一種集成式碳纖維自動(dòng)鋪放裝置控制系統(tǒng)及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種集成式碳纖維自動(dòng)鋪放裝置控制系統(tǒng)及控制方法，該系統(tǒng)包括主控制器、硬件I/O連接板，所述主控制器與硬件I/O連接板連接，硬件I/O連接板分別與路徑控制模塊和絲束管理模塊連接，路徑控制模塊輸出端與八軸主位移控制器連接，絲束管理模塊的輸出端與八絲束碳纖維自動(dòng)鋪放裝置連接。本發(fā)明的集成式碳纖維自動(dòng)鋪放裝置控制系統(tǒng)，采用CNCU進(jìn)行集中控制的方式有利于對(duì)各分模塊進(jìn)行統(tǒng)一的配置和數(shù)據(jù)監(jiān)控，特別適合絲束放置在鋪放裝置前端的一體化鋪絲頭，便于在任意復(fù)雜曲面鋪放過程絲束控制與運(yùn)動(dòng)控制。
【專利說明】
一種集成式碳纖維自動(dòng)鋪放裝置控制系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及集成式碳纖維自動(dòng)鋪放裝置控制系統(tǒng)及控制方法，屬于鋪絲領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為一種不可替代的復(fù)合纖維材料制造技術(shù)的纖維鋪放技術(shù)，自動(dòng)纖維鋪放機(jī)是 一種先進(jìn)的制造設(shè)備，包含機(jī)械制造、復(fù)合材料、控制理論、自動(dòng)化、機(jī)械傳動(dòng)和信息化等多 項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，采用自動(dòng)鋪放方法成型的復(fù)合材料構(gòu)件具有鋪層角度精確、層間壓力好、材料 利用率高、層間缺陷少、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性好、產(chǎn)品力學(xué)性能好、效率高等一系列優(yōu)勢(shì)，是大型 復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的優(yōu)選成型方式。自動(dòng)鋪放方法能夠有效地克服手工鋪放過程中產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn) 定、缺陷多、力學(xué)性能低以及人力投入大、有機(jī)溶劑對(duì)人體的傷害等缺點(diǎn)，國(guó)外自上世紀(jì)70 年代以來，開始研究自動(dòng)鋪放技術(shù)來取代人工鋪放。美國(guó)波音公司聯(lián)合Cincinnati公司 1989年研制成功自動(dòng)鋪絲系統(tǒng)并投入使用。美國(guó)Ingersoll公司1995年研制鋪絲機(jī)，采用 FANUC數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)了系列的各種構(gòu)型鋪絲機(jī)。國(guó)外的鋪絲機(jī)大都把鋪絲機(jī)主體與絲束控 制分開控制，且絲束一般都安裝于本體的紗箱上，從絲束控制到末端鋪放過程路徑較長(zhǎng)，控 制精度不高，且只能選擇一種機(jī)型進(jìn)行鋪放，不能針對(duì)不同構(gòu)型特別是復(fù)雜曲面選擇不同 FMM進(jìn)行鋪放。而自動(dòng)鋪帶機(jī)對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、要求鋪放角度連續(xù)變化以及鋪放寬度變化的情 況無法適用，而自動(dòng)鋪絲機(jī)能夠?qū)γ恳桓z束進(jìn)行單獨(dú)的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)大型復(fù)雜變角度、 變厚度、變寬度鋪放，是近年來發(fā)展迅速的復(fù)合材料自動(dòng)成型工藝。
[0003] 絲束自動(dòng)鋪放裝置主要由芯模夾緊機(jī)構(gòu)、鋪放傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鋪放頭構(gòu)成。而鋪放路徑 以及成型的過程主要是通過計(jì)算機(jī)程序來控制的。目前國(guó)外主流的鋪絲機(jī)以Cincinnati、 F〇rest_line等為代表，主要采用工業(yè)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行多軸同步運(yùn)動(dòng)控制（另外也有廠家采用 運(yùn)動(dòng)控制卡），而絲束的夾緊、重送、剪切等控制采用單獨(dú)的PLC控制，另外國(guó)外設(shè)備絲束大 都放置在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的尾端，由專門的沙箱進(jìn)行絲束的溫度、濕度控制，這種控制方式比較繁 瑣，控制系統(tǒng)占用空間大，設(shè)備較為笨重，同時(shí)控制系統(tǒng)響應(yīng)較慢，在進(jìn)行比較復(fù)雜如曲率 不斷變化的曲面上進(jìn)行連續(xù)絲束鋪放時(shí)容易因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)的精度不高、冗余性大等問題造 成絲束來不及切斷或是夾緊、重送，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)過程中需要較多的人為干預(yù)，出現(xiàn)局部 角度不準(zhǔn)確、局部絲束缺陷，甚至可能導(dǎo)致張力系統(tǒng)報(bào)警導(dǎo)致機(jī)器故障停機(jī)等。申請(qǐng)?zhí)?201510048582.5的一種用于復(fù)合材料自動(dòng)鋪放的模塊化鋪絲頭及方法，僅僅增加的是運(yùn)動(dòng) 機(jī)構(gòu)的自由度即機(jī)器人的自由度。
