高速纏繞程序編程方法研究

摘" 要：本文通過(guò)數(shù)控加工插補(bǔ)理論和數(shù)值模擬仿真方法，基于數(shù)控纏繞機(jī)額定速度和加速度運(yùn)動(dòng)參數(shù)，介紹一種高速數(shù)控纏繞機(jī)的纏繞程序方法。數(shù)控纏繞機(jī)的高速纏繞程序可以實(shí)現(xiàn)纏繞過(guò)程的運(yùn)動(dòng)光順性、纏繞效率和纏繞質(zhì)量，穩(wěn)定光順的絲嘴運(yùn)動(dòng)軌跡可以有效地避免纏繞過(guò)程卡頓、抖動(dòng)造成引起的纏繞滑紗問(wèn)題。本文基于纖維纏繞角連續(xù)穩(wěn)定原則，討論分析運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)對(duì)于纏繞程序行數(shù)的影響；基于運(yùn)動(dòng)軌跡的時(shí)間速度曲線連續(xù)性，討論分析了高速高效纏繞程序的分析方法；以期解決影響高速纏繞程序的兩個(gè)編程因素，一是纏繞程序的程序行數(shù)控制問(wèn)題、二是各程序行進(jìn)給率F值的速度連續(xù)性問(wèn)題。本文給出基于一個(gè)簡(jiǎn)單數(shù)控程序，進(jìn)行數(shù)控纏繞機(jī)的加速度、速度、加速行程的測(cè)量方法，用于纏繞程序數(shù)軸的程序加速度與物理加速匹配性分析。

關(guān)鍵詞：纖維纏繞；工藝仿真；纏繞程序；程序行數(shù)；數(shù)控插補(bǔ)

Study on high speed winding program programming

CHEN Dongfang1，GUO Song1，REN Junwei1，ZHANG Heng1，

CHEN Yanrong1，HU Yingcan1，CUI Qiyu*2

（1.CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.， Qingdao 266111；2.Beijing Intelligent United Innovation

Technology Co.， Ltd.， Beijing 100027）

Abstract：CNC machining interpolation theory and numerical simulation methods was used in the article based on the velocity and acceleration motion parameters of CNC winding machines， and the high-speed winding program method was introduced for CNC winding machine. The high-speed winding program of the CNC winding machine can achieve the smoothness motion of the winding process， winding efficiency， and winding quality， the smooth motion paths of the pay-out can effectively avoid the problem of slipping caused by jamming and shaking during the winding process. Based on the principle of continuous stability of fiber winding angle， the influence of motion step （Filter value） on the winding program block-numbers is discussed and analyzed. Based on the continuity of the time-velocity curve of the winding motion paths， the analysis method of high-speed winding program was discussed and analyzed. In order to solve the two programming factors that affect high-speed winding programs， one is the control of the block-number of the winding program， and the other is the speed continuity problem of the F value of each program’s block. A measurement method was provided for the acceleration， speed， and acceleration distance of the CNC winding machine based on a simple CNC program， in order to matching analysis of program acceleration and physical acceleration for each axis of the winding program.

Keywords：filament winding；process simulation；winding program；program blocknumbers；CNC motion interpolation

通訊作者：崔啟玉，男，技術(shù)工程師。研究方向?yàn)槔w維纏繞工藝數(shù)值仿真軟件。E-mail：jack.cui@iuitgroup.com

1" 引言

纖維纏繞制品較其它機(jī)械加工制品而言，制品大多是中空的，質(zhì)量大多體現(xiàn)在外表面，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對(duì)較大，這就要求主軸電機(jī)應(yīng)具有較大的輸出扭矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。纖維纏繞機(jī)作為纏繞成型工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，其性能在很大程度上制約著復(fù)合材料制品的力學(xué)性能。對(duì)于計(jì)算機(jī)控制纏繞機(jī)而言，纏繞制品結(jié)構(gòu)的特殊性對(duì)主軸電機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的選擇提出了較高的要求。然而，采用普通的隨動(dòng)控制方式存在本身固有的缺陷，即在纏繞過(guò)程中加減速會(huì)導(dǎo)致纏繞線型的變化，出現(xiàn)搭接或扒縫現(xiàn)象，這將嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。能否在纏繞過(guò)程中抓取各軸運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)曲線進(jìn)行纏繞程序優(yōu)化，是纖維纏繞程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。

