y w i n d i n gt h e o r ya n dn o n g e o d e s i cs t e a d yw i n d i n gt h e o r y t h en o n - s l i pa n dn o n - b r i d g e q u a l i f i c a t i o no fn o n - g e o d e s i cw i n d i n gi sp r e s e n t e di nt h ep a p e r a n dt h ef i l a m e n t w i n d i n gp m c e s so ft h er e c t a n g u l a rc o m p o n e n ti sa n a l y z e d b a s e do nn o n - g e o d e s i c s t e a d yw i n d i n gt h e o r y , t h ew i n d i n ga n g l eo fr e c t a n g u l a rc o m p o n e n ti sc a l c u l a t e da n d t h ep a r a m e t e rw h i c hi st h ed i s t a n c eb e t w e e ns p i n n e r e ta n dc o m p o n e n ti sc a l c u l a t e da s t ot h ew i n d i n gm o v e m e n to fr e c t a n g u l a rc o m p o n e n tt ob ec o m p l e t e d t h ec l a s s i f i c a t i o n a n dc h a r a c t e ro f w i n d i n gp a t t e r ni sd e s c r i b e di nt h ep a p e r t od e s i g nt h en o n - g e o d e s i cw i n d i n gm a c h i n eb a s e do nf ws e r i e sw i n d i n g m a c h i n e t h ea d v a n c e m e n to fn o n g e o d e s i cw i n d i n gm a c h i n ei st oc h a n g et h ep r o c e s s o fd i p p i n gr e s i na n dt oa d dt w of r e e d o mo fs p i n n e r e t t h eh a r d w a r es y s t e mo f n o n - g e o d e s i cw i n d i n gm a c h i n ec o n t a i n sp c i - 7 3 4 4 ，p c i - 6 2 21 ，t e n s i o ns e n s o r , t e n s i o n c o n t r o l l e r t od e s i g nt h ec o n t r o ls y s t e mo fn o n - g e o d e s i cw i n d i n gm a c h i n eb a s e do n l a b v i e w t h ec o n t r o ls y s t e mc o n t a i n st h eu n i to fm o t i o nc o n t r o la n dm o n i t o r i n g ， t h eu n i to ft e n s i o nc o n t r 0 1 i nt h ee n d , c o n s i d e r i n gt h ed e m a n d so ff r i e n d l yi n t e r f a c ea n dh i l g hp r e c i s i o n , c o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ei sd e s i g n e d t od e b u gt h ew i n d i n gm a c h i n ea n dc o n t r o l s y s t e mi sd o n e a n dt h ew i n d i n ge x p e r i m e n t a t i o ni s d o n e t h er u n n i n