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２０１０年第６期玻璃钢／复合材料５９复合材料热压机结构与控制设计刘林阴，杨涛，高殿斌（天津工业大学机电工程学院，天津３００１６０）摘要：复合材料经热压固化后成型，热压过程中的工艺参数如温度、压力是复合材料成型的两个重要参数，针对这两个工艺参数设计了热压机总体结构，包括夹紧结构、翻转结构、加热加压结构等，介绍了其工作原理和设计特点。控制部分采用ＰＬＣ控制电磁比例阀调节液油油压、油缸位置，对温度进行模糊自整定ＰＩＤ闭环控制，绘制出控制总体流程图。实验结果证明，复合材料构件压力、温度等能够满足工艺要求。关键词：热压机；压力；温度控制；ＰＬＣ中图分类号：ＴＨ１２２；ＴＰ２３文献标识码：Ａ———文章编号：１００３０９９９（２０１０）０６００５９０４１前言目前，先进树脂基复合材料主要成型工艺包括热压罐技术、ＲＴＭ成型技术、缠绕成型技术、拉挤成型技术、热压成型技术、自动铺放技术等。根据不同类型的复合材料，不同形状的构件以及构件质量、性能的不同要求，先进树脂基复合材料可采用不同的…成型工艺。其中热压成型工艺是将一定量的预浸料加入金属对模内，经加热、加压固化成型的工艺方法，其主要优点是：生产效率高，便于实现规模化生产；产品尺寸精度高、重复性好、能一次成型结构复杂的制品＿２Ｊ。传统的热压机种类繁多，温度和压力的控制是其关键点也是难点之一。针对这两个工艺参数，设计了复合材料热压机总体结构与控制方案，介绍了热压机机械系统的组成、工作原理和设计特点，采用ＰＬＣ控制电磁比例阀调节液油油压、油缸位置，同时ＰＬＣ对温度进行模糊自整定ＰＩＤ闭环控制。实验结果证明，复合材料构件压力、温度等能够满足工艺要求。２热压机结构设计２．１工作原理复合材料由树脂和纤维组成，其模压成型是将一定量缠绕成型的预浸料放入金属对模中，在一定的温度和压力作用下，使预浸料在模腔内受热塑化，流动并充满模腔成型固化而获得制品ｊ。要求模压成型的模具具有高强度、高精度、耐高温的特点。２．２结构设计根据工作原理，采用一个由上模和下模分开并且经过合模可组合在一起的模具，上模固定，下模在液压缸的作用下向上运动与上模合模。上模设计了固定和翻转装置，其主要动力来自四个夹紧液压缸与翻转油缸，夹紧液压缸的作用是将上模固定，避免下模加压时所引起的晃动，翻转油缸的作用是使上模进行９０度范围内任意方向翻转，方便工人对模具进行清理与安装构件。上模的上层和下模的下层装有热油板，板内排布有导油管，通过加热导热油给模具升温，温度传感器插在上模具中，便于及时反馈温度信号。２．２．１上模设计上模设计主要由三部分组成：图１上模夹紧结构示意图１一上模；２一顶紧油缸Ｆｉｇ．１Ｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｕｐｐｅｒｄｉｅｄｌａｍｐｉｎｇ（１）上模固定设计为了方便工人操作，上模部分采用单梁旋转结构，此结构的抗冲击性能差，当受到下模的压力时可能发生晃动而影响其加工精度，因此该机构设计了卡紧油缸以使上模受到下模的压力时能够很好地合模，确保加工精度。其结构图如图１所示（卡紧部分共有４个液压缸，图中显示其中两个，另外两个与之对称）。—收稿日期：２０１０￣１１５作者简介：刘林阴，硕士研究生，主要研究先进树脂基复合材料制造技术及装备。ＦＲＰ／ＣＭ２０１０．Ｎｏ．６复合材料热压机结构与控制设计２０１０年１１月（２）上模翻转安装翻转油缸对上模进行翻转，翻转油缸大小根据上模重量选择：根据：ｍ＝Ｐ×Ｖ＝ｐ×Ｌ×Ｂ×ＨＧ＝ｍｇＧ总＝（ｍ模板＋ｍ油腔＋ｍ热油＋ｍ隔热板）ｇ式中，、、分别为长、宽、高（模板、热油、油腔、隔热板）；Ｇ总为整个上模装置的总重量。则：Ｇ２０２０Ｎ根据上模板的重量可知翻转轴所要承受的压力约为２１００Ｎ。设计轴，求出轴的直径为３０ｍｍ即可。翻转机构的翻转角度为９０度，两个位置分别为水平位置和垂直位置，其动力由翻转液压缸提供，液压缸伸出杆收缩，拉动轴上伸出杆使轴旋转，即上模旋转到垂直位置；反之，液压缸伸出杆伸出，拉动轴上伸出杆使轴旋转，上模回到水平位置。为实现自动控制，放置两个限位开关反馈上模的位置，其设计结构图如图２所示。图２翻转油缸结构图１一连杆；２一油缸；３一上模Ｆｉｇ．