玻璃钢缠绕机PLC控制系统的设计汇总.docx
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玻璃钢缠绕机PLC控制系统的设计汇总.docx
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玻璃钢缠绕机PLC控制系统的设计汇总
学校代号___________学号__________
分类号___________密级__________
河南科技学院
工程学士学位论文
玻璃钢缠绕机PLC控制
系统的设计
学位申请人姓名衡孟军_
培养单位新科学院_
导师姓名及职称牛联波_
学科专业电气工程及其自动化_
研究方向PLC系统控制_
论文提交时间2017.03.28_
玻璃钢缠绕机控制系统设计
摘要
玻璃钢缠绕机是生产玻璃钢储罐及管道的关键设备,玻璃钢管道简称FRP管道,具有安装方便,耐腐蚀、强度高、质量稳定、成本低、机械自动化生产易于实现等显著优点,在石油、化工以及输水输气工程中应用得越来越多。
同时纤维缠绕技术是一项涉及复合材料、高分子化学、数学、机械、电子、计算机等多门学科的综合性技术。
本文对玻璃钢管道缠绕机的运动控制特点、缠绕精度和缠绕规律等方面进行分析,结合当前最新的缠绕技术和加工工艺要求,提出了以工控机和PMAC运动控制卡为核心的开放式数控缠绕机系统,并结合工业PC机和PMAC的优点,充分利用了PMAC的开放性和精密的PID调节、样条曲线插补等功能以满足不同型号的玻璃钢管道的加工要求,从而实现该设备螺旋缠绕和环向缠绕的功能。
本文同时讨论了计算机控制系统的组成,控制系统的总体设计,并在分析缠绕精度和伺服系统特点的基础上,根据管道缠绕控制系统要求以及交流伺服系统的优良性能,采用了半闭环伺服系统结构和松下公司的MINASA系列全数字式交流伺服系统,对主轴和小车采用了不同的控制方式:
主轴采用速度控制,小车采用位置控制方式。
最后基于软件控制系统要求用户界面友好、实时性好、控制精度高、操作方便的特点设计了控制系统软件,该软件采用VisualC++语言进行编写。
实际运行表明,此系统的控制器运行稳定可靠,完全达到了设计功能和缠绕精度要求。
关键词PLC;运动控制器;伺服系统;缠绕规律;控制系统;缠绕机
第1章绪论................................................................................................................1
1.1课题背景及意义...............................................................................................1
1.2玻璃钢纤维缠绕工艺.......................................................................................2
1.2.1玻璃钢纤维缠绕工艺分类........................................................................2
1.2.2玻璃钢纤维缠绕工艺特点........................................................................3
1.3璃钢缠绕机发展概况及趋势...........................................................................5
1.3.1玻璃钢缠绕机的国外发展概况................................................................5
1.3.2玻璃钢缠绕机的国内发展概况................................................................6
1.3.3纤维缠绕工艺的发展趋势........................................................................7
1.4本课题的研究内容...........................................................................................8
第2章玻璃钢缠绕机控制系统设计.........................................................................9
2.1玻璃钢缠绕机系统结构...................................................................................9
2.2缠绕机微机控制系统组成...............................................................................10
2.3控制环节设计...................................................................................................11
2.3.1速度控制....................................................................................................12
