CN104570955A - 一种复合材料自动铺丝机控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式控制和各单元同步触发的复合材料自动铺丝机控制系统，具体包括：(1)铺丝头单元控制，采用PLC控制各路丝束的切割阻止、重送、加热、铺压等；(2)运动机构单元控制，采用工业机器人自带的控制系统；(3)供料系统单元控制，采用PLC控制各路丝束在恒温、恒湿环境下实现恒张力输送。(4)总控单元，在铺放每段路径前，给运动机构控制系统下传待铺放路径的序号指令，给铺丝头PLC和供料系统PLC下传时间节点操作指令；由总控单元启动一段路径铺放任务，各单元之间使用同一时钟信号(如定时器、内部时钟或外部时钟等触发)协调，实现各工艺参数的协同控制；铺放过程中，总控单元实时监控各单元的工作状态。本发明公开的复合材料自动铺丝机控制系统，系统易行、有效、成本较低、操作方便。

Description

一种复合材料自动铺丝机控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于复合材料构件的自动铺放技术领域，尤其涉及一种可实现复合材料丝束独立切割阻止、重送、铺压等功能的自动铺丝机的控制系统。

背景技术

复合材料构件具有高比强度、高比模量、耐疲劳性好、耐腐蚀性好、成形工艺性好、减振性好等优点，现已被逐渐应用于航空、航天、舰船、交通、新能源(风力发电)等领域，且用量逐年递增(年增长率>10％)。

目前，复合材料构件的制造大多采用手工、缠绕、缝纫、自动铺带机和自动铺丝机等技术。手工铺放具有工作范围小、定位差、铺放效率低、铺放压力控制精度低、铺放厚度和角度无法精确保证、质量不稳定、劳动强度大、人力投入多等不足；以自动铺带机和自动铺丝机为代表的自动铺放技术是实现复合材料构件低成本、高性能、高效率制造的重要手段之一。自动铺带机，主要用于大尺寸、中小曲率构件的制造；自动铺丝机，丝束带宽可变，即可独立控制每根纤维丝束的输送、切断阻止、重送等功能，铺放角度可连续变化，能够适应大曲率复杂构件的铺放成形，因此可铺放的复合材料构件范围更广，且废料率更低。

国外自上世纪60年代和70年代开始研究复合材料自动铺带和自动铺丝技术，于上个世纪90年代已形成成熟的系列化产品。由于产品禁运和技术封锁，国内目前大多仍以手工铺放为主，其自动铺放技术方面的产品研制还处于样机阶段。

复合材料自动铺丝机一般由铺丝头单元、运动机构单元(如工业机器人或龙门机构)、供料系统单元、总控单元等组成。铺丝头单元固定于运动机构末端；供料系统单元搭载在运动机构单元上，随运动机构单元的某线性轴(如工业机器人的线性导轨)一起运动。铺丝机的控制系统需要实现多轴同步运动控制、各单元的协调控制、各工艺参数的协同控制，具体包括：控制铺丝头单元实现丝束切割阻止、重送、加热、铺压等动作；控制运动机构单元按照已规划好的铺放路径精确运动；控制供料系统在恒温恒湿环境下恒张力输送给铺丝头上的铺压辊。目前，铺丝机控制系统中的多轴同步运动控制采用了数控系统(如西门子840D)、PMAC或UMAC运动控制器等集中式控制，价格昂贵，操作复杂，维护成本高。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了基于分布式控制和各单元同步触发的复合材料自动铺丝机的控制系统，以较低的成本实现了相同的功能，并具有操作简单、维修成本低的优点。

本发明采用的技术方案如下：

一种复合材料自动铺丝机控制系统，包括总控单元模块和分控单元模块组，其中分控单元模块组包含铺丝头单元控制模块、运动机构单元控制模块、供料系统单元控制模块，总控单元模块通过信号线分别与分控单元模块组中各控制模块相连，分控单元模块组中各控制模块采用同一时钟信号协调工作。

优选的，所述的铺丝头单元控制模块为PLC控制器，该PLC控制器中设置的控制模块包含切割模块、重送模块、加热模块、铺压模块；所述的供料系统单元控制模块为PLC控制器，用于控制多路丝束在恒温、恒湿环境下实现恒张力输送。

优选的，总控单元模块设置有监控子模块，用于监控分控单元模块组中各控制模块中的工作状态数据。

优选的，分控单元模块组中各控制模块共用一个外部时钟信号发生器产生同步信号。

一种复合材料自动铺丝机控制方法，包括路径铺放进行前，总控单元模块分别对分控单元模块组中各控制模块进行参数定义；总控单元模块发送启动路径铺放指令，分控单元模块组中各控制模块通过同一时钟信号协调工作，对各工艺参数进行协同控制。