２Ｆｌｉｐｃｙｌｉｎｄｅｒｃｈａｒｔ※：：ｉ；ｊ霉薹、ｌｌ、ＩＩ图３油腔１．热板；２－油；３一上模Ｆｉｇ．３Ｏｉｌｃｈａｍｂｅｒ（３）上模加热上下模加热部分利用循环油加热，在上模的上层安装油腔紧贴上模，其热油管道在油腔内呈蛇形ＦＲＰ／ＣＭ２０１０￣Ｎｏ：６排列，由于上模具直接固定在上模板上，所以要求上加热板底部厚度较下加热板上部厚度要大，以避免钻孔时打漏油腔造成漏油现象，其结构如图３所示。２．１．２下模设计根据工艺要求，考虑到要有高的导热率，好的加工工艺性、强度、抗氧化性、经济性等，上下模模具材料选用ＨＴ３００灰铸铁，其机械与物理指标完全可满足使用要求。下模部分由液压缸和下模板组成，通过液压缸伸出杆上的螺纹将模板与液压缸配合，液压缸通过前法兰固定在机架上，其示意图如图４所示。ｌ图４下模结构１－下模；２．机架；３一液压缸Ｆｉｇ．４Ｍｏｄｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ液压缸在启动时承载力最大，因为它不但要克服工作负载，静摩擦力，而且还要克服惯性力，根据已知条件下模总重量，液压系统定位８ＭＰａ，根据公式（１）』，初步求得压制油缸的内径，已知：Ｆ＝＇ｎ＇／４・ＤＰ（１）式中，，为公称压力，根据下模的自重和本机械用来压制复合材料制品的原因考虑，其公称压力不大，所以取Ｆ＝０．２×１０Ｎ；Ｄ为压制油缸内径，ｍ；Ｐ为压制油缸最大工作压力，Ｐ＝８ｘ１０Ｐａ。则：Ｄ＝．。１８０ｍｍ所以选择缸径为２００ｍｍ的ＦＢ型液压缸，前法兰固定。２．３设计特点本设计有别于传统方式的手动加压，所有动作都由液压缸来提供，动力源种类少，出现故障时利于检查，此热压机不单只能压制一种构件，还能压制出许多种中小型构件，只需要更换模具即可。同时，该热压机能实现多个模具同时工作，成型容易，适用于大批量生产。２０１０年第６期玻璃钢／复合材料６１３控制系统总体设计根据工艺要求与材料性能的要求，热压过程中的参数如压力和温度是关键的因素，直接影响着成①品的合格率，其主要的技术指标为：合模后压力以②１ＭＰａ／３０ｓ速率上升，升至２５ＭＰａ；压力升至２５ＭＰａ进行６０ｍｉｎ的保压之后以１ＭＰａ／３０ｓ的速率③下降至０ＭＰａ；油温升高至４５±℃３合模，然后以④６￣Ｃ／ｓ升至２００￣Ｃ进行保温；保持２００￣Ｃ１ｈ后迅速降到室温水平。３．１控制系统硬件设计３．１．１液压控制硬件设计液压系统设计要求如下：（１）顶紧油缸有足够的顶紧力，防止上模松动；（２）加压油缸加压、降压速率、保压压力在工艺要求的范围内任意可调；液压系统由大流量低压泵、小流量低压泵、先导式卸荷阀、电磁溢流阀、电磁换向阀、压力开关、储能器、液压缸等组成。液压系统主要实现对位移和速度的控制，当系统得电后，液压泵开始工作，压力油经管道进入各阀件，ＰＬＣ通过控制电磁比例阀调节液压油缸的位置与速度，油道中装有压力传感器，将压力信号变为电压信号反馈给ＰＬＣ，ＰＬＣ对反馈量与给定量进行模糊自整定ＰＩＤ控制，使压力逐步达到设定值。该设备工作过程包括若干工步并按照一定顺序自动完成，触摸屏可实时显示完成进度、压力、时间等量。液压系统控制结构如图５所示。触摸屏ｌＩ接近开关，按钮一佬ＰＬＣｌ／Ｏ上模下模图５温度、压力控制结构图１一温度系统；２一液压系统Ｆｉｇ．５Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ３．１．２温度控制系统硬件设计温度控制在热压成型过程中有着十分重要的作用，控制对象往往具有非线性、大滞后、大惯性和时变性的特点。其中，有的参数未知或缓慢变化，有的存在滞后和随机性，一般的线性或者是非线性控制很难达到理想的效果＿５Ｊ，本系统采用导热油加热方法给模具及构件升温，ＰＬＣ对温度进行适时闭环控制，采用模糊自整定算法。整个系统配以欧姆龙触摸屏ＮＳ１０．ＴＶ００Ｂ－ＥＣＶ２．１０显示温度、时间等参数，实现可编程、可视化控制。温度控制结构图如图５所示。（１）导热油加热系统和冷却系统均采用国内专业厂家生产的标准加热系统配套。触摸式导热油加热系统采用ＬＯＳ．１０型号，加热功率为１５ｋＷ，所加热油量为４０Ｌ，系统配以补充油箱用于对所损耗的热油进行补充；循环油降温采用节水型冷却控制，在加热系统内部设置水冷式油冷器，对导热油进行间接冷却，冷却功率为１３ｋＷ，外部设置一个５～１０ｔ的冷却塔，对冷却水进行循环使用，不浪费而为节水型。