[0004] 而要想在一些曲率不斷變化的曲面上進(jìn)行鋪放，以及纖維鋪放件內(nèi)壁網(wǎng)格形狀的 加強(qiáng)筋的成型，我們需要鋪放過程絲束控制與路徑運(yùn)動(dòng)的高精度同步控制。
[0005] 以往專利里FMM的控制與TCM的控制往往都是物理分開的，這樣降低了兩個(gè)模塊單 獨(dú)控制的難度，對(duì)于大多數(shù)情況鋪放都能適用。但是對(duì)于比較復(fù)雜的產(chǎn)品或者性能比較高， 對(duì)鋪放角度、絲束鋪層均勻性、平整性以及外形精度要求高的情況下，誤差會(huì)比較大，嚴(yán)重 影響鋪絲的質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種集成式碳纖維自動(dòng) 鋪放裝置控制系統(tǒng)及控制方法，具有操作簡(jiǎn)單、系統(tǒng)穩(wěn)定性好、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。
[0007] 技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種集成式碳纖維自動(dòng)鋪放裝置控制 系統(tǒng)，包括主控制器、硬件I/O連接板，所述主控制器與硬件I/O連接板連接，硬件I/O連接板 分別與路徑控制模塊和絲束管理模塊連接，路徑控制模塊輸出端與八軸主位移控制器連 接，絲束管理模塊的輸出端與八絲束碳纖維自動(dòng)鋪放裝置連接。
[0008] 作為優(yōu)選，所述八絲束碳纖維自動(dòng)鋪放裝置包含張緊模塊、加熱模塊、冷卻模塊、 剪切模塊、夾緊模塊、重送模塊和集合模塊，所述張緊模塊包含張力測(cè)力傳感器和位移作動(dòng) 器，所述張力測(cè)力傳感器包括繞線輥軸和壓電晶體測(cè)力頭，所述位移作動(dòng)器包括伺服微型 直線電機(jī)和位移頭，所述位移頭與張力測(cè)力傳感器的繞線輥軸相連，位移頭與伺服微型直 線電機(jī)連接，絲束纏繞在繞線輥軸上，伺服微型直線電機(jī)與絲束管理模塊連接，當(dāng)絲束張力 需要自動(dòng)調(diào)整時(shí)，絲束管理模塊控制伺服微型直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)頭移動(dòng)從而位移頭帶動(dòng)繞線 輥軸移動(dòng)，調(diào)節(jié)絲束張力。
[0009] 作為優(yōu)選，所述冷卻模塊包含冷風(fēng)噴頭和氣流分配閥，所述冷風(fēng)噴頭用于冷卻絲 束，冷風(fēng)噴頭與氣流分配閥連接，氣流分配閥通過管道與渦流管連接，渦流管通過管道與壓 縮機(jī)連接，壓縮機(jī)與絲束管理模塊連接，絲束管理模塊控制壓縮機(jī)壓縮空氣，在渦流管內(nèi)產(chǎn) 生冷空氣，冷空氣通過氣流分配閥進(jìn)入冷風(fēng)噴口，對(duì)絲束進(jìn)行冷卻。
[0010] 作為優(yōu)選，所述加熱模組包括紅外加熱并列多燈管和測(cè)溫傳感器，紅外加熱并列 多燈管和測(cè)溫傳感器同時(shí)與絲束管理模塊連接，絲束管理模塊根據(jù)測(cè)溫傳感器測(cè)量絲束鋪 設(shè)溫度，控制紅外加熱并列多燈管的加熱溫度。
[0011] 作為優(yōu)選，所述夾緊模塊包含夾緊輪軸、位于夾緊輪軸上的夾緊下壓輪組和固定 在支撐板上的夾緊彎板，所述夾緊彎板與夾緊固定板連接，夾緊固定板上安裝有若干個(gè)夾 緊氣缸，夾緊氣缸與絲束管理模塊連接，夾緊氣缸與夾緊壓輪連接，通過夾緊氣缸帶動(dòng)夾緊 壓輪運(yùn)動(dòng)從而與夾緊下壓輪組配合壓緊絲束。
[0012] 作為優(yōu)選，所述重送模塊包含重送輪軸和固定在支撐板上的重送彎板，所述重送 彎板與重送固定板連接，重送固定板上安裝有重送氣缸，重送氣缸與絲束管理模塊連接， 重送氣缸與重送輪連接，所述重送輪軸上套有重送滾筒，重送氣缸運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)重送輪移動(dòng)，夾 在重送輪和重送滾筒之間的絲束通過重送滾筒帶動(dòng)移動(dòng)。
[0013] 作為優(yōu)選，所述剪切模塊包含固定在支撐板上的剪切彎板和剪切固定板，剪切固 定板上安裝有剪切氣缸，剪切氣缸與絲束管理模塊連接，剪切氣缸與剪切刀片連接，剪切刀 片下面墊有砧板，絲束在剪切刀片與砧板穿過，在氣缸驅(qū)動(dòng)下剪切刀片下移與砧板配合剪 切絲束。
[0014] -種上述的集成式碳纖維自動(dòng)鋪放裝置控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：
[0015] (1)自動(dòng)鋪絲設(shè)備啟動(dòng)，安裝紗筒，人工送絲到壓輥；
[0016] (2)絲束管理模塊控制壓縮機(jī)壓縮空氣，冷風(fēng)噴頭噴出冷卻風(fēng)；
[0017] (3)向路徑控制模塊中輸入預(yù)設(shè)路徑，控制器啟動(dòng)路徑控制模塊，路徑控制模塊驅(qū) 動(dòng)八軸主位移控制器控制各自電機(jī)運(yùn)動(dòng)；
[0018] (4)鋪絲頭壓下，絲束管理模塊控制張緊模塊、剪切模塊、夾緊模塊、重送模塊和集 合模塊工作，同時(shí)控制加熱模塊開始加熱，開始鋪絲；
[0019] (5)在鋪絲過程中是否需要開窗，若是，絲束切斷、重送，然后繼續(xù)鋪絲，若不是，繼 續(xù)鋪絲；
