西門子數(shù)控系統(tǒng)在數(shù)控纏繞機(jī)中的應(yīng)用
2024-4-17 來源：天水星火機(jī)床有限責(zé)任公司 作者：孟子為
【摘要】本文主要介紹了西門子數(shù)控系統(tǒng)在數(shù)控纏繞機(jī)中的應(yīng)用。隨著新技術(shù)新材料的發(fā)展，纏繞技術(shù)在軍工航天領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，本文介紹的OEM開發(fā)界面，目的在于提高工作效率及工作精度，降低操作者的操作失誤，提高纏繞機(jī)自動化水平。
隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，新材料、新技術(shù)的不斷推進(jìn)，纏繞技術(shù)在航空航天領(lǐng)域發(fā)展很快。數(shù)控纏繞機(jī)床是筒形、球形、錐形、異形和異形截面制件的專用設(shè)備，是目前使用玻璃纖維、碳纖維等多種纖維進(jìn)行螺旋、環(huán)形、組合線型的濕法或干法纏繞的設(shè)備，自動化程度高。這就要求我們的控制技術(shù)也要迅速提升，在數(shù)控纏繞機(jī)中選用西門子840Dsl系統(tǒng)，進(jìn)行二次開發(fā)，提高數(shù)控纏繞機(jī)的自動化水平，提高控制精度，提高工作效率。
1.數(shù)控纏繞機(jī)概述
纏繞成型工藝是將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維（或布帶、預(yù)浸紗）按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后經(jīng)固化、脫模，獲得制品。根據(jù)纖維纏繞成型時樹脂基體的物理化學(xué)狀態(tài)不同，分為干法纏繞、濕法纏繞和半干法纏繞三種。
纖維纏繞成型的優(yōu)點(diǎn) ：
（1）能夠按產(chǎn)品的受力狀況設(shè)計(jì)纏繞規(guī)律，能充分發(fā)揮纖維的強(qiáng)度。
（2）重量輕：一般來講，纖維纏繞壓力容器與同體積、同壓力的鋼質(zhì)容器相比，重量可減輕40%～60%。
（3）可靠性高：纖維纏繞制品易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化生產(chǎn)，工藝條件確定后，纏出來的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，精確。
（4）生產(chǎn)效率高：采用機(jī)械化或自動化生產(chǎn)，需要操作工人少，纏繞速度快（240m/min），故勞動生產(chǎn)率高。
（5）成本低：在同一產(chǎn)品上，可合理配選若干種材料（包括樹脂、纖維和內(nèi)襯），使其再復(fù)合，達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效果。
2.數(shù)控纏繞機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖及簡介
數(shù)控纏繞機(jī)床為單工位四軸聯(lián)動纏繞機(jī)，主要由控制系統(tǒng)、主機(jī)、小車和紗架、纏繞軟件組成，小車和紗架可在導(dǎo)軌上縱向移動。4個聯(lián)動軸：主軸旋轉(zhuǎn)軸（C），小車和紗架移動軸（X），伸臂移動軸（Z），繞絲嘴回轉(zhuǎn)軸（A）。主軸（C）使芯模做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，小車和紗架移動軸（X）使絲嘴沿芯模軸向做往復(fù)運(yùn)動，伸臂移動軸（Z）使絲嘴沿芯模做徑向運(yùn)動，繞絲嘴回轉(zhuǎn)軸（A）使絲嘴繞伸臂軸轉(zhuǎn)動。其中X和Z軸為直線軸，C和A軸為旋轉(zhuǎn)軸。
紗架平臺為承載紗架和初張力裝置的焊接部件，同時作為運(yùn)動軸，與纏繞平臺同步運(yùn)動。紗架系統(tǒng)內(nèi)總共可安裝10個標(biāo)準(zhǔn)紗團(tuán)：紗團(tuán)內(nèi)徑φ76mm、最大外徑φ200mm、紗團(tuán)長度280mm，單個紗團(tuán)最大重量10kg。每團(tuán)紗配備一個閉環(huán)氣電控制張力器，張力能自動檢測調(diào)節(jié)，同時能夠顯示每團(tuán)紗的設(shè)定值及實(shí)時張力值，并能對紗團(tuán)直徑及出紗速度變化引起的張力波動進(jìn)行補(bǔ)償，同時對由小車換向等引起的張力波動，由自動收紗裝置進(jìn)行補(bǔ)償。
張力控制系統(tǒng)采用兩級張力控制：第一級采用氣電結(jié)合的電子伺服式張力控制系統(tǒng)；第二級張力控制對出紗處浸完膠后的紗帶，通過歐米伽輪實(shí)現(xiàn)第二級張力控制，采用張力傳感器的輸入作為反饋，采用磁粉制動器組成的歐米伽輪作為施力部件，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。
3.數(shù)控纏繞機(jī)特點(diǎn)功能