（２）加热过程的油温反馈信号来自插在上模中的温度传感器。温度传感器将测量信号传给ＰＬＣ的Ａ／Ｄ模块转换为数字量，根据设定的温度值，将测量值与给定值的误差输入控制器，运用模糊推理将误差进行模糊运算，即可得到该时刻的Ｋ、Ｋ、Ｋ，实现对ＰＩＤ参数的最佳调整。模糊一ＰＩＤ控制器是在ＰＩＤ参数预整定的基础上，利用模糊规则实现△△在线整定ＰＩＤ控制器的三个修正参数、、△实现对温度误差的优化控制。输出转换为模拟量加热信号，加热信号传给触发电路即执行器，触发电路再将信号传递给可控硅，控制可控硅的输出电压给构件加热。温度控制结构图如图５所示。本—文采用欧姆龙ＣＰ１ＨＸＡ４０ＣＤＲ－Ａ型号ＰＬＣ对温度误差进行ＰＩＤ控制，Ｐｎ、Ｃｎ、Ｅｎ、Ｍｎ分别为模拟量Ｐ（ｔ）、Ｃ（ｔ）、Ｅ（ｔ）、Ｍ（ｔ）在第ｎ次采样的数字量。ＰＩＤ控制由ＰＬＣ内部的ＰＩＤ指令梯形图实现。闭环控制系统如图所示６所示。被控对象传感器图６基于ＰＬＣ的闭环控制系统Ｆｉｇ．６ＴｈｅｃｌｏｓｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｒｍｂａｓｅｄＯｉｌＰＬＣ３．２控制系统软件设计本系统的设计以顺序控制为主线，将整个系统的设计过程按照一定的规则分解为若干系统，各个系统的连接通过ＰＬＣ控制。根据实际情况，可将控制系统分为翻转系统、夹紧系统、加压加热系统、卸ＦＲＰ／ＣＭ２０ｉ０．Ｎｏ．６６２复合材料热压机结构与控制设计２０１０年１１月压降温系统４个系统。每一个系统的开始与结束由接近开关动作将状态反应给ＰＬＣ，由ＰＬＣ控制系统的状态，具体控制状态流程图如图７所示。系统启动总电源启动ｌｌ各指示灯亮ＰＬＣ，ＳＲ９３等得电ｌＩ模具中安装构件启动按钮，翻转油缸启动，合模ｉ一～翻转油缸末端限位开关Ｉ—固定上模ＩＬｔ一夹杂油缸末端匿位开关℃导热油加热，以６升至２００＂Ｃ保温Ｎ加压油缸动作压力升至２０ＭＰａ保压时间继电器工作时间冷却系统工作温度迅速下降加压油缸反方向动作，释放压力Ｎ温度压力到达加紧油缸反方向动作翻转油缸动作＝＝＝＝＝＝出模，清洗模ｊ图７控制流程图Ｆｉｇ．７Ｄｉａｇｒａｍｏｆｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｃｅｓｓ—程序部分由日本欧姆龙ＣＸＰｒｏｇｒａｍｍｅｒ编程软件进行编写，在这里不多做介绍。４结束语图８复合材料最终产品Ｆｉｇ．８Ｆｉｎａｌｐｒｏｄｕｃｔｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌ该控制系统已被应用于某工厂复合材料热压成型设备中，热压成型后的最终产品如图８所示，不仅能够达到温度和压力的工艺要求，而且解决了温控系统受大惯性和干扰的影响，既能够保持模糊控制的灵活性，又具有ＰＩＤ控制精确度的特点。基于ＰＬＣ的液压控制系统具有结构简单、自动化程度高、工作可靠、故障率低的优点，可以在使用过程中灵活方便地改变热压机的温度、压力、时间等参数。参考文献［１］陈祥宝，张宝艳，刑丽英．先进树脂基复合材料技术发展及应用现状［Ｊ］．中国材料进展，２００９，２８（６）：６－１２．［２］杨涛，高殿斌，李开越．复合材料尾桨叶梁恒张力缠绕设计应用［Ｊ］．宇航材料工艺，２００８，３８（１）：２８－３０．［３］杨公源．机电控制技术及应用［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２ｏｏ５．３２．３４．［４］董永琪．我国树脂基复合材料成型工艺的发展方向［Ｊ］．纤维复—合材料，２００３，６（２）：３２３５．［５］蒋向，邓剑如．芳纶短纤维／聚氨酯树脂复合材料成型工艺研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００７，（２）：４８－５０．［６］杨承等．人造板热压机控制系统的现状及改进［Ｊ］．林业机械与—土木设备，１９９９，２７（８）：１２１４．［７］陈祥宝，李士勇．模糊控制、神经控制和智能控制论［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，１９９８．ｕ１．１ｌ９．［８］马念杰，李英明，颉爱珍．