5_blazejewski w, panek m, rybczyński r, wiewiorski p_po fo…

Wojciech BŁAśEJEWSKI, Maciej PANEK, Radosław RYBCZYŃSKI,
Przemysław WIEWIÓRSKI
Politechnika Wrocławska
Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej
E-mail: [email protected]
UśYCIE METODY TABLICOWEJ DO STEROWANIA NAWIJARKĄ
Streszczenie. Kompozytowe zbiorniki, rury, pierścienie są powszechnie
produkowane przy uŜyciu metody nawijania włókna z Ŝywicą na rdzeń lub liner.
W wyniku procesu nawijania uzyskuje się charakterystyczną architekturą
jak skrzyŜowania, przeploty, sfalowania, miejsca bogatsze w Ŝywicę itd. W tych
miejscach zwykle zaczyna się proces inicjacji uszkodzeń. Projektowanie architektury
ułoŜenia włókna jest bardzo waŜnym krokiem. Wykorzystując wieloletnie
doświadczenie zespołu, zaprojektowano i wykonano nawijarką czteroosiową sterowaną
numerycznie. Układ sterowania elektronicznego jest wyposaŜony w kartę APCI-8001
firmy ADDI-DATA. Algorytm oprogramowania wykorzystuje metodą tablicową [1-3]
i pracuje w systemie operacyjnym Microsoft Windows 2000/XP. Metoda tablicowa
pozwala na łatwiejsze projektowanie struktur nawijanych i pozwala zaoszczędzić czas
i liczbę próbek do badań. Na nawijarce wykonywane są rury i zbiorniki próbne
o róŜnorodnych strukturach. Takie struktury są trudne do wykonania na nawijarkach
przemysłowych i komercyjnych, poniewaŜ pracują według innego algorytmu.
USING TABLE METHOD TO CONTROL WINDING MACHINE
Summary. The composite layers for composite high pressure vessels or pipes, rings
are commonly produced by winding of resin impregnated continuos fibre bundles
onliner or mandrels. The winding manufacturing process introduce into wound
composite materials some species like fibre crossovers and interweavings, fibre
undulations and resin "rich" localisations. These are known to be localisations where
usually damage initiation starts. Thus fibre architecture designing is one of the most
important step. Using long term experiences of team the four axis and numerical
filament winding machine was designed and made. The electronic control system
is equipped with APCI-8001 card ADDI-DATA company. The algorithm of applied
software uses table method [3] and works in Microsoft Windows 2000/XP operating
system. Table method allows easier designing of wound structure, can reduce time and
number of specimens. Using the winding machine the pipes and the vessels specimens
UŜycie metody tablicowej ...
41
with different structures have made. This type of structures are difficult to made with
industrial winding machines. It arises from different algorithm of commercial machines.
1.WSTĘP
Do wytwarzania elementów czy konstrukcji kompozytowych z długich włókien,
tzn. w procesie technologicznym pobieranych ze szpul, ang. bobin rowingowych, wyróŜnia
się dwie techniki, przeciągania (z ang. pulltruzji) i nawijania. Obie techniki mogą takŜe
występować łącznie tworząc przeciąganie z nawijaniem (ang. pull-winding). W ciągu
technologicznym metody nawijania najwaŜniejszym urządzeniem jest nawijarka, jednak
w od strony kosztów stanowi ona jedynie 30%. Przy wytwarzaniu przemysłowym elementów
metodą nawijania wymagane są między innymi takie urządzenia jak: odwijaki bobin
rowingowych1 z układami wspomagającymi rozruch lub hamującymi, wanna nasycająca,
suszarki zapewniające utwardzanie w ruchu obrotowym, itd. Ze względu na znaczny koszt
wymienionych urządzeń oraz inne wymagania, jak większa dokładność, moŜliwość
wykonywania oplotów, autorzy pracy wykonali we własnym zakresie profesjonalną linię
wytwarzania zbiorników kompozytowych metodą nawijania złoŜoną między innymi z wyŜej
wymienionych zespołów. Według wiedzy autorów pierwsze polskie prototypowe urządzenia
powstawały w końcu lat sześćdziesiątych w IEL o/Wrocław. Były to początkowo nawijarki
śrubowe a następnie łańcuchowe z szerokimi moŜliwościami regulacji [2]. Pierwsza w Polsce
nawijarka sterowana elektronicznie powstała pod koniec lat osiemdziesiątych na Politechnice
Gdańskiej [4]. Była ona wówczas sterowana przy pomocy komputera ZX SPEKTRUM.
