CC BY
16
5. Понятие и принципы автоматизации процессов производства [Электронный ресурс] URL: http://arprime.ru/avtomatizacia/proizvodstvennYkh-protsessov (дата обращения 24.11.2022).
6. Фролкина А.П. Особенности автоматизации на современных предприятиях. / XIII Международная студенческая научная конференция. Студенческий научный форум - 2021.
7. Хлебенских Л.В., Зубкова М.А., Саукова Т.Ю. Автоматизация производства в современном мире. / Журнал «Молодой ученый» №16 (150), апрель 2017. С. 308 - 310.
8. Попов В.Б., Кузькина Е.А. Разработка базы данных современной организации. / Ученые записки Крымского федерального университета имени В. И. Вернадского. Экономика и управление. Том 1 (67). 2015 г. № 1. С. 128-139.
Романов Игорь Геннадьевич, аспирант, romanow-igor@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Трушин Николай Николаеви, д-р тех. наук, профессор, trunikolai@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
PROBLEMS AND PROSPECTS OF COMPUTER-Aided DESIGN IN PRODUCTION PROCESSES.
I. G. Romanov, N.N. Trushin
The direction of automated design and production of various types of products is currently actively developing in all industries. Automation allows you to save time and resources for the development of design solutions, the interaction between the structural divisions of the company, as well as the exchange of information between production workshops. The high level of automation of the finished product production process makes it possible to accumulate, systematize, and then use the rich experience of the company. In this regard, the direction of developing the information space both within the company and between its main partners, who are also involved in the production of products, is very relevant at the moment.
Key words: automation, design, scheme, enterprise, interaction, source data, products.
Igor Gennadievich Romanov, postgraduate, romanow-igor@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Trushin Nikolay Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, trunikolai@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 517.3 (06)
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-1-452-458
СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ НАТЯЖЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ИЗДЕЛИЙ МЕТОДОМ ВЫКЛАДКИ
А.П. Микитинский
В настоящее время композиционные изделия широко применяются в различных отраслях промышленности. При этом постоянно расширяется ассортимент этих конструкций, возрастают требования к их качеству. Использование выкладки изделий позволяет существенно расширить ассортимент выпускаемых конструкций. Известные методики синтеза электроприводов не учитывают особенности процессов выкладки изделий из композиционного материала, не позволяют синтезировать электроприводы с требуемыми параметрами работы. В тракте выкладки используются амортизаторы. В работе проведено исследование систем регулирования натяжения, используемых при выкладке изделий. Показано, что при наличии дополнительной обратной связи по скорости укладки ленты, удается получить систему регулирования натяжения с улучшенным качеством поддержания регулируемого параметра на заданном уровне без использования амортизаторов.
Ключевые слова: выкладка, композиционная лента, система регулирования, корректирующее устройство.
Введение. Композиционные изделия, изготавливаемые методом выкладки, находят широкое применение во многих отраслях народного хозяйства благодаря своим уникальным физико -механическим свойствам, высокой антикоррозийности, стойкости к агрессивным жидкостям, низкой теплопроводности, немагнитности, радиопрозрачности, способностью выдерживать без повреждения высокую температуру [1-4]. Потребность в композиционных изделиях в машиностроении, авиации,
судостроении, энергетике, нефтехимической промышленности растет из года в год. При этом постоянно расширяется ассортимент композиционных конструкций, усложняется их форма, возрастают требованию к качеству изделий [5]. Большой вклад в увеличение ассортимента выпускаемых промышленностью композиционных материалов, вносят и новые разработки как наполнителя, так и связующих с улучшенными характеристиками [6].
В настоящее время, при изготовлении изделий из композиционных материалов, широкое распространение получила выкладка изделий. Здесь используются два метода: Автоматизированная выкладка ленты Automated ape Laying (ATL) и автоматизированная выкладка волокон Automated Fiber Placement (AFP) [7]. В методе ATL широкая лента препрега выкладывается на оснастку и прикатывается специальным роликом по заданной программе с одновременной смоткой защитной подложки на отдельную катушку. Метод AFP отличается тем, что в нем вместо широкой ленты используется лента из узких полосок композиционной ленты (препрега), которая собирается в единую ленту на выходе выкладочной головки. Каждая полоска препрега может подаваться и обрезаться независимо от остальных, что позволяет варьировать ширину подаваемой на оснастку ленты и выкладывать поверхности сложной формы. Для сложных поверхностей в AFP установках обычно используют роботизированную «руку» с большим количеством степеней свободы, тогда как при ATL выкладке используют, в основном, портальную конструкцию с горизонтальной балкой, которая позволяет выкладывать большие, но несложные по форме детали.
