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摘 要：通過(guò)對(duì)現(xiàn)有方管成型工藝的比較，認(rèn)為采用纏繞工藝成型大口徑玻璃鋼方管是比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方案。通過(guò)對(duì)方管與圓管成型理論的比較研究，提出了針剝方管落紗點(diǎn)不連續(xù)的纏繞方法，在此基礎(chǔ)上建立了基于的方管纏繞成型控制系統(tǒng)。同時(shí)，由于方管落紗點(diǎn)不連續(xù)，導(dǎo)致纏繞過(guò)程中玻璃纖維與芯模表而無(wú)法緊密貼介，提出在纏繞機(jī)中加入彈性壓輥。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)適用范圍廣泛、性能穩(wěn)定，提高了方管纏繞的質(zhì)量與生產(chǎn)效率。
關(guān)鍵詞：纖維纏繞；玻璃鋼方管；LabVIEW
0 引 言
隨著玻璃鋼復(fù)合材料及其制品成型技術(shù)的不斷發(fā)展，其產(chǎn)品在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，玻璃鋼材料的新型產(chǎn)品也層出不窮。
玻璃鋼具有質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，耐腐蝕，壽命長(zhǎng)，耐氣候，阻燃，耐高溫，產(chǎn)品形式多樣等優(yōu)越性能。隨著各行業(yè)逐步加大使用玻璃鋼材質(zhì)產(chǎn)品的力度，玻璃鋼的力學(xué)性能和成型工藝將而臨巨大挑戰(zhàn)。玻璃鋼的成型工藝，決定玻璃鋼產(chǎn)品的形狀和應(yīng)用前景。玻璃鋼的力學(xué)性能要求，則決定了玻璃鋼能否在力學(xué)性能要求較高的行業(yè)有較大的發(fā)展空間。方形端面管道式玻璃鋼產(chǎn)品，可用于空空調(diào)通風(fēng)管道、化工廠排風(fēng)管道等來(lái)替代金屬管道。但在市場(chǎng)上，方型玻璃鋼管道并不多見(jiàn)。這主要是由于其存在的強(qiáng)度差，易變形等缺陷。在國(guó)內(nèi)方型管道的主要成型工藝是手糊，澆鑄，注射等。此三種玻璃鋼產(chǎn)品其本身的強(qiáng)度就比較差，而且容易變形。拉擠工藝強(qiáng)度雖然比較好，但無(wú)法解決大口徑方管產(chǎn)品的一次成型問(wèn)題。
本文針對(duì)方形截面形狀的特殊性，建立了基于LabVIEW的方型玻璃鋼管道纏繞系統(tǒng)，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、人機(jī)交互界面友好，對(duì)現(xiàn)有微機(jī)控制纏繞設(shè)備的改動(dòng)小。解決了在方型玻璃鋼管道纏繞過(guò)程中的，開(kāi)紗、堆疊，提高了纏繞效率，并采用模糊自適應(yīng)控制算法控制主軸與纏繞小車的速度匹配。
1 方型玻璃鋼管道纏繞策略
在圓管或回轉(zhuǎn)體制件纏繞時(shí)，其外表而與纖維接觸的點(diǎn)都可作為控制纏繞軌跡的落紗點(diǎn)，且這些點(diǎn)是連續(xù)的。但在方型管道纏繞中，控制纏繞軌跡的落紗點(diǎn)分布在芯模的四條棱邊上，對(duì)于纏繞而言，其時(shí)序相臨的纏繞軌跡控制點(diǎn)是不連續(xù)的。
在圓管纏繞時(shí)，為了使偶數(shù)纏繞回合和奇數(shù)纏繞回合相隔一個(gè)紗片的寬度，實(shí)現(xiàn)紗片緊密相貼纏繞，在圓管纏繞起始處每一回合開(kāi)始時(shí)導(dǎo)絲頭靜止，主軸多轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)紗片寬對(duì)應(yīng)的纏繞中心角度。但在方型管道纏繞時(shí)，由于纏繞軌跡控制點(diǎn)不連續(xù)，運(yùn)用圓管纏繞方法會(huì)導(dǎo)致在主軸多轉(zhuǎn)一個(gè)角度后無(wú)法纏繞到軌跡控制點(diǎn)，從而導(dǎo)致纏繞線型雜亂。
本文針對(duì)方型纏繞纏繞軌跡控制點(diǎn)不連續(xù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用逐次遞進(jìn)纏繞控制。開(kāi)始奇數(shù)層纏繞時(shí)，帶動(dòng)絲頭沿主軸軸線方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)的小車先停止，主軸帶動(dòng)芯模旋轉(zhuǎn)；主軸轉(zhuǎn)過(guò)180°，小車開(kāi)始沿正向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)小車速度滿足主軸轉(zhuǎn)過(guò)180°時(shí)小車正好走過(guò)一個(gè)紗線寬的距離；然后開(kāi)始整螺距段纏繞，即主軸轉(zhuǎn)過(guò)360°小車帶動(dòng)絲頭正好走一個(gè)螺距，其中螺距p計(jì)算如下：