[0020] (6)判斷是否已鋪設(shè)到邊界，若是，絲束管理模塊控制剪切模塊切斷絲束，重送模 塊繼續(xù)鋪絲，直到鋪絲結(jié)束，絲束管理模塊控制加熱模塊停止工作，鋪絲頭抬起;若不是邊 界，繼續(xù)鋪絲，直到鋪設(shè)到邊界；
[0021] (7)判斷是否已鋪完，若是，某一層鋪絲結(jié)束，判斷是否所有層鋪完，若是，結(jié)束停 機(jī)，若不是，進(jìn)入步驟(3);若沒鋪完，鋪絲頭換向，進(jìn)入步驟(4)。
[0022]在本發(fā)明中，所述的FMM(絲束管理模塊)采用PLC控制器，該控制器設(shè)置的絲束控 制包括絲束的張緊模塊、加熱模塊、冷卻模塊、剪切模塊、夾緊模塊、重送模塊與集合模塊， 實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜曲面自動(dòng)鋪放過程中絲束的恒張力與恒溫恒濕環(huán)境，以及隨著路徑軌跡運(yùn)動(dòng) 對(duì)單個(gè)絲束的提前剪切、夾緊與重新送絲，為保證各絲束間的間隙滿足工藝要求還要保持 持續(xù)地對(duì)絲束進(jìn)行密排控制。
[0023]在本發(fā)明中，所述的TCM(路徑控制模塊)采用數(shù)字化驅(qū)動(dòng)控制器，實(shí)現(xiàn)xyz型多軸 聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)以及兩軸工件翻轉(zhuǎn)與移動(dòng)平臺(tái)的位移控制。所述的CNCU集 成了 FMM與TCM的核心處理器，用于對(duì)其發(fā)送內(nèi)部子代碼與外部子代碼，并對(duì)各模塊數(shù)據(jù)進(jìn) 行實(shí)時(shí)閉環(huán)控制處理，突出優(yōu)點(diǎn)是采用同一個(gè)NCU因此數(shù)據(jù)誤差小，信號(hào)傳遞頻率高，響應(yīng) 快，能夠保證絲束鋪放過程中更高地絲束控制與路徑匹配的同步性，從而提高控制系統(tǒng)的 精度與效率。采用同一 NCU作為中央控制大腦將外部程序指令編譯成FMM與TCM可識(shí)別的信 號(hào)并采用"前看"（Forsee)提前驗(yàn)證當(dāng)前狀態(tài)下往后一段時(shí)間的控制準(zhǔn)確度，同時(shí)結(jié)合纖 維自動(dòng)鋪放裝置放置于纖維鋪放機(jī)伸臂的前端，來縮短控制系統(tǒng)的傳遞路徑，并根據(jù)實(shí)際 情況進(jìn)行纖維自動(dòng)鋪放裝置的優(yōu)選。TCM的數(shù)字驅(qū)動(dòng)核心處理單元集成在CNCU上，通過CN⑶ 接收外部程序指令進(jìn)行前后、左右、上下、俯仰、滾動(dòng)、偏航六個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)控制。
[0024]根據(jù)被加工件確定多軸機(jī)架運(yùn)動(dòng)平臺(tái)選型指標(biāo)數(shù)據(jù)，通常地對(duì)于2m尺寸范圍的復(fù) 雜型面工件優(yōu)選機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)作為絲束鋪放裝置的路徑運(yùn)動(dòng)本體;對(duì)于尺寸超過2m的大 型復(fù)雜工件優(yōu)選xyz型多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)作為絲素鋪放裝置的路徑運(yùn)動(dòng)本體，必要時(shí)配合 工件兩軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)；需要說明的是在某些情況下當(dāng)工件尺寸大于2m時(shí)，可以在機(jī)器人運(yùn)動(dòng) 平臺(tái)下方增加直線導(dǎo)軌方式來增大鋪放行程，這樣能夠節(jié)省安裝空間。
[0025] 在本發(fā)明中，八軸主位移控制器可以控制八個(gè)伺服電機(jī)，八個(gè)伺服電機(jī)具有八個(gè) 自由度，在鋪放頭末端增加了兩個(gè)自由度，可以適用機(jī)器人、龍門機(jī)、落地鏜、橋式機(jī)等。
[0026] 在本發(fā)明中，中央數(shù)字控制單元(CNCU，Central Numerical Control Unit)，將 FMM與TCM集成到CNCU，每段路徑鋪放時(shí)，CNCU同步給FMM與TCM發(fā)放指令，各模塊再將指令編 譯后發(fā)送到各自的驅(qū)動(dòng)控制器，實(shí)現(xiàn)絲束鋪放過程路徑與絲束控制，完成絲束鋪放過程各 工藝參數(shù)的協(xié)同控制。各模塊將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步返回到CNCU，CNCU進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)比對(duì)處理，實(shí) 現(xiàn)閉環(huán)控制。本發(fā)明所優(yōu)選的自動(dòng)絲束鋪放裝置控制系統(tǒng)及方法采用集成控制方式將FMM 與TCM集成閉環(huán)控制，采用同一CNCU進(jìn)行指令控制與數(shù)據(jù)的閉環(huán)處理，能夠適用于龍門結(jié) 構(gòu)、桁架式結(jié)構(gòu)、落地鏜以及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等多種絲束自動(dòng)鋪放裝置的控制，能夠滿足各 種復(fù)雜曲面的絲束鋪放過程控制，集成式控制系統(tǒng)采用同一CNCU大幅提高了鋪絲過程的精 度與效率，降低了出錯(cuò)的幾率。
