一种集成式碳纤维自动铺放装置控制系统及控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种集成式碳纤维自动铺放装置控制系统及控制方法，该系统包括主控制器、硬件I/O连接板，所述主控制器与硬件I/O连接板连接，硬件I/O连接板分别与路径控制模块和丝束管理模块连接，路径控制模块输出端与八轴主位移控制器连接，丝束管理模块的输出端与八丝束碳纤维自动铺放装置连接。本发明的集成式碳纤维自动铺放装置控制系统，采用CNCU进行集中控制的方式有利于对各分模块进行统一的配置和数据监控，特别适合丝束放置在铺放装置前端的一体化铺丝头，便于在任意复杂曲面铺放过程丝束控制与运动控制。
【专利说明】
一种集成式碳纤维自动铺放装置控制系统及控制方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及集成式碳纤维自动铺放装置控制系统及控制方法，属于铺丝领域。
【背景技术】
[0002] 作为一种不可替代的复合纤维材料制造技术的纤维铺放技术，自动纤维铺放机是 一种先进的制造设备，包含机械制造、复合材料、控制理论、自动化、机械传动和信息化等多 项先进技术，采用自动铺放方法成型的复合材料构件具有铺层角度精确、层间压力好、材料 利用率高、层间缺陷少、产品质量稳定性好、产品力学性能好、效率高等一系列优势，是大型 复杂结构件的优选成型方式。自动铺放方法能够有效地克服手工铺放过程中产品质量不稳 定、缺陷多、力学性能低以及人力投入大、有机溶剂对人体的伤害等缺点，国外自上世纪70 年代以来，开始研究自动铺放技术来取代人工铺放。美国波音公司联合Cincinnati公司 1989年研制成功自动铺丝系统并投入使用。美国Ingersoll公司1995年研制铺丝机，采用 FANUC数控系统开发了系列的各种构型铺丝机。国外的铺丝机大都把铺丝机主体与丝束控 制分开控制，且丝束一般都安装于本体的纱箱上，从丝束控制到末端铺放过程路径较长，控 制精度不高，且只能选择一种机型进行铺放，不能针对不同构型特别是复杂曲面选择不同 FMM进行铺放。而自动铺带机对于结构复杂、要求铺放角度连续变化以及铺放宽度变化的情 况无法适用，而自动铺丝机能够对每一根丝束进行单独的控制，能够实现大型复杂变角度、 变厚度、变宽度铺放，是近年来发展迅速的复合材料自动成型工艺。
[0003] 丝束自动铺放装置主要由芯模夹紧机构、铺放传动机构、铺放头构成。而铺放路径 以及成型的过程主要是通过计算机程序来控制的。目前国外主流的铺丝机以Cincinnati、 F〇rest_line等为代表，主要采用工业数控系统进行多轴同步运动控制（另外也有厂家采用 运动控制卡），而丝束的夹紧、重送、剪切等控制采用单独的PLC控制，另外国外设备丝束大 都放置在运动平台的尾端，由专门的沙箱进行丝束的温度、湿度控制，这种控制方式比较繁 琐，控制系统占用空间大，设备较为笨重，同时控制系统响应较慢，在进行比较复杂如曲率 不断变化的曲面上进行连续丝束铺放时容易因为控制系统的精度不高、冗余性大等问题造 成丝束来不及切断或是夹紧、重送，会导致产品生产过程中需要较多的人为干预，出现局部 角度不准确、局部丝束缺陷，甚至可能导致张力系统报警导致机器故障停机等。申请号 201510048582.5的一种用于复合材料自动铺放的模块化铺丝头及方法，仅仅增加的是运动 机构的自由度即机器人的自由度。
[0004] 而要想在一些曲率不断变化的曲面上进行铺放，以及纤维铺放件内壁网格形状的 加强筋的成型，我们需要铺放过程丝束控制与路径运动的高精度同步控制。
[0005] 以往专利里FMM的控制与TCM的控制往往都是物理分开的，这样降低了两个模块单 独控制的难度，对于大多数情况铺放都能适用。但是对于比较复杂的产品或者性能比较高， 对铺放角度、丝束铺层均匀性、平整性以及外形精度要求高的情况下，误差会比较大，严重 影响铺丝的质量。