优选的，路径铺放过程中，总控单元模块实时监控分控单元模块组中各控制模块中的工作状态数据。

优选的，供料系统单元控制模块在工作过程中通过负反馈系统实现恒张力输送。

本发明的控制系统包括总控单元模块和分控单元模块组，分控单元模块组中铺丝头单元控制模块、运动机构单元控制模块、供料系统单元控制模块在总控单元模块对其进行初始化后，即可依据总控单元模块下发的指令独立运行，这样总控单元模块的主要作用就是参数下发及数据监控，采用这种分布式控制方式有效的降低了对总控单元模块运算及处理能力的要求，这样就可以选择低成本的处理系统来进行总控单元模块的设计，有效的降低了成本；分布式控制方式在系统维护时可以针对故障模块进行单独维护，有效的降低了维护费用；采用总控单元模块对分控单元模块组中各控制模块进行统一的配置和监控，操作方便易用。

附图说明

图1是本发明中复合材料自动铺丝机控制系统的总框图；

图2是本发明中一次铺放任务示意图；

图3是本发明中铺丝头单元初始化参数设置定义；

图4是本发明中铺丝头单元时间节点控制指令格式定义；

图5是本发明中铺丝头单元当前工作状态存储定义；

图6是本发明中铺丝头单元PLC软件流程图；

图7是本发明中供料系统单元初始化参数设置定义；

图8是本发明中供料系统单元时间节点控制指令格式定义；

图9是本发明中供料系统单元当前工作状态存储定义；

图10是本发明中供料系统单元PLC软件流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，实施例的复合材料自动铺丝机控制系统由总控PC工控机作为总控单元模块，总控PC工控机同步控制铺丝头、运动机构及供料系统。复合材料自动铺丝机的一段路径铺放任务，如图2所示，定义为由起始时刻T₀位置处开始铺放，经T₁、T₂、…、T_N-1时刻位置处，结束铺放时刻为T_N时刻位置处。

在铺放每段路径前，给运动机构控制系统下传待铺放路径的序号指令，给铺丝头PLC和供料系统PLC下传时间节点操作指令；由总控单元启动一段路径铺放任务，各单元之间使用同一时钟信号(如定时器、内部时钟或外部时钟等触发)协调，实现各工艺参数协同控制；铺放过程中，总控单元实时监控各单元的工作状态。本实例给出一种可铺放32路丝束的复合材料自动铺丝机的控制系统，其中，运动机构单元采用7自由度工业机器人系统(6自由度手臂和线性导轨)，同一时钟信号采用定时器，铺丝头单元PLC和供料系统单元PLC选用三菱FX-3U系列。

(1)铺丝头单元控制

铺丝头单元控制采用PLC实现多路丝束的独立切割、重送、加热、铺压等功能，其具体功能包括重送模块重送电机控制，切割模块各路丝束切割阻止气缸的开关量控制及其气路恒压控制，重送模块重送气缸的开关量控制及其气路恒压控制，铺压模块铺压辊气缸的开关量控制及其气路恒压控制，加热冷却模块温度控制及吹风速度控制等。

铺丝机在进行一段路径铺放任务前，总控单元PC发送相关指令给铺丝头PLC；在铺放过程中，总控单元PC实时监控铺丝头的工作状态。总控单元PC与铺丝头PLC之间的通信协议定义，主要包括三大部分，即：铺丝头单元初始化参数定义、铺丝头单元时间节点控制指令定义、铺丝头单元当前工作状态定义。

1-1：铺丝头单元初始化参数定义

针对铺丝头单元重送模块重送电机转速和重送气缸状态、切割模块的切割气缸状态、重送模块和切割模块气缸的气路气压、铺压模块的气路气压、加热模块的温度和风速等初始化参数设定值，总控单元PC在铺丝机系统初始化时下传给铺PLC，并将其放置固定的数据寄存器中，其通信协议定义如图3所示，由图中可知，初始化参数包括清零参数和默认值参数两大类。

1-2：铺丝头单元时间节点控制指令定义

一段路径铺放过程中，铺丝头单元在各时间节点执行的控制指令，存储在相应的数据寄存器中，铺放前由总控单元PC下传，其通信协议定义如图4所示，由图中可见，各时间节点控制指令包括定时器时间节点(存储时间间隔)，气缸动作控制字、铺压模块使能控制字、重送电机使能控制字、加热模块使能控制字等。

