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1、基于FANUC数控系统布带缠绕机控制系统设计解析摘 要由于现代航空航天事业的快速发展，人类对飞行器的速度和推力方面有了更高的要求，因此对可以通过缠绕技术生产的零部件的要求也越来越高。为了使我国航天事业顺利进行，设计制造出新的多功能的缠绕设备迫在眉睫。本文的主要工作是对布带缠绕机的张力、压力、温度控制的方面进行研究。包括对三个控制系统所需元器件的选型和控制方案的设计以及纠偏机构的元器件选型和设计并且利用西门子PLC S7-1200控制。本文还有用FANUC数控系统对布带缠绕机进行X、Z向和主轴的进给控制，对X、Z向进给装置和主轴所需元器件进行计算选型。并且本文还要进行PMC程序地址分配以及利用F

2、ANUC LADDER-3软件进行PMC编程。本文设计的基于FANUC数控系统的数控布带缠绕机希望可以使我国在布带缠绕设备的控制方面的研究更加完善。关键词：数控布带缠绕机；FANUC数控系统；控制系统ABSTRACT Due to the rapid development of modern aerospace industry, human aspects of the aircrafts speed and thrust have higher requirements, and therefore can be produced by winding technology compon

3、ents are increasingly high requirements. In order to smooth Chinas aerospace industry, design and manufacture of a new multi-functional winding equipment imminent. The main work is winding machine tension, study pressure, temperature control aspects. Including the design of the three components of t

4、he control system required for the selection and control scheme and corrective component selection and design institutions and the use of Siemens PLC S7-1200 control. In this paper, as well as with FANUC CNC systems Winding machine X, Z direction and spindle feed control, X, Z direction and spindle

5、feed device components required to calculate selection. In this paper, and also for PMC program address allocation and the use of FANUC LADDER-3 software PMC programming. This design is based on FANUC CNC system CNC winding machine can hope to control aspects of research equipment in the tape wound

6、more perfect.Keywords：Digital Control Tape Winding machine，FANUC CNC system，Control system摘 要 1ABSTRACT 2目 录 3引 言 1第一章 张力控制系统设计 31.1 张力控制系统的作用及要求 31.2 数控布带缠绕机系统组成 31.3 张力系统设计 31.3.1 布带缠绕成型工艺选用 41.3.2 平叠缠绕 41.3.3张力控制系统机械设计 41.4 张力系统组成 51.4.1 张力传感器 51.4.2 张力控制器 51.4.3 工业控制计算机 51.4.4 磁粉制动器 61.5 控制方案设计与

7、分析 61.6 纠偏机构设计 71.7 小结 8第二章 温度控制系统设计 92.1温度控制的作用及方案 92.2温度传感器的选择 92.3 温度控制仪 102.4 小结 11第三章 压力控制系统设计 123.1压力控制的作用 123.2缠绕压力方案确定 123.3压力控制回路的元件选择 133.3.1气缸 133.3.2电磁换向阀 133.3.3压力传感器 133.3.4比例压力阀 143.4 小结 14第四章 FANUC数控系统设计 154.1 数控系统硬件及电气连接 15 4.1.1 FANUC数控系统介绍 154.1.1.1 FANUC数控系统简介 154.1.1.2 FANUC数控系统

8、硬件及电气控制连接 154.2 FANUC 0i-D数控系统参数设定 164.3 数控系统元件选型 184.3.1 与伺服关联的元件 184.3.1.1 伺服电动机的与放大器的选用 184.3.1.2 主轴电机的选用及其与放大器的匹配 21第五章 数控系统PMC编程 225.1 PMC介绍 225.2 PMC 程序DI/DO接口信号定义及地址分配 225.3 PMC程序梯形图 235.4 FANUC LADDER-3软件介绍 23结 论 24参考文献 25附录 27附录 28附录 29附录 30附录 34引 言复合材料的出现对于人类科学技术的前进起到了积极的推动作用。复合材料是由一种以上不同特

9、性的材料合成的一种新型材料，它拥有单一材料所没有的优良特性，所以它在航空航天方面具有非常大的发展潜质。复合材料的生产需要通过缠绕机，所以研制可以生产满足生产要求的复合材料的数控布带缠绕机是社会发展的需要。人类历史上首台机械控制式缠绕机于1947年在美国研制成功。机械控制式缠绕机在我国仍是主要使用设备。之后的奖将近20年，由德、美共同研制的程序控制缠绕机问世，标志着第二代缠绕机出现。小型通用计算机数字控制式缠绕机为第三代机型，于 70年代初问世。它由事先存放的系统程序来完成。计算机控制的缠绕机通过程序的使用使它更为灵活。之后出现的微机控制缠绕机为第四代产品。它由当时较为便宜的微处理器及微型计算机