【发明内容】
[0006] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种集成式碳纤维自动 铺放装置控制系统及控制方法，具有操作简单、系统稳定性好、维护方便等优点。
[0007] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种集成式碳纤维自动铺放装置控制 系统，包括主控制器、硬件I/O连接板，所述主控制器与硬件I/O连接板连接，硬件I/O连接板 分别与路径控制模块和丝束管理模块连接，路径控制模块输出端与八轴主位移控制器连 接，丝束管理模块的输出端与八丝束碳纤维自动铺放装置连接。
[0008] 作为优选，所述八丝束碳纤维自动铺放装置包含张紧模块、加热模块、冷却模块、 剪切模块、夹紧模块、重送模块和集合模块，所述张紧模块包含张力测力传感器和位移作动 器，所述张力测力传感器包括绕线辊轴和压电晶体测力头，所述位移作动器包括伺服微型 直线电机和位移头，所述位移头与张力测力传感器的绕线辊轴相连，位移头与伺服微型直 线电机连接，丝束缠绕在绕线辊轴上，伺服微型直线电机与丝束管理模块连接，当丝束张力 需要自动调整时，丝束管理模块控制伺服微型直线电机的驱动头移动从而位移头带动绕线 辊轴移动，调节丝束张力。
[0009] 作为优选，所述冷却模块包含冷风喷头和气流分配阀，所述冷风喷头用于冷却丝 束，冷风喷头与气流分配阀连接，气流分配阀通过管道与涡流管连接，涡流管通过管道与压 缩机连接，压缩机与丝束管理模块连接，丝束管理模块控制压缩机压缩空气，在涡流管内产 生冷空气，冷空气通过气流分配阀进入冷风喷口，对丝束进行冷却。
[0010] 作为优选，所述加热模组包括红外加热并列多灯管和测温传感器，红外加热并列 多灯管和测温传感器同时与丝束管理模块连接，丝束管理模块根据测温传感器测量丝束铺 设温度，控制红外加热并列多灯管的加热温度。
[0011] 作为优选，所述夹紧模块包含夹紧轮轴、位于夹紧轮轴上的夹紧下压轮组和固定 在支撑板上的夹紧弯板，所述夹紧弯板与夹紧固定板连接，夹紧固定板上安装有若干个夹 紧气缸，夹紧气缸与丝束管理模块连接，夹紧气缸与夹紧压轮连接，通过夹紧气缸带动夹紧 压轮运动从而与夹紧下压轮组配合压紧丝束。
[0012] 作为优选，所述重送模块包含重送轮轴和固定在支撑板上的重送弯板，所述重送 弯板与重送固定板连接，重送固定板上安装有重送气缸，重送气缸与丝束管理模块连接， 重送气缸与重送轮连接，所述重送轮轴上套有重送滚筒，重送气缸运动带动重送轮移动，夹 在重送轮和重送滚筒之间的丝束通过重送滚筒带动移动。
[0013] 作为优选，所述剪切模块包含固定在支撑板上的剪切弯板和剪切固定板，剪切固 定板上安装有剪切气缸，剪切气缸与丝束管理模块连接，剪切气缸与剪切刀片连接，剪切刀 片下面垫有砧板，丝束在剪切刀片与砧板穿过，在气缸驱动下剪切刀片下移与砧板配合剪 切丝束。
[0014] -种上述的集成式碳纤维自动铺放装置控制系统的控制方法，包括以下步骤：
[0015] (1)自动铺丝设备启动，安装纱筒，人工送丝到压辊；
[0016] (2)丝束管理模块控制压缩机压缩空气，冷风喷头喷出冷却风；
[0017] (3)向路径控制模块中输入预设路径，控制器启动路径控制模块，路径控制模块驱 动八轴主位移控制器控制各自电机运动；
[0018] (4)铺丝头压下，丝束管理模块控制张紧模块、剪切模块、夹紧模块、重送模块和集 合模块工作，同时控制加热模块开始加热，开始铺丝；
[0019] (5)在铺丝过程中是否需要开窗，若是，丝束切断、重送，然后继续铺丝，若不是，继 续铺丝；