本文基于數(shù)控軌跡編程基礎(chǔ)理論和纖維纏繞工藝設(shè)計(jì)數(shù)值模擬仿真軟件，針對(duì)典型壓力容器的纖維纏繞工藝數(shù)控程序編程過(guò)程經(jīng)常遇到程序運(yùn)行卡頓、纏繞時(shí)間不合理等問(wèn)題進(jìn)行分析?；谛灸Ｖ睆胶头忸^高度等參數(shù)給出纏繞程序運(yùn)行控制方法，基于第一主運(yùn)動(dòng)軸的加速度性能給出合理的纏繞時(shí)間計(jì)算方法以及纏繞程序設(shè)計(jì)方法。最后提出基于環(huán)向纏繞時(shí)間和縱向螺旋纏繞時(shí)間的纏繞程序設(shè)計(jì)方法為數(shù)控纏繞機(jī)設(shè)計(jì)或纏繞制品生產(chǎn)的纏繞時(shí)間評(píng)估提供參考。

2" 研究?jī)?nèi)容

2.1" 運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算

穩(wěn)定的纖維纏繞軌跡和光順的絲嘴運(yùn)動(dòng)軌跡是纖維纏繞工藝的兩大重要內(nèi)容。穩(wěn)定的纖維纏繞軌跡主要取決于摩擦系數(shù)影響的穩(wěn)定偏差角計(jì)算。光順的絲嘴運(yùn)動(dòng)軌跡主要取決于基于纖維纏繞軌跡的偏置曲線設(shè)置和運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)位置坐標(biāo)計(jì)算和軌跡點(diǎn)速度連續(xù)性計(jì)算。

2.1.1" 纏繞運(yùn)動(dòng)規(guī)律

典型纏繞工藝包括大角度的環(huán)向纏繞和小角度的螺旋纏繞兩種。環(huán)向纏繞又稱為圓周纏繞，纏繞時(shí)芯模繞芯模軸線作勻速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，絲嘴小車沿芯模軸線方向作均勻直線移動(dòng)。芯模每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，絲嘴小車向前移動(dòng)一個(gè)軸向紗寬，環(huán)向纏繞主要適用于筒身纏繞區(qū)，如圖1所示。

針對(duì)四軸纏繞機(jī)的環(huán)向纏繞工藝的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如表1所示，從環(huán)向纏繞規(guī)律可知，環(huán)向纏繞工藝為兩軸插補(bǔ)纏繞運(yùn)動(dòng)。

螺旋纏繞：纏繞過(guò)程中的芯模繞自己軸線規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)（數(shù)控纏繞機(jī)），針對(duì)大長(zhǎng)徑比的芯模，芯模在筒身段做勻速運(yùn)動(dòng)，在前后封頭做加減速運(yùn)動(dòng)；繞絲頭按特定速度規(guī)律沿芯模軸線方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，繞絲頭在筒身段作勻速運(yùn)動(dòng)、繞絲頭在前后封頭做勻加減速運(yùn)動(dòng)；絲嘴伸臂軸和絲嘴旋轉(zhuǎn)軸在筒身段靜止，在前后封頭做勻加減速運(yùn)動(dòng)；如此反復(fù)，纖維鋪覆在圓柱體芯模表面上實(shí)現(xiàn)螺旋纏繞，零度縱向螺旋纏繞示意如圖2所示，零度縱向螺旋纏繞運(yùn)動(dòng)規(guī)律如表2所示。

2.1.2" 纏繞機(jī)床性能

數(shù)控纏繞機(jī)不同于傳統(tǒng)數(shù)控加工中心，傳統(tǒng)數(shù)控加工中心的運(yùn)動(dòng)加工刀具為恒定載荷，而纏繞機(jī)的加工工件纏繞芯模在數(shù)控系統(tǒng)中為刀具一部分，纏繞程序不同于模具數(shù)控銑削程序。立式加工中心進(jìn)行模具數(shù)控銑削過(guò)程中，隨同加工刀具運(yùn)動(dòng)的動(dòng)載荷是恒定的，常采用勻速進(jìn)給率進(jìn)行銑削加工，變化進(jìn)給率將造成銑削刀具的折斷和加工精度損失，這種情況下數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)置可以一次性設(shè)置完成。