gr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ew i n d i n gm a c h i n ew o r ks t e a d i l ya n dc o n t r o ls y s t e mi sh i g hp r e c i s i o n , m e e tc o m p l e t e l yt h ed e m a n d sf o rb o 血d e s i g nf u n c t i o na n dw i n d i n gp r e c i s i o n k e yw o r d s ：n o n - g y r a t i o nc o m p o n e n t ；w i n d i n gp r o c e s s ；l a b v i e w ；t e n s i o nc o n t r 0 1 学位论文主要创新点 一、本文根据非回转体缠绕工艺要求，建立了矩形缠绕数学模型。 该数学模型可以实现缠绕过程中线型的稳定性。 二、基于l a b v i e w 软件，设计开发了矩形玻璃钢缠绕机控制系 统。该缠绕系统为参数驱动型，可以实现不同规格参数的矩形玻璃钢 缠绕。 三、设计了一种新型矩形玻璃钢的缠绕张力控制系统，该张力控 制系统在保证充分浸胶的同时，能提供合理的缠绕张力，保证了缠绕 质量。 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 上世纪4 0 年代，纤维缠绕技术开始发展。1 9 4 6 年，第一个纤维缠绕技术专 利在美国申请成功。当时纤维缠绕技术主要应用于缠绕火箭发动机壳体等军工项 目。到了6 0 ，7 0 年代，纤维缠绕技术进入飞速发展阶段。上世纪末期，纤维缠 绕所应用的领域不断扩大，发展速度有显著提高【i 】。玻璃钢纤维缠绕制品由于比 强度高、重量轻、耐腐蚀及安装方便等优点，被广泛地应用于石油、化工、航天、 建筑、电力、造船等行业，并有代替金属管道和贮罐的趋势【2 j 。 玻璃钢纤维缠绕机的设计和生产在机械制造领域中属于新兴行业。由于缠绕 制品多样化及应用领域较为广泛，缠绕机的控制系统还达不到通用化、标准化和 系列化程度较高的水平。到上世纪6 0 ，7 0 年，我国才研制出第一台机械式缠绕 机。该方面研究和生产相对起步较晚，现处在非定型和非标准设计的生产阶段【3 j 。 目前大多缠绕制品均为回转体，如各种高压管，污水管，贮罐，天然气瓶等。相 对日渐成熟的回转体缠绕，非回转体自动化缠绕研究设计是未来纤维缠绕技术发 展的一个重要方向。 1 2 国内外玻璃钢缠绕机发展状况及趋势 如今，简单的二轴缠绕机和三轴联动缠绕机仍是缠绕机市场上的主流机型。 随着计算机技术的发展和数控技术的不断进步，缠绕机逐渐从8 0 年代的机械控 制缠绕机发展到生产效率高、缠绕精度高的数控缠绕机。六轴微机控制缠绕机研 制成功，改变了弯管和三通t 形管的缠绕工艺。机械缠绕非回转体逐渐取代手糊、 半手糊的缠绕工艺。 1 2 1 玻璃钢纤维缠绕机国外发展概述 二十世纪4 0 年代，由于美国发展导弹等武器装备的需要，纤维缠绕技术逐 步开始发展并于1 9 4 6 年取得专利。1 9 4 7 年美国k e u o g 公司成功研制出世界上 第一台缠绕机。到了6 0 年代初，多家公司开始提供机械式缠绕机，机械式缠绕 天津工业大学硕士学位论文 机包含主轴和小车两部分，齿轮和链条做为主轴和小车之间的传动机构。机械类 缠绕机被认为第一代纤维缠绕机。受机械传动效率影响，该类缠绕机计算不够精 确，控制精度较低。所以缠绕的制品种类也是相当有限。 随着火箭发动机成型的特殊缠绕要求提高，控制更加复杂的缠绕机出现了。 液压伺服马达被应用到该类纤维缠绕机中。芯模的角位移量和小车的线位移量被 转换为电脉冲形式的数字量进行控制。这类缠绕机可称为第二代缠绕机，即数字 程序控制缠绕机。此类缠绕机的缺点：非线性缠绕时仍需要设计加工凸轮，而且 拨码开关只能存储少量信息，数字程序控制系统没有编程和运算的功能，因此改 变纤维制品时准备工作量仍很大，所以还不能满足缠绕复杂制品的要求。 到了7 0 年代，计算机的高速发展，推动了第三代缠绕机地问世。1 9 7 3 年 e n t e c 公司开发出第一台微处理器控制的缠绕机。三年后商业化标准的缠绕机投 放市场。计算机控制纤维缠绕机通过存储在存储器里的系统程序来完成控制功 能，改变控制逻辑就得改变系统程序。缠绕机各坐标轴的成型轨迹是依靠系统程 序计算出得纤维轨迹求解得出。缠绕精度也因计算机控制伺服电机传动而提高。 计算机控制纤维缠绕机中的多种多样的零件缠绕程序，大大增加了缠绕机的的灵 活性和适应性，即具有良好的柔性【】。 1 2 2 玻璃钢纤维缠绕机国内发展概述 我国缠绕机发展较为缓慢，从上世纪6 0 年开始研究，到时8 0 年代还停留在 第一代机械缠绕机的水平上。