馮消冰，吳任東，袁朝龍，焦瑋

(清華大學機械工程系，北京100084)

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五軸聯(lián)動數(shù)控纖維纏繞機及其張力系統(tǒng)的設計

馮消冰，吳任東，袁朝龍，焦瑋

(清華大學機械工程系，北京100084)

五軸聯(lián)動數(shù)控纖維纏繞機的研制成功，對纏繞工藝而言是一次技術性的飛躍。在一些復合材料纏繞成型工藝的研究中，一項重要的內容就是對施加在纖維上的張力進行精準地控制，以防止纏繞制品因張力的不合適而引起制品變形過大，從而降低制品強度和抗疲勞性能，影響制品的質量。本文的目的是研發(fā)一種新型的五軸數(shù)控纖維纏繞機，通過對五軸聯(lián)動數(shù)控纖維纏繞機的整體結構的設計，以及對纏繞機張力控制系統(tǒng)的工作原理的分析和研究，設計了五軸聯(lián)動數(shù)控纖維纏繞機的張力系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用曲線擬合的數(shù)學描述方法實現(xiàn)對張力傳感器的標定，再通過復合濾波消除干擾。該纏繞機在實際的使用過程中，精確且穩(wěn)定，制品滿足使用要求。

五軸 纖維 纏繞機 張力系統(tǒng) 導紗裝置

0 引言

隨著復合材料纏繞技術的發(fā)展，在航空航天領域，很多金屬材料制成的關鍵結構件正在逐步地被復合材料纏繞制品所代替。但也由于一些制品纏繞工藝比較復雜，纏繞制品的質量難以保證，傳統(tǒng)的復合材料纏繞工藝逐漸遭遇瓶頸。因此，開發(fā)五軸聯(lián)動纏繞設備具有非常重要的意義[1]。

纖維纏繞成型工藝通常是指使連續(xù)纖維通過樹脂膠槽浸膠，或直接采用預浸膠的纖維，按照一定的纏繞角度和規(guī)則纏繞到旋轉的芯模上，然后再進行加熱固化或常溫下固化而形成一定形狀制品的一種生產工藝[2]。

纖維纏繞技術仍是生產纖維制品的主要技術手段[3-5]。為了滿足市場對不規(guī)則旋轉體和非旋轉體等纖維產品的需求，國內外均集中精力研發(fā)新型纖維纏繞機[6]。雖然新研發(fā)纏繞機能夠纏繞出符合要求的產品，但生產纏繞機的成本也隨之大幅增加[7]。在機械式纏繞設備的基礎上，設計出一種新型五軸聯(lián)動纖維纏繞機，可方便地纏繞出復合材料殼體類產品。該類纏繞機的性能有了很大的提升，功能完善，運行也非?？煽俊?/p>

為了保證產品的質量，纏繞機的張力系統(tǒng)應具有穩(wěn)定性和精確性，針對于復合材料發(fā)動機的纏繞張力精密控制的要求，本文提出了工控機控制，執(zhí)行元件為力矩電機的張力控制系統(tǒng)方案，對五軸聯(lián)動數(shù)控纖維纏繞機的張力控制系統(tǒng)進行了較為深入的研究。

1 五軸聯(lián)動纏繞機整機設計

高效、優(yōu)質、低成本一直是制造業(yè)所追求的目標，復合材料纏繞制品也是如此。航天類產品特點通常是多種型號與少批量的生產，其產品質量要求極其嚴格，且生產周期越短越好。因此在航天領域中，五軸數(shù)控纖維纏繞機能較大滿足企業(yè)的發(fā)展要求。該五軸數(shù)控纖維纏繞機具有以下特點：第一，可設計性強，充分發(fā)揮復合材料各向異性的特點，減少冗余。第二，精度較高，尤其在開發(fā)出高精度的張力控制系統(tǒng)之后，纏繞制品的精度能達到較高的水平。第三，生產率大大提升，該設備具有自動化和高速化的特點，使得復合材料產品的生產率大幅度提高。第四，強度高，由于纏繞成型的纖維含量高，纏繞過程中纖維受張力的作用，給芯模以正壓力，減少了材料中的氣隙，有利于提高結構的強度。第五，具有整體成型的優(yōu)點，減少了其他方法常遇到的拼接、聯(lián)接等問題，改善了結構的抗疲勞性。