10、数控机床与缠绕机结合。很快，德国得拜尔公司和美国安的得逊公司分别向用户推广了此类型的设备。设备性能方面得到完全改善，缠绕设备的功能更为强大更为灵活，它的适应程度也大大提高。微机控制缠绕机可以进行多轴缠绕，可靠性提高，操作相对之前更加容易。国外生产MCFW的知名公司有:美国麦克林安得逊集团，英国科拉斯集团，德国约瑟夫拜尔集团等1。缠绕机有多种分类方式。按照小车运动方式有卧式和立式两种形式，前者又可以分为门式和车床式。按照缠绕的运动控制方式的差异又有机械、程序和微机控制三种形式。按制品实用性又可分为多功能和专用两类。虽然现有的布带缠绕机较之前有了很大进步，但依然不能满足社会需求，将来数控布带缠绕机

11、会向着以下方向发展2:1) 缠绕机的张力系统具有更高的性能:张力控制系统是缠绕机的核心。 2) 缠绕机具有更高的生产效率:采用生产效率更高的技术。3) 缠绕机的工艺更加复合化:将其他学科工艺引入缠绕设备，提高缠绕制品各方面性能。 4) 缠绕机控制的各系统集散水平高:使布带缠绕机的各个系统独立性更高。独立系统使产品更为可靠。本文的主要研究内容是围绕布带缠绕机的三个主要组成因素一张力、温度、压力控制进行了设计。主要包括以下几个方面: 1) 根据已有检验，结合与本文相关内容进行张力系统进行的初步设计。 2) 本文将对压力控制环节采用闭环控制，用来提高压力环节的精度，使用户可以更轻易的获得反馈出的实际

12、压力值。3) 本文将对温度控制系统采用闭环控制，用来提高温度控制系统的精度，使用户可以更轻易的获得反馈出的实际温度值。4） 对FANUC 0i-D数控系统进行学习，掌握其原理，对所需元器件进行计算和选型。5） 对PMC程序进行参数的设定和使用LADDER-3软件进行编程。第一章 张力控制系统设计1.1 张力控制系统的作用及要求张力控制对于布带缠绕机是重点内容。张力控制对于缠绕制品最后的质量又较大影响。张力的大或小都会对缠绕制品产生不同程度的影响。张力过大影响缠绕制品强度。张力过大还会降低布带中的含胶量，过小会导致缠绕制品变形。缠绕张力还会对布带的孔隙数量产生影响。缠绕张力不均匀还会导致布带的断

13、裂。因此适当的张力对缠绕制品尤为关键。张力缠绕方式分为平叠缠绕和斜叠缠绕。前者一般都采用布带变形很小并且通过直线进行裁剪的平纹布带。平纹布带受力均匀并且有更强的承载的能力，平纹布带对张力系统的精度没有其他部件的精度高3。1.2 数控布带缠绕机系统组成 布带缠绕设备的张力控制是由开卷部分、测量装置和张力的控制组成，张力由执行元件产生11，原理如图1-l。图1-1张力系统原理图1.3 张力系统设计1.3.1 布带缠绕成型工艺选用本课题采用干法缠绕，因为干法缠绕的运用较为广泛。干法缠绕对制品的性能有着精确的控制。干法缠绕具有高效生产，缠绕快，易清洗，产品质量高等优点。1.3.2 平叠缠绕 缠绕时按布

14、层位置又可以分成平行缠绕形式、平叠缠绕形式和斜叠缠绕形式（图1-2）。图1-2锥形布带缠绕的几种形式 本文选用了平叠缠绕。平叠缠绕使布带增宽，即增加了每层布带的重叠缠绕，缠绕从锥形的模胎的端顶绕向模胎的端底。 1.3.3张力控制系统机械设计 张力系统的机械设计如图1-3所示。该机械设计构造较为简单，易于安装，精度高、抗干扰性强。图1-3 机械结构1.4 张力系统组成张力的控制部分主要张力传感器、控制器、测力装置、执行元件和工控机构成。1.4.1 张力传感器根据对张力系统的测量精度高、响应速度快等要求本文采用SUP系列张力传感器。它还有价格低等特点。1.4.2 张力控制器 本课题采取与传感器相适