2.3.2位置控制....................................................................................................12
2.4位置伺服系统基本类型...................................................................................13
2.5缠绕机控制系统设计.......................................................................................14
2.5.1运动控制驱动模块....................................................................................16
2.5.2伺服系统模块............................................................................................20
2.5.3工业控制计算机........................................................................................21
2.6本章小结...........................................................................................................22
第3章纤维缠绕的线型规律和工艺设计.................................................................23
3.1纤维缠绕的线型...............................................................................................23
3.1.1环向缠绕线型规律....................................................................................23
3.1.2螺旋缠绕线型规律....................................................................................24
3.1.3缠绕线型规律的实现................................................................................25
3.2纤维缠绕的基本原理.......................................................................................26
3.2.1缠绕工艺分析与设计...............................................................................29
3.2.2缠绕轨迹的稳定条件...............................................................................32
3.3玻璃钢管道缠绕机缠绕精度的影响因素及提高方法..................................33
3.3.1缠绕精度的衡量指标及意义...................................................................33
3.3.2影响微机控制式缠绕机缠绕精度的设备因素及提高方法...................33
3.4本章小结..........................................................................................................35
第4章控制系统应用软件设计................................................................................36
4.1控制系统软件的总体设计..............................................................................36
4.2前后台程序的编制..........................................................................................38
4.2.1程序的初始化...........................................................................................39
4.2.2运动控制程序...........................................................................................39
4.2.3上位机应用软件设计...............................................................................40
4.3软件界面设计..................................................................................................44