近年来，多台国外先进的微机控制纤维缠绕机被引 进。这对我国纤维缠绕机的发展和缠绕工艺水平提高所起到的作用是不言而喻 的。随着我国航天工业的不断发展，为缩短我国纤维缠绕技术同国外先进水平之 间差距，自主研发微机控制纤维缠绕机被列为重点攻关对象。目前，哈尔滨工业 大学已经成功研制五轴微机控制缠绕机，标志着我国微机控制纤维缠绕机的研制 水平有了巨大的提高，缩短了于国外先进技术之间的的差距。 目前，国内哈尔滨工业大学、浙江大学、武汉理工大学等高校对纤维缠绕工 艺，缠绕运动分析有初步研究。哈尔滨工业大学应用微分几何曲面理论得到了圆 环面的测地线和圆柱面的非测地线表达式，总结出非测地线稳定缠绕的边界条件 及稳定方程，解决了直角弯管缠绕问题，奠定了直角弯管纤维缠绕的理论基础； 浙江大学梁友栋等人针对非轴对称部件在缠绕中遇到的问题，提出了测地线以及 拟测地线的缠绕成型问题。武汉理工大学在v c 环境下，采用o p e n g l 软件进行 三维立体仿真，可以方便的控制模型，进行人机交互【鲫】。 第一章绪论 1 2 3 玻璃钢纤维缠绕机发展趋势 随着科学技术地不断发展及纤维复合材料的广泛应用，高精度，高生产效率， 高柔性是未来纤维缠绕机应具备的。因此，纤维缠绕机未来发展方向有 9 q o ： ( 1 ) 纤维缠绕机的张力控制系统更精密，缠绕精度更高。合理的张力控制， 可以充分发挥纤维的高强度特性，增加缠绕制品的强度和抗疲劳特性。 ( 2 ) 既能提高生产率，又能缠绕复杂形状的多轴缠绕机广泛应用。目前，缠 绕制品的形状有限，而相对复杂的形状( 如绝大多数非回转体) 难以缠绕。 ( 3 ) 辅助装置随着工艺复合化发展日趋多样化。如压辊装置、切断装置等。 ( 4 ) 机器人技术应用到缠绕机上。机器人多自由度、运动灵活、工作空间广 等优点，适应于缠绕小型复杂制品，如轴不对称和双凹面部件。 1 3 玻璃钢纤维缠绕工艺概述 玻璃钢纤维缠绕工艺是指连续玻璃钢纤维束在浸过树脂胶液后，按照一定的 规律均匀地缠绕到芯模上，然后再经过固化，脱模最终形成一定形状的玻璃钢制 品的一种生产工艺【l l 】。缠绕工艺如图1 1 所示 图1 1 玻璃钢纤维缠绕工艺流程图 干 法 缠 绕 工 艺 天津工业大学硕士学位论文 在生产实践中，纤维缠绕工艺分为干法、湿法、半干法三种缠绕工艺【1 1 3 1 ： ( 1 ) 湿法缠绕工艺 连续玻璃钢纤维束在浸过树脂胶液后直接缠绕到芯模上。此工艺优点是所 需设备较为简单，选材宽松，生产较为经济。缺点是纱片质量不易控制和检验， 固化时易产生气泡，缠绕张力不易控制。缠绕系统需时常维护刷洗理，否则影响 缠绕生产。 ( 2 ) 干法缠绕工艺 将预浸后的玻璃纤维纱带，进过加热软化后绕制在芯模上。此种工艺相对湿 法缠绕工艺有纱片质量可控，缠绕速度相对较快，设备清洁条件比较好等优点。 缺点是需另行配置预浸设备，成本较高。 ( 3 ) 半干法缠绕工艺 相对湿法缠绕工业，增加了烘干工序。又比干法缠绕工艺的烘干时间短，降 低了胶纱的烘干程度。使得缠绕过程能在室温下进行。在提高缠绕速度同时，又 除去了溶剂，减少了设备，提高了质量。 纤维缠绕成型相对其他复合材料成型工艺在经济效益上有一定的优势，具有 更佳的投资效益。表i - i 是不同成型方法的经济分析表。 表i - i 不同成型方法的经济分析表 设备生产制品工人技术技术复杂可重复生 成型方法 投资效率强度要求程度产性 手糊成型ll31 01 0l 袋压成型336774 喷射成型 44l 1 01 01 模压成型88 7 558 连续成型1 01 05ll1 0 缠绕成型661 0449 通过纤维缠绕工艺获得制品有以下优点【1 4 】： ( 1 ) 可设计性强 第一章绪论 纤维缠绕各向异性强，能缠绕出等强度的复合材料制品。这是其他复合材料 所不具备的。 ( 2 ) 精度高 在精密张力控制系统的控制下，纤维缠绕发挥纤维强度，减少其强度损失， 使缠绕制品的精度达到较高的水平。 ( 3 ) 生产率高 纤维缠绕是机械化、自动化缠绕。这极大提高了生产效率，便于大批量生产。 ( 4 ) 能够成型巨大的结构 缠绕制品结构巨大，且能现场缠绕巨大结构。这是其他复合材料成型工艺所 不具备的。 ( 5 ) 强度较高 纤维缠绕直径较细，表面缺陷率较低。应力在纤维间之间相互传递，大大降 低了强度损失。 ( 6 ) 材料成本低 缠绕同一制品，可选材料较多，且材料成本较低。 1 4 课题研究的目的和意义 目前，国内在非回转体纤维缠绕研究方向还存在较大差距。本课题以非回转 体构件( 矩形) 做为研究对象，对非回转体的纤维缠绕工艺进行深入研究。基于 所研究的非回转体( 矩形) 缠绕工艺，开发设计一款矩形玻璃钢管缠绕系统。 