15、用的TC950张力控制器。TC950张力控制器一般应用于执行机构为磁粉制动器的张力系统中，TC950张力控制器测量精度高，采用无超调功算法，性价比高。图1-4 TC950引脚图1.4.3 工业控制计算机 工业控制计算机是工业生产过程中的重要结构，它对系统的各部分结构进行控制。本文选用西门子作为工控机。西门子具有组态功能。1.4.4 磁粉制动器磁粉制动器性能优越，而且与张力控制器可以配套使用，所以本文选择了磁粉制动器作为执行装置。通过计算实际滑差功率 （1-1）F-张力 NV-线速度 m/s磁粉制动器可以选用苏州德斯特自动化设备厂生产的型磁粉制动器。型磁粉制动器参数见下表。表1 CZ-10型机座

16、式磁粉制动器1.5 控制方案设计与分析 张力控制采用闭环控制系统（如图1-4）。张力环节通过PLC S7-1200控制施力机构产生张力。系统首先进行预张力控制，预张力控制系统首先对设备进行预张力调节。预张力控制可以更好的提高系统精度。操作人员在工控机（PLC S7-1200）上输入缠绕制品所需的张力值，PLC S7-1200的输入信号通过与TC950张力控制仪连接的RS485通讯端进入TC950张力控制仪，张力控制仪对磁粉制动器发出指令，并由磁粉制动器产生张力，磁粉制动器产生的张力施加在布带上。但是实际张力与设定值存在一定偏差，实际张力通过传感器进行检测，并且张力传感器会将检测到的实际值反馈到

17、张力控制仪，控制仪会通过实际测量值与设定值对比，并且对实际测量值开始PID调节。张力控制仪的数据通过RS485通讯端与PLC S7-1200上的LCD显示，可以使操作人员更加清楚地观察并控制缠绕机的工作。之后系统进行张力控制。张力和预张力控制过程相同。图1-4 张力控制原理框图1.6 纠偏机构设计在数控布带工作过程中要求布带快速、稳定的进行缠绕，虽然现有设备采用了许多找正方法，但是依然避免不了布带对预定路线的偏离，如果不对布带进行及时的检测和纠正，对缠绕制品会产生相当恶劣的影响，由于缠绕设备的原材料价格昂贵，由此会造成相当大的损失和代价。在缠绕设备中设置自动纠偏装置可以很好的解决此类问题。采用

18、平缠方式时，由于工作张力会让布带上的载荷均匀分布，纠偏系统只需解决张力的不稳定性和辊子偏心产生的破坏即可。纠偏系统主要有检测装置、工控机、纠偏辊、驱动设备几个结构。纠偏系统也采用闭环控制。偏差检测传感器是该装置的核心设备。纠偏控制系统的系统框图如图1-5。缠绕设备在启动前进行手动位置对准，由操作人员按下设定键，纠偏系统可记忆位置值。缠绕设备开始运动纠偏系统也开始检测和反馈实际位置值并且通过调节器随时进行位置找正。 图1-5 纠偏系统框图 设备的位置检测装置采用光纤传感器。光纤传感器灵敏性极强、体积也比较小。该纠偏系统采用步进电机作为执行机构。步进电动机解决了响应速度的问题。1.7 小结张力的控

19、制作为数控布带缠绕设备的一个重点，它是保证缠绕工艺的最主要因素中的一个。本文选择选用SUP系列传感器作为与本文相关的张力传感器，选用TC808张力控制仪对预张力和张力控制进行调节，通过西门子PLC S7-1200进行张力值的反馈和设定值的输入，通过LCD对温度设定值和实际值进行显示，大大提高了张力控制精度。第二章 温度控制系统设计2.1温度控制的作用及方案缠绕温度分为热温度和冷温度。热温度可以更有效地使布带层进行粘连。缠绕温度高会使树脂粘性降低，导致布带滑移;缠绕温度低，缠绕制品的布带粘接会受影响。加热有利于布带成形。因此，温度控制对缠绕产品性能有着极其重要的影响。为了保证温度控制的精度要求，

20、确定了以下方案（如图2-1）。由于缠绕温度的高低都会对缠绕制品的性能产生很大的影响，所以缠绕温度要求的精度很高。温度控制系统采用闭环控制。该系统由工控机控制安装在压辊上的电热丝产生装置所需要的温度。由设计任务书可知热风范围为50-300以及压辊温度范围室温到120，选用镍铬系中的Cr15Ni60电热丝。系统实际值由温度传感器检测，并将采集后的数据通过温度控制仪与设定的温度值进行比较并对电热丝温度进行相应相应调节。采集到的实际值和设定的温度值通过PLC S1200的LCD显示。图2-1 温度控制方案2.2温度传感器的选择由于数控布带缠绕机对温度的精度要求较高，所以与温度相关的元器件的选择尤为重要