4.4本章小结..........................................................................................................47
结论............................................................................................................................48
参考文献....................................................................................................................49
致谢...........................................................................................................................54
第1章绪论
1.1课题的背景及意义
玻璃钢((FRP或亦称作GRP,别名玻璃钢纤维增强塑料)是一种性能优良的
脂基复合材料,它是由合成树脂和玻璃钢纤维经复合工艺制作而成的一种功能型
的新型材料「’]。
按所使用的树脂品种不同,玻璃钢可分为聚酷玻璃钢、环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢。
由于玻璃钢具有重量轻、强度大、耐热、耐腐蚀、绝缘性能好、寿命长、可设计性好和易于成型等一系列优点,因此玻璃钢可以用来制作某种水处理产品的外壳,以保证水处理产品具有足够的强度,使其在工作时不被外界的压力胀破或压得变形。
水处理产品保护外壳的制作采用纤维缠绕技术。
纤维缠绕技术是20世纪30
年代发展起来的[2],至今己有70多年的发展历史。
1940194_5年美国首次用玻
璃纤维增强聚酷树脂,以手糊工艺制造军用雷达和远航飞机油箱,为玻璃钢材料
在军事上的应用开辟了道路。
纤维缠绕技术于1946年在美国申请专利,60年代
进入最佳发展时期,其后长时间发展缓慢,到了90年代,进入新的高速发展阶
段[3]。
经过70多年的发展,缠绕制品应用范围也从当年的航空航天气瓶、固体
火箭发动机壳体拓宽到民用的缠绕管道、储罐、发动机叶片、气体收集与水溢流
系统器件、盐水收集和水处理系统器件等领域。
由于玻璃钢在水处理产品中的应用国内近几年才开始研究,其生产的工艺还
不成熟,虽然目前国内有很多开发和研制纤维缠绕机的科研院校和厂家,但他们
所设计和生产的纤维缠绕机基本上用于玻璃钢管道和罐的制作,国内还没有厂家
专门开发、研究用于制作水处理产品保护外壳的缠绕机。
缠绕机是制备玻璃钢制
品的关键设备,没有适合的缠绕机将无法制备出合格的水处理产品保护外壳。
所
以,对用于制备水处理产品保护外壳的生产设备及其控制系统的优化设计是一项
重要的研究课题。
1.2玻璃钢缠绕机的发展概况
缠绕机是制备玻璃钢缠绕制品最重要的设备,玻璃钢纤维缠绕技术的发展依
赖于缠绕设备的发展。
为不断适应新的缠绕工艺的发展需要,在自动控制技术己
经在各行各业获得广泛应用的背景下,发展以先进智能控制器为控制核心的高性
能、全自动缠绕机己成为缠绕机的发展趋势。
1.2.1玻璃钢缠绕机的国外发展概况
缠绕机主要由动力源、传动机构,执行机构、控制机构及辅助机构等部分组
成。
从缠绕机的发展历程和工作原理来划分,缠绕机可分为三类:
机械式、液压
伺服式、计算机控制式[c;-c>>0
1.机械式缠绕机
机械式缠绕机是第一代纤维缠绕机,它于20世界60年代初在美国开始使用。
这类缠绕机主要由床头、床身、主轴、小车、传动机构等部分组成。
机械式缠绕
机只有一个动力源,即主轴电机,主轴与小车的同步运动通过两者之间的变速箱
和链条传递传动实现,变速箱的传动比决定了主轴和小车的速比,因此缠绕前先
人为计算传动参数,然后调整变速箱速比,将小车直线往复运动的速度和主轴的
转速进行合理匹配,使玻璃钢纤维按照设定的线型规律缠绕在芯模上形成玻璃钢
制品。
由于主轴与小车的运动通过两者间的变速箱和链条传动,而变速箱的传动
比不可随意调整,因此小车和主轴的速比不能任意调整,所以实际缠绕的线形规
律与设定的规律有一定的偏差,并且由于链条传动的柔性,也将对缠绕时纤维的
均匀性造成一定的影响。
2.液压伺服式缠绕机
随着更加复杂缠绕要求的提出,20世纪60年代中期研制出了第二代缠绕机一
液压伺服式缠绕机。
液压伺服式缠绕机采用液压伺服马达作为动力源,主轴和小
车的速比调节比机械式缠绕机方便得多,并且系统具有力矩大而恒定的优点,但
整套复杂昂贵,系统存在渗油风险,影响生产环境,并且改变纤维缠绕制品规格
时前期准备工作量仍很大。
3.计算机控制式缠绕机
20世纪70年代,美国率先开发出了以微处理器为控制核心的第三代缠绕机
一计算机控制式缠绕机。
计算机控制式缠绕机的特点是每个自由度都有单独的动
力源,各个动力源由存放在存储器里的控制程序通过执行机构来控制,改变控制
程序即可改变控制逻辑。
由于主轴和小车由各自连接的电动机驱动,因此两者之
间的速比可由计算机控制程序控制各个电机的转速从而任意调节,这样可满足任
意线型规律的缠绕[7],并且缠绕的精度非常高。
在改变纤维缠绕制品规格时,缠
绕机的硬件不需作调整,只需即时调出相应程序或更改相应参数就可马上进行另
一种规格制品的缠绕,这样大大提高了缠绕机的灵活性和适应性,缠绕效率也大
幅提高。
计算机控制式缠绕机具有定位精度高、速度快、操作调整方便、组装灵活、
生产效率高的特点;自动运行中在暂停后再次启动工作时纤维搭接非常自然连
贯,这样不但扩充了计算机的功能,而且向用户提供了一个使用方便、有效和安全可靠的工作环境。