[0020] (6)判断是否已铺设到边界，若是，丝束管理模块控制剪切模块切断丝束，重送模 块继续铺丝，直到铺丝结束，丝束管理模块控制加热模块停止工作，铺丝头抬起;若不是边 界，继续铺丝，直到铺设到边界；
[0021] (7)判断是否已铺完，若是，某一层铺丝结束，判断是否所有层铺完，若是，结束停 机，若不是，进入步骤(3);若没铺完，铺丝头换向，进入步骤(4)。
[0022]在本发明中，所述的FMM(丝束管理模块)采用PLC控制器，该控制器设置的丝束控 制包括丝束的张紧模块、加热模块、冷却模块、剪切模块、夹紧模块、重送模块与集合模块， 实现任意复杂曲面自动铺放过程中丝束的恒张力与恒温恒湿环境，以及随着路径轨迹运动 对单个丝束的提前剪切、夹紧与重新送丝，为保证各丝束间的间隙满足工艺要求还要保持 持续地对丝束进行密排控制。
[0023]在本发明中，所述的TCM(路径控制模块)采用数字化驱动控制器，实现xyz型多轴 联动运动平台、机器人运动平台以及两轴工件翻转与移动平台的位移控制。所述的CNCU集 成了 FMM与TCM的核心处理器，用于对其发送内部子代码与外部子代码，并对各模块数据进 行实时闭环控制处理，突出优点是采用同一个NCU因此数据误差小，信号传递频率高，响应 快，能够保证丝束铺放过程中更高地丝束控制与路径匹配的同步性，从而提高控制系统的 精度与效率。采用同一 NCU作为中央控制大脑将外部程序指令编译成FMM与TCM可识别的信 号并采用"前看"（Forsee)提前验证当前状态下往后一段时间的控制准确度，同时结合纤 维自动铺放装置放置于纤维铺放机伸臂的前端，来缩短控制系统的传递路径，并根据实际 情况进行纤维自动铺放装置的优选。TCM的数字驱动核心处理单元集成在CNCU上，通过CN⑶ 接收外部程序指令进行前后、左右、上下、俯仰、滚动、偏航六个方向的运动控制。
[0024]根据被加工件确定多轴机架运动平台选型指标数据，通常地对于2m尺寸范围的复 杂型面工件优选机器人运动平台作为丝束铺放装置的路径运动本体;对于尺寸超过2m的大 型复杂工件优选xyz型多轴联动运动平台作为丝素铺放装置的路径运动本体，必要时配合 工件两轴运动平台；需要说明的是在某些情况下当工件尺寸大于2m时，可以在机器人运动 平台下方增加直线导轨方式来增大铺放行程，这样能够节省安装空间。
[0025] 在本发明中，八轴主位移控制器可以控制八个伺服电机，八个伺服电机具有八个 自由度，在铺放头末端增加了两个自由度，可以适用机器人、龙门机、落地镗、桥式机等。
[0026] 在本发明中，中央数字控制单元(CNCU，Central Numerical Control Unit)，将 FMM与TCM集成到CNCU，每段路径铺放时，CNCU同步给FMM与TCM发放指令，各模块再将指令编 译后发送到各自的驱动控制器，实现丝束铺放过程路径与丝束控制，完成丝束铺放过程各 工艺参数的协同控制。各模块将实时数据同步返回到CNCU，CNCU进行数据实时比对处理，实 现闭环控制。本发明所优选的自动丝束铺放装置控制系统及方法采用集成控制方式将FMM 与TCM集成闭环控制，采用同一CNCU进行指令控制与数据的闭环处理，能够适用于龙门结 构、桁架式结构、落地镗以及机器人运动平台等多种丝束自动铺放装置的控制，能够满足各 种复杂曲面的丝束铺放过程控制，集成式控制系统采用同一CNCU大幅提高了铺丝过程的精 度与效率，降低了出错的几率。
[0027] 有益效果:相比现有技术，本发明具有以下优点：
[0028] 1、本发明的控制系统包括CNCU(主控制器）、FMM与TCM，FMM与TCM分别采用PLC控制 器与工业数字驱动控制器进行控制，两个控制器的核心处理器都集成在CNCU，每段路径铺 放时由CNCU对各模块下发指令参数并实行数据监控与闭环处理，这种集成控制方式能够有 效提高控制系统的精度与效率；