Существует два вида подачи материала на головку выкладки. При первом бобины с препрегом закрепляются вне станка. При втором, материал закрепляется на выкладочной головке. Схематический тракт движения композиционной ленты, при котором бобины с препрегом расположены на выкладочной головке, показан на рис. 1. Композиционный материал сматывается с бобины с лентой. С бобиной связан электродвигатель, который подтормаживает бобину и создает заданный уровень натяжения на участке выкладки. Композиционная лента проходит через ролики 1 пружинного амортизатора, которые вращаются, но неподвижны в пространстве, закреплены на выкладочной головке, ролик 2 пружинного амортизатора, который имеет возможность перемещаться в пространстве и связан с пружиной и демпфером. Далее композиционная лента проходит датчик натяжения 3, направляющий ролик 4 и прикаточный ролик 5. На рис.1 обозначены: r0 - текущий радиус бобины; vi, v2 - линейная скорость, с которой лента сматывается с бобины и линейная скорость укладки; S'0, Si - натяжение, с которым композиционная
лента сматывается с i бобины и натяжение этой ленты на прикаточном ролике; l\ - длина тракта выкладки i - ой ленты (препрега).
Постановка задачи. Для качественного изготовления композиционных изделий методом выкладки необходимо разработать современную систему управления натяжением препрега.
Для создания и исследования такой системы следует последовательно решить ряд задач: -получить математическое описание лентопротяжного тракта с учетом основных особенностей тракта выкладки;
-обосновать структуру системы регулирования натяжения; -обосновать и рассчитать регуляторы системы регулирования натяжения.
Краткий обзор литературных источников. Математическому описанию упругой композиционной ленты и вопросам его линеаризации посвящены работы [8,9]. В [10] рассмотрены системы регулирования натяжения, используемые при намотке композиционных изделий, получены передаточные функции регуляторов и проведено исследование системы при изменении параметров в процессе намотке изделий.
Теоретическая часть. Математическое описание упругой ленты представляет собой нелинейное дифференциальное уравнение вида:
dSl dt
^ = 7^ • [(^ - Sо + EF) • (у2 +
d/l(t) ^ - Sо + EF Ч1 dSо 1 0 • vl)l + —-, 1 dt
(1)
l1(t) dt EF
где А - длина тракта намотки ленты на изделие; Е и £ - соответственно модуль упругости и площадь поперечного сечения композиционной ленты.
Дополним (1) описаниями: натяжного устройства, подтормаживающего бобину с лентой (устройство смотки ленты с бобины) и амортизатора:
dDо
3^) •
МС о =
dt
■ = -М0 + М С
го0) •По
Яо
)
т2
Ц>;
'о
dx
= У1 - *;
d Х ^ V гт 2 О
+ 2 Т; — + Х = dt dt с
(2)
где ./о(0 - приведенный момент инерции привода 2 (рис. 1); - частота вращения вала привода 2; Мо -момент, создаваемый приводом 2; Мсо - момент статического сопротивления на валу привода 2; п -КПД двигателя и редуктора с передаточным отношением /о (редуктор, расположенный между приводом 2 и бобиной с лентой 1, на рис.1 условно не показан); VII - линейная скорость ленты после амортизатора;
/ т И
Т2 =.— - постоянная времени амортизатора; ^ =.
- коэффициент демпфирования амортизатора;
с 2 • с • Т2
т - масса подпружиненного ролика; х - перемещение подпружиненного ролика в процессе работы; И -демпфирующие свойства амортизатора; с - жесткость используемой пружины.
На рис. 2 приведена структурная схема неизменяемой части объекта управления (ОУ) с линеаризованным описанием упругой ленты без амортизатора, а на рис. 3 с амортизатором. Здесь к\, к2, Т -значения коэффициентов и постоянная времени, полученные при линеаризации уравнения (1).
На рис. 4 приведена система регулирования натяжения композиционной ленты при использовании в качестве электродвигателя синхронного двигателя с постоянными магнитами.