本课题的意义 ( 1 ) 基于回转体构件纤维缠绕理论基础上，分析非回转体( 矩形) 构件纤维 缠绕的运动特性，受力状况。分析了非回转体( 矩形) 基于非测定线理论稳定缠 绕的判别式。为日后研究其他非回转体纤维奠定了一定的理论基础。 ( 2 ) 在f w 卧式纤维缠绕机基础上，设计开发了异型玻璃钢纤维缠绕机。根 据非回转体( 矩形) 构件的纤维缠绕工艺。增加吐丝头的两个自由度，以满足矩 形构件纤维缠绕。 ( 3 ) 基于l a b v i e w 软件，设计开发了矩形玻璃钢缠绕机控制系统。在满足 回转体纤维缠绕的基础上，实现非回转体( 矩形) 构件的缠绕。 1 5 课题研究的内容 天津工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 以非回转体( 矩形) 为研究对象，分析矩形构件纤维缠绕工艺。基于非 测地线理论，分析推导矩形构件稳定缠绕辨别式，计算矩形构件玻璃钢纤维缠绕 参数。 ( 2 ) 研究开发了矩形玻璃钢缠绕机控制系统，该控制系统采用工控机与 p c i 7 3 4 4 运动控制卡的上下位机控制结构。以p c i - 6 2 2 1 、磁粉制动器、张力控 制器为执行元件构成张力控制系统。该系统根据缠绕构件的尺寸自动生成缠绕线 型参数。 ( 3 ) 矩形玻璃钢缠绕机控制应用软件设计。根据矩形构件缠绕工艺，基于 ia b 、w 开发设计的应用软件包括缠绕参数自动处理，缠绕机初始化，主轴与 小车之间的运动控制，张力控制，人机界面等模块。 第二章矩形构件纤维缠绕数学模型分析 第二章矩形构件纤维缠绕数学模型分析 非回转纤维缠绕可以看作回转体纤维缠绕的特殊形式，非回转体缠绕的力学 特征、运动规律都与回转体缠绕相同。本章基于非测地线缠绕理论，推导非回转 体缠绕的稳定缠绕，分析非回转体与回转体之间的共性与差别。 2 1 非测地线缠绕理论 测地线理论是纤维缠绕的基本理论之一。在微分几何上，曲面测地线上任意 两点间的最短连线可称为短程线。短程线是最稳定的，因此测地线也最稳定，不 滑线的。若缠绕纤维偏离了测地线位置，纤维会测地线方向滑动。 随着缠绕工艺的不断发展，测地线虽然稳定且计算简单，但是其局限性显现 出来1 5 】： ( 1 ) 缠绕角不可控制。曲面上任意给定一个起始点及一个方向有且只有一条 测地线通过，并以该方向为切矢。所以，满足力学性能最优化的缠绕角不一定能 用测地线实现。 ( 2 ) 工程上常用一些零件无法缠绕。根据回转曲面测地线的c l a i r a u t 定理： s i n a ，= c o n s t a n t ( 为母线上第i 点的半径；a ，相应点的缠绕角) 得出对不等 开口容器或有限长圆管筒就无法完全用测地线缠绕。 不考虑摩擦力的存在是测地线稳定理论的前提条件。而实践证明，摩擦力存 在于纤维和芯模表面之间或纤维层间，其可以起到抵抗一定程度滑线的作用。纤 维偏离测地线位置一定范围内仍处于稳定状态。基于这种摩擦机理的纤维缠绕理 论被称为非测地线理论。 如图2 - 1 所示，纤维在芯模表面受到的曲率半径方向的力，可分解为沿g 方向和栉负方向的力和六。疋与纤维在p 点处的切线t 垂直，纤维在其作 用下产生滑线的趋势。工垂直于芯模表面。l 为纤维与芯模表面的摩擦力，其 方向与石方向相反。若纤维非测地线下稳定缠绕不滑线，l 万i 小于等于l 万l m 1 。 设曲率半径方向与主法向量方向的夹角为口 疋= 六s i n o ( 2 一1 ) 天津工业大学硕士学位论文 。= 。s i n o 图2 - 1 纤维在曲面p 点受力分析 ( 2 - 2 ) 纤维不滑线判别：纤维在一定的侧滑力作用下而不滑线，是靠纤维与芯模或 纤维层间产生的摩擦力。设兀为最大静摩擦系数，纤维在p 点受到最大静摩擦 为： 冈= 兀同 ( 2 - 3 ) 纤维缠绕不滑线判别为： 阱网 ( 2 _ 4 ) 纤维不架空判定：在纤维拉紧的状态下，纤维紧贴芯模表面而不是离开芯模， 这就是纤维不架空的要求。万的方向决定着纤维是否不架空。若万的方向不指 向芯模而是背离芯模，纤维则出现架空现象。所以纤维不架空判别： 六以 0( 2 5 ) 2 2 回转体纤维缠绕运动分析 常见的回转体构件如圆柱体、锥体等构件在以测地线缠绕规律缠绕时，芯模 的转速与小车的速度之间比例关系必须严格控制。通常是以芯模做为参考量，使 第二章矩形构件纤维缠绕数学模型分析 其匀速转动，小车的速度在保持缠绕角恒定不变的前提下，进行调节。在测地线 缠绕判别式为f 1 7 】： rs i n g i = c( 2 - 6 ) 式中：冠一任意截面处的半径； a ，一任意截面处相应的缠绕角： c 一常数，由缠绕的边界条件或其他要求确定； 而缠绕曲面上任意两个截面判别式： 置s i n a t = r js i n g ， ( 2 7 ) 式中：足一任意截面坎的半径； 矾一任意截面i 处相应的缠绕角； 足，一任意截面，处的半径； a ，一任意截面，处相应的缠绕角； 只有满足公式( 2 - 6 ) 的回转体缠绕，才是稳定的测地线缠绕。