[0029] 2、采用同一 NCU进行FMM与TCM控制，铺放过过程由NCU对外部程序进行统一编译， 将编译好的信号与我们事先定义好的FMM与TCM的代码与状态进行逐一匹配，根据匹配结果 控制相应的驱动器动作；
[0030] 3、我们的FMM模块集成在铺放头的前端，这样既可以缩短控制系统的响应时间，提 高控制精度，避免由于响应慢而导致丝束延时剪切或夹紧重送或是集合等操作；同时还可 以根据产品实际复杂程度在铺放过程中替换不同丝束数量的FMM模块实现精准铺放；
[0031] 4、我们在NCU编译外部数控程序时，采用了前看闭环处理方法，具体地，NCU总是编 译当前状态往后一个固定时间段的程序，并将它发送给FMM与TCM模块，后者根据当前位置 的状态信息按照预设过程进行偏差分析，判断是否满足预先设定的精度要求，如不满足即 采用最小二乘法进行优化迭代，直至满足精度为止。
【附图说明】
[0032]图1机器人运动平台控制原理图。
[0033] 图2机器人平台控制系统结构组成图。
[0034] 图3为FFM模块PLC原理图。
[0035] 图4为八丝束碳纤维自动铺放装置的结构示意图。
[0036] 图5为图4中剪切模块的结构示意图。
[0037]图6为图4中重送模块结构示意图。
[0038]图7为图4中夹紧模块的结构示意图。
[0039]图8为冷却模块的结构示意图。
[0040]图9为张紧模块的结构示意图。
[0041 ] 图10为FMM模块丝束控制PLC流程图。
[0042]图11为TCM模块路径控制流程图。
[0043]图12为机器人运动平台运动方式说明图。
【具体实施方式】
[0044]如图1和图2所示，本发明的一种集成式碳纤维自动铺放装置控制系统，包括主控 制器、硬件I/O连接板，所述主控制器与硬件I/O连接板连接，硬件I/O连接板分别与路径控 制模块和丝束管理模块连接，路径控制模块输出端与八轴主位移控制器连接，丝束管理模 块的输出端与八丝束碳纤维自动铺放装置连接。八轴主位移控制器分别与工作运动平台和 六轴机架运动平台连接，工件运动平台为丝束铺设装置中的水平伺服电机和竖直伺服电 机，六轴机架运动平台为KUKA机器人，控制器采用KR-C4，FMM采用西门子PLC-S300控制器， 路径管理模块采用西门子S120数字驱动控制器，CNCU采用西门子840DSL。
[0045] 在本发明中，所述八丝束碳纤维自动铺放装置包含张紧模块、加热模块、冷却模 块、剪切模块、夹紧模块、重送模块和集合模块。八丝束碳纤维自动铺放装置的一种结构如 图4所示，八丝束碳纤维自动铺放装置包含支撑盘14,所述支撑盘14上安装有丝束恒温箱 13,丝束恒温箱13内设有若干个丝筒组件12,丝筒组件12绕固定在支撑盘14上的丝筒心轴 11转动，所述丝束恒温箱13顶部安装有竖直铺丝头旋转轴8,竖直铺丝头旋转轴8与竖直伺 服电机9连接，竖直铺丝头旋转轴8-端与水平铺丝头旋转轴10连接，水平铺丝头旋转轴10 与水平伺服电机连接，水平铺丝头旋转轴10与丝束恒温箱13固定连接;所述丝筒组件12上 的丝束穿过位于支撑盘14下方的丝束导向装置后依次进入转向架2、夹紧模块3、重送模块 4、剪切模块5后，通过引导丝束的导路沟槽集合成丝带，通过加热模组7和施压模块6,丝束 被压紧在工件表面，所述夹紧模块3、重送模块4、剪切模块5均固定在支撑板上，支撑板一端 与转向架2连接，另一端与施压模块6连接，丝束导向装置为丝束导向滚轮15,转向架2设有 丝束轨道。
[0046] 在本发明中，所述施压模块包括圆柱形施压滚子和驱动力矩电机，圆柱形施压滚 子安装在连接板上并通过驱动力矩电机绕连接板转动，连接板与支撑板14连接。所述加热 模组包括红外加热并列多灯管20、测温传感器，红外加热并列多灯管20外的壳体与连接板 连接，丝束管理模块同时与红外加热并列多灯管20和测温传感器连接，通过测温传感器实 时检测加热模块热量产生的温度，通过丝束管理模块控制红外加热并列多灯管20,使得加 热模块产生的温度在一个范围内波动，使得铺丝效果更好。