[0027] 有益效果:相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0028] 1、本發(fā)明的控制系統(tǒng)包括CNCU(主控制器）、FMM與TCM，F(xiàn)MM與TCM分別采用PLC控制 器與工業(yè)數(shù)字驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)行控制，兩個(gè)控制器的核心處理器都集成在CNCU，每段路徑鋪 放時(shí)由CNCU對(duì)各模塊下發(fā)指令參數(shù)并實(shí)行數(shù)據(jù)監(jiān)控與閉環(huán)處理，這種集成控制方式能夠有 效提高控制系統(tǒng)的精度與效率；
[0029] 2、采用同一 NCU進(jìn)行FMM與TCM控制，鋪放過過程由NCU對(duì)外部程序進(jìn)行統(tǒng)一編譯， 將編譯好的信號(hào)與我們事先定義好的FMM與TCM的代碼與狀態(tài)進(jìn)行逐一匹配，根據(jù)匹配結(jié)果 控制相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器動(dòng)作；
[0030] 3、我們的FMM模塊集成在鋪放頭的前端，這樣既可以縮短控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，提 高控制精度，避免由于響應(yīng)慢而導(dǎo)致絲束延時(shí)剪切或夾緊重送或是集合等操作；同時(shí)還可 以根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際復(fù)雜程度在鋪放過程中替換不同絲束數(shù)量的FMM模塊實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)鋪放；
[0031] 4、我們?cè)贜CU編譯外部數(shù)控程序時(shí)，采用了前看閉環(huán)處理方法，具體地，NCU總是編 譯當(dāng)前狀態(tài)往后一個(gè)固定時(shí)間段的程序，并將它發(fā)送給FMM與TCM模塊，后者根據(jù)當(dāng)前位置 的狀態(tài)信息按照預(yù)設(shè)過程進(jìn)行偏差分析，判斷是否滿足預(yù)先設(shè)定的精度要求，如不滿足即 采用最小二乘法進(jìn)行優(yōu)化迭代，直至滿足精度為止。
【附圖說明】
[0032]圖1機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制原理圖。
[0033] 圖2機(jī)器人平臺(tái)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖。
[0034] 圖3為FFM模塊PLC原理圖。
[0035] 圖4為八絲束碳纖維自動(dòng)鋪放裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036] 圖5為圖4中剪切模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖6為圖4中重送模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038]圖7為圖4中夾緊模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039]圖8為冷卻模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0040]圖9為張緊模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041 ] 圖10為FMM模塊絲束控制PLC流程圖。
[0042]圖11為TCM模塊路徑控制流程圖。
[0043]圖12為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方式說明圖。
【具體實(shí)施方式】
[0044]如圖1和圖2所示，本發(fā)明的一種集成式碳纖維自動(dòng)鋪放裝置控制系統(tǒng)，包括主控 制器、硬件I/O連接板，所述主控制器與硬件I/O連接板連接，硬件I/O連接板分別與路徑控 制模塊和絲束管理模塊連接，路徑控制模塊輸出端與八軸主位移控制器連接，絲束管理模 塊的輸出端與八絲束碳纖維自動(dòng)鋪放裝置連接。八軸主位移控制器分別與工作運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和 六軸機(jī)架運(yùn)動(dòng)平臺(tái)連接，工件運(yùn)動(dòng)平臺(tái)為絲束鋪設(shè)裝置中的水平伺服電機(jī)和豎直伺服電 機(jī)，六軸機(jī)架運(yùn)動(dòng)平臺(tái)為KUKA機(jī)器人，控制器采用KR-C4，F(xiàn)MM采用西門子PLC-S300控制器， 路徑管理模塊采用西門子S120數(shù)字驅(qū)動(dòng)控制器，CNCU采用西門子840DSL。
[0045] 在本發(fā)明中，所述八絲束碳纖維自動(dòng)鋪放裝置包含張緊模塊、加熱模塊、冷卻模 塊、剪切模塊、夾緊模塊、重送模塊和集合模塊。八絲束碳纖維自動(dòng)鋪放裝置的一種結(jié)構(gòu)如 圖4所示，八絲束碳纖維自動(dòng)鋪放裝置包含支撐盤14,所述支撐盤14上安裝有絲束恒溫箱 13,絲束恒溫箱13內(nèi)設(shè)有若干個(gè)絲筒組件12,絲筒組件12繞固定在支撐盤14上的絲筒心軸 11轉(zhuǎn)動(dòng)，所述絲束恒溫箱13頂部安裝有豎直鋪絲頭旋轉(zhuǎn)軸8,豎直鋪絲頭旋轉(zhuǎn)軸8與豎直伺 服電機(jī)9連接，豎直鋪絲頭旋轉(zhuǎn)軸8-端與水平鋪絲頭旋轉(zhuǎn)軸10連接，水平鋪絲頭旋轉(zhuǎn)軸10 與水平伺服電機(jī)連接，水平鋪絲頭旋轉(zhuǎn)軸10與絲束恒溫箱13固定連接;所述絲筒組件12上 的絲束穿過位于支撐盤14下方的絲束導(dǎo)向裝置后依次進(jìn)入轉(zhuǎn)向架2、夾緊模塊3、重送模塊 4、剪切模塊5后，通過引導(dǎo)絲束的導(dǎo)路溝槽集合成絲帶，通過加熱模組7和施壓模塊6,絲束 被壓緊在工件表面，所述夾緊模塊3、重送模塊4、剪切模塊5均固定在支撐板上，支撐板一端 與轉(zhuǎn)向架2連接，另一端與施壓模塊6連接，絲束導(dǎo)向裝置為絲束導(dǎo)向滾輪15,轉(zhuǎn)向架2設(shè)有 絲束軌道。