在纤维与芯模或 纤维层间的摩擦力不存在时，如果纤维未处于测地线位置，纤维将向着测地线位 置滑动，直到重合为止。 回转体纤维缠绕参数有【1 8 j ( 1 ) 转速比 完成一次完整循环，芯模转数与导丝头往返次数之比。即： ，一一m ( 2 8 ) k = 一 、- 一7 式中；m 一完成一个完整循环的芯模转数； 力一完成一个完整循环纤维在端部极孔周边切点数。 ( 2 ) 线型 连续纤维在芯模表面上的排布型式。线型在数值上等于转速比。 数值当做线型的代号) i o = s o ( 3 ) 芯模转角 完成一次完整循环，芯模转过的角度为： 吼= 2 只 式中：见一是小车往返一次，芯模转过的角度； 谚一是小车单行程，芯模转过的角度。 小车往返一次的芯模转角公式为： 吼：f ，墨+ n 1 3 6 0 。 ( 转速比的 ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 天津工业大学硕士学位论文 式中：k 一其值应使k 刀为最简真分数； 一正整数； ( 4 ) 缠绕角 缠绕角是纤维与芯模轴线的夹角。它与芯模的转速，小车的速度及芯模的回 转半径有关。缠绕角对缠绕制品的强度有决定性影响。 o j r ( 2 1 2 ) t g a = 、 1 ， 式中：口一缠绕角； ，一小车的速度； 国一芯模转动角速度； 尺一芯模半径； ( 5 ) 停留角 停留角是指在缠绕过程中，小车在缠绕制品左右两端静止不动，主轴继续转 动的角度。根据停留位置的不同，分为左停角和右停角。停留角的作用：加强缠 绕制品左右两端的应力强度和防止缠绕返回是纤维在封头处滑线。 2 3 矩形玻璃钢纤维缠绕稳定判别 按测地线在芯模表面布线能满足纤维稳定缠绕的基本要求：纤维不重叠、不 离逢地均匀缠满芯模表面；纤维在芯模表面不打滑。但是测地线的局限性，不能 满足一些纤维缠绕工艺发展的需求。非测地线稳定缠绕发展研究，大大促进了纤 维缠绕工艺的发展。 2 3 1 矩形构件纤维缠绕分析 因为矩形构件的结构特征，各边所对应的芯模转角不相同。根据“相当圆一 理论，能推得芯模转角与各面缠绕角间的关系【1 9 1 。图2 2 是矩形构件简身缠绕展 开图。 口边对应的芯模转角为彳，小车相对前进的螺距为乞。同理，b 边对应的芯 模芯模转角为b ，螺距为厶。 羔3 6 0 寺熹3 6 0 = 等 一= = ! 一= 二 1 7 1 l o 厶 o 厶 、7 第二章矩形构件纤维缠绕数学模型分析 由公式( 2 1 3 ) 得： 图2 - 2 矩形构件筒身缠绕展开图 l = 杀 设艺= 未，e 为口边的螺距系数，得： ，。= k a l l 同理：l b = k 。l l ，k b 为b 边的螺距系数。 芯模转一个圈，小车所对应的前进螺距为： 化简后得： ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) 孟，d + k 占+ k 。+ 蚝l l = l l ( 2 1 6 ) 矩形各面所对应的缠绕角为： k 。+ k b + k a + k b = 1 蚝+ k b = 0 5 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ：昙；舭。：土(219)tgao 2 丽；留2 一g a l l 2 。 根据“相当圆”假设，筒身的缠绕角为： 天津工业大学硕士学位论文 舭相2 习丽焉丽 将( 2 1 6 ) 代入( 2 2 0 ) 得： 2 ( a + 6 ) f g 口相2 1 - 一 i t , l 将( 2 1 9 ) 转化为： 口= k o l l t g a 。；6 = k 6 l l t g a 6 代入( 2 - 2 1 ) 中，得： t g 口相：2 ( k a l l t g a o r + k b l l t g a b ) 化简后： 增口相= 2 ( k 。t g a 。+ k 6 t g a 6 ) 芯模的中心转角为： = 热3 6 0 。 2 3 2 矩形构件非测地线稳定缠绕角分析 ( 2 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 缠绕角是纤维缠绕中重要的参数。缠绕角不合理，很容易造成纤维在矩形构 件边界处产生滑线现象，最终影响整个缠绕制品的线型。因此，根据“相当圆” 假设，以相当圆缠绕角口相做截面。如图2 - 3 所裂2 们。 d c ae 图2 - 3a 相界面示意图 第二章矩形构件纤维缠绕数学模型分析 当纤维非测地线稳定缠绕时，纤维段e f g 应该处于受力平衡状态。