[0047]在本发明中，如图9所示的张紧模块，包括位于支撑盘14上的若干个张力测力传感 器和位移作动器，所述张力测力传感器包括绕线辊轴21和压电晶体测力头22,所述位移作 动器包括伺服微型直线电机23和位移头24,所述位移头24与张力测力传感器的绕线辊轴21 相连，位移头24与伺服微型直线电机23连接，伺服微型直线电机与丝束管理模块连接，丝束 缠绕在绕线辊轴21上，当丝束张力需要自动调整时，丝束管理模块控制伺服微型直线电机 23的驱动头移动从而位移头24带动绕线辊轴21移动，调节丝束张力，这样可实现丝束恒张 力，避免丝束抖动。
[0048] 在本发明中，如图8所示的冷却系统，包括位于支撑板14上的若干个冷风喷头61， 冷风喷头61与气流分配阀62连接，气流分配阀62通过管道与涡流管63连接，涡流管63通过 管道与压缩机64连接，压缩机64与丝束管理模块连接，通过压缩机64压缩空气，在涡流管63 内产生冷空气，冷空气通过气流分配阀62进入冷风喷口，对丝束进行冷却，目的是丝束传送 过程中采用涡流管产生冷风对丝束进行冷却，目的是保持丝束在传送过程中保持一定的强 度，不发生软化。
[0049] 在本发明中，所述丝筒组件12包含丝筒，丝束缠绕在丝筒表面，丝束层与层之间通 过塑料薄膜隔开，丝筒套在丝筒心轴11上，丝筒通过丝筒驱动电机驱动丝筒转动放丝，每个 丝筒组件12旁边设有剥膜辊轴16，丝束间塑料剥膜由剥膜辊轴16缠绕收集。
[0050] 在本发明中，如图7所示，所述夹紧模块3包含夹紧轮轴31、位于夹紧轮轴31上的夹 紧下压轮组37和固定在支撑板上的夹紧弯板32,所述夹紧弯板32与夹紧固定板33连接，夹 紧固定板33上安装有若干个夹紧气缸34，夹紧气缸34与丝束管理模块连接，夹紧气缸34通 过夹紧压轮架35与夹紧压轮36连接，通过夹紧气缸34带动夹紧压轮36运动从而与夹紧下 压轮组37配合压紧丝束。
[0051]在本发明中，如图6所示，所述重送模块4包含重送轮轴41和固定在支撑板上的重 送弯板46，所述重送弯板46与重送固定板45连接，重送固定板45上安装有重送气缸43，重送 气缸43与丝束管理模块连接，重送气缸43与重送轮44连接，所述重送轮轴41上套有重送滚 筒，重送气缸43运动带动重送轮44移动，夹在重送轮44和重送滚筒之间的丝束通过重送滚 筒带动移动。
[0052]在本发明中，如图5所示，所述剪切模块5包含固定在支撑板上的剪切弯板53和剪 切固定板52,剪切固定板52上安装有剪切气缸51，剪切气缸51与丝束管理模块连接，剪切气 缸51与剪切刀片54连接，剪切刀片54下面垫有砧板55，丝束在剪切刀片54与砧板55穿过，在 气缸驱动下剪切刀片54下移与砧板55配合剪切丝束。
[0053]在每段路径铺放前，CNCU接收外部程序NC代码，将其中的xyz以及ABC等各轴运动 指令发送给TCM的数字驱动控制器，经编译后发送给各轴伺服电机，驱动各轴伺服电机运 动，从而实现丝束铺放装置的运动；同步地，CNCU将NC代码中FMM输入指令发送给PLC控制 器，PLC控制器根据控制指令将输入映像寄存区定义为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），从而FMM的各分模块如剪切分模块、夹紧分模块等就收到相应 的开关量控制信号，从而驱动剪切气缸或是电磁阀开关或是闭合，进而实现丝束的单独控 制。在丝束铺放装置运动的过程中，PLC不断地扫描外部端子（即CNCU)的控制指令从而变化 映像寄存区的数值1或〇来控制丝束的各种状态。