新型玻璃钢锚杆成型工艺研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００６，（１）：４２４４．［９］南新元，陈志军，程志江．基于模糊ＰＩＤ控制的电锅炉温度过程控制系统［Ｊ］．自动化学报，２００８，２９（５）：５－９．［１Ｏ］杨晓燕，孙岩．模压成型过程中的复合材料在模腔内的力学分析［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００７，（９）：１６－２０．ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＡＮＤＣｏＮＴＲｏＬＤＥＳＩＧＮｏＦＨｏＴＰＲＥＳＳＭＡＣＨＩＮＥＦｏＲＣＯＭＰＯＳｌＴＥ——ＬＩＵＬｉｎｙｉｎ，ＹＡＮＧＴａｏ，ＧＡＯＤｉａｎｂｉｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｉａｎｊｉｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００１６０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｒｅｍｏｌｄｅｄｂｙｈｏｔｐｒｅｓｓｉｎｇ．ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅａｒｅｔｗｏｃｒｉｔｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｔｈｅｈｏｔｐｒｅｓｓｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｈｏｔｐｒｅｓｓｍａｃｈｉｎｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｉｎｃｌｕ．ｄｉｎｇｔｈｅｃｌａｍｐｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｏｖｅｒｔｕｒｎａｎｄｒｅｖｅｒｓａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｈｅａｔｉｎｇａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｉｚｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｅｔｃ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓａｎｄｄｅｓｉｇｎｆｅａｔｕｒｅｓｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅ．Ｆｏｒｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｐａｒｔ，ｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｃｏｎｔｒｏｌｉｓｍａｐｐｅｄｏｕｔ：ＰＬＣｉｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｒｅｇｕｌａｔｅｔｈｅｏｉｌｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｃｙｌｉｎｄｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎｂｙｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｓｏｌｅｎｏｉｄ：ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉＳａｄｊｕｓｔｅｄｂｙｓｅｌｆ－ｔｕｎｉｎｇｆｕｚｚｙＰＩＤｃｌｏｓｅｄ．１ｏｏｐｃｏｎｔｒｏ１．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｏｔｐｒｅｓｓｍａｃｈｉｎｅ；ｐｒｅｓｓ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌ：ＰＬＣＦＲＰ／ＣＭ２０１Ｏ．Ｎｏ．６