在a e n f 和a f g m 中，纤维在矩形各面长度e f ，f g 。 e f ：_ l ；f g ：_ l ( 2 2 6 ) s m a 相 s i n a 通过推导砑与f g 间的夹角l e f g = 2 0 为： c o s 2 0 = - c o s 2 ( 2 2 7 ) 化简得： c o s p = 忑1 s i i l ( 2 - 2 8 ) 分析e f g 段纤维受力平衡，图2 4 为e f g 段受力分析 如图2 - 4 所示： g 图2 4e f g 段受力分析 e 2 f c o s o 一线甲a s = 0 ( 2 - 2 9 ) 所以拐点f 承受局部均匀载荷p 。印为： p o q , = 百2 f c o s o ( 2 3 0 ) 图2 - 5 为g e e 段纤维之缠绕展开段受力分析。由图2 - 5 得： f c o s a a ：一f c o s a a ：+ t c o s ( p 7 + a ：) = 0 ( 2 3 1 ) 拐点f 局部平均摩擦处力为： t = p 砌厶= p o 甲f a s ( 2 3 2 ) 将( 2 3 0 ) 和( 2 3 1 ) 代入( 2 3 0 ) 中得： 天津工业大学硕士学位论文 g c o s a a ；一c o s 口；= i 2 c o s p c o s ( 缈+ 口：) ( 2 - 3 3 ) f 图2 5 为g 舾段纤维之缠绕展开段受力分析 将式( 2 - 2 7 ) 代入( 2 3 3 ) 中得： c o s a a ：- c o s a a ： t 压s l n a 相外。s ( t p + a a 纠 式( 2 - 3 4 ) 就是纤维非测地线缠绕稳定缠绕判别式，式中： a a ：= 口：一口相 a a ：= 口箱一口。 止咿一半删一华 式中口：、口：一为各面所对应的缠绕角 2 4 本章小结 ( 2 3 4 ) ( 2 - 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) ( 1 ) 简述了测地线缠绕机理，分析测地线缠绕的的局限性。进而简述了非测 地线缠绕机理，分析了非测地线缠绕不滑线，不架空的判别式。 ( 2 ) 分析了回转体的缠绕运动，列出了纤维测地线稳定缠绕的条件。分析了 回转体缠绕所需要的几个相对关键的参数。 ( 3 ) 针对非回转体( 矩形) 基于非测地线理论缠绕的特点，分析了矩形构件 在非测地线缠绕下的基本缠绕。为了保证纤维在进行矩形构件缠绕时，在矩形棱 边处不产生滑线，分析了纤维在非测地线缠绕下稳定的缠绕角。 第三章玻璃钢纤维缠绕规律分析 第三章玻璃钢纤维缠绕规律分析 缠绕制品的质量是通过缠绕规律保证的。同时产品设计，缠绕设备运动控制 系统设计也是以缠绕规律做为依据。 3 1 纤维缠绕基本规律 任何纤维缠绕都是依靠芯模回转与小车往返相互配合实现的。所谓的纤维缠 绕规律就是使纤维按照稳定的缠绕轨迹均匀地布满芯模表面的规律。不同的线型 对应着不同的缠绕规律。如果不按照缠绕规律进行缠绕，缠绕过程中将出现架空、 滑线现象。 为了保证纤维在缠绕过程中不出现架空、滑线的现象，纤维缠绕线型应该满 足【2 1 】： ( 1 ) 纤维在均匀布满芯模表面同时，保证纤维在芯模表面不出现架空、离缝 现象： ( 2 ) 纤维在芯模表面处于平衡状态，没有滑线现象。 找出缠绕制品结构尺寸与线型、小车与芯模的相对运动之间的关系是纤维缠 绕规律的意义所在。 3 2 缠绕线型概述 纤维缠绕线型是纤维缠绕工艺中重要的参数。缠绕线型设计不合理，是无法 进行缠绕工艺的实施。对各缠绕制品不能只对强度，构造及功能做出要求，还按 合理的设计缠绕线型，才是满足上述要求的前提。 3 2 1 纤维缠绕线型分类 纤维缠绕线型根据缠绕方式不同分为1 2 2 。2 3 】：环向缠绕，螺旋缠绕，纵向缠绕 三类。 ( 1 ) 环向缠绕 环向缠绕如图3 1 所示。环向缠绕的特点是以相对比较大缠角绕进行缠绕， 天津工业大学硕士学位论文 一般大于7 0 0 。芯模转动一圈，吐丝头移动一个纱片宽度，直到芯模表面被纤维 均匀地布满为止。环向缠绕只能缠绕制品的筒身段，不能在封头进行缠绕。环向 缠绕参数计算如下： w = f f 口d c t g a ( 3 - 1 ) b = f f d c o s a( 3 - 2 ) 式中：d 一芯模直径； b 一纱片宽； 口一缠绕角； 形一纱片螺距 图3 - 1 环向缠绕 环向缠绕能提供较大的环向强度。对于不同的缠绕工艺，芯模倾斜角也相应 的有所改变。湿法缠绕时，芯模倾斜角小于2 0 0 。干法缠绕时，倾斜角不要大于 3 0 0 。环向缠绕可以奇数层数布满芯模表面。 ( 2 ) 螺旋缠绕 螺旋缠绕相比环向缠绕的优势在于，螺旋缠绕不仅能在缠绕制品的筒身段缠 绕，而且可以缠绕封头。