一種集成式碳纖維自動鋪放裝置控制系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種集成式碳纖維自動鋪放裝置控制系統，該系統包括主控制器、硬件I/O連接板，所述主控制器與硬件I/O連接板連接，硬件I/O連接板分別與路徑控制模塊和絲束管理模塊連接，路徑控制模塊輸出端與八軸主位移控制器連接，絲束管理模塊的輸出端與八絲束碳纖維自動鋪放裝置連接。本實用新型的集成式碳纖維自動鋪放裝置控制系統，采用CNCU進行集中控制的方式有利于對各分模塊進行統一的配置和數據監控，特別適合絲束放置在鋪放裝置前端的一體化鋪絲頭，便于在任意復雜曲面鋪放過程絲束控制與運動控制。
【專利說明】
一種集成式碳纖維自動鋪放裝置控制系統
技術領域
[0001 ]本發明涉及集成式碳纖維自動鋪放裝置控制系統，屬于鋪絲領域。
【背景技術】
[0002] 作為一種不可替代的復合纖維材料制造技術的纖維鋪放技術，自動纖維鋪放機是 一種先進的制造設備，包含機械制造、復合材料、控制理論、自動化、機械傳動和信息化等多 項先進技術，采用自動鋪放方法成型的復合材料構件具有鋪層角度精確、層間壓力好、材料 利用率高、層間缺陷少、產品質量穩定性好、產品力學性能好、效率高等一系列優勢，是大型 復雜結構件的優選成型方式。自動鋪放方法能夠有效地克服手工鋪放過程中產品質量不穩 定、缺陷多、力學性能低以及人力投入大、有機溶劑對人體的傷害等缺點，國外自上世紀70 年代以來，開始研究自動鋪放技術來取代人工鋪放。美國波音公司聯合Cincinnati公司 1989年研制成功自動鋪絲系統并投入使用。美國Ingersoll公司1995年研制鋪絲機，采用 FANUC數控系統開發了系列的各種構型鋪絲機。國外的鋪絲機大都把鋪絲機主體與絲束控 制分開控制，且絲束一般都安裝于本體的紗箱上，從絲束控制到末端鋪放過程路徑較長，控 制精度不高，且只能選擇一種機型進行鋪放，不能針對不同構型特別是復雜曲面選擇不同 FMM進行鋪放。而自動鋪帶機對于結構復雜、要求鋪放角度連續變化以及鋪放寬度變化的情 況無法適用，而自動鋪絲機能夠對每一根絲束進行單獨的控制，能夠實現大型復雜變角度、 變厚度、變寬度鋪放，是近年來發展迅速的復合材料自動成型工藝。
[0003] 絲束自動鋪放裝置主要由芯模夾緊機構、鋪放傳動機構、鋪放頭構成。而鋪放路徑 以及成型的過程主要是通過計算機程序來控制的。目前國外主流的鋪絲機以Cincinnati、 F〇rest_line等為代表，主要采用工業數控系統進行多軸同步運動控制（另外也有廠家采用 運動控制卡），而絲束的夾緊、重送、剪切等控制采用單獨的PLC控制，另外國外設備絲束大 都放置在運動平臺的尾端，由專門的沙箱進行絲束的溫度、濕度控制，這種控制方式比較繁 瑣，控制系統占用空間大，設備較為笨重，同時控制系統響應較慢，在進行比較復雜如曲率 不斷變化的曲面上進行連續絲束鋪放時容易因為控制系統的精度不高、冗余性大等問題造 成絲束來不及切斷或是夾緊、重送，會導致產品生產過程中需要較多的人為干預，出現局部 角度不準確、局部絲束缺陷，甚至可能導致張力系統報警導致機器故障停機等。申請號 201510048582.5的一種用于復合材料自動鋪放的模塊化鋪絲頭及方法，僅僅增加的是運動 機構的自由度即機器人的自由度。
[0004] 而要想在一些曲率不斷變化的曲面上進行鋪放，以及纖維鋪放件內壁網格形狀的 加強筋的成型，我們需要鋪放過程絲束控制與路徑運動的高精度同步控制。