五軸聯(lián)動數(shù)控纖維纏繞機主要包括主機、纏繞工藝CAD/CAM軟件包、張力系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、導紗浸膠系統(tǒng)等。

1.1 主要技術指標

五軸聯(lián)動數(shù)控纖維纏繞機主要有五個基本運動坐標軸及一個隨動坐標軸。纏繞機總體精度要求為：纏繞紗定位精度±0.1 mm，重復定位精度±0.1 mm。六個坐標軸的相關說明及其精度要求如下：

第1坐標軸為主軸轉動，該軸為工件的回轉中心。主軸旋轉精度為±0.125°，重復定位精度為±0.125°。

第2坐標軸為小車做與工件回轉中心平行運動的方向。小車的水平運動定位精度為±0.05 mm，重復定位精度為±0.05 mm。

第3坐標軸為伸臂做與工件回轉中心垂直運動的方向。伸臂運動定位精度為±0.1 mm，重復定位精度為±0.1 mm。

第4坐標軸為吐絲嘴繞伸臂旋轉運動的方向。吐絲嘴旋轉定位精度為±0.25°，重復定位精度為±0.25°。

第5坐標軸為吐絲嘴以伸臂運動方向為基準做左右擺動運動的方向。吐絲嘴擺動定位精度為±0.25°，重復定位精度為±0.25°。

圖1 六個坐標軸示意圖

第6坐標軸(隨動坐標軸)為紗架水平運動與小車水平運動配合運動的方向。詳細如圖1所示。

1.2 結構設計

芯模的主軸架在主軸支架上，由變頻電機帶動其轉動。行走小車安裝在小車軌道上，沿主軸軸線方向做直線往復運動。纖維張力施加機構安裝在導紗裝置上，纖維張力檢測機構安裝在張力施加機構與吐絲頭之間，以便準確檢測纏繞過程中纖維的張力信號。吐絲頭伸臂安裝在小車上，做沿主軸徑向的伸縮運動。吐絲頭回轉機構安裝在吐絲頭伸臂上，設計總體圖如圖2所示。

圖2 五軸聯(lián)動數(shù)控纖維纏繞機設計總圖

主軸旋轉動力由一個功率為32.5 kW、額定力矩為120 N·m的電機提供，電機輸出的扭矩經(jīng)減速器再經(jīng)同步帶輪傳動裝置驅動主軸旋轉，主軸的相關設計參數(shù)如表1所示。

表1 主軸相關設計參數(shù)

旋轉芯模通過主軸支架的固定端和移動端來夾持，通過卡盤與組件連接驅動芯模，主軸支架的固定端如圖3。

小車的行走動力由一個功率為6.4 kW，額定力矩為 24.6 N·m的電機提供，電機輸出的扭矩經(jīng)減速器帶動齒輪，齒輪在軌道的齒條上移動驅動小車做往返運動。小車的結構如圖4所示。

圖3 主軸支架固定端 圖4 小車結構設計圖

圖5 伸臂結構設計圖

纏繞封頭時，為了保證吐絲嘴與芯模間的距離不變，需要設計一機構推動吐絲嘴縱向運動，此機構稱為伸臂機構。伸臂的動力由一個功率為4 kW，額定力矩為16.3 N·m的電機提供。伸臂的結構如圖5所示。

除了上述的主要部件的機械結構設計，還有移動頂架、移動頂架導軌、小車導軌、導紗裝置、導紗裝置導軌的結構設計。其中，導紗裝置的結構將在第三節(jié)中提及，其作為張力系統(tǒng)的基礎。

1.3 產品

圖6 五軸聯(lián)動數(shù)控纖維纏繞機

某型號發(fā)動機碳纖維殼體由于其纏繞工藝的特殊性，目前還沒有一個能高效地實現(xiàn)纏繞的自動化，其制品纏繞工藝還處于三軸纏繞的階段，產品尺寸、質量等不是很容易保證。近年來由于各方面的原因，該產品需求量大大增加，之前的纏繞方法遠遠不能滿足需求，需要開發(fā)五軸數(shù)控纖維纏繞的自動化設備來改善當前的工作條件。圖6所示的五軸數(shù)控纖維纏繞機是為開發(fā)該型號發(fā)動機碳纖維殼體的自動化纏繞設備而開發(fā)設計的。

