多層柔膜錐囊成型設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計

(武漢紡織大學(xué) 湖北 武漢 430200)

一、研究背景

隨著航空航天、汽車以及軍工等領(lǐng)域不斷地發(fā)展，三維空間形狀的異型結(jié)構(gòu)件的使用越來越廣泛，因此需要有設(shè)備來高速制備大型構(gòu)件的預(yù)成型件[1-2]。目前，歐美等發(fā)達(dá)國家對縫合織物增強(qiáng)復(fù)合材料的研究主要集中在先進(jìn)縫合機(jī)械、固化成型方法、制品性能及測試方法等幾個方面，在縫合復(fù)合材料力學(xué)性能理論分析和試驗(yàn)方法等方面取得了許多重大成果，積累了大量的性能數(shù)據(jù)，并已應(yīng)用到了飛機(jī)制造中。而我國在這方面的研究工作起步相對較晚，主要集中在縫合工藝參數(shù)與縫合復(fù)合材料性能的關(guān)系方面，在縫制設(shè)備上也有一些研究[3]。

多層柔膜錐囊一體化成型設(shè)備是為滿足多層柔膜錐囊的自動生產(chǎn)需要而專門研制的。由于縫合材料是多層柔性材料，在小空間且異形的椎體上縫制，提出一種設(shè)計方案。該設(shè)備由錐形工裝及傳動部件、工業(yè)機(jī)械臂及平移導(dǎo)軌、激光切割模塊、熱熔壓合模塊、母線縫制模塊、底邊縫制模塊、控制系統(tǒng)及軟件等部分組成。為保證縫合質(zhì)量，選擇鎖式縫合，該縫合方式的縫合線彎曲長度相對較少，有利于提高縫合的流暢程度以及各層間強(qiáng)度；同時，此縫合方式對面內(nèi)纖維的損傷少，由縫合引起的應(yīng)力集中也較小，使縫合材料具有相對更高的損傷容限。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)備組成效果圖如下圖1所示：

圖1 設(shè)備組成效果圖

其中1.錐形工裝及傳動 2.電動卡盤 3.機(jī)械臂 4.機(jī)械臂平移導(dǎo)軌 5.縫合裝置 6.輔助結(jié)構(gòu) 7.配電柜8.平板PC。

根據(jù)柔膜錐囊生產(chǎn)需求，將縫合裝置安裝在工業(yè)機(jī)器人的末端法蘭上，在柔膜錐囊生產(chǎn)工藝中，對錐囊的母線進(jìn)行縫合。該工業(yè)機(jī)器人的定位精度為0.05mm，滿足錐囊母線縫合及縫合裝置對定位精度的要求。

三、柔膜錐囊一體化控制系統(tǒng)的設(shè)計

(一)柔膜錐囊一體化控制統(tǒng)設(shè)計方案

整個設(shè)備所有運(yùn)動單元采用Ethercat總線連接，實(shí)現(xiàn)全體聯(lián)動，并且能夠方便地進(jìn)行功能調(diào)整和擴(kuò)充。為滿足工業(yè)機(jī)器人對實(shí)時性，穩(wěn)定性，安全性的要求。本系統(tǒng)選用德國Beckhoff公司的Twincat2。Twincat 是一個一個自動控制軟件包含工程和運(yùn)行時間軟件針對于實(shí)時核、I/O數(shù)據(jù)采集、順序控制(軟PLC)、運(yùn)動控制(軟移動控制)、通迅(ADS)。在TwinCAT 系統(tǒng)中，各個軟件模塊(如TwinCAT PLC、TwinCAT NC、Windows 應(yīng)用程序等)的工作模式類似于硬件設(shè)備，它們能夠獨(dú)立工作。Twincat控制支持一臺PC上最多4個PLC，一個PLC最多4個任務(wù)，支持在線程序修改，擁有全面的調(diào)試特性，如斷點(diǎn)、監(jiān)測、功率流、示波器。該系統(tǒng)是PC 通過現(xiàn)場總線與驅(qū)動器和總線式IO模塊連接，從而實(shí)現(xiàn)PC對機(jī)器人本體，執(zhí)行器以及錐形工裝的控制[4]。

(二)柔膜錐囊一體化控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

該柔膜錐囊一體化控制系統(tǒng)系統(tǒng)硬件主要由工業(yè)平板PC、總線式一體伺服電機(jī)驅(qū)動器(機(jī)械臂)、總線式簡易伺服驅(qū)動器，總線式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器以及總線式IO模塊等組成。通過網(wǎng)線依次將各個總線模塊串聯(lián)起來然后接入PC的Ethercat Twincat網(wǎng)口，并在工業(yè)PC與機(jī)器人之間建立信號通訊。

在進(jìn)行柔膜錐囊的生產(chǎn)過程中，機(jī)器人末端的縫合裝置執(zhí)行對母線的縫合這一步驟。縫合裝置的運(yùn)動控制由工業(yè)PC進(jìn)行控制，在機(jī)器人運(yùn)動至縫合點(diǎn)時，給工業(yè)PC發(fā)送到達(dá)縫合位置的信號，縫合裝置開始對當(dāng)前縫合點(diǎn)進(jìn)行縫制，待縫合動作結(jié)束，工業(yè)PC向工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)送運(yùn)動至下一針的指令。

在判斷整條母線是否縫合完成時，需滿足兩個條件，第一是機(jī)器人運(yùn)動至縫合最后一點(diǎn)，向工業(yè)PC發(fā)送縫合結(jié)束信號，第二是在工業(yè)PC端程序中有計數(shù)程序，該計數(shù)可以跟根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改，一般為固定值。在同時滿足這兩個條件的基礎(chǔ)上，可以控制系統(tǒng)可以自行判斷是否正確縫合完成。

(三)柔膜錐囊一體化控制統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)柔膜錐囊一體化機(jī)構(gòu)的工作步驟及程序控制流程圖的邏輯，使用ST語言進(jìn)行程序編寫程序。TwinCAT PLC Control 使用的是計算空間內(nèi)處理運(yùn)行，提供所有的聯(lián)機(jī)功能。因此不需要 PLC 硬件，就可以測試程序的邏輯正確性。

Twincat 可視化編輯器是編程系統(tǒng)的一部分，提供的圖形元素可以按照需要進(jìn)行布局，并且可以與項(xiàng)目變量進(jìn)行連接。因此在聯(lián)機(jī)模式下這些圖形元素的外觀將隨對應(yīng)的變量值變化。圖形交互界面能方便完成各部分的參數(shù)設(shè)置、工作模塊的轉(zhuǎn)換、動作的自動監(jiān)控等功能。

四、結(jié)語

本文設(shè)計的一體化成型設(shè)備能夠在各個機(jī)構(gòu)相互配合下完成自動完成柔膜錐囊預(yù)制體的生產(chǎn)，能方便的通過交互界面設(shè)置調(diào)整參數(shù)，監(jiān)控出現(xiàn)的異常狀態(tài)。結(jié)果表明，縫合密度(母線針距)以及縫合線的直徑都會對最終的縫合效果產(chǎn)生影響。在試驗(yàn)中取得良好的測試結(jié)果，滿足對柔膜錐囊的生產(chǎn)工作的需求