[0054] 1、FMM 控制
[0055] FMM采用PLC控制器实现丝束的张紧、加热、冷却、剪切、夹紧、重送、集合等，其具体 功能包括张紧模块力矩电机控制、加热模块温度控制、冷却模块吹风速度控制、剪切模块剪 切气缸运动控制、夹紧模块气缸运动控制、重送模块重送电机控制、集合模块密排控制等。
[0056] 铺放装置在每段路径铺放前，CNCU对外部NC程序进行指令识别，将其中FMMPLC控 制指令相关的数控代码经过D/A(数/模转换)编译成模拟信号发送给各分模块的电机驱动 器、电磁阀等。铺放过程中CNCU实时监测FMM的各分模块的映像寄存区数值，以判定是否与 路径运动过程工艺参数相同。CN⑶(CN⑶)与FMMPLC的通信协议主要包括:FMM单元控制代码 定义、时间节点控制制定定义以及当前时刻工作状态定义。
[0057] 1-1、FMM控制代码定义
[0058] FMM单元实现丝束的张紧、加热、冷却、剪切、夹紧、重送、集合等控制，在每段路径 铺放前，在PLC映像寄存区CN⑶读取数值并通过外部NC程序发送内部驱动子代码，NC程序中 对各控制动作定义如下。其中10 . X、Q0 . X分别是第一个丝束PLC控制的输入输出地址，I 1.X、Q1 .X分别是第二根丝束PLC控制的输入输出地址，In. x、Qn. x分别是第n根丝束PLC控制 的输入输出地址，见表1所示。原始控制代码T、H、F、C、P、R、I在NC编程时选取西门子M代码库 中的代码进行替换，便于数控系统统一控制。
[0059] 表1FFM模块丝束代码定义
[0061] 1-2单元时间节点控制定义
[0062] -段路径铺放过程中，FMM执行的单元时间节点控制代码存储在PLC的映像寄存区 中，铺放过程中由CNCU下发控制指令，其通信协议定义如表2所示。
[0063] 表2FMM模块时间节点定义
[0065] 1-3FMM(FMM)当前工作状态定义
[0066] 为提高丝束铺放过程控制精度，CNCU单元实时监控FMM单元，对其数据进行闭环处 理。FFM单元的工作状态存储在映像寄存区，供CNCU读取，其当前工作状态定义如图所示。以 第一根丝束为例，表3定义了各种状态，如0000000表示当前状态在进行初始化，FMM模块等 待CNCU指令;1110001表示CNCU给FMM下发了指令，同时也给TCM单元下达了指令，铺放装置 开始铺放；1110001表示正常铺放，FFM模块除剪切、夹紧与重送模外不工作外，其他模块正 常工作；1001100表示铺放路径已经达到边缘，剪切气缸运动，切刀切断丝束，同时夹紧气缸 运动夹棍夹紧丝束，在此过程中保持丝束张力不变，张紧力矩电机持续工作；1000010表示 铺放装置已经准备好从铺放路径边缘开始铺放，重送电机运动，夹紧气缸卸载，丝束重新被 运送至末端执行器；1110001表示铺放头转向，在此过程中剪切、夹紧、重送模块停止工作， 其他正常工作；1000000表示一段铺放路径结束，保持丝束张力，附图3为PLC控制器控制其 中一路丝束的原理图。
[0067] 表3FMM当前工作状态定义
[0069] 2、1^控制（111〇
[0070] 采集需要铺放的构建的几何信息，然后根据构建的不同几何特征，选择相应的理 论模型，接着根据铺放的工艺要求，进行铺丝的轨迹规划设计，将规划的轨迹采用特定的文 件格式进行输出。导入八轴主位移运动控制器，控制器对六轴机架运动平台，以及二轴工件 样板翻转和移动运动平台的控制。
[0071] 采用现有的CAM软件如UG等基于工件三维模型编写NC程序，西门子数控系统的 CNCU读取NC程序代码，从中提取路径相关的指令，通常表述为XYZABCUW坐标值，CN⑶通过内 部多轴算法将XYZ线性运动与ABC转动转化为机器人易于识别的PTP数据，myrobot与kuka机 器人的mxAutomation进行通信，通过西门子数字驱动系统S120对kuka机器人电机驱动器下 发运动指令。CN⑶与TCM的通信协议主要包括:NC代码定义与传输，坐标变换定义，TCM模块 当前工作状态定义。
