碳纤维预浸料分切绕线机校正控制外文翻译资料

 2022-08-25 09:08

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碳纤维预浸料分切绕线机校正控制

文立伟1、朱腾飞1、秦立华2、王先峰1、潘杰1、冯巧桥1

  1. 南京航空航天大学材料科学技术学院，中国南京210016；

2、中国北京航天大学长征飞行器研究所，中国北京100076.

（2016年11月30日收到；2017年2月20日修订；2017年5月23日接受）

摘要：随着预浸带对纤维自动铺放（AFP）的需求越来越大，预浸带的校正问题越来越突出。在自行研制的16-TOW预浸料分切绕线机上进行了分切工艺的研究。介绍了预浸带的复卷过程，分析了预浸带在分切过程中出现偏差的原因，从而为预浸带的复卷提供参考。为了保证预浸料窄缝的质量，讨论了模糊PID算法在闭环控制系统中的应用。将模糊规则与PID控制器相结合，设计了一种模糊PID算法。通过运用这种算法来保证精密偏差校正，自动-校正的自动控制精度可达0.1mm，在AFP的分切质量和叠层质量中满足了预浸胶带的要求。

关键词：自动铺纤；预浸带；分切绕线；模糊PID；校正

CLC编号：TB332 文件编码：A 物品编号：1005－1120（2018）03－0547－09

0简介

自动纤维放置（AFP）技术已成为复合材料领域的一个热门研究课题，其相关研究包括设备研究、制造和应用。在工艺研究、路径规划、材料研究等方面，AFP采用（宽度3.18mm、6.35mm、12.7mm）以单向预浸纤维为原料，与丝束成型预浸料进行特殊组合，可变宽度，放置在模具表面。它是形成复杂表面的关键技术（如机身、翼身、进气道等），应用范围广，成型效率高，零件质量可靠。分切机分切精度高，质量可靠。在发达国家中，AFP的高质量、高精度、高可靠性可以保证其在大型飞机、运载火箭和其他种类的宇航飞行器的制造上的应用。

目前，AFP用预浸料的制备方法可分为两类：直接热熔法和分切法。直接热熔预浸料具有效率低、树脂含量低、宽度控制困难等特点，仅适用于空间级预浸料的小批量生产。分切法分切效率高，精度高，可直接分切，适用于AFP预浸带的大批量生产，其也是AFP用预浸料的制备。分切机构原理如图1所示。AFP技术对预浸料狭缝的宽边质量有很高的要求，严重影响到最终的纤维铺放的效率和产品性能。这就要求铺料机的高精度和质量。铺料过程中的机械振动和不稳定张力等因素会导致预浸料的变形，从而影响分切精度和质量。大多数传统的校正－记录－提示控制器采用开关传感器，其控制方法采用传统的PID控制。传统的传统的校正－记录－提示控制器需要安装更多的传感器。从而保证了较高的整流精度，PID控制方法具有较高的精度，同时系统具有较大的超调量和超调时间。为了提高分切精度，满足预浸料的加工要求，提出了一种自行研制的分切机。其是基于模糊控制算法的光电校正控制系统，最终可以实现分切过程中的自动校正。

图1分切机构原理

1预浸带偏差对分切质量的影响

由于预浸料的粘度，纤维残留物树脂容易粘在刀片上，这会影响预浸料的质量。预浸料具有很强的各向异性，在纵向上容易产生裂缝，但在横向上容易产生裂纹。传统的无偏差控制分切方法无法保证牵引精度。

分切法主要分为放卷、分切、复卷三个步骤。分切时宽预浸胶带的加工，偏差经常发生，从而导致缝宽发生变化。宽度偏差应控制窄预浸带在0.1毫米的研磨过程中，从而满足AFP的要求。，这些所谓的偏差指在放卷后的分切过程中非直线移动预浸胶带，其中心线偏离参考中心线。

宽预浸料用圆刀分为16条预浸带，分别用16组单元复卷。如果16个预浸料上的张力不均匀，则预浸料偏移和明显分离将发生，从而导致预浸胶带宽度不均匀。预浸胶带脱胶的原因很多，比如加工辊缺陷、安装不准确、张力不稳定、机器振动引起的预浸料原材料的不规则宽度等缺陷。就位置偏差而言，预浸料带不能被清晰准确的切开。

2自动校正控制系统的建设

自主研发的光电自动校正控制系统如图2所示。光电传感器收集预浸带的位置，将其返回到PLC控制器，在模糊PID操作后，将脉冲送至驱动器驱动步进电机螺杆机构，从而控制辊的运动，实现校正功能。

图2校正控制系统

这种传感器是一个U形相反的模拟电压输出的电子传感器，其检测精度高达0.01mm。磁带边缘穿过传感器，其原理如图3所示。

当透镜之间没有障碍物时，重复寄存器将完成对传感器的操作。此时，接收光的功率值P。在一定的发射电路中。P是一个常量值。接收器接收的功率为（光通量的一半），当预浸料处于正常位置时（预浸料边缘位于透镜中心线上）。因此，R的偏移值可以产生唯一的输出电压值。

图3光电检测原理

实验表明，当图3中的磁带从左向右移动时，可以测量输出电压，其关系式如图4所示。

图4光电传感器输出电压线性

3自动纠偏控制方案

整流系统的实际模型影响因素多、变量多，需要补偿，其结构参数是非常不清楚，因此其是一个非线性、时变、滞后的系统，需要一个控制器来实现良好的自适应。采用基于经验和知识的模糊PID的控制系统具有一些优点，例如克服系统性能的引起速度控制系统的不确定性的不利因素。