[0005] 以往專利里FMM的控制與TCM的控制往往都是物理分開的，這樣降低了兩個模塊單 獨控制的難度，對于大多數情況鋪放都能適用。但是對于比較復雜的產品或者性能比較高， 對鋪放角度、絲束鋪層均勻性、平整性以及外形精度要求高的情況下，誤差會比較大，嚴重 影響鋪絲的質量。
【發明內容】
[0006] 發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種集成式碳纖維自動 鋪放裝置控制系統，具有操作簡單、系統穩定性好、維護方便等優點。
[0007] 技術方案：為解決上述技術問題，本發明的一種集成式碳纖維自動鋪放裝置控制 系統，包括主控制器、硬件I/O連接板，所述主控制器與硬件I/O連接板連接，硬件I/O連接板 分別與路徑控制模塊和絲束管理模塊連接，路徑控制模塊輸出端與八軸主位移控制器連 接，絲束管理模塊的輸出端與八絲束碳纖維自動鋪放裝置連接。
[0008] 作為優選，所述八絲束碳纖維自動鋪放裝置包含張緊模塊、加熱模塊、冷卻模塊、 剪切模塊、夾緊模塊、重送模塊和集合模塊，所述張緊模塊包含張力測力傳感器和位移作動 器，所述張力測力傳感器包括繞線輥軸和壓電晶體測力頭，所述位移作動器包括伺服微型 直線電機和位移頭，所述位移頭與張力測力傳感器的繞線輥軸相連，位移頭與伺服微型直 線電機連接，絲束纏繞在繞線輥軸上，伺服微型直線電機與絲束管理模塊連接，當絲束張力 需要自動調整時，絲束管理模塊控制伺服微型直線電機的驅動頭移動從而位移頭帶動繞線 輥軸移動，調節絲束張力。
[0009] 作為優選，所述冷卻模塊包含冷風噴頭和氣流分配閥，所述冷風噴頭用于冷卻絲 束，冷風噴頭與氣流分配閥連接，氣流分配閥通過管道與渦流管連接，渦流管通過管道與壓 縮機連接，壓縮機與絲束管理模塊連接，絲束管理模塊控制壓縮機壓縮空氣，在渦流管內產 生冷空氣，冷空氣通過氣流分配閥進入冷風噴口，對絲束進行冷卻。
[0010] 作為優選，所述加熱模組包括紅外加熱并列多燈管和測溫傳感器，紅外加熱并列 多燈管和測溫傳感器同時與絲束管理模塊連接，絲束管理模塊根據測溫傳感器測量絲束鋪 設溫度，控制紅外加熱并列多燈管的加熱溫度。
[0011] 作為優選，所述夾緊模塊包含夾緊輪軸、位于夾緊輪軸上的夾緊下壓輪組和固定 在支撐板上的夾緊彎板，所述夾緊彎板與夾緊固定板連接，夾緊固定板上安裝有若干個夾 緊氣缸，夾緊氣缸與絲束管理模塊連接，夾緊氣缸與夾緊壓輪連接，通過夾緊氣缸帶動夾緊 壓輪運動從而與夾緊下壓輪組配合壓緊絲束。
[0012] 作為優選，所述重送模塊包含重送輪軸和固定在支撐板上的重送彎板，所述重送 彎板與重送固定板連接，重送固定板上安裝有重送氣缸，重送氣缸與絲束管理模塊連接，重 送氣缸與重送輪連接，所述重送輪軸上套有重送滾筒，重送氣缸運動帶動重送輪移動，夾在 重送輪和重送滾筒之間的絲束通過重送滾筒帶動移動。
[0013] 作為優選，所述剪切模塊包含固定在支撐板上的剪切彎板和剪切固定板，剪切固 定板上安裝有剪切氣缸，剪切氣缸與絲束管理模塊連接，剪切氣缸與剪切刀片連接，剪切刀 片下面墊有砧板，絲束在剪切刀片與砧板穿過，在氣缸驅動下剪切刀片下移與砧板配合剪 切絲束。