2 導紗裝置與排線布局方式

導紗裝置由紗架、旋轉盤、中間滾輪、小滾輪、中間紗架、分紗器組成[8-9]。

導紗裝置的主要目的是避免纖維在纏繞過程中出現(xiàn)打結的現(xiàn)象，纖維可以平穩(wěn)地抽出，并最終在吐絲嘴匯集在一起。通常在紗架上要將每團纖維分別出絲，這樣就會使該設備的20團纖維能夠平行地聚在一起，而不發(fā)生繞在一起的現(xiàn)象[10]。

2.1 導紗裝置

圖7 導紗裝置

導紗裝置用于放置纖維和疏導纖維。由于芯模旋轉纏繞時的纖維是由多束纖維集束而成，所以紗架上設有多個纖維旋轉盤[11]。該五軸數(shù)控纖維纏繞機的導紗裝置上共設置了20個纖維旋轉盤，可以快速氣動卡緊每束纖維，如圖7所示。

2.2 排線布局方式

紗團放置在紗架的每個旋轉盤上，經(jīng)中間滾輪、小滾輪、測力裝置、換向滾輪、分紗器、浸脂系統(tǒng)浸樹脂后進入吐絲嘴，再纏繞在旋轉芯模上。為了防止纖維打結，20個旋轉盤錯落分布，同時運用了若干換向的導輪來將纖維分開，纖維的排線布局方式如圖8所示。

圖8 纖維的排線布局方案

3 張力系統(tǒng)

纏繞機的幾項關鍵技術中，張力控制尤為重要，它直接影響纖維纏繞制品的質量。纏繞張力的具體數(shù)值是通過設計計算得來，而準確和穩(wěn)定地施加張力，則完全取決于張力系統(tǒng)[12]。

張力系統(tǒng)如此重要主要是因為纖維纏繞制品的強度和抗疲勞性能與纏繞張力有密不可分的關系。如果張力比設計值小，纏繞制品的強度就會降低，殼體在受到內壓時的變形較大，變形大會導致抗疲勞性能的降低。反之，如果張力過大，則會增加纖維的磨損程度，從而也會使纏繞制品的強度下降。如果張力控制不穩(wěn)定，張力的波動較大，使各層纖維的初始應力與設計值不同，這樣在殼體受內壓時，各個纖維層就不能同時承載，導致整個殼體的強度下降[13]。

3.1 張力系統(tǒng)總體要求

圖9 單位張力機構

由于纏繞張力是制品纏繞過程中最重要的物理參數(shù)之一，因此必須對其進行精密控制，本文提出了以力矩電機為執(zhí)行元件的纖維張力控制方式，實現(xiàn)纖維纏繞張力的精密控制。紗架上的單位張力機構如圖9所示。

在紗架上放置的團紗數(shù)量為20團。張力控制方法為雙閉環(huán)電伺服張力控制，在保證各紗團間張力一致性前提下，能夠對浸膠后的總束紗張力進行設定及控制。在必要時能夠取消對浸膠后的總束紗張力的設定及控制，而單獨對單個紗團的張力進行設定及控制，在該狀態(tài)下應保持對總張力的檢測和顯示。

團紗抽紗方式為外抽，團紗固定后，要求可靠鎖緊。團紗安裝應采用氣動快速裝卡結構，能夠迅速更換和安裝內徑分別為50 mm，54 mm，76 mm，95 mm的四種團紗，團紗最大外徑為250 mm，最大長度為300 mm。

張力控制范圍為(5 N～80 N)/團。當單團張力在5 N～10 N范圍時，總張力設定值的輸出波動應小于3%。當單團張力在10 N～80 N范圍時，總張力設定值的輸出波動應小于2%，各紗團間輸出張力的差異小于2%。當各紗團張力設定值為同一值時，各紗團間輸出張力的差異小于當前張力設定值的2%。

張力系統(tǒng)具有斷紗探測和自動停車保護功能?？刂平Y果數(shù)據(jù)管理及處理功能是對控制數(shù)據(jù)可進行顯示、統(tǒng)計、備份、調入、調出及打印輸出。具有快速和慣性速度變化的自動補償，同時具有收線功能的雙向伺服系統(tǒng)。