纏繞制品生產(chǎn)過(guò)程中，數(shù)控纏繞機(jī)床主軸負(fù)載與絲嘴運(yùn)動(dòng)各軸一同參與纏繞生產(chǎn)，如果機(jī)床加載芯模重量不同，機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)置需要重新調(diào)試。纏繞過(guò)程中的主軸、小車、伸臂軸和絲嘴旋轉(zhuǎn)頻繁進(jìn)行加減速，體現(xiàn)在纏繞程序各行的進(jìn)給率變化非常大，不同于模具銑削程序的恒定進(jìn)給率?；诖?，數(shù)控纏繞機(jī)床各軸行程決定纏繞制品大小，各軸加速度和速度性能決定了纏繞效率，數(shù)控纏繞機(jī)床與數(shù)控銑削機(jī)床參數(shù)如表3所示。

數(shù)控纏繞機(jī)床屬于小批量特種機(jī)床設(shè)備，纏繞機(jī)的技術(shù)參數(shù)由制品的工藝要求所決定。典型纏繞工藝的數(shù)控纏繞機(jī)床技術(shù)參數(shù)如表4所示，表中的主軸性能、小車性能、伸臂性能、絲嘴旋轉(zhuǎn)性能主要指電機(jī)功率配置、額定運(yùn)行速度、額定運(yùn)行加速度。

典型四軸數(shù)控纏繞機(jī)床的小車在封頭兩端之間進(jìn)行反復(fù)規(guī)律運(yùn)動(dòng)，時(shí)間-速度曲線為等腰三角形或等腰梯形，即小車速度從前封頭端部零速勻加速到最大速度，隨后勻減速到從后封頭端部零速。典型環(huán)向纏繞和螺旋纏繞的四軸數(shù)控纏繞運(yùn)動(dòng)規(guī)律如表5和表6所示。

2.1.3" 機(jī)床性能測(cè)試

如果要實(shí)現(xiàn)高速光順的纏繞程序編程問(wèn)題，首先需要了解數(shù)控纏繞機(jī)各軸的額定加速度和速度，以及典型纏繞工藝的纏繞時(shí)間問(wèn)題。本文介紹了一種通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單纏繞程序?qū)?shù)控纏繞機(jī)各軸運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行測(cè)試的方法，將測(cè)試各軸性能用于纏繞程序的實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中。

針對(duì)單一數(shù)軸在兩點(diǎn)之間的反復(fù)運(yùn)動(dòng)，其時(shí)間-速度曲線必為等腰三角形或等腰梯形，可以根據(jù)其速度增量除以時(shí)間，大致得到加速度值，其等腰三角形或等腰梯形的圓角處為起步和剎車的過(guò)渡圓弧，時(shí)間大小反映為起步的反應(yīng)快慢。通過(guò)編程方式測(cè)量加速度時(shí)，只需要調(diào)整兩點(diǎn)行程和速度值，將等腰梯形時(shí)間-速度曲線調(diào)整為等腰三角形時(shí)間-速度曲線，找到其三角形時(shí)間速度曲線的臨界行程和實(shí)際速度值，即可以計(jì)算出加速時(shí)間和加速度大小，如公式（1）所示。

t=v/αs1=αt22s1=v22α2s1=2×v22αS=2s1α=v2/S

（1）

式中，t為勻加速時(shí)間；v為勻加速速度；α為勻加速度；s1為勻加速位移；S為勻加減速位移。加速度測(cè)量示意如圖3所示。

以西門子數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控語(yǔ)言為例，給出數(shù)控纏繞機(jī)的加速度測(cè)試程序，如表7所示。

另外，可以根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)自帶的程序跟蹤功能進(jìn)行加速度測(cè)量，如圖4所示。

2.1.4" 加速與速度比

數(shù)控纖維纏繞機(jī)的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)性能在于各軸的加速度大小，設(shè)置加速速度比為，加速度數(shù)值通常比速度數(shù)值大若干倍，才能達(dá)到較理想的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算方法如公式（2）所示。

S=v2maxα

α=kv×vmaxS=vmaxkv，t=1kv

（2）

式中，S為勻加減速位移；vmax為機(jī)床數(shù)軸額定度；α為勻加速度；kv為加速速度比；t為加速時(shí)間。

例如，小車直線軸的加速速度比的加速行程影響表，當(dāng)小車加速度為10 m/s2且小車速度為1.0 m/h，小車的加減速行程為100 mm，此時(shí)封頭高度75 mm，即小車運(yùn)動(dòng)到壓力容器前赤道面處時(shí)，達(dá)到小車額定速度。