[0014] 在本發明中，所述的FMM(絲束管理模塊)采用PLC控制器，該控制器設置的絲束控 制包括絲束的張緊模塊、加熱模塊、冷卻模塊、剪切模塊、夾緊模塊、重送模塊與集合模塊， 實現任意復雜曲面自動鋪放過程中絲束的恒張力與恒溫恒濕環境，以及隨著路徑軌跡運動 對單個絲束的提前剪切、夾緊與重新送絲，為保證各絲束間的間隙滿足工藝要求還要保持 持續地對絲束進行密排控制。
[0015] 在本發明中，所述的TCM(路徑控制模塊)采用數字化驅動控制器，實現xyz型多軸 聯動運動平臺、機器人運動平臺以及兩軸工件翻轉與移動平臺的位移控制。所述的CNCU集 成了 FMM與TCM的核心處理器，用于對其發送內部子代碼與外部子代碼，并對各模塊數據進 行實時閉環控制處理，突出優點是采用同一個NCU因此數據誤差小，信號傳遞頻率高，響應 快，能夠保證絲束鋪放過程中更高地絲束控制與路徑匹配的同步性，從而提高控制系統的 精度與效率。采用同一 NCU作為中央控制大腦將外部程序指令編譯成FMM與TCM可識別的信 號并采用"前看"（Forsee)提前驗證當前狀態下往后一段時間的控制準確度，同時結合纖維 自動鋪放裝置放置于纖維鋪放機伸臂的前端，來縮短控制系統的傳遞路徑，并根據實際情 況進行纖維自動鋪放裝置的優選。TCM的數字驅動核心處理單元集成在CNCU上，通過CNCU接 收外部程序指令進行前后、左右、上下、俯仰、滾動、偏航六個方向的運動控制。
[0016] 根據被加工件確定多軸機架運動平臺選型指標數據，通常地對于2m尺寸范圍的復 雜型面工件優選機器人運動平臺作為絲束鋪放裝置的路徑運動本體;對于尺寸超過2m的大 型復雜工件優選xyz型多軸聯動運動平臺作為絲素鋪放裝置的路徑運動本體，必要時配合 工件兩軸運動平臺；需要說明的是在某些情況下當工件尺寸大于2m時，可以在機器人運動 平臺下方增加直線導軌方式來增大鋪放行程，這樣能夠節省安裝空間。
[0017] 在本發明中，八軸主位移控制器可以控制八個伺服電機，八個伺服電機具有八個 自由度，在鋪放頭末端增加了兩個自由度，可以適用機器人、龍門機、落地鏜、橋式機等。
[0018] 在本發明中，中央數字控制單元(CNCU，Central Numerical Control Unit)，將 FMM與TCM集成到CNCU，每段路徑鋪放時，CNCU同步給FMM與TCM發放指令，各模塊再將指令編 譯后發送到各自的驅動控制器，實現絲束鋪放過程路徑與絲束控制，完成絲束鋪放過程各 工藝參數的協同控制。各模塊將實時數據同步返回到CNCU，CNCU進行數據實時比對處理，實 現閉環控制。本發明所優選的自動絲束鋪放裝置控制系統及方法采用集成控制方式將FMM 與TCM集成閉環控制，采用同一CNCU進行指令控制與數據的閉環處理，能夠適用于龍門結 構、桁架式結構、落地鏜以及機器人運動平臺等多種絲束自動鋪放裝置的控制，能夠滿足各 種復雜曲面的絲束鋪放過程控制，集成式控制系統采用同一CNCU大幅提高了鋪絲過程的精 度與效率，降低了出錯的幾率。
[0019] 有益效果:相比現有技術，本發明具有以下優點：
[0020] 1、本發明的控制系統包括CNCU(主控制器）、FMM與TCM，FMM與TCM分別采用PLC控制 器與工業數字驅動控制器進行控制，兩個控制器的核心處理器都集成在CNCU，每段路徑鋪 放時由CNCU對各模塊下發指令參數并實行數據監控與閉環處理，這種集成控制方式能夠有 效提高控制系統的精度與效率；
[0021] 2、采用同一 NCU進行FMM與TCM控制，鋪放過過程由NCU對外部程序進行統一編譯， 將編譯好的信號與我們事先定義好的FMM與TCM的代碼與狀態進行逐一匹配，根據匹配結果 控制相應的驅動器動作；