21、，尤其是温度测量元件的选择，它是温度反馈调节过程的重要一环。合适的温度传感器不仅要灵敏，也要考虑其他因素，比如良好的物理化学稳定性、价格因素，是否安装方便等因素。通过对表2中常用的温度检测元件的对比，选定热电偶作为设备的温度传感器。表2 常用的温度测量元件2.3 温度控制仪为了使该温度系统的精度达到更高的要求和更加稳定，决定采用SR93温度控制仪。SR93温度控制仪性价比高，使用方便，而且它的精度达到0.3级，符合本文对温度控制仪的要求。图2-1 SR93温度控制器引脚图2.4 小结温度是缠绕设备的一个主要工艺参数，缠绕产品对温度方面的控制精度具有更高的要求。本文选择选用热电偶作为温度传感器，

22、选用SR93温度控制仪进行温度控制的调节，通过西门子PLC S7-1200进行温度值的反馈和设定值的输入，通过LCD对设定值和实际值实时显示，操作人员可以更加直观的了解温度误差以便于调节温度，对于温度控制精度具有较大提高。第三章 压力控制系统设计3.1压力控制的作用 缠绕时的工作压力是指当布带在模胎上进行缠绕工作时，沿着膜胎径向施加在布带上的正向压力。压力系统的热压辊对布带层之间的碾压，可以增强浸胶布带层之间的粘连，也可以驱除布带层之间的气泡，还可以提高缠绕制品的密度和强度。压力系统还可以防止布带产生褶皱现象以及布带层之间的滑移。压力的大小与缠绕制品的质量好坏密不可分。3.2缠绕压力方案确定压

23、力控制采用闭环控制。该装置的压力由气缸产生。工控机根据用户输入的压力值对电磁阀进行调节从而控制气缸产生推力。压力系统的控制方式是缠绕机压辊上压力传感器检测的实际值反馈到压力控制仪上，压力控制仪通过与设定值对比，对实际压力进行调节。并且通过西门子PLC S7-1200采集当前温压力值和写入用户设定值，以及在LCD上显示当前值和设定值。气动控制相对于其他传动与控制方式来说具有能源供应方式简单、气体便于输送、体积小、成本低、执行部件反应速度快等优点，所以本文采用气动控制。选择的气动控制回路如图所示。图3-1 气动控制回路3.3压力控制回路的元件选择在气动伺服控制系统中，气动元件起着提高压力控制的稳定

24、性和提高压力控制系统可靠性的作用。3.3.1气缸气缸是气动伺服系统的执行元件。在闭环控制中，执行元件对压力系统具有很大影响，FESTO公司生产的供气压力较小的DNC-125-125-P-Sn低摩擦气缸可以加快响应速度，还可降低系统压力。3.3.2电磁换向阀 电磁控制换向阀的作用是控制气流进出或改变气体的流动方向。本课题选用FESTO的MFH-5/3G-3/8-S-B先导式电磁换向阀。液体压力范围上限较高，可任意安装。3.3.3压力传感器本课题采用AL808压力传感器。压力传感器与西门子PCL S7-1200的RS485通讯接口相连接，用于反馈气缸的压力。图3-2 AL808压力传感器引脚图3.

25、3.4比例压力阀比例阀对流量的节流进行的控制通过电控的方式工作。本课题选用FESTO生产的MPPES-3-1/4-6-010比例阀。选用的比例阀响应快，可实现集成控制。3.4 小结缠绕技术对压力系统的可靠度和精度的要求较高。本文选择比例阀作为压力控制的执行机构。采用AL808压力传感器进行压力的控制，通过西门子PLC S7-1200进行压力反馈，很大程度的提高了压力系统的精度。第四章 FANUC数控系统设计4.1 数控系统硬件及电气连接4.1.1 FANUC数控系统介绍4.1.1.1 FANUC数控系统简介FANUC数控系统由FANUC株式会社最早推出的电液步进电动机，通过技术的不断改进和创新