1.2.2玻璃钢缠绕机的国内发展概况
我国的缠绕技术与国际先进水平差距较大。
自从1958年第一个FRP样品生产出来以后,我国的FRP工业开始了迅速发,纤维缠绕玻璃钢及复合材料的研究工作始于1962年,稍后就出现了我国第一代的机械式缠绕机,绕出了直径为1.6米的容器。
1975-1978年研制出了电子液压数控大型缠绕机及连续纤维缠绕机。
1975年开始利用国产碳纤维进行缠绕工艺方面的研究工作。
哈尔滨玻璃钢研究所是国内最早开发研究复合材料缠绕技术的单位,已能设计和生产计算机控制的三轴缠绕机,我国现有的缠绕系统一般是机械式的,机械式缠绕系统在生产不同规格的制品时须频繁改变传动机械,生产效率低,操作极不方便。
而且,由于机械调速的限制,缠绕系统的速比不能连续可调,影响了产品的工艺过程。
1983年至1985年,在计算机控制纤维缠绕机的研制被航天工业总公司列为重点攻关项目的背景下,哈尔滨工业大学试制成功一台试验用原理性样机,并于1986年商品化。
所研制的这些缠绕机都采用主轴恒转速产生基准脉冲,然后分频来控制其它各轴的运动控制方案,其技术特点是主轴采用非位置控制,使用测地线模型来计算纤维轨迹。
1989年至1993年,哈尔滨工业大学又为航天工业总公司研制成功了新一代国产高性能微机数控纤维缠绕机JKCR120/800B,实现了4轴联动控制,零度和各轴自主变速缠绕,控制系统具有了自动加减速和暂停等新功能。
当前,我国玻璃纤维缠绕技术研究和应用已初具规模,某些方面已接近或
达到世界先进水平,基本形成比较完整的工业体系,但从总体上来看,在自主
开发方面与发达工业国家仍有较大差距。
从缠绕技术角度来看,产品以轴对称
部件居多,属成熟的低档产品,而在高端产品上如中高压缠绕弯管和T形三通
管等很多工艺技术和许多新产品领域几乎是无人涉足、长期空白。
1.3本课题的研究内容
本课题完成的是玻璃钢管道缠绕机控制系统的设计,主要内容如下:
1.缠绕工艺和规律,不同的缠绕线型,其规律也有所差别,对控制系统的
要求也不同。
因此,需要先对线型规律以及缠绕工艺进行设计。
2.缠绕机微机控制系统的分析和设计,微机控制系统采用工业控制计算机
和PMAC运动控制器组成上、下位机分布式控制结构,该控制系统可以根据
用户预先设定的工艺参数和缠绕线型参数完成玻璃钢管整个生产过程的缠绕排
布的自动化控制。
3.缠绕机控制系统软件设计,根据玻璃钢管道生产工艺特点,该控制系统
的系统应用软件设计主要分为工艺参数自动处理、线型计算机辅助设计、主从
轴运动控制、故障自动诊断、文档管理和人机界面模块等部分。
第2章玻璃钢缠绕工艺及设备
水处理产品保护外壳的制备采用纤维缠绕成型工艺,缠绕机是制备水处理产
品保护外壳最重要的设备,它的性能优劣关系到纤维缠绕成型的效果,进而影响
水处理产品的质量。
2.1水处理产品保护外壳缠绕工艺流程及要求
纤维缠绕是制作水处理产品保护外壳的成型工艺,它是将玻璃钢增强材料
(即玻璃纤维)通过浸胶装置浸上一定量的树脂基体,然后将这种充分浸胶后的
玻璃纤维按照事先设定的缠绕线形规律规则地缠绕在旋转着的芯模上,当缠绕的
玻璃纤维层数(要求的厚度)达到设计要求时停止缠绕,接着将芯模上富余的胶水
刮掉,然后再在室温下使环氧树脂固化,固化成型后即可获得水处理产品保护外
壳成品。
完成这种缠绕过程的设备称为水处理产品保护外壳玻璃钢缠绕机,其工
艺流程如图2.1所示。
图2.1水处理产品保护外壳缠绕工艺流程图
为保证水处理产品保护外壳外表面光滑并且具有均匀一致的抗压能力,缠绕
过程中和缠绕完成之后,纤维必须既不重叠又不离缝的均匀缠满芯模表面。
固化
成型后的水处理产品保护外壳必须具有足够的强度,以保证其在_SMPa的水压环
境下连续工作时不发生变形或裂开。
由于制品的抗压强度与缠绕角度、缠绕层数
等工艺参数密切相关,为满足不同规格的产品工艺参数,因此要求工艺参数可根
据实际需要任意修改。
2.2玻璃钢纤维缠绕工艺
2.2.1玻璃钢的成型工艺及选择
随着树脂基复合材料工业迅速发展和日臻完善,玻璃钢新的高效成型方法不
断出现,目前在生产中采用的成型制作技术有几十种「‘],但在实际生产中应用最
广泛的成型工艺是手糊成型、袋压成型、喷射成型、模压成型、缠绕成型和连续
成型等几种,这几种成型工艺的技术经济指标如表2.1所示:
对上表中的数据分析可知,缠绕成型方法综合性能优越,是制作玻璃钢制品
的一种非常实用的方法,所以尽管复合材料制备技术经过长期发展但缠绕成型工
艺依然还是其最重要的生产工艺技术之一「’3]。
采用纤维缠绕成型工艺制造的玻璃钢制品除具有一般玻璃钢纤维制品的优
点外,还具有以下更突出的特点「’“一’5]:
1.比强度高
缠绕成型可使增强材料纤维含量高达80070,并且缠绕过程中可以控制纤维
的方向和数量,使产品实现等强度结构,同时也避免了布纹经纬交织点与短切纤
维末端的应力集中,因此制品的强度非常高,其比强度3倍于钦,4倍于钢。
2.可靠性高
近年来对材料的研究发现,材料固有的韧性或缺口对材料的可靠性有极大的
影响。
一般而言,材料的表面缺陷是影响其强度的重要因素,表面积越大,缺陷
率越高。
缠绕纤维直径很细小,降低了微裂纹存在几率。
应用最广的连续玻璃纤
维,是从高温溶融状态拉出的细丝(直径仅为7um}17um,减少了不均性,也
减少了微裂纹产生的机会。
同时合股纤维束可阻遏裂纹的扩展,选择合适的缠绕
工艺可增强纤维的机械强度[f161。
此外,缠绕纤维的韧性非常好。
由于缠绕纤维
具备上述优点,因此采用缠绕工艺制备的玻璃钢制品的可靠性非常高。
3.生产效率高
由于缠绕设备具有操作简单方便、高速、自动化程度高的特点,因此可实现
自动化连续生产,便于规模化大批量生产。
4.生产成本低
所用材料大多是
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