[0022] 3、我們的FMM模塊集成在鋪放頭的前端，這樣既可以縮短控制系統的響應時間，提 高控制精度，避免由于響應慢而導致絲束延時剪切或夾緊重送或是集合等操作；同時還可 以根據產品實際復雜程度在鋪放過程中替換不同絲束數量的FMM模塊實現精準鋪放；
[0023] 4、我們在NCU編譯外部數控程序時，采用了前看閉環處理方法，具體地，NCU總是編 譯當前狀態往后一個固定時間段的程序，并將它發送給FMM與TCM模塊，后者根據當前位置 的狀態信息按照預設過程進行偏差分析，判斷是否滿足預先設定的精度要求，如不滿足即 采用最小二乘法進行優化迭代，直至滿足精度為止。
【附圖說明】
[0024] 圖1機器人運動平臺控制原理圖。
[0025] 圖2機器人平臺控制系統結構組成圖。
[0026] 圖3為FFM模塊PLC原理圖。
[0027] 圖4為八絲束碳纖維自動鋪放裝置的結構示意圖。
[0028] 圖5為圖4中剪切模塊的結構示意圖。
[0029]圖6為圖4中重送模塊結構示意圖。
[0030]圖7為圖4中夾緊模塊的結構示意圖。
[0031]圖8為冷卻模塊的結構示意圖。
[0032]圖9為張緊模塊的結構示意圖。
[0033] 圖10為FMM模塊絲束控制PLC流程圖。
[0034]圖11為TCM模塊路徑控制流程圖。
[0035]圖12為機器人運動平臺運動方式說明圖。
【具體實施方式】
[0036] 如圖1和圖2所示，本發明的一種集成式碳纖維自動鋪放裝置控制系統，包括主控 制器、硬件I/O連接板，所述主控制器與硬件I/O連接板連接，硬件I/O連接板分別與路徑控 制模塊和絲束管理模塊連接，路徑控制模塊輸出端與八軸主位移控制器連接，絲束管理模 塊的輸出端與八絲束碳纖維自動鋪放裝置連接。八軸主位移控制器分別與工作運動平臺和 六軸機架運動平臺連接，工件運動平臺為絲束鋪設裝置中的水平伺服電機和豎直伺服電 機，六軸機架運動平臺為KUKA機器人，控制器采用KR-C4，FMM采用西門子PLC-S300控制器， 路徑管理模塊采用西門子S120數字驅動控制器，CNCU采用西門子840DSL。
[0037] 在本發明中，所述八絲束碳纖維自動鋪放裝置包含張緊模塊、加熱模塊、冷卻模 塊、剪切模塊、夾緊模塊、重送模塊和集合模塊。八絲束碳纖維自動鋪放裝置的一種結構如 圖4所示，八絲束碳纖維自動鋪放裝置包含支撐盤14,所述支撐盤14上安裝有絲束恒溫箱 13,絲束恒溫箱13內設有若干個絲筒組件12,絲筒組件12繞固定在支撐盤14上的絲筒心軸 11轉動，所述絲束恒溫箱13頂部安裝有豎直鋪絲頭旋轉軸8,豎直鋪絲頭旋轉軸8與豎直伺 服電機9連接，豎直鋪絲頭旋轉軸8-端與水平鋪絲頭旋轉軸10連接，水平鋪絲頭旋轉軸10 與水平伺服電機連接，水平鋪絲頭旋轉軸10與絲束恒溫箱13固定連接;所述絲筒組件12上 的絲束穿過位于支撐盤14下方的絲束導向裝置后依次進入轉向架2、夾緊模塊3、重送模塊 4、剪切模塊5后，通過引導絲束的導路溝槽集合成絲帶，通過加熱模組7和施壓模塊6,絲束 被壓緊在工件表面，所述夾緊模塊3、重送模塊4、剪切模塊5均固定在支撐板上，支撐板一端 與轉向架2連接，另一端與施壓模塊6連接，絲束導向裝置為絲束導向滾輪15,轉向架2設有 絲束軌道。