芯模匀速转动，小车以与其相对应的速度往返。如图3 2 所示，纤维从缠绕制品一端极孔出发绕过封头，以螺旋线轨迹缠绕筒身，再绕进 另一端封头，按着缠绕轨迹一直到缠满芯模表面为止。极孔上相邻两个切点间隔 宽度等于纱片宽度。螺旋缠绕能够双层缠绕。 螺旋缠绕缠绕角在4 5 0 到7 0 0 之间。螺旋缠绕既能提供纵向强度，也能够有 少部分环向强度。纵向强度和环向强度的比值随着缠绕角的改变而变化。环向缠 绕可以看做缠绕角趋近9 0 0 的螺旋缠绕。 螺旋缠绕参数关系式： 第三章玻璃钢纤维缠绕规律分析 式中：m 一小车往返次数； g 一螺旋缠绕的螺距； b w - - 缠绕纱带宽度； 三一制品缠绕总长度； f 一转速比 m ：旦：旦 6 wb w i 图3 - 2 螺旋缠绕 ( 3 3 ) ( 3 ) 纵向缠绕 纵向缠绕又称为平面缠绕。它与环向缠绕、螺旋缠绕都有所不同。纵向缠绕 时，吐丝头是在一个平面内做圆周运动，而非环向缠绕、螺旋缠绕吐丝头在芯模 的轴线方向上往返运动。吐丝头旋转一圈，芯模相应转动一个微角。纵向缠绕轨 迹近似一个封闭的圆，如图3 3 所示 3 2 2 纤维缠绕线型设计 图3 - 3 纵向缠绕 缠绕线型与极孔上的上切点个数、位置有判2 4 1 。缠绕线型的设计必须满足 纤维能够均匀连续的缠满芯模表面。以螺旋缠绕为例，纤维均匀连续布满芯模表 天津工业大学硕士学位论文 面的条件： ( 1 ) 一个完整的循环极孔上的切点等分芯模转过的角度 ( 2 ) 相邻两个循环的纱线在缠绕制品的筒身段间隔为一个纱片宽度。 所谓的一个完整循环是指纤维从芯模上某一点开始，经过若干次缠绕，最终 回到起始点。要是使芯模表面被纤维均匀的覆盖，得经过若干次的完成循环缠绕。 一次完整的循环也成为标准线。 一次完整的循环芯模转角为( 2 11 ) 公式： 以：，墨+ n 1 3 6 0 。 刀 由于小车惯性等原因，影响缠绕制品的精度。因此引入微缠绕比，微缠绕比 的公式： 出：垒型( 3 - 4 ) n d c o s 口 式中：盐一微绕速比 b 一纤维纱线宽 口一缠绕角 靠一切点个数 d 一缠绕制品直径 出一两个纱片间隔距离 吐丝头完成一次完成循环的芯模缠绕角： 见：f ，墨+ 3 6 0 。坐 ( 3 5 ) 、刀一， 刀 式中： 口= 蒯b 360。(3-6) 根据公式( 3 5 ) 知道，改变参数刀、k 、n ，芯模转角a 0 也随着改变。因 此一次完整的循环中，满足纤维均匀布满芯模表面的芯模转角有若干个。纤维在 制品的封口头有可能不处在测地线稳定位置，从而导致滑线现象。纤维在封头曲 面的测地线方程为： s i n 口= 一t 0 ( 3 7 ) ， 式中：口一测地线与封头曲面上子午线夹角； 一封头孔孔圆半径； ，一测地线与子午线交点处于平行圆半径。 在封头处，只要纤维曲线满足( 3 7 ) 就是测地线。 第三章玻璃钢纤维缠绕规律分析 3 2 2 纤维缠绕线型实现 图3 - 4 螺旋缠绕控制流程图 不同的缠绕线型，对应着不同的实现方式。对于控制系统来说，应能实现不 同缠绕要求。 环向缠绕的控制系统精度的要求相对较低，比较简单。只要满足芯模旋转一 周，小车相应的在芯模的轴线方向移动一个纱片宽度。环向缠绕只能在筒身进行， 天津工业大学硕士学位论文 因此筒身段的相邻纱片无缝隙的并行排列。 螺旋缠绕是芯模沿一个方向转动，小车以与芯模转速相对应的速度在芯模轴 线方向上做往返运动。只有芯模转速与小车速度保持某一恒定的比例，芯模表面 相邻的两个纱片才能保持同方向，相切，而且二者的中心距离小于纱片宽度。螺 旋缠绕控制系统既要对缠绕纱线进行优化以到达保持相邻两个纱片保持同方向、 相切，又要保持芯模转速与小车速度保持某一恒定的比例关系。由于缠绕线型与 芯模转速与小车速度比例在数值相同，所以缠绕线型随着比例关系的改变而改 变。图3 _ 4 为螺旋缠绕控制流程图。 3 2 吐丝头到矩形构件距离分析 非回转体各面到中心轴的距离不尽相同，其相差较大。因此引入螺距系数【2 5 】 概念。纤维缠绕非回转体某个侧面，使纤维紧贴芯模表面的芯模旋转的中心角所 占3 6 0 0 的比值，这个比值就称为该侧面的螺距系数。吐丝头到芯模的距离对螺 距系数有一定影响，如图3 5 所示。 图3 5 矩形截面缠绕示意图 由图3 5 得出，当b c 边缠绕结束时，落纱点b 旋转到曰”，转过的角度为 z b o b ”。而b c 边所对应的中心角为_ b o c ，臼”与_ b o c 相差孱。所以b c 所 对应的螺旋系数为： = 等 ( 3 - 8 ) 第三章玻璃钢纤维缠绕规律分析 同理能推出a c 边螺距系数疋。 分析图3 5 推出：z b o b ”与z b o c 相差的口为： 口：一a - b - i - a r c t g 垒兰箜一a r c t g ! 