Дт,
а
ОУ
—
ш
I
и
да,
1
дм,
¿V,
Тхр + \
го
'»■ По
Д5. -Ы-
Рис. 2. Структурная схема неизменяемой части объекта регулирования без амортизатора
454
о
Ау.Г ОУ
-*• К
к2 Г,
-^ т,р+1
дм,
1 Г0 "Ч
>1 ^ /0 щ
2 -р
ТгР1 +2 £-Т2 -р+1
&мг
'и-1,1
Рис. 3. Структурная схема неизменяемой части объекта регулирования с амортизатором
РЪ1 о рсо I
__Млдп
Рис. Структурная схема системы регулирования натяжения при выкладке изделий
из композиционных материалов
Представленная система построена по принципу по принципу подчиненного управления и содержит внутренний контур тока с регулятором №рТО, контур скорости с регулятором Щ>СО и контур натяжения композиционной ленты с регулятором На рисунке введены обозначения: кОга 0, к0СС 0, кОСТ 0 - соответственно коэффициенты обратных связей контуров натяжения, скорости и тока; кПо, ТПо -коэффициент усиления и постоянная времени транзисторного преобразователя частоты; Яо, Тмо - сопротивления двигателя и постоянная времени обмотки статора; кмо - коэффициент, связывающий значение тока статора с моментом на валу двигателя.
Отметим, что таких систем на выкладочной головке может быть несколько (в нашем случае Ы). Особенностью их построения является то, они имеют общее входное воздействие (Ду2), но не имеют внутренних перекрестных обратных связей.
Получим передаточные функции регуляторов системы регулирования натяжения.
Передаточные функции регулятора тока и скорости являются стандартными:
ЖРТ (р) = - (Тмо р + 1)
(р) =
кОСТ о' ¿0
4 ' ' кОСС 0 ' кМ
р' 2Тц' кпо ' кОСТ о / Яо'
Здесь Ти малая постоянная времени преобразователя и датчиков тока, скорости.
Передаточная функция регулятора натяжения без учёта использования амортизатора получена нами ранее [1о]:
(р) =_^_—.
р ' 8Тц ' Т1 ' к1 ' Го ' кСС8 о / (кОСС о ' 'о ) Отметим, что в данное выражение входит радиус го (текущий радиус бобины), который в процессе работы изменяется в зависимости от используемых бобин с препрегом.
На рис. 5,6 показаны результаты моделирования разработанной системы. При этом приняты следующие значения параметров ленты и тракта намотки: ЕЕ = 1ооо Н, го = (о,1-о,2) м, % = о,9; кОсс = о,1 Вс/рад; Ти = о,оо1 с; Т1 = 5 с постоянная времени ленты; к1 = 34ооо Нс/м; кОСх = о,о25 В/Н.
Графики моделирования работы системы регулирования натяжения при выкладке композиционных изделий, приведенные на рис. 5,6 показывают, что при включении система обеспечивает заданное значение натяжения:
при го = о,1 м за о,о45 с при перерегулировании 1,2 %; при го = о,2 м за о,о5 с при перерегулировании 8,7 %.
В момент времени о,2 с начинается процесс выкладки. Скорость движения композиционной ленты изменяется от о до о,3 м/с. При этом наблюдается изменение контролируемого натяжения:
при го = о,1 м от минус 5о Н с последующим восстановлением требуемого натяжения за 5 с; при го = о,2 м от 37 Н с последующим восстановлением требуемого натяжения за 3,7 с.
Данные показатели являются неудовлетворительными.
Работа системы существенно улучшается при использовании обратной связи по основному возмущающему воздействию - скорости выкладки v2. Обратная связь подается на сумматор, включённый между регуляторами натяжения и скорости. Передаточная функция корректирующего звена имеет вид:
&ку( Р) =
'о • кООС (8 '
V Р +1) _ (о,оо8 • р+1)
0.3 ъ - . м/с 0-2
0.1 005 0
Рис. 5. Графики моделирования системы регулирования натяжения в процессе работы
при выкладке изделий (го = 0,1 м)
VI . ,03 —
м/с
035 -01 — 0.15 -
Рис. 6. Графики моделирования системы регулирования натяжения в процессе работы
при выкладке изделий (го = 0,2 м)
На рис. 7,8 приведены графики моделирования системы регулирования натяжения в процессы выкладки изделий из композиционных материалов с использованием корректирующего устройства. Процесс включения системы не отличается от предыдущего случая. В момент времени о,о7 с начинается выкладка. Скорость движения ленты изменяется с о до о,3 м/с. В момент времени о, 12 с скорость движения ленты изменяется с о,3 до о м/с.