由此可見(jiàn)，數(shù)控纏繞機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能主要取決于加速速度比或加速時(shí)間，小車直線軸和主軸旋轉(zhuǎn)軸加速速度比的加速行程影響如表8和表9所示。

2.1.5" 機(jī)床顯示面板

在程序試?yán)p繞中，實(shí)時(shí)觀察數(shù)控纏繞機(jī)的顯示面板。如果進(jìn)給率值可以達(dá)到程序設(shè)計(jì)值，代表數(shù)控纏繞機(jī)具備給定額定速度的運(yùn)行能力；如果進(jìn)給率值時(shí)間保持長(zhǎng)，代表時(shí)間速度曲線為梯形曲線。這時(shí)修改程序中兩點(diǎn)距離，再次試?yán)p繞。如果進(jìn)給率值可以達(dá)到程序設(shè)計(jì)值并立刻降低，則代表時(shí)間速度曲線為三角形曲線。這時(shí)應(yīng)用勻加減速公式即可大致計(jì)算出此數(shù)控軸的物理加速度，數(shù)控纏繞機(jī)的操作顯示面板如圖5所示。

2.1.6" 進(jìn)給率的倍率

在纏繞程序試?yán)p繞中，為了測(cè)試機(jī)床匹配的運(yùn)動(dòng)速度，通常以調(diào)整倍率方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)給率可以調(diào)整范圍通常在0 %-120 %之間，進(jìn)給率倍率調(diào)整的直觀結(jié)果是速度按比例降低。調(diào)整進(jìn)給率倍率對(duì)于程序的運(yùn)行時(shí)間和加速度的影響如公式（3）所示。

s=vt2

sk%=vk%tk%2

s=sk%tk%=vtvk%vk%=vk%tk%=tk%

αk%=vk%tk%=v·k%t/k%

α=vt

（3）

式中，s為勻加速位移；v為勻加速速度；t為勻加速時(shí)間；sF%為調(diào)整倍率后勻加速位移；vF%為調(diào)整倍率后勻加速速度；F%為進(jìn)給率倍率調(diào)整百分比；tF%為調(diào)整倍率后勻加速時(shí)間；αF%為進(jìn)給率倍率調(diào)整后的加速率。由此可知，進(jìn)給率倍率調(diào)整后的纏繞時(shí)間為調(diào)整前纏繞時(shí)間除以調(diào)整倍率，纏繞加速度為調(diào)整前纏繞加速度乘以調(diào)整倍率平方。進(jìn)給率倍率調(diào)整對(duì)時(shí)間、加速度的影響如圖6、表10和圖7所示。

2.2" 高速纏繞程序編程

如果要實(shí)現(xiàn)高速高效纏繞程序編程，工程師不僅要知曉纏繞線型的軌跡特性，也要知曉基于數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)的絲嘴運(yùn)動(dòng)軌跡特性。高速高效纏繞程序需要關(guān)注以下方面：（1）合理的環(huán)縱纏繞時(shí)間；（2）合理的控制程序行數(shù)；（3）合理的機(jī)床參數(shù)設(shè)置；（4）合理的時(shí)間速度曲線。

工程師需要了解的數(shù)控纏繞機(jī)技術(shù)參數(shù)包括送紗速度、各軸行程、各軸速度、各軸加速度，典型產(chǎn)品的環(huán)向纏繞工藝時(shí)間和螺旋纏繞工藝時(shí)間。高速高效的纏繞程序優(yōu)化主要根據(jù)纏繞時(shí)間技術(shù)參數(shù)，合理優(yōu)化控制程序行數(shù)、主要運(yùn)動(dòng)軸的時(shí)間-速度曲線，合理進(jìn)行機(jī)床參數(shù)設(shè)置。

2.2.1" 合理的環(huán)縱纏繞時(shí)間

纏繞工藝時(shí)間是纏繞機(jī)設(shè)計(jì)制造的基本技術(shù)參數(shù)。環(huán)向纏繞工藝可以實(shí)現(xiàn)正纏繞角+α的正向單層環(huán)向纏繞、負(fù)纏繞角-α的負(fù)向單層環(huán)向纏繞以及正負(fù)纏繞角±α的雙向雙層環(huán)向纏繞。螺旋纏繞和平面纏繞兩種工藝，只能實(shí)現(xiàn)正負(fù)纏繞角±α的雙向雙層纏繞鋪層?；诮Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度力學(xué)的對(duì)稱性，環(huán)向纏繞工藝采用正負(fù)纏繞角±α的雙向雙層環(huán)向纏繞會(huì)更佳。為了方便比較不同工藝的纏繞效率，所有纏繞線型的工藝時(shí)間都采用雙向雙層的工藝時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。