1-3：铺丝头单元当前工作状态定义

为实时监控铺丝头的工作状态，铺放过程中需要将铺丝头当前工作状态存放在固定的数据寄存器中，供总控单元PC读取，其工作状态定义如图5所示。由图中可见，铺丝头工作状态包括切割气缸工作状态、重送气缸工作状态、铺压模块状态及气路压力、重送电机状态及转速、加热模块状态及温度等。其中，PLC工作状态D500数据寄存器为标志控制字，如当数据寄存器D500的数值等于AAAAH时，表示铺丝头PLC处于等待状态；当数据寄存器D500的数值等于FFFFH时，表示铺放任务由临时停止状态恢复到铺放状态，继续完成该段路径铺放任务；当D0500的数值不等于AAAAH或FFFFH时，表示将启动一段路径铺放任务，且其数值表示时间节点的数目。在一段路径铺放过程中，实时存储铺丝头当前工作状态，并检测D500的数值，当数据寄存器D500的数值等于5555H时，表示撤销此段路径铺放任务；当数据寄存器D500的数值等于0000H时，表示铺放任务处于临时停止状态。一段路径铺放任务结束时，将D500的数值赋值AAAAH，表示已完成该段路径铺放任务，继续等待下一段路径铺放任务指令。

铺丝头PLC的软件流程图如图6所示。

(2)供料系统单元控制

供料系统单元采用PLC实现多路丝束开卷和恒张力输送供料等功能，供料系统具体功能包括辊组电机转速控制、丝束开卷气动离合制动器控制、供料系统恒温恒湿环境控制等。其中，开卷单元各路丝束的张力控制采用全自动的控制方式，即根据浮辊电位器的张力反馈信号，实时调整气动离合制动器，确保丝束张力恒定；开卷后的各路丝束进一步通过辊组机构，得到更加一致的张力输送。

铺丝机在进行一段路径铺放任务前，总控单元PC发送相关指令给供料系统PLC；在铺放过程中，总控单元PC实时监控丝束张力和辊组电机工作状态。总控单元PC与供料系统PLC之间的通信协议定义，主要包括三大部分，即：供料系统单元初始化参数定义、供料系统单元时间节点控制指令定义、供料系统单元当前工作状态定义。

2-1：供料系统单元初始化参数定义

针对辊组电机转速、丝束开卷气动离合制动器气压、丝束开卷张力、供料系统温度和湿度等供料系统初始化参数设定值，总控单元PC在铺丝机系统初始化时下传给供料系统PLC，并将其放置固定的数据寄存器中，其通信协议定义如图7所示，由图中可知，初始化参数设置包括清零指令和默认参数设定指令两大类。

2-2：供料系统单元时间节点控制指令定义

一段路径铺放过程中，供料系统单元在各时间节点执行的控制指令，存储在相应的数据寄存器中，铺放前由总控单元PC下传，其通信协议定义如图8所示，由图中可见，各时间节点控制指令包括定时器时间节点(存储时间间隔)、辊组电机转速控制字、气动制动器使能控制字等。

2-3：供料系统单元当前工作状态定义

为实时监控供料系统单元的工作状态，铺放过程中需要将供料单元当前工作状态存放在固定的数据寄存器中，供总控单元PC读取，其数据存储定义如图9所示。由图中可见，供料系统工作状态包括辊组电机状态机电机转速、气动制动器状态及气压，32路丝束张力，空调系统温度和湿度等，并定义数据寄存器“PLC工作状态”为标志控制字。

供料系统PLC的软件流程图如图10所示。

本发明采用了一种基于分布式控制和各单元同步触发的复合材料自动铺丝机的控制系统，系统易行、有效、成本较低、操作方便。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种复合材料自动铺丝机控制系统，其特征在于，包括总控单元模块和分控单元模块组，其中分控单元模块组包含铺丝头单元控制模块、运动机构单元控制模块、供料系统单元控制模块，总控单元模块通过信号线分别与分控单元模块组中各控制模块相连，分控单元模块组中各控制模块采用同一时钟信号协调工作。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的铺丝头单元控制模块为PLC控制器，该PLC控制器中设置的控制模块包含切割模块、重送模块、加热模块、铺压模块；所述的供料系统单元控制模块为PLC控制器，用于控制多路丝束在恒温、恒湿环境下实现恒张力输送。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，总控单元模块设置有监控子模块，用于监控分控单元模块组中各控制模块中的工作状态数据。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，分控单元模块组中各控制模块共用一个外部时钟信号发生器产生同步信号。

5.一种基于权利要求1所述系统的复合材料自动铺丝机控制方法，其特征在于，路径铺放进行前，总控单元模块分别对分控单元模块组中各控制模块进行参数定义；总控单元模块发送启动路径铺放指令，分控单元模块组中各控制模块通过同一时钟信号协调工作，对各工艺参数进行协同控制。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，路径铺放过程中，总控单元模块实时监控分控单元模块组中各控制模块中的工作状态数据。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，供料系统单元控制模块在工作过程中通过负反馈系统实现恒张力输送。