[0046] 在本發(fā)明中，所述施壓模塊包括圓柱形施壓滾子和驅(qū)動(dòng)力矩電機(jī)，圓柱形施壓滾 子安裝在連接板上并通過驅(qū)動(dòng)力矩電機(jī)繞連接板轉(zhuǎn)動(dòng)，連接板與支撐板14連接。所述加熱 模組包括紅外加熱并列多燈管20、測(cè)溫傳感器，紅外加熱并列多燈管20外的殼體與連接板 連接，絲束管理模塊同時(shí)與紅外加熱并列多燈管20和測(cè)溫傳感器連接，通過測(cè)溫傳感器實(shí) 時(shí)檢測(cè)加熱模塊熱量產(chǎn)生的溫度，通過絲束管理模塊控制紅外加熱并列多燈管20,使得加 熱模塊產(chǎn)生的溫度在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，使得鋪絲效果更好。
[0047]在本發(fā)明中，如圖9所示的張緊模塊，包括位于支撐盤14上的若干個(gè)張力測(cè)力傳感 器和位移作動(dòng)器，所述張力測(cè)力傳感器包括繞線輥軸21和壓電晶體測(cè)力頭22,所述位移作 動(dòng)器包括伺服微型直線電機(jī)23和位移頭24,所述位移頭24與張力測(cè)力傳感器的繞線輥軸21 相連，位移頭24與伺服微型直線電機(jī)23連接，伺服微型直線電機(jī)與絲束管理模塊連接，絲束 纏繞在繞線輥軸21上，當(dāng)絲束張力需要自動(dòng)調(diào)整時(shí)，絲束管理模塊控制伺服微型直線電機(jī) 23的驅(qū)動(dòng)頭移動(dòng)從而位移頭24帶動(dòng)繞線輥軸21移動(dòng)，調(diào)節(jié)絲束張力，這樣可實(shí)現(xiàn)絲束恒張 力，避免絲束抖動(dòng)。
[0048] 在本發(fā)明中，如圖8所示的冷卻系統(tǒng)，包括位于支撐板14上的若干個(gè)冷風(fēng)噴頭61， 冷風(fēng)噴頭61與氣流分配閥62連接，氣流分配閥62通過管道與渦流管63連接，渦流管63通過 管道與壓縮機(jī)64連接，壓縮機(jī)64與絲束管理模塊連接，通過壓縮機(jī)64壓縮空氣，在渦流管63 內(nèi)產(chǎn)生冷空氣，冷空氣通過氣流分配閥62進(jìn)入冷風(fēng)噴口，對(duì)絲束進(jìn)行冷卻，目的是絲束傳送 過程中采用渦流管產(chǎn)生冷風(fēng)對(duì)絲束進(jìn)行冷卻，目的是保持絲束在傳送過程中保持一定的強(qiáng) 度，不發(fā)生軟化。
[0049] 在本發(fā)明中，所述絲筒組件12包含絲筒，絲束纏繞在絲筒表面，絲束層與層之間通 過塑料薄膜隔開，絲筒套在絲筒心軸11上，絲筒通過絲筒驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲筒轉(zhuǎn)動(dòng)放絲，每個(gè) 絲筒組件12旁邊設(shè)有剝膜輥軸16，絲束間塑料剝膜由剝膜輥軸16纏繞收集。
[0050] 在本發(fā)明中，如圖7所示，所述夾緊模塊3包含夾緊輪軸31、位于夾緊輪軸31上的夾 緊下壓輪組37和固定在支撐板上的夾緊彎板32,所述夾緊彎板32與夾緊固定板33連接，夾 緊固定板33上安裝有若干個(gè)夾緊氣缸34，夾緊氣缸34與絲束管理模塊連接，夾緊氣缸34通 過夾緊壓輪架35與夾緊壓輪36連接，通過夾緊氣缸34帶動(dòng)夾緊壓輪36運(yùn)動(dòng)從而與夾緊下 壓輪組37配合壓緊絲束。
[0051]在本發(fā)明中，如圖6所示，所述重送模塊4包含重送輪軸41和固定在支撐板上的重 送彎板46，所述重送彎板46與重送固定板45連接，重送固定板45上安裝有重送氣缸43，重送 氣缸43與絲束管理模塊連接，重送氣缸43與重送輪44連接，所述重送輪軸41上套有重送滾 筒，重送氣缸43運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)重送輪44移動(dòng)，夾在重送輪44和重送滾筒之間的絲束通過重送滾 筒帶動(dòng)移動(dòng)。
[0052]在本發(fā)明中，如圖5所示，所述剪切模塊5包含固定在支撐板上的剪切彎板53和剪 切固定板52,剪切固定板52上安裝有剪切氣缸51，剪切氣缸51與絲束管理模塊連接，剪切氣 缸51與剪切刀片54連接，剪切刀片54下面墊有砧板55，絲束在剪切刀片54與砧板55穿過，在 氣缸驅(qū)動(dòng)下剪切刀片54下移與砧板55配合剪切絲束。
[0053]在每段路徑鋪放前，CNCU接收外部程序NC代碼，將其中的xyz以及ABC等各軸運(yùn)動(dòng) 指令發(fā)送給TCM的數(shù)字驅(qū)動(dòng)控制器，經(jīng)編譯后發(fā)送給各軸伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)各軸伺服電機(jī)運(yùn) 動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)絲束鋪放裝置的運(yùn)動(dòng)；同步地，CNCU將NC代碼中FMM輸入指令發(fā)送給PLC控制 器，PLC控制器根據(jù)控制指令將輸入映像寄存區(qū)定義為1或者0(在PLC里，1表示真，也就是接 通;0表示假，也就是不接通），從而FMM的各分模塊如剪切分模塊、夾緊分模塊等就收到相應(yīng) 的開關(guān)量控制信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)剪切氣缸或是電磁閥開關(guān)或是閉合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)絲束的單獨(dú)控 制。在絲束鋪放裝置運(yùn)動(dòng)的過程中，PLC不斷地掃描外部端子（即CNCU)的控制指令從而變化 映像寄存區(qū)的數(shù)值1或〇來控制絲束的各種狀態(tài)。