2.2.1.1" 環(huán)向工藝時(shí)間

環(huán)向纏繞工藝時(shí)間指筒身段實(shí)現(xiàn)正負(fù)纏繞角±α（≈90°）的雙向雙層環(huán)向纏繞工藝時(shí)間。環(huán)向纏繞時(shí)，如果數(shù)控纏繞機(jī)在前后赤道面具有良好掉頭轉(zhuǎn)向能力，可以保持紗帶在筒身段兩端轉(zhuǎn)向時(shí)主軸轉(zhuǎn)速不減速。這時(shí)，環(huán)向工藝時(shí)間與筒身面積成正比，與工藝紗寬和送紗速度成反比。

環(huán)向纏繞工藝時(shí)間是采用送紗速度方式進(jìn)行評(píng)估的，主要考慮纏繞機(jī)的綜合運(yùn)動(dòng)性能-送紗速度。如果基于主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行纏繞程序編程，芯模直徑較大時(shí)將產(chǎn)生較高的送紗速度；送紗速度過(guò)高，在機(jī)床主機(jī)各軸可以滿足的情況下，其抽紗系統(tǒng)、張力系統(tǒng)、浸膠系統(tǒng)可能會(huì)不滿足，造成紗帶張力控制不穩(wěn)定、飛膠和甩膠問(wèn)題。環(huán)向工藝時(shí)間計(jì)算如公式（4）所示。

Tc=2πDLcc%VFbp

（4）

式中，Tc為雙向雙層環(huán)向纏繞時(shí)間；D為芯模直徑；Lc為筒身段長(zhǎng)度；c%為覆蓋度；bp為工藝紗寬的落紗寬度；VF為纏繞機(jī)送紗速度。

通過(guò)公式（4）可見(jiàn)，數(shù)控纏繞機(jī)主軸運(yùn)動(dòng)性能應(yīng)根據(jù)合理環(huán)向纏繞工藝時(shí)間，進(jìn)行主軸載荷、行程、速度、加速度設(shè)計(jì)，以及電機(jī)功率選型、導(dǎo)軌設(shè)計(jì)、減速器配比、絲杠導(dǎo)程選型等。

2.2.1.2" 縱向工藝時(shí)間

縱向纏繞工藝包括螺旋纏繞和平面纏繞?？v向纏繞工藝時(shí)間指整體氣瓶正負(fù)小纏繞角±α的縱向纏繞工藝時(shí)間，通常情況下縱向纏繞工藝時(shí)間等于纏繞一圈時(shí)間與纏繞圈數(shù)乘積?？v向纏繞工藝時(shí)間，通常根據(jù)纏繞編程第一數(shù)軸（小車）的加速行程與小車軸向運(yùn)動(dòng)行程進(jìn)行評(píng)估。如果2倍加速行程大于等于小車軸向運(yùn)動(dòng)行程，則小車時(shí)間運(yùn)動(dòng)曲線為三角形曲線；如果2倍加速行程小于小車軸向運(yùn)動(dòng)行程，則小車時(shí)間運(yùn)動(dòng)曲線為梯形曲線。鑒于絲嘴運(yùn)動(dòng)軌跡包絡(luò)輪廓需要考慮絲嘴與芯模之間的徑向安全距離a和軸向安全距離b=a+0.5w，小車軸向運(yùn)動(dòng)行程計(jì)算如公式（5）所示。

S=H1+Lc+H2+2Hs+w

（5）

式中，S為小車運(yùn)行行程；H1為氣瓶前封頭高度；Lc為氣瓶筒身長(zhǎng)度；H2為氣瓶后封頭高度；Hs為絲嘴與芯模之間的徑向安全距離（通常按0.1～0.2倍芯模直徑D取值）；w為絲嘴前端軸向?qū)挾?。絲嘴運(yùn)動(dòng)軌跡包絡(luò)輪廓如圖8所示。

小車時(shí)間運(yùn)動(dòng)曲線形式，根據(jù)小車勻加減速位移行程判斷，如果小車勻加減速位移行程Sα大于小車軸向運(yùn)動(dòng)行程S，則為三角形時(shí)間速度曲線；如果小車勻加減速位移行程Sα小于小車軸向運(yùn)動(dòng)行程S，則為梯形時(shí)間速度曲線，小車勻加減速行程計(jì)算公式如公式（6）所示。