兰笺 ( 3 - 9 ) = _ 卫一_ _ 卫 () 二口d 式中：a 为a 面所对应的中心转角； 召为b 面所对应的中心转角； 芯模由a b 边缠绕b c 边，芯模的中心转角： 口+ 尾：下a + b - i - 伽柳丝丝一嘴鼍生 ( 3 1 0 ) 二口口 b c 面的螺距系数为： 蜀：一a + b + a r c t g a 垒三箜一a r c t g ! 兰箜3 6 0 。 ( 3 1 1 ) = _ + 一一_ 三。 ( 3 。1 1 ) 二口0 再由b c 边转到c d 边，c d 边所以对应的芯模中心转角为： 彳一统：下a + b 一伽r g 口坐+ 伽留华 ( 3 1 2 ) 二a口 c d 面的螺距系数为： 瓦：_ a + b 一卿生丝+ 半- 3 6 0 。 ( 一1 3 ) a r c t g 31 3 晟42 下一讲c ；l ：弦一+ 一3 0 u 。 l 。 二“口 式中蝇，咒分别为吐丝头到各边的最短距离。因此吐丝头到芯模的距离 决定着各边的螺距系数。 矩形各边的缠绕角，为： t g a o = 音 ( 3 一1 4 ) 留= 轰 若保证各面缠绕角不变，即= a b 。则： 一a ：坠 b 蚝 将( 3 9 ) ，( 3 1 1 ) 代入( 3 1 4 ) ，设导：k 得： ( k + 1 ) ( a r c t g b + 2 一嘴竺竽) + ( k 一1 ) 9 0 。：o 再取： r 2 = ( 兰) 2 + 互a + 蝇) 2 砰= ( 争2 + ( 兰+ 蝇) 2 得： 蝇：兰竺兰螋 2 1 ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) ( 3 - 2 0 ) 天津工业大学硕士学位论文 将( 3 1 6 ) 与( 3 1 9 ) 联立，将矩形构件各边长代入联立方程得出a s ，a s h 。 例如假设a = 2 b ，a + b = 1 8 0 0 ，得： as=013b(3-21) 此时各侧面的缠绕角相等。由公式( 3 9 ) 能推出，当口= 6 时，即截面不是矩形 而是正方形( a = b ) 无论吐丝头到芯模的距离如何变化，p 角都为零。所以正多 边形截面的螺距系数不受吐丝头到芯模距离地影响。 3 2 本章小结 ( 1 ) 本章节简述了纤维缠绕的基本规律、纤维均匀连续布满芯模表面的条 件。介绍纤维缠绕线型分类及设计。同时对如何实现纤维缠绕线型进行了描述和 分析。 ( 2 ) 分析非回转体缠绕，吐丝头到芯模距离对纤维缠绕过程的影响。计算保 证矩形各面缠绕角保持不变的吐丝头到芯模的距离。 第四章矩形玻璃钢缠绕机控制系统设计 第四章矩形玻璃钢缠绕机控制系统设计 矩形玻璃钢缠绕机在基于f w 系列缠绕机的基础上，针对非回转体的缠绕特 点，增加了垂直于芯模轴线的方向和吐丝头自转方向两个自由度。既满足非回转 体缠绕的特性，又能缠绕带封头的回转体。开发矩形玻璃钢缠绕机基于l a b v i e w 软件的控制系统，该系统根据回转体和非回转体的缠绕工艺，实现缠绕机的自动 化缠绕。 4 1 矩形玻璃钢缠绕机基本结构 矩形玻璃钢缠绕机是基于f w 系列缠绕机的基础上，开发研制的，是一种自 动化的纤维缠绕设备，用于带封头的回转体玻璃钢和非回转体玻璃钢缠绕制品的 制造。该缠绕机控制系统采用工业控制计算机做为上位机，使用简单、操作方便， 生产效率高，安装维护方便，并具有较高的缠绕线型精度。 蝴矧 ， i ， 图4 - 1 异型玻璃钢缠绕机基本结构图 张力系统 图4 一l 为异型玻璃钢缠绕机基本结构图。缠绕机的主要结构有，主轴箱、工 作台、缠绕运丝小车、浸脂系统、张力系统和缠绕控制柜等。 ( 1 ) 主轴箱 主轴箱内包括电机、减速器、编码器。电机由缠绕系统中的变频器控制，可 聊 璧 天津工业大学硕士学位论文 以实现无级调速。电机的转矩通过皮带传递给减速器。经过减速器传递给主轴。 减速器通过万向联轴器与主轴相连。编码器采集主轴转角，输送给工控机，做为 小车往返速度的控制量。 ( 2 ) 工作台、小车 工作台起到支承缠绕小车的作用，由若干槽钢焊接而成。工作台由小车运动 导轨和小车的传动装置组成。小车的传动装置为链传动，由伺服电机驱动。缠绕 机控制系统控制传动过程，以保证芯模转速与小车往返速度的速比关系，以满足 设定的线型和缠绕角。小车上装有导纱装置、浸胶系统和张力控制系统。操作人 员站在小车进行缠绕操作。小车由链条牵引在芯模轴上往复运动，工作台上的张 紧轮调解链条的松紧度。小车下方装有滚动装置，以保证小车能在工作台上平稳 运行。 缀黝缀缓缓缓缓雾豢缓i 霉 图4 - 2 异型玻璃钢缠绕机 ( 3 ) 浸胶系统、导纱装置 浸胶系统装在小车上，纱线通过浸胶系统后，纱线上均匀地涂敷了脂液。浸 胶系统由浸脂槽、压丝辊、接脂板、脂辊等组成。导纱装