浅谈纤维缠绕张力控制机构的结构及控制系统设计论文
1 引言
纤维缠绕是玻璃钢生产中的重要成型工艺之一，纤维缠绕工艺是纤维在一定的预张力作用下，浸渍树脂粘结剂后，按照一定的线型有规律地排布在芯模上，在缠绕过程中，提高密实程度，进而提高制品的强度。在复合材料制品缠绕成型过程中，对纤维材料施加张力并对张力进行精密控制是十分重要的，施加张力可以使纤维拉直、驱除气泡、渗透树脂，使缠绕出的制品更加紧密，同时为了避免因张力过大造成纤维断裂而影响产品的质量。这又对缠绕张力参数的控制提出了更高的要求。
2 设备机构设计
计算机控制缠绕是用纤维预浸树脂通过特定的机械和控制，将已浸过树脂的纤维，按所要求的线型规律缠绕至芯模表面上，其性能水平对缠绕制品的质量和工作性能起着决定作用。
2. 1 缠绕工艺
玻璃纤维从带有张力控制的纱架引出，经过树脂浸透，进入安装在行走轨道的缠绕小车上的绕丝嘴，并按一定规律均匀缠绕在旋转的模具上。缠绕小车延轨道做纵向直线来回运动，绕丝嘴垂直轨道做径向进退运动。
主轴模具1 由伺服电机根据要求通过减速机减速做均匀旋转，其旋转速度由编码器输出反馈; 缠绕小车3 由伺服电机根据所需的要求通过减速机减速延轨道4 做纵向均速来回运动，其行走速度由编码器输出反馈; 绕丝嘴2 由伺服电机根据要求通过减速机减速做径向进退运动，其运动速度由编码器输出反馈。玻璃纤维5 从带有张力测量反馈装置7 的纤维安装控制8 引出，经过胶槽6 浸透树脂后，进入安装在缠绕小车3 上的绕丝嘴2; 主轴的旋转、小车的纵向运动和绕丝嘴的径向运动组成缠绕机的主运动，由计算机控制。由于纤维缠绕于模具上的张力直接影响到产品的质量，所以纤维的张力控制是非常重要的。
2. 2 缠绕机结构
由于计算机控制纤维缠绕机是将纤维按照一定的规律均匀的缠绕在芯模上而成型的专用设备，组成主体的各部件可实现计算机控制三坐标。在满足工艺要求的前提下，又考虑结构的紧凑性，为此总体布局将主轴箱、尾座、轨道小车、绕丝嘴设计在一个主体框架上，并根据制品的大小设计成两工位缠绕，如图2。主轴、缠绕小车、绕丝嘴的运动均有数据反馈于计算机，输入所需的要求完成产品缠绕。伺服电机1 驱动主轴旋转，主轴端部安装有三爪卡盘2，三爪卡盘2 可装夹不同规格模具3，尾部用气缸9 推动顶针7 快速将模具3 对中夹紧，尾架8可根据模具长度调整位置后固定在主框架10 上; 绕丝嘴6 安装在缠绕小车4 上，缠绕小车4 由伺服电机控制延轨道5 纵向往复运动。
2. 3 纤维张力控制机构
由于纤维的张力对产品质量有很大影响，纤维的张力控制显得尤为重要，为了保证纤维控制的精度，设计了单根纤维计算机控制。图3 是纤维控制机构，已绕成线团状的纤维，放在有独立支撑的安装架上，每根纤维由独立的伺服电机控制，可以保证每根纤维在缠绕的过程中张力相同。
纤维纱团2 安装在由伺服电机5 控制的输出轴上，用带锥度的`涨塞1 将纤维纱团2 固定夹紧，可保证纤维在缠绕过程中无打滑，为使纤维平稳进入测量装置，结构上设计了一个长度超过纱团高的过渡辊3，纤维1 从过渡辊3 上方绕过进入测力装置。纤维经过进出导向辊进入测力辊轮组，由测力传感器反馈单根纤维的张力。
纤维1 从成井状的进导向辊6 进入测力反馈装置，再从成井状的出导向辊2 出测力反馈装置，纤维1 由过渡轮3 和过渡轮5 调整走向，使纤维1 始终接合在测力辊4 上，将纤维1 的拉力无间断的传到传感器7 上。
3 控制系统的程序设计
3. 1 控制系统的组成
控制系统的核心部件是研华工控制机，信号的A/D 和D/A 转换分别采用研华PCL - 818HG 和PCL - 727 数据板卡，此类板卡可用于各类电信号的采集、数据处理和控制运算后的电信号输出。PCL - 818HG 数据采集卡将从外界获取的各种电信号转换为统一的数字信号传递给计算机，并接收计算机传来的数字或控制信号; PCL - 727 数据输出卡将模拟或数字信号传递给外部设备。
交流伺服电机为执行元件，控制纱团的转速以调节张力，压力传感器检测纱团的动态张力值，进行A/D 转换形成反馈信号。与交流伺服电动机同轴相联的编码器，将电机的转速信号反馈至交流伺服驱动器，并设定驱动器为恒转矩控制方式。
3. 2 A/D 采集卡的设置程序
由于VB 并不提供对计算机外设进行底层操作的语句或函数，因而要利用DLL 技术实现I /O 控制，才能实现对I /O 端口的控制与访问。动态连接库( DLL) 是一种函数库，应用程序可以在运行时链接并使用它。
其中DRV - DeviceOpen 函数为初始化指定设备，DRV -DeviceClose 函数用于关闭DRV - DeviceOpen 函数打开的设备，并释放所分配的存储空间，DRV_MAIConfig函数对设置采样通道的电压输入范围。DRV- MAIVoltageIn 函数为获取相应端口的模拟电压信号，该函数被调用一次就对通道的设置完成一次I /O 操作，重复调用DRV - MAIVoltageIn 函数则可获取相应端口的模拟电压信号。表1 为A/D 板卡初始化及数据采集的主要编程方法。
3. 3 D/A 输出卡的设置程序
其中DRV - DeviceOpen 和DRV - DeviceClose 函数为打开和关闭设备，DRV_AOConfig 函数为模拟输出通道的设置，DRV - AOVoltageOut( ) : 该函数被调用一次就对通道的设置完成一次I /O 操作。重复调用DRV - AOVoltageOut 函数则可从相应端口输出模拟电压信号。
4 结语
基于计算机控制的纤维缠绕张力控制机的研制，具有参数设置方便，界面友好，控制精度满足工艺要求。本文介绍了机构的结构设计和DLL 技术实现VB 编程环境下多通道数据信号的检测的方法。该机床在实际生产使用中具有明显的优点。
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