其中p―螺旋纏繞的螺距；α―輸入的理論纏繞角；b―芯模垂直于主軸截而短邊長(zhǎng)度：a―芯模垂直于主軸截面長(zhǎng)邊長(zhǎng)度。纖維在芯模上分機(jī)的示意圖如圖1所示：
整螺距段纏繞結(jié)束后，小車停止；主軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)360°，此時(shí)紗線與主軸軸線夾角變?yōu)?0°；小車沿反方向按正螺距段速度運(yùn)動(dòng)，主軸速度不變。待正螺距段運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，小車回到與初始位置相著一個(gè)紗線寬的位置。
重復(fù)以上運(yùn)動(dòng)，直至紗線正好鋪滿整螺距間的間隔，即紗線鋪滿芯模表而，此時(shí)整個(gè)單層纏繞結(jié)束。
偶數(shù)層纏繞與奇數(shù)層纏繞的方式正好相反。在偶數(shù)層纏繞開(kāi)始時(shí)，主軸轉(zhuǎn)360°，同時(shí)小車帶動(dòng)絲頭沿正向運(yùn)動(dòng)半個(gè)紗線寬；然后進(jìn)行整螺距段纏繞，與奇數(shù)層方法相同；整螺距段纏繞結(jié)束，在末端小車停止，等待主軸轉(zhuǎn)過(guò)360°；而后主軸繼續(xù)轉(zhuǎn)180°，小車正好沿反向運(yùn)動(dòng)一個(gè)紗線寬；然后進(jìn)行整螺距纏繞；在纏繞結(jié)束時(shí)小車停止，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)180°后停止，整個(gè)偶數(shù)層纏繞的個(gè)完整回合結(jié)束。在偶數(shù)層剩余的回合中，纏繞過(guò)程與回合類似，只是取消了開(kāi)始時(shí)主軸轉(zhuǎn)360°，同時(shí)小車帶動(dòng)絲頭沿正向運(yùn)動(dòng)半個(gè)紗線寬的運(yùn)動(dòng)。即剩余回合的開(kāi)始纏繞都是，沿正向的整螺距段纏繞：整螺距段結(jié)束后，小車停止主軸轉(zhuǎn)過(guò)360°：主軸繼續(xù)轉(zhuǎn)180°，同時(shí)小車帶動(dòng)絲頭沿反方向運(yùn)動(dòng)一個(gè)紗線寬的位置；在沿反方向走整螺距段。在偶數(shù)層纏繞過(guò)程中，后一個(gè)回介結(jié)束后主軸轉(zhuǎn)360°，同時(shí)小車帶動(dòng)絲頭沿反向運(yùn)動(dòng)半個(gè)紗線寬。
2 方型玻璃鋼管道纏繞機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 纏繞機(jī)硬件系統(tǒng)
該方型玻璃鋼管道纏繞系統(tǒng)，是基于帶有張力控制的微機(jī)控制四軸纏繞機(jī)系統(tǒng)。其自由度包括：主軸回轉(zhuǎn)；導(dǎo)絲頭延主軸軸線方向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)；伸臂延垂直主軸軸線方向做伸縮運(yùn)動(dòng)；導(dǎo)絲頭繞垂直于伸臂運(yùn)動(dòng)平而的坐標(biāo)線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)在于，在普通的微機(jī)控制四軸纏繞機(jī)的基礎(chǔ)上加入了張力檢測(cè)及控制部分，同時(shí)設(shè)計(jì)了輔助絲線壓輥結(jié)構(gòu)來(lái)加強(qiáng)平面內(nèi)玻璃纖維與芯模表向的貼合程度。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2：
2.2 控制系統(tǒng)硬件及控制方法
纏繞的線型軌跡，是主軸回轉(zhuǎn)、運(yùn)動(dòng)小車水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)、導(dǎo)壘圭頭伸臂伸縮以及特定條件下導(dǎo)絲頭回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)四個(gè)自由度的復(fù)合運(yùn)動(dòng)結(jié)果。本系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制采用基于電子齒輪的位置跟蹤控制方式驅(qū)動(dòng)各個(gè)軸進(jìn)行同步運(yùn)動(dòng)。具體控制方式為：輸入主軸旋轉(zhuǎn)的參數(shù)，上位機(jī)控制通過(guò)控制變頻器實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速控制；通過(guò)編碼器采集主軸的旋轉(zhuǎn)信號(hào)，根據(jù)編碼器反饋的位置脈沖信號(hào)通過(guò)電子齒輪方式基于模糊自適應(yīng)控制算法實(shí)現(xiàn)小車和伸臂電機(jī)同步跟蹤主軸的運(yùn)動(dòng)控制。運(yùn)動(dòng)控制器以位置模式使小車和伸臂與主軸編碼器形成閉環(huán)工作。