[0054] 1、FMM 控制
[0055] FMM采用PLC控制器實(shí)現(xiàn)絲束的張緊、加熱、冷卻、剪切、夾緊、重送、集合等，其具體 功能包括張緊模塊力矩電機(jī)控制、加熱模塊溫度控制、冷卻模塊吹風(fēng)速度控制、剪切模塊剪 切氣缸運(yùn)動(dòng)控制、夾緊模塊氣缸運(yùn)動(dòng)控制、重送模塊重送電機(jī)控制、集合模塊密排控制等。
[0056] 鋪放裝置在每段路徑鋪放前，CNCU對(duì)外部NC程序進(jìn)行指令識(shí)別，將其中FMMPLC控 制指令相關(guān)的數(shù)控代碼經(jīng)過D/A(數(shù)/模轉(zhuǎn)換)編譯成模擬信號(hào)發(fā)送給各分模塊的電機(jī)驅(qū)動(dòng) 器、電磁閥等。鋪放過程中CNCU實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)FMM的各分模塊的映像寄存區(qū)數(shù)值，以判定是否與 路徑運(yùn)動(dòng)過程工藝參數(shù)相同。CN⑶(CN⑶)與FMMPLC的通信協(xié)議主要包括:FMM單元控制代碼 定義、時(shí)間節(jié)點(diǎn)控制制定定義以及當(dāng)前時(shí)刻工作狀態(tài)定義。
[0057] 1-1、FMM控制代碼定義
[0058] FMM單元實(shí)現(xiàn)絲束的張緊、加熱、冷卻、剪切、夾緊、重送、集合等控制，在每段路徑 鋪放前，在PLC映像寄存區(qū)CN⑶讀取數(shù)值并通過外部NC程序發(fā)送內(nèi)部驅(qū)動(dòng)子代碼，NC程序中 對(duì)各控制動(dòng)作定義如下。其中10 . X、Q0 . X分別是第一個(gè)絲束PLC控制的輸入輸出地址，I 1.X、Q1 .X分別是第二根絲束PLC控制的輸入輸出地址，In. x、Qn. x分別是第n根絲束PLC控制 的輸入輸出地址，見表1所示。原始控制代碼T、H、F、C、P、R、I在NC編程時(shí)選取西門子M代碼庫(kù) 中的代碼進(jìn)行替換，便于數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)一控制。
[0059] 表1FFM模塊絲束代碼定義

[0061] 1-2單元時(shí)間節(jié)點(diǎn)控制定義
[0062] -段路徑鋪放過程中，F(xiàn)MM執(zhí)行的單元時(shí)間節(jié)點(diǎn)控制代碼存儲(chǔ)在PLC的映像寄存區(qū) 中，鋪放過程中由CNCU下發(fā)控制指令，其通信協(xié)議定義如表2所示。
[0063] 表2FMM模塊時(shí)間節(jié)點(diǎn)定義
[0065] 1-3FMM(FMM)當(dāng)前工作狀態(tài)定義
[0066] 為提高絲束鋪放過程控制精度，CNCU單元實(shí)時(shí)監(jiān)控FMM單元，對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行閉環(huán)處 理。FFM單元的工作狀態(tài)存儲(chǔ)在映像寄存區(qū)，供CNCU讀取，其當(dāng)前工作狀態(tài)定義如圖所示。以 第一根絲束為例，表3定義了各種狀態(tài)，如0000000表示當(dāng)前狀態(tài)在進(jìn)行初始化，F(xiàn)MM模塊等 待CNCU指令;1110001表示CNCU給FMM下發(fā)了指令，同時(shí)也給TCM單元下達(dá)了指令，鋪放裝置 開始鋪放；1110001表示正常鋪放，F(xiàn)FM模塊除剪切、夾緊與重送模外不工作外，其他模塊正 常工作；1001100表示鋪放路徑已經(jīng)達(dá)到邊緣，剪切氣缸運(yùn)動(dòng)，切刀切斷絲束，同時(shí)夾緊氣缸 運(yùn)動(dòng)夾棍夾緊絲束，在此過程中保持絲束張力不變，張緊力矩電機(jī)持續(xù)工作；1000010表示 鋪放裝置已經(jīng)準(zhǔn)備好從鋪放路徑邊緣開始鋪放，重送電機(jī)運(yùn)動(dòng)，夾緊氣缸卸載，絲束重新被 運(yùn)送至末端執(zhí)行器；1110001表示鋪放頭轉(zhuǎn)向，在此過程中剪切、夾緊、重送模塊停止工作， 其他正常工作；1000000表示一段鋪放路徑結(jié)束，保持絲束張力，附圖3為PLC控制器控制其 中一路絲束的原理圖。
[0067] 表3FMM當(dāng)前工作狀態(tài)定義
[0069] 2、1^控制（111〇
[0070] 采集需要鋪放的構(gòu)建的幾何信息，然后根據(jù)構(gòu)建的不同幾何特征，選擇相應(yīng)的理 論模型，接著根據(jù)鋪放的工藝要求，進(jìn)行鋪絲的軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)，將規(guī)劃的軌跡采用特定的文 件格式進(jìn)行輸出。導(dǎo)入八軸主位移運(yùn)動(dòng)控制器，控制器對(duì)六軸機(jī)架運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，以及二軸工件 樣板翻轉(zhuǎn)和移動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制。