數(shù)控系統(tǒng)選用西門子840Dsl系統(tǒng)，強(qiáng)大靈活的系統(tǒng)功能，發(fā)揮了其獨(dú)特的優(yōu)勢。大扭矩1FT6伺服電機(jī)最大靜態(tài)扭矩可達(dá)175N·m；大功率1PH7伺服電機(jī)可提供高于100kW的功率；多軸控制，840Dsl可實(shí)現(xiàn)多到31個軸的控制；多軸聯(lián)動加工功能；強(qiáng)大的PLC功能，集成了S7－300的復(fù)雜功能，控制點(diǎn)多，功能強(qiáng)大的模擬量輸入輸出功能，可以很方便地實(shí)現(xiàn)動態(tài)監(jiān)控及組態(tài)控制；采用Profinet網(wǎng)絡(luò)功能，既減少硬件接線、又使結(jié)構(gòu)簡單清晰化、減少了故障點(diǎn)。靈活的HMI界面擴(kuò)展功能，可編寫特殊的顯示畫面及工藝畫面；人機(jī)對話，監(jiān)控、保護(hù)等功能易于實(shí)現(xiàn)。張力控制模擬信號4~20mA輸出到PLC，溫度測量采用鉑銠熱電偶測量（-10℃~ +80℃）, 帶信號放大器，模擬信號4~20mA輸出到PLC，紗線速度和纖維長度測量采用旋轉(zhuǎn)編
碼器測量，編碼器1800脈沖/轉(zhuǎn)，測速輪周長180mm，5V TTL信號(差動輸出)，二路張力測量采用稱重傳感器測量（0~800N）, 帶信號放大器，模擬信號4~20mA輸出到PLC，模擬量輸入輸出信號，通過軟件處理可以很方便在OEM界面上顯示和設(shè)置，大大提升了纏繞機(jī)的自動化水
平。
二次開發(fā)專用界面包括實(shí)時纏繞數(shù)據(jù)界面、工藝參數(shù)界面、芯模參數(shù)界面、張力調(diào)整表界面、帶寬調(diào)整表界面、線型調(diào)整表界面、CAQ系統(tǒng)界面等。
4.纏繞機(jī)實(shí)時纏繞數(shù)據(jù)專用界面介紹
在實(shí)時纏繞數(shù)據(jù)區(qū)，可以顯示膠槽溫度、紗線瞬時速度、紗線最大速度、紗線平均速度、纖維長度、張力設(shè)定值、張力左工位實(shí)測值、張力右工位實(shí)測值、張力最大值、張力平均值。其中膠槽溫度、紗線瞬時速度、張力左工位實(shí)測值、張力右工位實(shí)測值是一直測量的，紗線最大速度、紗線平均速度、纖維長度、張力最大值、張力平均值，是纏繞程序執(zhí)行后開始測量的。張力設(shè)定值是指執(zhí)行纏繞程序時根據(jù)張力調(diào)整表得到的當(dāng)前層的設(shè)定值。
5.纏繞機(jī)工藝參數(shù)設(shè)置專用界面介紹
在工藝參數(shù)區(qū)，可以顯示線型顯示、層數(shù)顯示、帶寬顯示、單件纏繞時間、工件數(shù)、累計(jì)運(yùn)行時間、每一層的循環(huán)次數(shù)、總的循環(huán)次數(shù)。層數(shù)顯示是指當(dāng)前纏繞到哪一層；線型顯示和帶寬顯示，是根據(jù)當(dāng)前纏繞到的層數(shù)對應(yīng)的線型和帶寬；單件纏繞時間是指單個纏繞程序執(zhí)行的時間；工件數(shù)是指執(zhí)行過的纏繞程序個數(shù)之和，也就是總的工件數(shù)；累計(jì)運(yùn)行時間是指執(zhí)行過的纏繞程序的運(yùn)行時間之和；每一層的循環(huán)次數(shù)是指當(dāng)前層的纏繞子程序所循環(huán)的次數(shù)；總的循環(huán)次數(shù)是指當(dāng)前層的纏繞子程序所循環(huán)的次數(shù)與之前每層的纏繞子程序所循環(huán)的次數(shù)之和；工件數(shù)和累計(jì)運(yùn)行時間在機(jī)床斷電和NC復(fù)位后會保持住。若需要將工件數(shù)和累計(jì)運(yùn)行時間清零，點(diǎn)擊下面的“清零”軟鍵即可。
該軟件適用于纏繞罐體（等開口及不等開口）、管道、球體、錐體、組合體等回轉(zhuǎn)體及方形制品，纏繞線型適應(yīng)停留纏繞、環(huán)向纏繞、螺旋纏繞、平面纏繞及組合纏繞，測地線和非測地線纏繞，并具有不同線型間自動過渡功能。具備線型仿真功能。能夠計(jì)算出纏繞時間、纖維用量等纏繞數(shù)據(jù)。對于纏繞過程數(shù)據(jù)可保存到數(shù)據(jù)庫中，便于導(dǎo)出到系統(tǒng)外，用于事后數(shù)據(jù)分析。纏繞線型具有后處理功能，處理后生成的纏繞程序格式與西門子控制系統(tǒng)兼容。
6.結(jié)語
纏繞機(jī)選用了西門子840Dsl系統(tǒng)，利用840Dsl的強(qiáng)大功能，在840Dsl系統(tǒng)OEM開發(fā)平臺上二次開發(fā)界面，操作者無須編程，只需設(shè)置相關(guān)的工藝參數(shù)，界面直觀適用，操作簡捷方便，故障排除簡單明了，極大地提高了加工效率；工藝參數(shù)，包括芯模參數(shù)、張力調(diào)整表、帶寬調(diào)整表、線型調(diào)整表，為了方便使用，每一套參數(shù)可以保存成文件，同時也可以對保存過的文件進(jìn)行相應(yīng)管理，為后續(xù)質(zhì)量分析，設(shè)備利用率，提供大數(shù)據(jù)，是集新工藝、新材料制造技術(shù)、自動化控制技術(shù)、傳感技術(shù)、伺服驅(qū)動等技術(shù)為一體的自動化設(shè)備，值得推廣應(yīng)用。
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