数控布带缠绕机关键数控技术

3 数控布带缠绕机的关键技术及实现方式

　　3.1 机床本体

　　机床基本构成如图2 所示。由于该设备是集缠绕、切削和测量三大功能为一体的先进设备,加之加工产品的尺寸变化范围宽(直径50～1 700 mm ,长度可达4 000 mm) ,尤其是在斜叠缠绕时,热压辊必须偏转某个角度,这些因素给机床总体布局和结构设计带来了很大困难。为此,总体布局将该设备的三大部件(主轴箱、尾座床身和小车床身部件) 设计为分体式,为加工制造和安装调试带来了较大方便。小车部件设计为三层结构,上层可转动(床头端60°,尾座45°) ,上面安装有张力、压力、温度传感器,前端可以安装热压辊支架(缠绕状态时) 或刀架(切削状态和测量状态共用) ,结构小巧,使用方便。同时上层内部装有行程为100 mm 的气缸组件,缠绕时使压辊紧密压在模胎上。小车部件纵向(z向) 由3 150 mm 长滚珠丝杠拖动; 横向( x向) 由1 200 mm 滚珠丝杠拖动,保证了运动范围和传动精度。

图2 　机床本体示意图 

　　3.2 张力控制

　　布带缠绕机的张力控制系统是由执行机构、测量和控制部分组成的外拉式张力系统,其结构形式对实现张力的高精度控制起着决定性作用。常用的几种方式如图3～图5 所示。图3 所示方案的优点是结构简单,成本低,系统阻尼小。但由于带盘直径的变化,其阻尼力矩和带速都在变化,张力控制系统为时变系统,特别是在小张力时,问题就更加突出;带盘在开卷过程中由于胶连等因素不是匀速的,具有随机性、振动性、不可预测性,这对控制过程的干扰很大,甚至使系统振荡,增加了控制的难度,难以实现张力的高精度控制。

图3 　张力控制系统方案1

　　图4 所示方案把磁粉离合器安装在阻尼轮上产生阻尼力矩,通过直径不变的阻尼轮使布带获得张力,解决了张力控制系统为时变系统这一不足;也保证了阻尼轮前的布带处于自由状态且带盘卷径变化与张力控制无关;阻尼轮是施力机构,避免了带卷在非匀速开卷过程中带来的系统干扰。但传感器安装在机构运动的中轴线,布带中心与传感器轴线共面,对机构安装、装带及布带跑偏都提出了更高的要求。

图4 　张力控制系统方案2

　　图5 所示方案在分析上述方案的基础上,结合布带缠绕的工艺特点及布带缠绕机的结构形式,将测力机构的夹角θ变为0 ,并采用双传感器装置。该方案实现了平稳放带及张力的高精度控制,避免因零件或布带安装误差而导致的精度下降,同时具有很强的抗干扰能力。

图5 　张力控制系统方案3

　　3.3 压力控制

　　为了在缠绕过程中保持粘接层布带的平顺,尤其在斜叠缠绕中避免布带内侧边(靠近芯模一侧) 因变形而引起褶皱、防止层间褶皱以及滑移,这对缠绕压力的控制精度提出了较高要求。压力的实施方案较多,主要有液压、电动、气动等方式。液压驱动速度较慢,容易造成环境污染,特别是复合材料预浸胶布带对环境的要求更高;电动方式构造复杂,生产及维护成本较高;气动方式具有体积小、成本低、驱动及响应速度较快的优点,且容易实现远程操作,为此选用综合性能良好的气动控制方案,并采用改进的闭环PID 控制算法。