摘　要：通過對現有方管成型工藝的比較，認為采用纏繞工藝成型大口徑玻璃鋼方管是比較經濟實用的方案。通過對方管與圓管成型理論的比較研究，提出了針剝方管落紗點不連續的纏繞方法，在此基礎上建立了基于的方管纏繞成型控制系統。同時，由于方管落紗點不連續，導致纏繞過程中玻璃纖維與芯模表而無法緊密貼介，提出在纏繞機中加入彈性壓輥。實踐表明，該系統適用范圍廣泛、性能穩定，提高了方管纏繞的質量與生產效率。
關鍵詞：纖維纏繞；玻璃鋼方管；LabVIEW

0　引　言

　　隨著玻璃鋼復合材料及其制品成型技術的不斷發展，其產品在各個領域得到了廣泛的應用。針對不同的應用場合，玻璃鋼材料的新型產品也層出不窮。
　　玻璃鋼具有質量輕，強度高，耐腐蝕，壽命長，耐氣候，阻燃，耐高溫，產品形式多樣等優越性能。隨著各行業逐步加大使用玻璃鋼材質產品的力度，玻璃鋼的力學性能和成型工藝將而臨巨大挑戰。玻璃鋼的成型工藝，決定玻璃鋼產品的形狀和應用前景。玻璃鋼的力學性能要求，則決定了玻璃鋼能否在力學性能要求較高的行業有較大的發展空間。方形端面管道式玻璃鋼產品，可用于空空調通風管道、化工廠排風管道等來替代金屬管道。但在市場上，方型玻璃鋼管道并不多見。這主要是由于其存在的強度差，易變形等缺陷。在國內方型管道的主要成型工藝是手糊，澆鑄，注射等。此三種玻璃鋼產品其本身的強度就比較差，而且容易變形。拉擠工藝強度雖然比較好，但無法解決大口徑方管產品的一次成型問題。
　　本文針對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，該系統操作簡單、人機交互界面友好，對現有微機控制纏繞設備的改動小。解決了在方型玻璃鋼管道纏繞過程中的，開紗、堆疊，提高了纏繞效率，并采用模糊自適應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

　　在圓管或回轉體制件纏繞時，其外表而與纖維接觸的點都可作為控制纏繞軌跡的落紗點，且這些點是連續的。但在方型管道纏繞中，控制纏繞軌跡的落紗點分布在芯模的四條棱邊上，對于纏繞而言，其時序相臨的纏繞軌跡控制點是不連續的。
　　在圓管纏繞時，為了使偶數纏繞回合和奇數纏繞回合相隔一個紗片的寬度，實現紗片緊密相貼纏繞，在圓管纏繞起始處每一回合開始時導絲頭靜止，主軸多轉過一個紗片寬對應的纏繞中心角度。但在方型管道纏繞時，由于纏繞軌跡控制點不連續，運用圓管纏繞方法會導致在主軸多轉一個角度后無法纏繞到軌跡控制點，從而導致纏繞線型雜亂。
　　本文針對方型纏繞纏繞軌跡控制點不連續的特點，設計采用逐次遞進纏繞控制。開始奇數層纏繞時，帶動絲頭沿主軸軸線方向往復運動的小車先停止，主軸帶動芯模旋轉；主軸轉過180°，小車開始沿正向運動，同時小車速度滿足主軸轉過180°時小車正好走過一個紗線寬的距離；然后開始整螺距段纏繞，即主軸轉過360°小車帶動絲頭正好走一個螺距，其中螺距p計算如下：

　　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度：a―芯模垂直于主軸截面長邊長度。纖維在芯模上分機的示意圖如圖1所示：

　　整螺距段纏繞結束后，小車停止；主軸繼續轉動360°，此時紗線與主軸軸線夾角變為90°；小車沿反方向按正螺距段速度運動，主軸速度不變。待正螺距段運動結束后，小車回到與初始位置相著一個紗線寬的位置。
　　重復以上運動，直至紗線正好鋪滿整螺距間的間隔，即紗線鋪滿芯模表而，此時整個單層纏繞結束。
　　偶數層纏繞與奇數層纏繞的方式正好相反。在偶數層纏繞開始時，主軸轉360°，同時小車帶動絲頭沿正向運動半個紗線寬；然后進行整螺距段纏繞，與奇數層方法相同；整螺距段纏繞結束，在末端小車停止，等待主軸轉過360°；而后主軸繼續轉180°，小車正好沿反向運動一個紗線寬；然后進行整螺距纏繞；在纏繞結束時小車停止，主軸轉動180°后停止，整個偶數層纏繞的個完整回合結束。在偶數層剩余的回合中，纏繞過程與回合類似，只是取消了開始時主軸轉360°，同時小車帶動絲頭沿正向運動半個紗線寬的運動。即剩余回合的開始纏繞都是，沿正向的整螺距段纏繞：整螺距段結束后，小車停止主軸轉過360°：主軸繼續轉180°，同時小車帶動絲頭沿反方向運動一個紗線寬的位置；在沿反方向走整螺距段。在偶數層纏繞過程中，后一個回介結束后主軸轉360°，同時小車帶動絲頭沿反向運動半個紗線寬。