本方型玻璃鋼纏繞機(jī)控制系統(tǒng)采用研華工控機(jī)和美國(guó)NI公司的PCI-7344運(yùn)動(dòng)控制卡及PCI-6221數(shù)拊采集卡構(gòu)成上位機(jī)系統(tǒng)，主要是完成運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯示、纏繞參數(shù)的設(shè)定、人機(jī)交互界面的管理等。下位機(jī)系統(tǒng)由伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器和變頻器組成，主要是根據(jù)上位的指令實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)等的實(shí)時(shí)控制。由于工作現(xiàn)場(chǎng)可能要求遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，所以上位機(jī)與下位機(jī)之間基于MODBUS通訊協(xié)議通過(guò)RS485總線來(lái)實(shí)現(xiàn)通訊。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如下圖3：
3 方型玻璃鋼管道纏繞機(jī)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
LabVIEW是一種圖形化的編程軟件，它用圖標(biāo)代替文本來(lái)創(chuàng)建應(yīng)用程序。傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言都根拊語(yǔ)句和指令來(lái)決定程序的先后執(zhí)行順序，而L丑bvⅢw則采用數(shù)據(jù)流線的編程方式，程序圖框中節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了程序的先后執(zhí)行順序，在程序中它用圖標(biāo)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的函數(shù)，用連線來(lái)表示數(shù)據(jù)的流向，用戶可以非常清晰的看懂程序的數(shù)據(jù)流向。
纏繞機(jī)系統(tǒng)控制程序主要分為點(diǎn)動(dòng)(手動(dòng))控制、初始化、螺旋纏繞、環(huán)向纏繞共四個(gè)模塊。纏繞機(jī)的程序總體流程阿如圖4所示。
其中，任務(wù)1是表示在進(jìn)行螺旋纏繞開(kāi)始前，需要對(duì)小車的位置、芯模的位置以及伸臂、絲頭旋轉(zhuǎn)位置進(jìn)行初始化，使各軸位置到達(dá)設(shè)定原點(diǎn)，在各軸不滿足該初始化時(shí)，通過(guò)點(diǎn)動(dòng)(手動(dòng))對(duì)各個(gè)軸的位置進(jìn)行微調(diào)，達(dá)到滿足初始化的位置條件；任務(wù)2則是在纏繞生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)點(diǎn)動(dòng)來(lái)對(duì)局部的線型進(jìn)行誤差彌補(bǔ)以及手動(dòng)纏繞等操作。
系統(tǒng)的總程序操作面板如下圖5所示：
根據(jù)纏繞要求，可在環(huán)向纏繞與螺旋纏繞兩種方式間方便選擇，同時(shí)在纏繞過(guò)程中能實(shí)時(shí)顯示采集的張力變化曲線，輔助操作工人通過(guò)調(diào)節(jié)磁粉制動(dòng)器調(diào)來(lái)調(diào)節(jié)張力的大小，使之在合理的范圍之內(nèi)，從而保證纏繞質(zhì)量；同時(shí)，也能方便制造商采集纏繞中的數(shù)據(jù)，建立完善的纏繞參數(shù)數(shù)據(jù)資料，為控制纏繞質(zhì)量以及進(jìn)一步研究參數(shù)別性能的影響提供數(shù)據(jù)依據(jù)。纏繞程序顯示面板如下圖所示：
4 結(jié) 論
本文對(duì)四軸纏繞機(jī)平臺(tái)進(jìn)行了針對(duì)方型管件纏繞的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)，因其圖形化的編程語(yǔ)言和數(shù)據(jù)流編程方式，程序編寫簡(jiǎn)單易懂，出現(xiàn)錯(cuò)誤很容易找出。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、可擴(kuò)展性強(qiáng)，與傳統(tǒng)手工纏繞相比提高了生產(chǎn)效率與纏繞質(zhì)量。