[0038] 在本發明中，所述施壓模塊包括圓柱形施壓滾子和驅動力矩電機，圓柱形施壓滾 子安裝在連接板上并通過驅動力矩電機繞連接板轉動，連接板與支撐板14連接。所述加熱 模組包括紅外加熱并列多燈管20、測溫傳感器，紅外加熱并列多燈管20外的殼體與連接板 連接，絲束管理模塊同時與紅外加熱并列多燈管20和測溫傳感器連接，通過測溫傳感器實 時檢測加熱模塊熱量產生的溫度，通過絲束管理模塊控制紅外加熱并列多燈管20,使得加 熱模塊產生的溫度在一個范圍內波動，使得鋪絲效果更好。
[0039]在本發明中，如圖9所示的張緊模塊，包括位于支撐盤14上的若干個張力測力傳感 器和位移作動器，所述張力測力傳感器包括繞線輥軸21和壓電晶體測力頭22,所述位移作 動器包括伺服微型直線電機23和位移頭24,所述位移頭24與張力測力傳感器的繞線輥軸21 相連，位移頭24與伺服微型直線電機23連接，伺服微型直線電機與絲束管理模塊連接，絲束 纏繞在繞線輥軸21上，當絲束張力需要自動調整時，絲束管理模塊控制伺服微型直線電機 23的驅動頭移動從而位移頭24帶動繞線輥軸21移動，調節絲束張力，這樣可實現絲束恒張 力，避免絲束抖動。
[0040] 在本發明中，如圖8所示的冷卻系統，包括位于支撐板14上的若干個冷風噴頭61， 冷風噴頭61與氣流分配閥62連接，氣流分配閥62通過管道與渦流管63連接，渦流管63通過 管道與壓縮機64連接，壓縮機64與絲束管理模塊連接，通過壓縮機64壓縮空氣，在渦流管63 內產生冷空氣，冷空氣通過氣流分配閥62進入冷風噴口，對絲束進行冷卻，目的是絲束傳送 過程中采用渦流管產生冷風對絲束進行冷卻，目的是保持絲束在傳送過程中保持一定的強 度，不發生軟化。
[0041] 在本發明中，所述絲筒組件12包含絲筒，絲束纏繞在絲筒表面，絲束層與層之間通 過塑料薄膜隔開，絲筒套在絲筒心軸11上，絲筒通過絲筒驅動電機驅動絲筒轉動放絲，每個 絲筒組件12旁邊設有剝膜輥軸16，絲束間塑料剝膜由剝膜輥軸16纏繞收集。
[0042]在本發明中，如圖7所示，所述夾緊模塊3包含夾緊輪軸31、位于夾緊輪軸31上的夾 緊下壓輪組37和固定在支撐板上的夾緊彎板32,所述夾緊彎板32與夾緊固定板33連接，夾 緊固定板33上安裝有若干個夾緊氣缸34，夾緊氣缸34與絲束管理模塊連接，夾緊氣缸34通 過夾緊壓輪架35與夾緊壓輪36連接，通過夾緊氣缸34帶動夾緊壓輪36運動從而與夾緊下壓 輪組37配合壓緊絲束。
[0043]在本發明中，如圖6所示，所述重送模塊4包含重送輪軸41和固定在支撐板上的重 送彎板46，所述重送彎板46與重送固定板45連接，重送固定板45上安裝有重送氣缸43，重送 氣缸43與絲束管理模塊連接，重送氣缸43與重送輪44連接，所述重送輪軸41上套有重送滾 筒，重送氣缸43運動帶動重送輪44移動，夾在重送輪44和重送滾筒之間的絲束通過重送滾 筒帶動移動。
[0044] 在本發明中，如圖5所示，所述剪切模塊5包含固定在支撐板上的剪切彎板53和剪 切固定板52,剪切固定板52上安裝有剪切氣缸51，剪切氣缸51與絲束管理模塊連接，剪切氣 缸51與剪切刀片54連接，剪切刀片54下面墊有砧板55，絲束在剪切刀片54與砧板55穿過，在 氣缸驅動下剪切刀片54下移與砧板55配合剪切絲束。