Sα=V2max/α

（6）

式中，sα為勻加減速行程；Vmax為小車額定速度；α為勻加速度。

小車時(shí)間速度-三角形運(yùn)動(dòng)曲線的纏繞時(shí)間公式如公式（7）所示。

S≤Sa，Vt≤Vmax，V2t=α*S

Vt=α*t1，4Vt=4t1*α，T△y=4t1T△y=4Vt/α

T△y=4*α*Sα（7）

式中，S為小車軸向運(yùn)動(dòng)行程；Sα為小車勻加減速行程；Vt為小車實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)速度；Vmax為小車額定運(yùn)行最大速度；α為加速度；t1為加速時(shí)間；T△y為小車三角形往返運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

小車時(shí)間速度-梯形運(yùn)動(dòng)曲線的纏繞時(shí)間公式如公式（8）所示。

S≥Sα，Vt=Vmax，Sα=V2max/α

Ty=4×α×Sαα+2×S-Sαvmax

Ty=4Vmaxα+2×S-SαVmax

（8）

式中，S為小車軸向運(yùn)動(dòng)行程；Sα為小車勻加減速行程；Vt為小車實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)速度；Vmax為小車額定運(yùn)行最大速度；α為加速度；Ty為小車梯形往返運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

2.2.1.3" 第一編程數(shù)軸

無(wú)論是環(huán)向纏繞時(shí)間計(jì)算，還是縱向纏繞時(shí)間計(jì)算，關(guān)鍵在于對(duì)數(shù)控纏繞機(jī)的了解，纏繞程序設(shè)計(jì)時(shí)第一數(shù)控軸、第二數(shù)控軸的選取。典型數(shù)控纏繞機(jī)的運(yùn)動(dòng)絲嘴各軸的運(yùn)動(dòng)載荷是恒定不變的，但是纏繞芯模制品載荷是可以變化的。例如，當(dāng)纏繞芯模質(zhì)量較輕（30 kg）、主軸電機(jī)功率較大且主軸加速度較大時(shí)。但是小車運(yùn)動(dòng)質(zhì)量較重（500 kg）且小車電機(jī)功率適當(dāng)且小車加速度較小，纏繞程序編程的第一數(shù)控軸應(yīng)為小車，纏繞編程的第一/第二數(shù)控軸選擇如表11所示。

2.2.2" 軌跡點(diǎn)數(shù)量影響因素

基于纖維纏繞軌跡，在考慮絲嘴與芯模表面安全距離基礎(chǔ)上進(jìn)行偏置，得到絲嘴運(yùn)動(dòng)軌跡；隨后基于芯模纏繞軌跡進(jìn)行落紗點(diǎn)取樣計(jì)算，主要參考運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)，即相鄰兩個(gè)落紗點(diǎn)之間距離；其次還需要考慮纏繞角變化率和相鄰兩個(gè)落紗點(diǎn)之間穩(wěn)定偏差角。這樣完成的纖維纏繞軌跡點(diǎn)取樣為絲嘴運(yùn)動(dòng)軌跡出紗點(diǎn)取樣提供數(shù)據(jù)支持。

絲嘴運(yùn)動(dòng)軌跡出紗點(diǎn)多少主要取決于運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)設(shè)置，運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)設(shè)置參考：（1）10 %～30 %的芯模直徑；（2）1/3-1/5的封頭高度；（3）纏繞程序行數(shù)24-36（筒身等角纏繞）。

通過(guò)纏繞運(yùn)動(dòng)程序分析可知，即使采用較大的運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)，對(duì)于纏繞角度變化程度大的封頭纏繞區(qū)域出紗點(diǎn)取樣密度也要兼顧封頭纏繞區(qū)域的曲率變化，即纏繞角變化。合理的運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)通常要保證封頭區(qū)域具有3-5個(gè)吐絲點(diǎn)：3個(gè)吐絲點(diǎn)保證近似的圓弧，5個(gè)吐絲點(diǎn)保證近似的橢圓曲線運(yùn)動(dòng)。小運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)的纏繞程序如圖9所示，大運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)的纏繞程序如圖10所示，出紗點(diǎn)取樣及出紗點(diǎn)數(shù)量計(jì)算如表12所示。