26、，陆续推出了满足各种需求的数控系统。FANUC先后推出了FS5/FS7系列、FS6系列、FS10/FS11/FS12系列、FS20系列、FS0i-A/B系列到今天的FS0i-D系列典型产品，最初的以硬件为主的开环系统到现在以CNC为基础的多轴控制系统，FANUC开创了现代数控加工的新局面18。FANUC 0i-D系列数控系统是FANUC公司在2008年推出的新产品。FANUC0i-D数控系统具有功能基于FS32i，可控制5轴，可以实现4轴同时联动，主轴的数量为2，使用8.4in/10.4in液晶显示，A1轮廓控制，纳米插补，基于伺服电动机的主轴控制，标准嵌入式以太网等特点。FANUC 0i-D

27、数控系统主要由显示器和MDI键盘、数控系统主板（中央处理器、轴和显示控制卡、储存器以及电源模块和各种接口）、伺服放大器及电动机、主轴放大器及电动机、I/O Link和通信模块构成。FANUC 0i-D数控系统主要对进给运动、主轴运动、显示和MDI键盘、机床操作面板和机床外围设备进行控制。4.1.1.2 FANUC数控系统硬件及电气控制连接FANUC 0i-D数控系统主要通过接口和数控系统主板、电源、主轴、伺服以及I/O模块建立联系，通过这些模块驱动数控机床部件，使数控机床可以按照要求工作。FANUC 0i-D数控系统主板上有两个散热的风扇。主板右下方是储存器的后备电池。用户编制的程序以及系统参

28、数等储存在控制单元的CMOS储存器中，系统切断电源后依然可以依靠锂电池储存数据。主板上主要包括电源端口CPI和串行主轴端口或位置编码器端口JA41.数控系统电源模块将交流电转换成为主轴放大器和伺服放大装置提供的直流电。电源模块还提供24V直流电源。FANUC 0i-D数控系统主轴放大器模块对数控车床来说，主运动是主轴带动的旋转运动，数控铣床本课题不涉及，所以省略。数控系统主轴放大器根据CNC传递指令控制并驱动电动机工作。FANUC 0i-D数控系统的伺服放大器模块是通过接收CNC输出的进给运动命令经转换和放大后到达伺服电动机实现进给运动。FANUC 0i-D数控系统数字伺服主要有和系列，它的P

29、SM、SPM、SVM安装在一起。FANUC 0i-D数控系统综合接线图见附录I。该缠绕设备的电气控制由计算机控制装置和强电控制装置组成。如图4-1所示。图4-1 数控机床控制系统的构成 结合本课题FANUC数控车床电气控制系统的连接的主电路部分主要由数控系统电源、接触器MCC、电抗器、电源模块、控制电路电源、NC电源等组成。本设备电气部分控制电路原理图在附录II给出。 缠绕设备伺服驱动部分控制原理见附录III。4.2 FANUC 0i-D数控系统参数设定 缠绕设备除了硬件连接还要进行系统参数的设定和适度调整。 与本课题相关的参数设置如表3所示。表3 参数设置参数号 参数意义0000#0=1进行

30、TV检查0000#1=1ISO代码0000#2=0米制单位0000#5=1编程时进行顺序号的自动插入0002#7=0如果参考点未建立，利用减速挡块进行参考点返回，如已经建立参考点，快速定位。0002#7=1总是利用减速挡块进行返回基点1001#0=0直线轴的最小位移为单位为米制单位1001#0=1为英制单位1002#0=0同时控制1轴1002#0=1同时控制3轴1002#3=0执行返回操作1002#3=1显示PS0304号报警1004#7=0不设定将不带小数点进行指定轴的最小的单位为最小位移的10倍1004#7=1设定为10倍1005#0=0参考点没有建立，在自动运行方式下，指定了除G28指令

31、外的移动指令系统出现报警，含义为“回零未结束”1005#0=1不报警并且进行操作1005#1=0无挡块的设定功能无效1005#1=1有效1005#3=0利用减速挡块进行参考点返回1005#3=1根据0002#7的设定选择1006#5=0正向返回参考点1006#5=1负方向1201#0=0不进行自动坐标系设定1201#0=1进行自动坐标系设定1201#2=0手动返回参考点后，局部坐标系不撤销1201#2=1取消1201#6#0显示工件坐标系偏移量界面1201#6=1不显示1401#0=0通电后参考点返回未完成时，对手动的快速移动设置为无效1401#0=1设定为有效1401#2=0不进行JOG进给速度进行手动返回参考点1401#2=1进行1401#6=0对快速运动指令，空运行无效1401#6=1有效1402#2=0将JOG倍率设定为有效1402#2=1无效1402#4=0设定手动进给或增量进给为执行每分钟进给140