[0045] 在每段路徑鋪放前，CNCU接收外部程序NC代碼，將其中的xyz以及ABC等各軸運動 指令發送給TCM的數字驅動控制器，經編譯后發送給各軸伺服電機，驅動各軸伺服電機運 動，從而實現絲束鋪放裝置的運動；同步地，CNCU將NC代碼中FMM輸入指令發送給PLC控制 器，PLC控制器根據控制指令將輸入映像寄存區定義為1或者0(在PLC里，1表示真，也就是接 通;0表示假，也就是不接通），從而FMM的各分模塊如剪切分模塊、夾緊分模塊等就收到相應 的開關量控制信號，從而驅動剪切氣缸或是電磁閥開關或是閉合，進而實現絲束的單獨控 制。在絲束鋪放裝置運動的過程中，PLC不斷地掃描外部端子（即CNCU)的控制指令從而變化 映像寄存區的數值1或〇來控制絲束的各種狀態。
[0046] 1、FMM 控制
[0047] FMM采用PLC控制器實現絲束的張緊、加熱、冷卻、剪切、夾緊、重送、集合等，其具體 功能包括張緊模塊力矩電機控制、加熱模塊溫度控制、冷卻模塊吹風速度控制、剪切模塊剪 切氣缸運動控制、夾緊模塊氣缸運動控制、重送模塊重送電機控制、集合模塊密排控制等。
[0048] 鋪放裝置在每段路徑鋪放前，CNCU對外部NC程序進行指令識別，將其中FMMPLC控 制指令相關的數控代碼經過D/A(數/模轉換)編譯成模擬信號發送給各分模塊的電機驅動 器、電磁閥等。鋪放過程中CNCU實時監測FMM的各分模塊的映像寄存區數值，以判定是否與 路徑運動過程工藝參數相同。CN⑶(CN⑶)與FMMPLC的通信協議主要包括:FMM單元控制代碼 定義、時間節點控制制定定義以及當前時刻工作狀態定義。
[0049] 1-1、FMM控制代碼定義
[0050] FMM單元實現絲束的張緊、加熱、冷卻、剪切、夾緊、重送、集合等控制，在每段路徑 鋪放前，在PLC映像寄存區CN⑶讀取數值并通過外部NC程序發送內部驅動子代碼，NC程序中 對各控制動作定義如下。其中IO. X、Q〇. X分別是第一個絲束PLC控制的輸入輸出地址，11. X、 Ql .X分別是第二根絲束PLC控制的輸入輸出地址，In. x、Qn. X分別是第η根絲束PLC控制的輸 入輸出地址，見表1所示。原始控制代碼T、H、F、C、P、R、I在NC編程時選取西門子M代碼庫中的 代碼進行替換，便于數控系統統一控制。
[0051] 表1FFM模塊絲束代碼定義
[0053] 1-2單元時間節點控制定義
[0054] 一段路徑鋪放過程中，FMM執行的單元時間節點控制代碼存儲在PLC的映像寄存區 中，鋪放過程中由CNCU下發控制指令，其通信協議定義如表2所示。
[0055] 表2FMM模塊時間節點定義
[0060] 1-3FMM(FMM)當前工作狀態定義
[0061] 為提高絲束鋪放過程控制精度，CNCU單元實時監控FMM單元，對其數據進行閉環處 理。FFM單元的工作狀態存儲在映像寄存區，供CNCU讀取，其當前工作狀態定義如圖所示。以 第一根絲束為例，表3定義了各種狀態，如0000000表示當前狀態在進行初始化，FMM模塊等 待CN⑶指令；1110001表示CN⑶給FMM下發了指令，同時也給TCM單元下達了指令，鋪放裝置 開始鋪放；1110001表示正常鋪放，FFM模塊除剪切、夾緊與重送模外不工作外，其他模塊正 常工作；1001100表示鋪放路徑已經達到邊緣，剪切氣缸運動，切刀切斷絲束，同時夾緊氣缸 運動夾棍夾緊絲束，在此過程中保持絲束張力不變，張緊力矩電機持續工作；1000010表示 鋪放裝置已經準備好從鋪放路徑邊緣開始鋪放，重送電機運動，夾緊氣缸卸載，絲束重新被 運送至末端執行器；1110001表示鋪放頭轉向，在此過程中剪切、夾緊、重送模塊停止工作， 其他正常工作；1000000表示一段鋪放路徑結束，保持絲束張力，附圖3為PLC控制器控制其 中一路絲束的原理圖。