[0072] 2-1NC代码定义与代码传输
[0073]本发明控制程序采用当前主流的CAM软件进行编写，其产生的NC代码中空间任意 点坐标值表达为&，7,2,4,8,〇，而机器人运动平台中任意点位置表达为？(心，42,43，六4，八 5， A6)，两者之间用转换矩阵进行映射关系。
[0074] 2-2坐标变换定义
[0075] KUKA机器人自带的运动控制器KR-C4有着机器人控制精度不高，编程复杂不方便， 控制响应速度慢等特点，采用西门子CNCU进行控制时，通过坐标变换将NC代码中的 (xi，yi，zi，Aj，Bj，Cj)转换成机器人运动的点坐标值（Aii，A2i，A3i，A4j，Asj，A6j)。具体 地，{A1;，m A5J，AJ = [ 7, 2；r, 4/, ? { Xl，7i，zt，A" B,，C, }，其中 a' P' n 0 Q J) T= ^ 1 ^ 1 ^=(3\七，32)是机器人执行末端即铺放装置坐标系的偏航向量;]1=(1^， n 〇 a p 0 0 0 1 ny，nz)是机器人执行末端即铺放装置坐标系的俯仰向量;〇 =(~，~，〇2)是机器人执行末端 即铺放装置坐标系的回转向量，口="咖^)是机器人执行末端即铺放装置坐标系的当前 位置向量。
[0076]
[0077] 2-3TCM模块当前工作状态定义
[0078] 铺放路径过程中，CNCU提前读取(本实施例设定为100行)NC程序，识别其中的路径 相关数据通过坐标转换成机器人末端执行的位置值与位置向量，将其与当前工作状态进行 运算，判定路径是否光滑以及路径是否与程序设定相符合。TCM模块控制流程如附图11所 示，各轴运动说明见附图12所示。
[0079] 如图10和图12所示，一种上述的集成式碳纤维自动铺放装置控制系统的控制方 法，包括以下步骤：
[0080] (1)自动铺丝设备启动，安装纱筒，人工送丝到压辊；
[0081] (2)丝束管理模块控制压缩机压缩空气，冷风喷头喷出冷却风；
[0082] (3)向路径控制模块中输入预设路径，控制器启动路径控制模块，路径控制模块驱 动八轴主位移控制器控制各自电机运动；
[0083] (4)铺丝头压下，丝束管理模块控制张紧模块、剪切模块、夹紧模块、重送模块和集 合模块工作，同时控制加热模块开始加热，开始铺丝；
[0084] (5)在铺丝过程中是否需要开窗，若是，丝束切断、重送，然后继续铺丝，若不是，继 续铺丝；
[0085] (6)判断是否已铺设到边界，若是，丝束管理模块控制剪切模块切断丝束，重送模 块继续铺丝，直到铺丝结束，丝束管理模块控制加热模块停止工作，铺丝头抬起;若不是边 界，继续铺丝，直到铺设到边界；
[0086] (7)判断是否已铺完，若是，某一层铺丝结束，判断是否所有层铺完，若是，结束停 机，若不是，进入步骤(3);若没铺完，铺丝头换向，水平伺服电机转动180°，进入步骤(4)。
[0087] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种集成式碳纤维自动铺放装置控制系统，其特征在于:包括主控制器、硬件I/O连 接板，所述主控制器与硬件I/O连接板连接，硬件I/O连接板分别与路径控制模块和丝束管 理模块连接，路径控制模块输出端与八轴主位移控制器连接，丝束管理模块的输出端与八 丝束碳纤维自动铺放装置连接。2. 