3.2 張力系統(tǒng)原理

圖10 紗團與力矩電機

在復合材料纏繞成型的工藝中，需要使纖維具有穩(wěn)定和精確的張力，這就需要在纏繞纖維上施加摩擦力或阻力，目前是通過以下三種方法來施加摩擦力或阻力。第一種方法是在纏繞材料表面設置摩擦輥，在纖維的纏繞過程中，由于芯模的旋轉，纏繞纖維通過摩擦輥時必然產生摩擦力，摩擦力使得纏繞纖維形成張力。通過這種方法產生的纏繞纖維張力不隨團紗的半徑變化而變化，而且整個張力系統(tǒng)的結構比較簡單。但由于摩擦輥對纏繞纖維的表面有正壓力和摩擦力，因而對于一些材料是不適用的。第二種方法對團紗施加阻力矩，即團紗在輸出纖維時，在放置團紗的旋轉盤的中心軸上設置一個可產生阻力的裝置，本方案中用的是力矩電機，如圖10所示。在這種方法中，如果力矩電機的阻力矩一直不變，纏繞纖維的張力就會隨著團紗半徑變化而發(fā)生變化，由此產生的張力變化使得張力控制變得較為復雜，但目前通常使用的都是此類方法，本文中的五軸聯(lián)動數(shù)控纖維纏繞機的張力控制系統(tǒng)就是采用的這種方式。第三種方法是在團紗與旋轉的芯模之間設置一個制動器，依靠制動器的阻力來產生纏繞纖維的張力。在這種方法中，纏繞纖維的張力不隨團紗的半徑變化而變化，而且整個張力系統(tǒng)的控制相對簡單。

依照不同的纖維纏繞工藝要求，張力系統(tǒng)的控制方法可分為直接張力控制與間接張力控制。前者的控制核心是微處理器，以此來實現(xiàn)復雜的控制算法，硬件選用張力傳感器，通過張力的反饋來實現(xiàn)整個張力系統(tǒng)的閉環(huán)控制，直接張力控制適用于高精度、高速度的張力控制場合[14]，系統(tǒng)原理如圖11所示。間接張力控制是通過控制維持張力恒定的傳動系統(tǒng)的電參數(shù)來實現(xiàn)張力控制，通常是采用恒功率控制或是最大力矩控制等方法，該類張力控制一般適用于要求不高的場合，可以實現(xiàn)一般張力控制的要求。

圖11 直接張力控制系統(tǒng)原理

3.3 張力機構設計

3.3.1 施力機構

在張力控制系統(tǒng)的方案中，執(zhí)行元件采用的是永磁式直流力矩電機。永磁式直流力矩電機主要有以下幾個方面的特性，首先是反應速度比較快，機電時間常數(shù)僅為十幾毫秒至幾十毫秒，電磁時間常數(shù)僅為零點幾毫秒至幾毫秒。其次，機械特性以及調節(jié)特性的線性度好，永磁式直流力矩電機的轉矩-電流特性具有很高的線性度。另外，通過消除齒隙的死區(qū)使得摩擦力矩減小，這使得系統(tǒng)特性的線性度提高，從而為電機的平穩(wěn)運行創(chuàng)造了條件。再者，永磁式直流力矩電機可以保持在堵轉的狀態(tài)下長時間工作，直接帶動大轉矩負載以及低速負載，具有轉矩和轉速波動小等優(yōu)點。最后，該力矩電機還可以直接驅動負載，不需要經(jīng)過減速機構，因為機構緊湊從而避免了齒隙誤差，同時提高了傳動精度，系統(tǒng)運行可靠且維護方便，發(fā)出的機械噪音也比較小。纖維的纏繞張力是由前面所述的直流力矩電機工作在堵轉狀態(tài)下提供的，因此是由電機的堵轉力矩提供纏繞張力，也是通過控制堵轉力矩大小的方法來控制張力的大小。該力矩電機的性能參數(shù)為：0.5 kW / 3 000 rpm/ 1.6 N·m/ 1.3 A。

3.3.2 檢測機構

跳線輥通常作為纖維纏繞機中的測力機構，可以通過跳線輥，將張力轉化為對跳線輥跟隨臂的拉力或壓力，進一步可以將拉力或壓力轉變成位移，最終由位移傳感器來檢測。由于跳線輥作為測力機構時，把拉力或壓力轉變成位移是一個二階系統(tǒng)，所以控制過程會變得相對復雜。

本張力機構外形是一個三角形受壓測力裝置，是由一個測力輥和兩個導輪所構成，僅須把張力轉換成為作用在測力輥上的壓力，然后使用壓力傳感器來檢測，通過這樣的方式，可以使張力控制系統(tǒng)的階數(shù)降低，總的來說，壓力傳感器相對于跳線輥更適合應用在高精度的張力系統(tǒng)中。