[0062] 表3FMM當前工作狀杰定義
[0065] 2、TCM 控制（TCM)
[0066] 采集需要鋪放的構建的幾何信息，然后根據構建的不同幾何特征，選擇相應的理 論模型，接著根據鋪放的工藝要求，進行鋪絲的軌跡規劃設計，將規劃的軌跡采用特定的文 件格式進行輸出。導入八軸主位移運動控制器，控制器對六軸機架運動平臺，以及二軸工件 樣板翻轉和移動運動平臺的控制。
[0067]采用現有的CAM軟件如UG等基于工件三維模型編寫NC程序，西門子數控系統的 CNCU讀取NC程序代碼，從中提取路徑相關的指令，通常表述為XYZABCUW坐標值，CN⑶通過內 部多軸算法將XYZ線性運動與ABC轉動轉化為機器人易于識別的PTP數據，myrobot與kuka機 器人的mxAutomation進行通信，通過西門子數字驅動系統S120對kuka機器人電機驅動器下 發運動指令。CN⑶與TCM的通信協議主要包括:NC代碼定義與傳輸，坐標變換定義，TCM模塊 當前工作狀態定義。
[0068] 2-1NC代碼定義與代碼傳輸
[0069]本發明控制程序采用當前主流的CAM軟件進行編寫，其產生的NC代碼中空間任意 點坐標值表達為(X，y，Z，A，B，C)，而機器人運動平臺中任意點位置表達為P (A1，A2，A3，A4，A5， A6)，兩者之間用轉換矩陣進行映射關系。
[0070] 2-2坐標變換定義
[0071] KUKA機器人自帶的運動控制器KR-C4有著機器人控制精度不高，編程復雜不方便， 控制響應速度慢等特點，采用西門子CNCU進行控制時，通過坐標變換將NC代碼中的( Xi，yi， Zi，Aj，Bj，Cj)轉換成機器人運動的點坐標值（Aii，A2i，A3i，A4j，Asj，A6j)。具體地，
人執行末端即鋪放裝置坐標系的回轉向量，P= (pX，Py，pZ)是機器人執行末端即鋪放裝置坐 標系的當前位置向量。
[0072] 2-3TCM模塊當前工作狀態定義
[0073 ]鋪放路徑過程中，CNCU提前讀取(本實施例設定為100行)NC程序，識別其中的路徑 相關數據通過坐標轉換成機器人末端執行的位置值與位置向量，將其與當前工作狀態進行 運算，判定路徑是否光滑以及路徑是否與程序設定相符合。TCM模塊控制流程如附圖11所 示，各軸運動說明見附圖12所示。
[0074] 如圖10和圖12所示，一種上述的集成式碳纖維自動鋪放裝置控制系統的控制方 法，包括以下步驟：
[0075] (1)自動鋪絲設備啟動，安裝紗筒，人工送絲到壓輥；
[0076] (2)絲束管理模塊控制壓縮機壓縮空氣，冷風噴頭噴出冷卻風；
[0077] (3)向路徑控制模塊中輸入預設路徑，控制器啟動路徑控制模塊，路徑控制模塊驅 動八軸主位移控制器控制各自電機運動；
[0078] (4)鋪絲頭壓下，絲束管理模塊控制張緊模塊、剪切模塊、夾緊模塊、重送模塊和集 合模塊工作，同時控制加熱模塊開始加熱，開始鋪絲；
[0079] (5)在鋪絲過程中是否需要開窗，若是，絲束切斷、重送，然后繼續鋪絲，若不是，繼 續鋪絲；
[0080] (6)判斷是否已鋪設到邊界，若是，絲束管理模塊控制剪切模塊切斷絲束，重送模 塊繼續鋪絲，直到鋪絲結束，絲束管理模塊控制加熱模塊停止工作，鋪絲頭抬起;若不是邊 界，繼續鋪絲，直到鋪設到邊界；