根据权利要求1所述的集成式碳纤维自动铺放装置控制系统，其特征在于:所述八丝 束碳纤维自动铺放装置包含张紧模块、加热模块、冷却模块、剪切模块、夹紧模块、重送模块 和集合模块，所述张紧模块包含张力测力传感器和位移作动器，所述张力测力传感器包括 绕线辊轴和压电晶体测力头，所述位移作动器包括伺服微型直线电机和位移头，所述位移 头与张力测力传感器的绕线辊轴相连，位移头与伺服微型直线电机连接，丝束缠绕在绕线 辊轴上，伺服微型直线电机与丝束管理模块连接，当丝束张力需要自动调整时，丝束管理模 块控制伺服微型直线电机的驱动头移动从而位移头带动绕线辊轴移动，调节丝束张力。3. 根据权要求2所述的集成式碳纤维自动铺放装置控制系统，其特征在于:所述冷却模 块包含冷风喷头和气流分配阀，所述冷风喷头用于冷却丝束，冷风喷头与气流分配阀连接， 气流分配阀通过管道与涡流管连接，涡流管通过管道与压缩机连接，压缩机与丝束管理模 块连接，丝束管理模块控制压缩机压缩空气，在涡流管内产生冷空气，冷空气通过气流分配 阀进入冷风喷口，对丝束进行冷却。4. 根据权利要求2所述的集成式碳纤维自动铺放装置控制系统，其特征在于:所述加热 模组包括红外加热并列多灯管和测温传感器，红外加热并列多灯管和测温传感器同时与丝 束管理模块连接，丝束管理模块根据测温传感器测量丝束铺设温度，控制红外加热并列多 灯管的加热温度。5. 根据权利要求2所述的集成式碳纤维自动铺放装置控制系统，其特征在于:所述夹紧 模块包含夹紧轮轴、位于夹紧轮轴上的夹紧下压轮组和固定在支撑板上的夹紧弯板，所述 夹紧弯板与夹紧固定板连接，夹紧固定板上安装有若干个夹紧气缸，夹紧气缸与丝束管理 模块连接，夹紧气缸与夹紧压轮连接，通过夹紧气缸带动夹紧压轮运动从而与夹紧下压轮 组配合压紧丝束。6. 根据权利要求2所述的集成式碳纤维自动铺放装置控制系统，其特征在于:所述重送 模块包含重送轮轴和固定在支撑板上的重送弯板，所述重送弯板与重送固定板连接，重送 固定板上安装有重送气缸，重送气缸与丝束管理模块连接，重送气缸与重送轮连接，所述重 送轮轴上套有重送滚筒，重送气缸运动带动重送轮移动，夹在重送轮和重送滚筒之间的丝 束通过重送滚筒带动移动。7. 根据权利要求2所述的集成式碳纤维自动铺放装置控制系统，其特征在于:所述剪切 模块包含固定在支撑板上的剪切弯板和剪切固定板，剪切固定板上安装有剪切气缸，剪切 气缸与丝束管理模块连接，剪切气缸与剪切刀片连接，剪切刀片下面垫有砧板，丝束在剪切 刀片与砧板穿过，在气缸驱动下剪切刀片下移与砧板配合剪切丝束。8. -种如权利要求2-7任一项所述的集成式碳纤维自动铺放装置控制系统的控制方 法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 自动铺丝设备启动，安装纱筒，人工送丝到压辊； (2) 丝束管理模块控制压缩机压缩空气，冷风喷头喷出冷却风； (3) 向路径控制模块中输入预设路径，控制器启动路径控制模块，路径控制模块驱动八 轴主位移控制器控制各自电机运动； (4) 铺丝头压下，丝束管理模块控制张紧模块、剪切模块、夹紧模块、重送模块和集合模 块工作，同时控制加热模块开始加热，开始铺丝； (5) 在铺丝过程中是否需要开窗，若是，丝束切断、重送，然后继续铺丝，若不是，继续铺 丝； (6) 判断是否已铺设到边界，若是，丝束管理模块控制剪切模块切断丝束，重送模块继 续铺丝，直到铺丝结束，丝束管理模块控制加热模块停止工作，铺丝头抬起;若不是边界，继 续铺丝，直到铺设到边界； (7) 判断是否已铺完，若是，某一层铺丝结束，判断是否所有层铺完，若是，结束停机，若 不是，进入步骤(3);若没铺完，铺丝头换向，进入步骤(4)。
【文档编号】G05B19/042GK105911909SQ201610280280
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】李军利, 刘志强, 程涛
【申请人】李军利