[0071] 采用現(xiàn)有的CAM軟件如UG等基于工件三維模型編寫NC程序，西門子數(shù)控系統(tǒng)的 CNCU讀取NC程序代碼，從中提取路徑相關(guān)的指令，通常表述為XYZABCUW坐標(biāo)值，CN⑶通過內(nèi) 部多軸算法將XYZ線性運(yùn)動(dòng)與ABC轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)器人易于識(shí)別的PTP數(shù)據(jù)，myrobot與kuka機(jī) 器人的mxAutomation進(jìn)行通信，通過西門子數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)S120對(duì)kuka機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)器下 發(fā)運(yùn)動(dòng)指令。CN⑶與TCM的通信協(xié)議主要包括:NC代碼定義與傳輸，坐標(biāo)變換定義，TCM模塊 當(dāng)前工作狀態(tài)定義。
[0072] 2-1NC代碼定義與代碼傳輸
[0073]本發(fā)明控制程序采用當(dāng)前主流的CAM軟件進(jìn)行編寫，其產(chǎn)生的NC代碼中空間任意 點(diǎn)坐標(biāo)值表達(dá)為&，7,2,4,8,〇，而機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中任意點(diǎn)位置表達(dá)為？(心，42,43，六4，八 5， A6)，兩者之間用轉(zhuǎn)換矩陣進(jìn)行映射關(guān)系。
[0074] 2-2坐標(biāo)變換定義
[0075] KUKA機(jī)器人自帶的運(yùn)動(dòng)控制器KR-C4有著機(jī)器人控制精度不高，編程復(fù)雜不方便， 控制響應(yīng)速度慢等特點(diǎn)，采用西門子CNCU進(jìn)行控制時(shí)，通過坐標(biāo)變換將NC代碼中的 (xi，yi，zi，Aj，Bj，Cj)轉(zhuǎn)換成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)坐標(biāo)值（Aii，A2i，A3i，A4j，Asj，A6j)。具體 地，{A1;，m A5J，AJ = [ 7, 2；r, 4/, ? { Xl，7i，zt，A" B,，C, }，其中 a' P' n 0 Q J) T= ^ 1 ^ 1 ^=(3\七，32)是機(jī)器人執(zhí)行末端即鋪放裝置坐標(biāo)系的偏航向量;]1=(1^， n 〇 a p 0 0 0 1 ny，nz)是機(jī)器人執(zhí)行末端即鋪放裝置坐標(biāo)系的俯仰向量;〇 =(~，~，〇2)是機(jī)器人執(zhí)行末端 即鋪放裝置坐標(biāo)系的回轉(zhuǎn)向量，口="咖^)是機(jī)器人執(zhí)行末端即鋪放裝置坐標(biāo)系的當(dāng)前 位置向量。
[0076]
[0077] 2-3TCM模塊當(dāng)前工作狀態(tài)定義
[0078] 鋪放路徑過程中，CNCU提前讀取(本實(shí)施例設(shè)定為100行)NC程序，識(shí)別其中的路徑 相關(guān)數(shù)據(jù)通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成機(jī)器人末端執(zhí)行的位置值與位置向量，將其與當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行 運(yùn)算，判定路徑是否光滑以及路徑是否與程序設(shè)定相符合。TCM模塊控制流程如附圖11所 示，各軸運(yùn)動(dòng)說明見附圖12所示。
[0079] 如圖10和圖12所示，一種上述的集成式碳纖維自動(dòng)鋪放裝置控制系統(tǒng)的控制方 法，包括以下步驟：
[0080] (1)自動(dòng)鋪絲設(shè)備啟動(dòng)，安裝紗筒，人工送絲到壓輥；
[0081] (2)絲束管理模塊控制壓縮機(jī)壓縮空氣，冷風(fēng)噴頭噴出冷卻風(fēng)；
[0082] (3)向路徑控制模塊中輸入預(yù)設(shè)路徑，控制器啟動(dòng)路徑控制模塊，路徑控制模塊驅(qū) 動(dòng)八軸主位移控制器控制各自電機(jī)運(yùn)動(dòng)；
[0083] (4)鋪絲頭壓下，絲束管理模塊控制張緊模塊、剪切模塊、夾緊模塊、重送模塊和集 合模塊工作，同時(shí)控制加熱模塊開始加熱，開始鋪絲；
[0084] (5)在鋪絲過程中是否需要開窗，若是，絲束切斷、重送，然后繼續(xù)鋪絲，若不是，繼 續(xù)鋪絲；
[0085] (6)判斷是否已鋪設(shè)到邊界，若是，絲束管理模塊控制剪切模塊切斷絲束，重送模 塊繼續(xù)鋪絲，直到鋪絲結(jié)束，絲束管理模塊控制加熱模塊停止工作，鋪絲頭抬起;若不是邊 界，繼續(xù)鋪絲，直到鋪設(shè)到邊界；
[0086] (7)判斷是否已鋪完，若是，某一層鋪絲結(jié)束，判斷是否所有層鋪完，若是，結(jié)束停 機(jī)，若不是，進(jìn)入步驟(3);若沒鋪完，鋪絲頭換向，水平伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)180°，進(jìn)入步驟(4)。