[0081] (7)判斷是否已鋪完，若是，某一層鋪絲結束，判斷是否所有層鋪完，若是，結束停 機，若不是，進入步驟(3);若沒鋪完，鋪絲頭換向，水平伺服電機轉動180°，進入步驟(4)。
[0082]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種集成式碳纖維自動鋪放裝置控制系統，其特征在于:包括主控制器、硬件I/O連 接板，所述主控制器與硬件I/O連接板連接，硬件I/O連接板分別與路徑控制模塊和絲束管 理模塊連接，路徑控制模塊輸出端與八軸主位移控制器連接，絲束管理模塊的輸出端與八 絲束碳纖維自動鋪放裝置連接。2. 根據權利要求1所述的集成式碳纖維自動鋪放裝置控制系統，其特征在于:所述八絲 束碳纖維自動鋪放裝置包含張緊模塊、加熱模塊、冷卻模塊、剪切模塊、夾緊模塊、重送模塊 和集合模塊，所述張緊模塊包含張力測力傳感器和位移作動器，所述張力測力傳感器包括 繞線輥軸和壓電晶體測力頭，所述位移作動器包括伺服微型直線電機和位移頭，所述位移 頭與張力測力傳感器的繞線輥軸相連，位移頭與伺服微型直線電機連接，絲束纏繞在繞線 輥軸上，伺服微型直線電機與絲束管理模塊連接，當絲束張力需要自動調整時，絲束管理模 塊控制伺服微型直線電機的驅動頭移動從而位移頭帶動繞線輥軸移動，調節絲束張力。3. 根據權要求2所述的集成式碳纖維自動鋪放裝置控制系統，其特征在于:所述冷卻模 塊包含冷風噴頭和氣流分配閥，所述冷風噴頭用于冷卻絲束，冷風噴頭與氣流分配閥連接， 氣流分配閥通過管道與渦流管連接，渦流管通過管道與壓縮機連接，壓縮機與絲束管理模 塊連接，絲束管理模塊控制壓縮機壓縮空氣，在渦流管內產生冷空氣，冷空氣通過氣流分配 閥進入冷風噴口，對絲束進行冷卻。4. 根據權利要求2所述的集成式碳纖維自動鋪放裝置控制系統，其特征在于:所述加熱 模組包括紅外加熱并列多燈管和測溫傳感器，紅外加熱并列多燈管和測溫傳感器同時與絲 束管理模塊連接，絲束管理模塊根據測溫傳感器測量絲束鋪設溫度，控制紅外加熱并列多 燈管的加熱溫度。5. 根據權利要求2所述的集成式碳纖維自動鋪放裝置控制系統，其特征在于:所述夾緊 模塊包含夾緊輪軸、位于夾緊輪軸上的夾緊下壓輪組和固定在支撐板上的夾緊彎板，所述 夾緊彎板與夾緊固定板連接，夾緊固定板上安裝有若干個夾緊氣缸，夾緊氣缸與絲束管理 模塊連接，夾緊氣缸與夾緊壓輪連接，通過夾緊氣缸帶動夾緊壓輪運動從而與夾緊下壓輪 組配合壓緊絲束。6. 根據權利要求2所述的集成式碳纖維自動鋪放裝置控制系統，其特征在于:所述重送 模塊包含重送輪軸和固定在支撐板上的重送彎板，所述重送彎板與重送固定板連接，重送 固定板上安裝有重送氣缸，重送氣缸與絲束管理模塊連接，重送氣缸與重送輪連接，所述重 送輪軸上套有重送滾筒，重送氣缸運動帶動重送輪移動，夾在重送輪和重送滾筒之間的絲 束通過重送滾筒帶動移動。7. 根據權利要求2所述的集成式碳纖維自動鋪放裝置控制系統，其特征在于:所述剪切 模塊包含固定在支撐板上的剪切彎板和剪切固定板，剪切固定板上安裝有剪切氣缸，剪切 氣缸與絲束管理模塊連接，剪切氣缸與剪切刀片連接，剪切刀片下面墊有砧板，絲束在剪切 刀片與砧板穿過，在氣缸驅動下剪切刀片下移與砧板配合剪切絲束。
【文檔編號】G05B19/05GK205427583SQ201620379917
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月29日
【發明人】李軍利, 劉志強, 程濤
【申請人】李軍利