3.3.3 張力傳感器的標定

理論上來講，張力傳感器系統(tǒng)由多個環(huán)節(jié)組成，由于各種參數(shù)的影響，張力傳感器系統(tǒng)具有非線性特性，假設輸入量x為標準設備產生的已知非電量(固定砝碼的質量)，而輸出量y為張力值，故其輸入量與輸出量的關系可以用二次擬合方程表示：

y=ax2+bx+c

(1)

式中：a，b，c三系數(shù)由最小二乘法求得，可得下式：

(2)

(3)

求解式(3)即可得系數(shù)a，b，c， 即可完成張力傳感器的標定。

3.4 張力控制算法簡述

PID控制在計算機控制系統(tǒng)中是應用最廣泛的一種調節(jié)規(guī)律。PID控制具有的優(yōu)點有：參數(shù)整定方便、調節(jié)器結構直觀，由于纏繞機控制對象的系統(tǒng)參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，導致精確的數(shù)學模型難以建立，所以運用現(xiàn)代控制理論分析要耗費很大的代價去進行模型辯識，還往往不能達到預期的效果，因此在纏繞機張力控制系統(tǒng)中采用PID調節(jié)器。

常規(guī)PID調節(jié)器的技術比較簡單，其結構更改也很靈活，因此具有很大的適應性，是一種常用的控制技術，但由于常規(guī)PID調節(jié)器不具有在線參數(shù)整定的功能，所以它不能滿足系統(tǒng)在不同偏差e及偏差變化率ec對PID參數(shù)的整定要求，這樣就影響了控制的效果。

考慮到纖維纏繞機工作的特點以及工作環(huán)境干擾影響大的因素，并考慮到常規(guī)PID控制系統(tǒng)中三個控制參數(shù)人工整定比較麻煩，而且控制效果不理想，張力控制系統(tǒng)中應用了模糊自整定PID控制算法。

4 總結

纏繞機是復合材料殼體成型制造的基礎工藝裝備，可以使用纏繞機生產出高精度、高一致性、低消耗的較復雜的制品，這些優(yōu)點是其它加工制造方法所不能比擬的。

纏繞加工中，纖維張力是重要的控制參數(shù)，對纏繞制品的質量影響很大。本項目針對碳纖維發(fā)動機殼體纏繞加工的實際狀況，在深入分析系統(tǒng)需求的基礎上，設計了五軸聯(lián)動數(shù)控纖維纏繞機的張力系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用曲線擬合的數(shù)學描述方法實現(xiàn)對張力傳感器的標定，再通過復合濾波消除干擾，然后運用數(shù)據(jù)庫技術管理組織數(shù)據(jù)。系統(tǒng)還采用多個傳感器對每團紗的張力進行檢測。整個系統(tǒng)的設計合理，人機界面友好，操作方便，目前已在某航天部門使用，在實際的使用過程中，該纏繞機精確且穩(wěn)定，制品滿足使用要求。通過該五軸數(shù)控纖維纏繞機成型的制品如圖12所示。產品成型精度高、可設計性強。該碳纖維纏繞工藝的成品具有較好的品質，成型的碳纖維發(fā)動機殼體孔隙率低、纖維含量高，并且具有良好的機械性能，還將揮發(fā)性有毒氣體的排放量控制在了最小的程度。

圖12 五軸聯(lián)動數(shù)控纖維纏繞機的產品

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Design of the five-axis NC fiber winding machine and its tension system

FENG Xiaobing, WU Rendong, YUAN Chaolong, JIAO Wei

The successful development of the five-axis NC fiber winding machine is a breakthrough of winding machines. In the process of the winding and shaping of composite material products, it is important to precisely control the tension on the fiber, so as not to deform the products and affect their quality. In this study, we designed a new-type five-axis NC fiber winding machine. Through analysis of the working principles of the tension control system, we designed a tension system that used curve fitting for tension sensor calibration, and composite filtering for interference elimination. The winding machine is accurate and stable in practice, and its products meet the production requirements.

five-axis, fiber, winding machine, tension system, creel

TP2

A

1002-6886(2016)05-0001-06

馮消冰(1981-)，男，內蒙古呼和浩特市人，博士研究生，高級工程師，主要從事機電與復合材料結構方面的研究，獲得市級科技進步獎三項，省部級科技進步獎一項。

2016-01-09