2.2.3" 軌跡點(diǎn)速度影響因素

絲嘴軌跡點(diǎn)數(shù)量及各個(gè)出紗點(diǎn)坐標(biāo)確定后，根據(jù)數(shù)控纏繞機(jī)各軸的行程、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，便可確定絲嘴運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度，絲嘴運(yùn)動(dòng)速度依賴于纏繞機(jī)床各個(gè)軸加速度。由于四軸數(shù)控纏繞機(jī)在纏繞氣瓶類壓力容器，主軸、小車、伸臂軸、絲嘴旋轉(zhuǎn)軸等各軸頻繁進(jìn)行加減速運(yùn)動(dòng)，纖維纏繞程序不同于模面銑削加工程序，每一程序行都需要有進(jìn)給率數(shù)值。鑒于此，如果數(shù)控纏繞機(jī)不能達(dá)到纏繞程序中任一行程序的進(jìn)給率，，將會(huì)造成該程序若干程序行不能按照規(guī)定速度運(yùn)行，因?yàn)槊恳怀绦蛐羞M(jìn)給率都是基于上一行進(jìn)行率進(jìn)行計(jì)算的。

絲嘴運(yùn)動(dòng)軌跡的軌跡點(diǎn)速度連續(xù)性可以基于各個(gè)機(jī)床數(shù)軸的時(shí)間-速度曲線進(jìn)行分析，合理判斷并修改機(jī)床設(shè)置參數(shù)的速度值和行加速度值。

2.2.4 "機(jī)床參數(shù)的設(shè)置問(wèn)題

在生成纏繞程序數(shù)控加工代碼時(shí)，為了控制機(jī)床各軸速度連續(xù)性，常采用行加速度控制相鄰兩個(gè)程序行的速度增量，機(jī)床設(shè)置參數(shù)中的行加速度和后置處理中的運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)將決定數(shù)控軸的最大物理加速度。纏繞加工程序中，機(jī)床各軸的程序軸加速度不能超過(guò)機(jī)床軸物理加速度，否則將影響機(jī)床運(yùn)動(dòng)連續(xù)性和平穩(wěn)性。故此，在進(jìn)行纏繞程序計(jì)算時(shí)，需要區(qū)分好程序行加速度、程序軸加速度、數(shù)控軸加速度三個(gè)概念：（1）程序行加速度（機(jī)床參數(shù)中設(shè)置并調(diào)整）；（2）程序軸加速度（通過(guò)程序運(yùn)動(dòng)分析曲線）；（3）數(shù)控軸加速度（通過(guò)帶載機(jī)床測(cè)試獲得）

為了達(dá)到光順的絲嘴運(yùn)動(dòng)，纏繞前后程序行的速度需要具有前后出紗點(diǎn)位置坐標(biāo)連續(xù)性和運(yùn)動(dòng)方向的趨向性。纏繞程序的趨向性指在機(jī)床加減速過(guò)程時(shí)，不能在減速過(guò)程中出現(xiàn)反向的加速程序行。CADWIND軟件中程序行加速度設(shè)參考表13所示。

基于CADWIND軟件中程序行加速度設(shè)置參考表可知，針對(duì)4～6軸數(shù)控纖維纏繞機(jī)，規(guī)劃纏繞程序生成時(shí)需要將機(jī)床各軸分為主次。如表13所示，芯模旋轉(zhuǎn)軸為第一數(shù)軸時(shí)，為了不影響其發(fā)揮主要作用，其絲嘴旋轉(zhuǎn)軸和絲嘴偏航軸的行加速度都大于芯模旋轉(zhuǎn)軸的的行加速度，只有這樣才能設(shè)計(jì)好一臺(tái)優(yōu)秀的數(shù)控纏繞機(jī)。小車行進(jìn)軸為第二數(shù)軸，為了不影響其發(fā)揮主要作用，絲嘴伸臂軸和絲嘴垂直軸的行加速度都大于小車行進(jìn)軸的行加速度，只有這樣才能不影響小車的正常運(yùn)行。