Моделирование показывают, что использование предлагаемого корректирующего устройства и современной системы управления позволяет отказаться от амортизатора и получить систему регулирования, которая обеспечивает поддержание натяжения композиционной ленты в процессе выкладки на заданном уровне.
при наличии обратной связи по скорости движения ленты (го = 0,1 м)
при наличии обратной связи по скорости движения ленты (го = 0,2 м)
Основные заключения и выводы:
1. Разработана структурная схема системы регулирования натяжения, которая используется при выкладке композиционных изделий.
2. Получены аналитические выражения для расчета параметров регулятора натяжения, учитывающие свойства выкладываемого композиционного материала.
3. Синтезированный регулятор и предложенное корректирующее устройство позволяют получить качественную систему регулирования без использования амортизатора.
Список литературы
1. Росато Д.В., Грове К.С. Намотка стеклонитью. М.: Машиностроение. 1969. 311 с.
2. Промышленные полимерные композиционные материалы / Под ред. М. Ричардсона. М.: Химия, 1980. 472 с.
3. Справочник по композиционным материалам: в 2-х кн. Кн. 2 / Под ред. Дж. Любина; пер. с англ. А.Б.Геллера и др.; Под ред. Б.Э.Геллера. М.: Машиностроение, 1988. 584 с.
4. Антипов Ю.В., Кульеов А.А., Пименов Н.В. Полимерные композиционные материалы. Технологии и применение // Высокомолекулярные соединения. Серия С, 2016. Т. 58, №1. С. 29-41.
5. Василевич Ю.В., Горелый К.А., Сахоненко С.В., Иванов С.Н. Технологические факторы и их влияние на качество изделий из композитов, изготовляемых методом намотки // Актуальные вопросы машиноведения. Т.4. 2015. С. 194-196.
6. Раскутин А.Е. Российские полимерные композиционные материалы нового поколения, их освоение и внедрение в перспективных разрабатываемых конструкциях // Авиационные материалы и технологии. 2017. №5. С. 349-367.
7. Гусев Ю.А., Борщев А.В., Хрульков А.В. Особенности препрегов для автоматизированной выкладки методами ATL и AFP // Электронный научный журнал «ТРУДЫ ВИАМ». 2012. №3. С. 2-13.
8. Бондарев Н.И. и др. Электромеханические системы автоматического контроля и управления натяжением ленточных материалов. М.: Энергия. 1980. 96 с.
9. Холоденко Н.О., Микитинский А.П. Решение задачи математического описания упругой ленты как объекта управления при намотке тел вращения сложной геометрической формы // Экономика, наука и образование в XXI веке: материалы III региональной научно-практической конференции ученых, студентов и аспирантов (24-25 марта 2011 г., г. Шахты). Новочеркасск: Лик. 2011. С. 376-380.
10. Mikitinskiy A., Sukhenko N. Synthesis of Adaptive Tension Control System Used in Winding of Some 'Dry' Composite Material // Products Proceedings - 2019 International Russian Automation Conference, RusAutoCon, 2019. 2019. 8867808.
Микитинский Александр Петрович, канд. техн. наук, доцент, mialexp@mail. ru, Россия, Шахты, ИСОиП (филиал) ДГТУ
THE SYSTEM OF TENSION CONTROL OF COMPOSITE MATERIAL IN THE MANUFACTURE OF PRODUCTS BY THE METHOD OF LA YING OUT
A.P. Mikitinskiy
Currently, composite products are widely used in various industries. At the same time, the range of these structures is constantly expanding, and the requirements for their quality are increasing. The use of product layouts allows you to significantly expand the range of manufactured designs. Well-known methods of synthesis of electric drives do not take into account the peculiarities of the processes of laying out products made of composite material, do not allow synthesizing electric drives with the required operating parameters. Shock absorbers are used in the layout path. The study of tension control systems used in the laying out of products is carried out. It is shown that in the presence of additional feedback on the speed of laying the tape, it is possible to obtain a tension control system with improved quality of maintaining the adjustable parameter at a given level without the use of shock absorbers.
Key words: layout, composite tape, control system, corrective device.
Mikitinskiy Alexander Petrovich, candidate of technical sciences, docent, mialexp@mail.ru, Russia, Shahty, ISOiP (branch) of DSTU