模糊自适应PID控制系统能够检测和分析控制过程中的不确定条件、参数、延迟和干扰。通过模糊测量实现PID参数和，这些参数可以通过模糊推理获得。它是一种更先进的控制系统，它不仅保留了传统PID控制系统的简单原理、简便性和稳定性，同时具有较好的灵活性、适应性和控制精度。

本文用模糊控制规则对模糊PID控制算法输出的语言变量是和。输入语言变量是模糊化后光电传感器中转换数字值与输入电压的偏差。如图5所示。

图5模糊PID控制图

3.1模糊PID控制方案

3.1.1偏差、偏差变化和输出值的模糊化

模糊控制器的输入主要是测量的。首先，它们需要按比例转换为离散的值。这实际上是将语言领域转换为一定数量的小片段，从而量化每个片段。用一个特定的术语表示一个离散域的形成。在测量后，模糊集是通过赋值定义的。新离散域中每个特定术语的成员关系。在本例中，抽象偏差值｜E｜和偏差变化率｜EC｜被视为输入语言变量。每个语言变量取三个语言值：大（B）、中（M）和小（S），函数选择为三角函数，如图6、7所示。

图6偏差函数｜E｜ 图7偏差变化率函数｜EC｜

其中，成员度mu;可根据不同转向点的实际情况进行调整、、、、和。通过定义成员函数，数字变量和可被归类为“大、中或小”。在本例中，光电传感器的接收端是一个直径为15毫米。通过A／D模块检测到的模拟电压转换成分辨率为6000。根据经验结果，数字量与偏差的关系如图8所示。

从图7可以看出，当距离超过3.55mm时，胶带位于传感器的边缘区域，或者已经从传感器，而接收

图8数字量与偏差的关系

到的数字变化幅度很小，当偏差在1.70mm到3.55mm之间时，记录的变化接收数值量大，当偏差在1.70mm以内时，接收到的数值量变化趋于中等。

根据上述分析，将设为0.15mm，为1.70mm和为3.55mm。在本例中，选择欧姆龙PLC类型CP1H－XA作为处理器，程序扫描周期设置为100毫秒，采样周期设置为0.1秒，另外，、和分别设置为30、75和150。

同样，所需的PID参数值也可以通过常规方法和模糊化的方法对不同的状态进行排序。关系函数如图9所示。

关系度可通过实际结果调整和的不同转折点。在本例中，设置为0。分别为5和1.5；分别为0.12和0.18。

3.1.2模糊控制规则的确定

PID参数的设置必须考虑到三个参数在不同阶段的作用以及他们之间的关系。从传统的经验来看，控制中对参数的要求流程如下：

图9 的函数关系

当偏差较大时，应取较大的和较小的，以提高系统的快速跟踪性能。与此同时，为了避免系统对较大偏差的响应，应限制积分作用，通常设为。

当偏差在正常范围内时，应取较小的，以便系统具有较小的超调响应。在这种情况下，和的值应为中等，以便保证系统响应速度，因此的值对系统响应速度有较大的影响。

当偏差较小时，应取较大的和，以提高系统的稳定性、同时为了避免系统振荡，系统围绕设定值运行，对于系统的抗干扰性能，当较小时，的值应取大一点，并且通常取中等值；当较大时，的值应取小一点。

根据上述规则，模糊控制规则设置如表1-3所示。

表1 模糊控制规则

S

M

B

S

B

M

B

M

B

M

B

B

B

S

M

表2 模糊控制规则

S

M

B

S

B

S

S

M

B

S

S

B

M

S

S

表3 模糊控制规则

S

M

B

S

B

S

S

M

B

S

S

B

M

S

S

3.1.3模糊推理与解释（定义）

根据式（1），加权平均法（重心法）用于计算元素的乘积，它们的每个状态的成员和元素的比率，也就是说，每个状态的模糊输出应该被解释。

其中j可以是三种状态下的小“S”、中“M”和大“B”。根据的函数和等式，可以得到每个状态的方程

根据上述模糊规则，输入偏差和偏差变化率可根据输出进行推理得到。第一，响应输出的成员度可以被获得，比如当输入变量和都属于“S”类，根据模糊推理算法，的输出量为“B”。并且相应的关系度为，其中，运算符“”取两个对应值的最小值，即。

在这种情况中，可获得的是根据模糊规则调整的的输出等级，在不同的变量和下，用一个实例验证了模糊规则的有效性：取1.5mm,取40.然后取0.13属于“S”，0.88属于“M”和0属于“B”，如图5所示。是0.8属于“S”0.2属于“M”和0属于“B”。由表1得，分别有九种输出等级：

根据式（2），这些等级的平均质量可以被相应的PID传感器数值计算出来

根据模糊控制规则，当偏差为1.5mm，偏差变化率为40时，输出为1.23。

同样，通过模糊推理得到的PID参数、和，可以直接传递到PLC的PID指令和输出控制。并且输出控制可通过下面的等式计算出来：。

3.2输出控制方案

驱动系统采用步进电机驱动螺杆运动，光电部分采用MORON CP1H－XA PLC的控制器。传感器电压信号读取，输入模拟范围为0-10V，A／D分辨率设置为6000。对于步进电机控制，采用“脉冲＋方向”采用模式，电机控制采用独立模式。

4实验结果

在本例中，设备－校正设备安装在放卷辊上，并在放卷前校正分切。由于圆形刀片是固定的，所以每两个刀片之间的预浸胶带的宽度保持不变。首先，修正应开启至分切速度中心线对齐后16米／分钟，如图10所示。剩余部分的大宽度材料会影响测量。因此，选择边缘的

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