Na Politechnice Wrocławskiej pierwsza nawijarka powstała w 1998, a juŜ w 2000
współtworzono technologię wytwarzania typoszeregu zbiorników kompozytowych, która
została wdroŜona w polskim przemyśle. Te i inne osiągnięcia zespołu pozwoliły na włączenie
do konsorcjum badawczego IP o akronimie StorHy i InGaz [5]. Ponadto Instytut posiada
unikatowe moŜliwości w skali europejskiej badań ciśnieniowych zbiorników.
1
Odwijaki bobin rowingowych są to ułoŜyskowane piasty, często z własnym napędem elektrycznym, na których
osadza się trwale bobinę rowingową z tuleją papierową. Po wyczerpaniu się włókna w procesie produkcji musi
być moŜliwość szybkiej wymiany na nową bobinę. W technice nawijania włókno jest pobierane z bobin
ze zmienną prędkością a przyspieszenia są dość duŜe. Dlatego odwijak musi być wyposaŜony w hamulec, np.
bębnowy lub wspomaganie rozruchu. Wyciąganie rowingu z wnętrza bobiny nie jest korzystne.
42
W. BłaŜejewski, M. Panek, R. Rybczyński, P. Wiewiórski
2. WYPOSAśENIE TOWARZYSZĄCE NAWIJAREK
Nawijanie walca (rys. 1) pod duŜymi kątami (np. obwodowe) jest związane ze stałym
zapotrzebowaniem na włókno, szpule rowingowe obracają się ze stałą prędkością. Jednak,
gdy nastąpi zatrzymanie awaryjne nawijarki, szpula musi zostać zatrzymana. TakŜe
przy nawijaniu z małymi kątami, oraz innych brył, jak np. zbiorniki walcowe z dennicami
sferycznymi, zapotrzebowanie na włókno nie jest stałe a występujące przyspieszenia mogą
powaŜnie utrudnić nawijanie. Wtedy musi zadziałać hamulec umieszczony na szpuli
rowingowej w celu wyhamowania jej ruchu obrotowego oraz powinien on zostać zwolniony
po wykonaniu nawrotu i kontynuowaniu nawijania do następnego nawrotu, itd.. Wykonano
metodą wtrysku szpule, na których były osadzane trwale bobiny rowingowe z tuleją
papierową. Szpule wykonano z tworzywa ABS z odsadzonym bębnem na hamulec taśmowy
uruchamiany przez klasyczny wahacz rolkowy.
Rys. 1. Schemat dwuosiowego procesu nawijania. 1 – rdzeń, 2 – suport, s – skok nawijania,
a - współczynnik ,a є(0,1)
Fig. 1. Two axis filament winding. 1 – mandrel, 2 – support, s – winding pitch,
a – coefficient, a є(0,1)
Wykonano bębnowy układ nasycający, najbardziej popularny, w których film Ŝywiczny
powstały w wyniku zanurzenia bębna w syciwie, musi zostać przeciśnięty od spodu przez
wiązkę rowingową. W ten sposób następuje wypchnięcie powietrza przez Ŝywicę. WaŜnym
urządzeniem pomocniczym jest teŜ komora próŜniowa stosowana w celu odgazowania
przygotowanego syciwa przed wlaniem do wanny nasycającej. Wanna posiada płaszcz wodny
połączony z łaźnią wodną w celu utrzymania stałej temperatury syciwa. NaleŜy unikać
powrotnego odzyskiwania spienionego syciwa i wlewania do wanny, chyba Ŝe syciwo
zostanie odpowietrzone.
NajwaŜniejszymi parametrem nawijarki jest: liczba wrzecion, maksymalne gabaryty
nawijane czy tzw. liczba osi, czyli liczba stopni swobody w czasie nawijania. Wykonana
nawijarka posiada 4 stopnie. Dwie dodatkowe osie to obrót głowicy w celu równoległego
prowadzenia taśmy rowingowej, zwłaszcza pod małymi kątami nawijania oraz czwarta
UŜycie metody tablicowej ...