2　方型玻璃鋼管道纏繞機硬件系統設計

2.1　纏繞機硬件系統
　　該方型玻璃鋼管道纏繞系統，是基于帶有張力控制的微機控制四軸纏繞機系統。其自由度包括：主軸回轉；導絲頭延主軸軸線方向做往復運動；伸臂延垂直主軸軸線方向做伸縮運動；導絲頭繞垂直于伸臂運動平而的坐標線的回轉運動。該系統的特點在于，在普通的微機控制四軸纏繞機的基礎上加入了張力檢測及控制部分，同時設計了輔助絲線壓輥結構來加強平面內玻璃纖維與芯模表向的貼合程度。該系統結構示意圖如圖2：

2.2　控制系統硬件及控制方法
　　纏繞的線型軌跡，是主軸回轉、運動小車水平往復運動、導壘圭頭伸臂伸縮以及特定條件下導絲頭回轉運動四個自由度的復合運動結果。本系統運動控制采用基于電子齒輪的位置跟蹤控制方式驅動各個軸進行同步運動。具體控制方式為：輸入主軸旋轉的參數，上位機控制通過控制變頻器實現主軸轉速控制；通過編碼器采集主軸的旋轉信號，根據編碼器反饋的位置脈沖信號通過電子齒輪方式基于模糊自適應控制算法實現小車和伸臂電機同步跟蹤主軸的運動控制。運動控制器以位置模式使小車和伸臂與主軸編碼器形成閉環工作。
　　本方型玻璃鋼纏繞機控制系統采用研華工控機和美國NI公司的PCI-7344運動控制卡及PCI-6221數拊采集卡構成上位機系統，主要是完成運動狀態顯示、纏繞參數的設定、人機交互界面的管理等。下位機系統由伺服電機的驅動器和變頻器組成，主要是根據上位的指令實現對電機等的實時控制。由于工作現場可能要求遠距離數據傳輸，所以上位機與下位機之間基于MODBUS通訊協議通過RS485總線來實現通訊?？刂葡到y結構原理如下圖3：

3　方型玻璃鋼管道纏繞機控制系統程序設計

　　LabVIEW是一種圖形化的編程軟件，它用圖標代替文本來創建應用程序。傳統的編程語言都根拊語句和指令來決定程序的先后執行順序，而L丑bvⅢw則采用數據流線的編程方式，程序圖框中節點與節點之間的數據流向決定了程序的先后執行順序，在程序中它用圖標代替傳統的函數，用連線來表示數據的流向，用戶可以非常清晰的看懂程序的數據流向。
　　纏繞機系統控制程序主要分為點動(手動)控制、初始化、螺旋纏繞、環向纏繞共四個模塊。纏繞機的程序總體流程阿如圖4所示。

　　其中，任務1是表示在進行螺旋纏繞開始前，需要對小車的位置、芯模的位置以及伸臂、絲頭旋轉位置進行初始化，使各軸位置到達設定原點，在各軸不滿足該初始化時，通過點動(手動)對各個軸的位置進行微調，達到滿足初始化的位置條件；任務2則是在纏繞生產過程中通過點動來對局部的線型進行誤差彌補以及手動纏繞等操作。
　　系統的總程序操作面板如下圖5所示：

　　根據纏繞要求，可在環向纏繞與螺旋纏繞兩種方式間方便選擇，同時在纏繞過程中能實時顯示采集的張力變化曲線，輔助操作工人通過調節磁粉制動器調來調節張力的大小，使之在合理的范圍之內，從而保證纏繞質量；同時，也能方便制造商采集纏繞中的數據，建立完善的纏繞參數數據資料，為控制纏繞質量以及進一步研究參數別性能的影響提供數據依據。纏繞程序顯示面板如下圖所示：

4　結　論

　　本文對四軸纏繞機平臺進行了針對方型管件纏繞的結構改進，基于LabVIEW開發的控制系統，因其圖形化的編程語言和數據流編程方式，程序編寫簡單易懂，出現錯誤很容易找出。該系統操作簡單、性能穩定、可擴展性強，與傳統手工纏繞相比提高了生產效率與纏繞質量。