實(shí)際工作中，為了方便快捷生成纏繞程序，有時(shí)可以對(duì)于實(shí)際纏繞產(chǎn)品質(zhì)量、纏繞線型才采用第一數(shù)軸和第二數(shù)軸方式進(jìn)行纏繞程序計(jì)算。當(dāng)進(jìn)行環(huán)向纏繞時(shí)，機(jī)床運(yùn)動(dòng)以主軸為主，故此只需要設(shè)置芯模旋轉(zhuǎn)軸的速度、行加速度以及小車加速度即可。其它各軸速度和行加速度設(shè)置為999，即其它各軸不參與F值計(jì)算。環(huán)向纏繞的機(jī)床參數(shù)快捷設(shè)置如表14所示，螺旋纏繞的機(jī)床參數(shù)快捷設(shè)置如表15所示。

2.2.5" 軸時(shí)間速度曲線分析

如果沒(méi)有特殊要求，纏繞程序通常按最短纏繞時(shí)間設(shè)計(jì)，纏繞程序是否高速高效主要取決于程序行多少和程序行之間的速度連續(xù)性。纏繞程序的速度連續(xù)性需要通過(guò)時(shí)間-速度曲線分析得到。通過(guò)時(shí)間-速度曲線分析出程序軸加速度，其程序軸加速度不能超過(guò)機(jī)床物理軸加速度，否則將造成機(jī)床運(yùn)動(dòng)的抖動(dòng)和不光順問(wèn)題。運(yùn)動(dòng)分析曲線如圖11所示。

小車時(shí)間-速度曲線分析參數(shù)包括：（1）小車運(yùn)動(dòng)時(shí)間=纏繞時(shí)間合理；（2）程序軸加速度≤數(shù)控軸加速度；（3）曲線肩部速度=曲線底部速度；（4）曲線前肩速度=曲線后肩速度；（5）曲線加速過(guò)程/沒(méi)有反向減速

纏繞時(shí)間合理：基于運(yùn)動(dòng)分析曲線圖，纏繞1圈時(shí)間為2.25 s左右，如果纏繞圈數(shù)為50，則纏繞時(shí)間為112.5 s時(shí)間，根據(jù)軟件計(jì)算的纏繞時(shí)間判斷實(shí)際纏繞機(jī)是否可以達(dá)到。

程序軸加速度：基于運(yùn)動(dòng)分析曲線圖，小車運(yùn)動(dòng)到后封頭時(shí)的減加速段的速度差值1.2 m/s，運(yùn)動(dòng)時(shí)間0.85 s，則小車的程序軸加速度為1.4 m/s2，如果纏繞機(jī)床的小車軸物理加速度可達(dá)到，則纏繞程序則沒(méi)有問(wèn)題。

曲線肩部速度：曲線肩部速度為纖維軌跡的筒身段正向行程程序行，曲線底部速度為纖維軌跡的筒身段反向行程程序行，針對(duì)筒身中間面它們速度相等。

曲線前肩速度：針對(duì)一個(gè)纏繞循環(huán)，纏繞程序第一行為纖維軌跡的起紗點(diǎn)速度，即曲線前肩速度；纏繞程序最后一行為纖維軌跡的回紗點(diǎn)速度，即曲線后肩速度；此兩行程序位于同一個(gè)截面，速度相等。

3" 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)典型壓力容器的纖維纏繞工藝數(shù)控程序編程過(guò)程，經(jīng)常遇到纏繞程序運(yùn)動(dòng)卡頓不流暢、纏繞時(shí)間不合理等問(wèn)題進(jìn)行分析?；谛灸Ｖ睆胶头忸^高度等參數(shù)給出纏繞程序行控制方法，基于第一主運(yùn)動(dòng)軸的加速度性能給出合理纏繞時(shí)間計(jì)算方法、以及纏繞程序設(shè)計(jì)方法。通過(guò)軟件提供的纏繞機(jī)各軸的時(shí)間-速度曲線進(jìn)行速度連續(xù)性分析，解決纏繞程序運(yùn)動(dòng)卡頓不流暢、纏繞時(shí)間不合理等問(wèn)題。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］張華，王桂英，劉陽(yáng).PMAC時(shí)基控制在計(jì)算機(jī)控制纏繞機(jī)中的應(yīng)用［J］.纖維復(fù)合材料，2006（3）：45-47.

［2］逄博，陳宇寧，姜珊.基于多軸運(yùn)動(dòng)控制器-CK3M的纖維纏繞機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.纖維復(fù)合材料，2022，39（1）：105-109.

［3］劉陽(yáng)，金永根，張華.大型肘形管專用纏繞機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及纏繞工藝實(shí)現(xiàn)［J］.纖維復(fù)合材料，2016，33（1）：23- 26.