43
oś to ruch głowicy do króćca zbiornika w celu dokładnego ułoŜenia wiązki na dennicach,
rys.2. Oś 3 i 4 stanowi dodatkowa przystawka , która montowana jest na suporcie
i wyposaŜona w dwa niezaleŜne silniki krokowe połączone z zasilaniem i oprogramowaniem
nawijarki. Poprawne nawinięcie zbiornika obrazuje symetryczne rozłoŜenie wiązek włókna na
dennicach – rys. 2. W czasie nawijania moŜna wprowadzić 12 wiązek rowingowych
z naciągiem po około 30N na wiązkę.
W czasie nawijania uŜywa się kompozycje Ŝywiczne o małej lepkości i długim czasie
Ŝycia, który musi być dłuŜszy od procesu nawijania elementu. UŜywano syciwa Epolam
5015+5012 firmy AXON. Po zakończeniu nawijania nawinięty zbiornik musi niezwłocznie
trafić do komory grzewczej, w której ma moŜliwość podtwardzania w ruchu obrotowym.
Inaczej Ŝywica moŜe spłynąć pod działaniem siły grawitacji.
Rys. 2. Dennice wykonanych zbiorników
Fig. 2. The domes of complete vessels
3. STEROWANIE NAWIJARKĄ
Sterowanie nawijarką odbywa się przy pomocy wykonanego oprogramowania
komputerowego zapewniającego zarówno projektowanie jak i prowadzenie procesu
nawijania. Algorytm programu wykorzystuje metodę tablicową [1-3]. Podstawowym
załoŜeniem przy opracowywaniu oprogramowania była moŜliwość prowadzenia doświadczeń
z róŜnymi nawojami [1]. Oznacza to, Ŝe program generuje nawoje w sposób metodologiczny,
dlatego ma większe moŜliwości projektowe struktur nawijanych niŜ programy komercyjne,
oraz większą dokładność. Na rys. 3 przedstawiono schemat blokowy programu, który
wyjaśnia istotę metody tablicowej.
44
W. BłaŜejewski, M. Panek, R. Rybczyński, P. Wiewiórski
Rys.3. Metoda Tablicowa - schemat blokowy programu komputerowego do wizualizacji nawojów
Fig. 3. Block diagram – bloc scheme of computer program for showing the patterns
Program nawijarki został wykonany w środowisku C++ Builder 5, który pracuje
w systemie operacyjnym Microsoft Windows 2000/XP. Ze względu na prosty algorytm
metody tablicowej program jest łatwy w obsłudze przy pełnym wykorzystaniu moŜliwości,
jakie daje karta sterująca APCI-8001 oraz dostarczone przez firmę ADDI-DATA biblioteki
programistyczne.
Rys. 4. Widok głównego okna programu w czasie sterowania ręcznego
Fig. 4. The view of main window of program on manual control
UŜycie metody tablicowej ...
45
Program moŜe być uŜytkowany w trybie ręcznym i z zamkniętą pętlą sprzęŜenia
zwrotnego. Na rys. 4 przedstawiono ekran w czasie pracy ręcznej. W tym trybie operator
moŜe sterować ruchami nawijarki przy pomocy tzw. joysticka lub w panelu operatora
wykorzystując myszkę, obracać rdzeniem lub przesuwać suport w dowolną stronę i z wybraną
prędkością. W trybie z zamkniętą pętlą sygnały z enkoderów dostarczają informację
o bieŜącej pozycji suportu i wrzeciona oraz na podstawie regulatora PIDF karty APCI-8001
niwelowane są w czasie rzeczywistym niedokładności między wartościami zadanymi
i bieŜącymi. Pozycja suportu wyraŜona jest w [mm], wrzeciona w stopniach [deg]. Nawijanie
odbywa się z dokładnością do trzech miejsc po przecinku. Prowadzono próby nawijania
z dwoma miejscami po przecinku na nawijarce komercyjnej, niestety jest to zbyt mała
dokładność do celów porównawczych kolejnych nawojów.
4. PRZEPROWADZENIE NAWIJANIA
Rys. 5. Program komputerowy w czasie gotowości do nawijania
Fig.5. Computer program in readiness to winding
W celu wykonania prawidłowego nawoju naleŜy wpisać odpowiednie parametry
przedstawione na rys. 5 w zakładce „Nawój”:
1. Średnica rury [mm] – średnica rdzenia, na którym będzie nawijana rura.
2. Kąt nawoju [deg] – kąt otrzymywany z relacji pomiędzy prędkościami suportu
względem rdzenia, tj. kąt, jaki tworzy włókno względem tworzącej rdzenia.