[0087] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種集成式碳纖維自動(dòng)鋪放裝置控制系統(tǒng)，其特征在于:包括主控制器、硬件I/O連 接板，所述主控制器與硬件I/O連接板連接，硬件I/O連接板分別與路徑控制模塊和絲束管 理模塊連接，路徑控制模塊輸出端與八軸主位移控制器連接，絲束管理模塊的輸出端與八 絲束碳纖維自動(dòng)鋪放裝置連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式碳纖維自動(dòng)鋪放裝置控制系統(tǒng)，其特征在于:所述八絲 束碳纖維自動(dòng)鋪放裝置包含張緊模塊、加熱模塊、冷卻模塊、剪切模塊、夾緊模塊、重送模塊 和集合模塊，所述張緊模塊包含張力測(cè)力傳感器和位移作動(dòng)器，所述張力測(cè)力傳感器包括 繞線輥軸和壓電晶體測(cè)力頭，所述位移作動(dòng)器包括伺服微型直線電機(jī)和位移頭，所述位移 頭與張力測(cè)力傳感器的繞線輥軸相連，位移頭與伺服微型直線電機(jī)連接，絲束纏繞在繞線 輥軸上，伺服微型直線電機(jī)與絲束管理模塊連接，當(dāng)絲束張力需要自動(dòng)調(diào)整時(shí)，絲束管理模 塊控制伺服微型直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)頭移動(dòng)從而位移頭帶動(dòng)繞線輥軸移動(dòng)，調(diào)節(jié)絲束張力。3. 根據(jù)權(quán)要求2所述的集成式碳纖維自動(dòng)鋪放裝置控制系統(tǒng)，其特征在于:所述冷卻模 塊包含冷風(fēng)噴頭和氣流分配閥，所述冷風(fēng)噴頭用于冷卻絲束，冷風(fēng)噴頭與氣流分配閥連接， 氣流分配閥通過管道與渦流管連接，渦流管通過管道與壓縮機(jī)連接，壓縮機(jī)與絲束管理模 塊連接，絲束管理模塊控制壓縮機(jī)壓縮空氣，在渦流管內(nèi)產(chǎn)生冷空氣，冷空氣通過氣流分配 閥進(jìn)入冷風(fēng)噴口，對(duì)絲束進(jìn)行冷卻。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成式碳纖維自動(dòng)鋪放裝置控制系統(tǒng)，其特征在于:所述加熱 模組包括紅外加熱并列多燈管和測(cè)溫傳感器，紅外加熱并列多燈管和測(cè)溫傳感器同時(shí)與絲 束管理模塊連接，絲束管理模塊根據(jù)測(cè)溫傳感器測(cè)量絲束鋪設(shè)溫度，控制紅外加熱并列多 燈管的加熱溫度。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成式碳纖維自動(dòng)鋪放裝置控制系統(tǒng)，其特征在于:所述夾緊 模塊包含夾緊輪軸、位于夾緊輪軸上的夾緊下壓輪組和固定在支撐板上的夾緊彎板，所述 夾緊彎板與夾緊固定板連接，夾緊固定板上安裝有若干個(gè)夾緊氣缸，夾緊氣缸與絲束管理 模塊連接，夾緊氣缸與夾緊壓輪連接，通過夾緊氣缸帶動(dòng)夾緊壓輪運(yùn)動(dòng)從而與夾緊下壓輪 組配合壓緊絲束。6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成式碳纖維自動(dòng)鋪放裝置控制系統(tǒng)，其特征在于:所述重送 模塊包含重送輪軸和固定在支撐板上的重送彎板，所述重送彎板與重送固定板連接，重送 固定板上安裝有重送氣缸，重送氣缸與絲束管理模塊連接，重送氣缸與重送輪連接，所述重 送輪軸上套有重送滾筒，重送氣缸運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)重送輪移動(dòng)，夾在重送輪和重送滾筒之間的絲 束通過重送滾筒帶動(dòng)移動(dòng)。7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成式碳纖維自動(dòng)鋪放裝置控制系統(tǒng)，其特征在于:所述剪切 模塊包含固定在支撐板上的剪切彎板和剪切固定板，剪切固定板上安裝有剪切氣缸，剪切 氣缸與絲束管理模塊連接，剪切氣缸與剪切刀片連接，剪切刀片下面墊有砧板，絲束在剪切 刀片與砧板穿過，在氣缸驅(qū)動(dòng)下剪切刀片下移與砧板配合剪切絲束。8. -種如權(quán)利要求2-7任一項(xiàng)所述的集成式碳纖維自動(dòng)鋪放裝置控制系統(tǒng)的控制方 法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 自動(dòng)鋪絲設(shè)備啟動(dòng)，安裝紗筒，人工送絲到壓輥； (2) 絲束管理模塊控制壓縮機(jī)壓縮空氣，冷風(fēng)噴頭噴出冷卻風(fēng)； (3) 向路徑控制模塊中輸入預(yù)設(shè)路徑，控制器啟動(dòng)路徑控制模塊，路徑控制模塊驅(qū)動(dòng)八 軸主位移控制器控制各自電機(jī)運(yùn)動(dòng)； (4) 鋪絲頭壓下，絲束管理模塊控制張緊模塊、剪切模塊、夾緊模塊、重送模塊和集合模 塊工作，同時(shí)控制加熱模塊開始加熱，開始鋪絲； (5) 在鋪絲過程中是否需要開窗，若是，絲束切斷、重送，然后繼續(xù)鋪絲，若不是，繼續(xù)鋪 絲； (6) 判斷是否已鋪設(shè)到邊界，若是，絲束管理模塊控制剪切模塊切斷絲束，重送模塊繼 續(xù)鋪絲，直到鋪絲結(jié)束，絲束管理模塊控制加熱模塊停止工作，鋪絲頭抬起;若不是邊界，繼 續(xù)鋪絲，直到鋪設(shè)到邊界； (7) 判斷是否已鋪完，若是，某一層鋪絲結(jié)束，判斷是否所有層鋪完，若是，結(jié)束停機(jī)，若 不是，進(jìn)入步驟(3);若沒鋪完，鋪絲頭換向，進(jìn)入步驟(4)。
【文檔編號(hào)】G05B19/042GK105911909SQ201610280280
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月29日
【發(fā)明人】李軍利, 劉志強(qiáng), 程濤
【申請(qǐng)人】李軍利