3. Długość nawijania [mm] – całkowita długość nawijania.
46
W. BłaŜejewski, M. Panek, R. Rybczyński, P. Wiewiórski
4. Kąt zaczepu [deg] – pomocniczy parametr ułatwiający prowadzenie włókna przy
nawrotach i rozpoczynanie nowego cyklu nawijania, Chodzi o zaczepienie włókna
i ograniczenie zsuwania zwłaszcza przy małych kątach nawijania.
5. Liczba faz – ilość pełnych cykli powrotnych nawoju, lub liczba warstw.
Dla ułatwienia program wylicza długość skoku nawoju i podaje go operatorowi w polu
„Skok nawoju [mm]”. Rozpoczęcie ustawionego cyklu nawoju nastąpi po wybraniu „Start”;
wówczas maszyna przystępuje do procesu nawijania. W polu „Faza” zapisywane
są zrealizowane cykle powrotów nawoju. W oparciu o interpolację liniową pomiędzy
suportem i wrzecionem nawój zostanie wykonany z maksymalną precyzją, jaka moŜe zostać
osiągnięta przy obecnej budowie mechanicznej. Zakończenie pracy maszyny odbywa
się po wybraniu przycisku „Wyłącz” w oknie głównym programu. Wówczas zostają
wyłączone poszczególne elementy systemu i program przechodzi do stanu tak jak po jego
pierwotnym włączeniu, rys.4. Program sterujący nawijarką współpracuje z programem
do wizualizacji – rys. 3. Przy pomocy myszki moŜna wybrać strukturę o odpowiedniej
długości, zgodnie z metodą tablicową.
4. WNIOSKI
Wielu badaczy próbuje rozwiązać problem optymalnego nawoju w elementach
kompozytowych wytwarzanych metodą nawijania [7-10]. W literaturze udokumentowany
jest niepoprawny charakter pracy struktur diamentowych, które są powszechne w wyrobach
przemysłowych, poniewaŜ są najłatwiejsze do wykonania. Inne struktury z grupy nawojów
są trudne do wykonania na nawijarkach przemysłowych i komercyjnych. Przedstawiona
nawijarka posiada oprogramowanie sterujące specjalnie przeznaczone do nawijania róŜnych
struktur róŜnych zgodnie z załoŜeniami metody tablicowej [1-3] i szczególnie nadaje
się do prowadzenia prac badawczych.
UŜycie metody tablicowej ...
47
BIBLIOGRAFIA
1.
BłaŜejewski W., Metoda wyboru dowolnych struktur nawijania elementów
kompozytowych przy uŜyciu nawijarek łańcuchowych. Materiały Polimerowe,
Pomerania – Plast, Szczecin – Międzyzdroje 6-8.04.2001,
2. BłaŜejewski W., Designing of composite manufacturing by the winding method, Studia
Geotechnica et Mechanica, Vol. XXIII, 1-2 2001 33 – 42.
3. BłaŜejewski W., Czasopismo Techniczne - Politechnika Krakowska. Mechanika. 2009,
z. 1-M, 9-14.
4. Biernacki B., Bogdaniuk M., Ostaszewski K., Podstawy teoretyczne obliczania
i stateczności rur nawijanych z kompozytów polimerowych., projekt badawczy nr 33//94,
Politechnika Gdańska, Wydział Oceanotechniki i Okrętownictwa, Gdańsk 1994.
5. h t t p : / / w w w . s t o r h y . n e t / , h t t p : / / w w w . i n g a s . n e t /
6. BłaŜejewski W., Wpływ struktury nawijania włókna na wytrzymałość elementów
walcowych wykonanych z kompozytu ES. praca doktorska PWr. 1999.
7. Soden P.D., Kitching R., Tse P.C. Tsavalas Y., Hinton M.J., Comp. Science and Tech. 46
1993 363-378.
8. Claus S.J., Hahn H.T., Processing-structure relationships for filament-wound composite
shells, Sixth Technical Conference on Composite Materials, Albany, NY, 10.1991 866872.
9. Hipp P.A., Jensen D.W., Design and analysis of filament-wound cyl. in compression,
A Collection of Tech. Pap.: the 33rd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Struc., Structural
Dyn. and Mat. Conf. Dallas, TX, USA, 04.1992 2442-2453.
10. Rousseau J., Perreux J.D., Verdiere N., Composites Science and Technology 59 1999
1439-1449.