步进电机的好处可不只一点

FRP components with new fiber composite technology. Fiber-reinforced, rigid & complex shaped lightweight constructions. Triaxial braid fabrication with complex change.
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步进电机的好处可不只一点

纺织品制造过程通常需要许多独立组件。独立、可靠且准确的纺织机传感器/执行器技术非常昂贵,阻碍了它们的广泛应用。为了加强功能性并提高质量,需要经济可行的工业解决方案。为此,一个研究团队使用 Nanotec 的工业组件创建了由纺织品启发的生产技术解决方案。

由纤维增强塑料 (FRP) 制成的复杂部件,例如用于车身和飞机结构的节点结构,对工业有很大的用处。制造商使用径向或轴向纱线(碳纤维或玻璃纤维粗纱等)编织机进行绕芯编织。

为了制造高强度的刚性部件,还引入了填纱以在轴向上强化双轴编织物。以这种方式制成的三轴编织物通过例如环氧树脂加固,之后从芯上取下并用于 FRP 轻质应用。

亟需纺织电机技术

位于登肯多夫的德国纺织和纤维研究所 (DITF) 成立于 1921 年,是隶属于巴登—符腾堡州经济和财政部的公法基金会。其是欧洲最大的纺织研究中心,拥有约 250 名科学技术人员,是该领域的全球领导者。

合作产业研究 (IGF) 项目 19679N 是一个由公共资助的项目。在该项目期间,DITF 开发了包括新型纱线制动器在内的多个解决方案,并为广泛使用的编织机配备了 72 个独立的填纱张力控制器。   该项目从 2017 年 9 月 1 日开始,到 2020 年 2 月 29 日结束;现已委托开展后续项目。

步进电机代替电刷火花

由于成本原因,编织机的每根填纱都配备一个带变速箱的有刷直流电机作为初始设备。但在控制填纱张力时,传统碳刷电机产热过多,阻碍了对纱线张力的精确调节,使得波动以及与设定值的偏差过大。在低速运行或在扭矩负载下静止时,电机会过热,直到电刷产生火花并出现故障。

“刷尘和变速箱自锁也是比较严重的问题。我们需要大幅减少摩擦、热量并降低驱动损失,”DITF 数值模拟主管 Hermann Finckh 说。因此,芬克的团队开发了一种独特的替代方案。其使用的技术包括:

  • 径向编织机 RF 1/144-100(来自 Herzog,组件来自 Steeger)
  • 带有内部开发的 OptiBraid 软件的控制器(来自 Beckhoff)
  • 用于过程模拟的标准有限元软件 LS-DYNA
  • 内部开发的编织模拟软件 Fast Analytical Virtual Braiding (FAV Braiding)
  • 带集成 CANopen 控制器 NEMA 17 和单圈绝对值编码器的72 台步进电机 PD2-C4118L1804-E-08 均来自 Nanotec),用于 72 支填纱

具有更多可能性的三轴编织:得益于闭环步进电机

每一个带有单圈绝对值编码器的步进电机的分辨率为 4096 脉冲每转(= 正交 1024)。使用扭矩,一旦张力偏离设定值,它就会调整“它的”单根填纱的张力。由于采用闭环操作,步进电机即使在低速和静止时也能提供并保持大量扭矩,从而安全可靠地减慢填纱的速度。负载容限也较高。

“闭环步进电机仅在需要时才消耗电力,”Finckh 解释道。“与普通步进电机相比,它们产生的热量更少,运行更平稳,共振更低。此外,它们还提供位置反馈和控制,所需的过渡时间和衰减时间较短,并且不会出现任何步损。”

在工艺中采用步进电动填纱制动器可以精确调节纱线张力 —— 甚至可以连续数天保持正确的张力,而不会出现明显的电机发热或波动。此外,新开发的系统还可以根据系统在编织过程中的要求,以恒定扭矩将编织纱线拉回。

此外,闭环步进电机可以精确地张紧填纱,使编织纱线更紧密地跟随部件轮廓。

图 4:具有明显弯曲形状的组件轮廓。©DITF
图 5:由于填纱张力调整不当使曲率不精确,几乎不弯曲,编织物没有紧密适配轮廓。©DITF
图 6:由于采用闭环步进电机控制填纱张力,编织物确实以更精确的弯曲形状跟随轮廓。©DITF


     

电机精准控制实现及时螺纹张力

对电机性能的挑战早在启动过程中就出现了。需要能够实时分别打开和关闭所有 72 个电机,指定并查询电机参数。使用待开发的图形用户界面 (GUI),所有相关参数 —— 例如每个电机的纱线张力(扭矩) —— 都需要通过电机精准控制进行明确调整和记录。现在,通过接口,可在正确的时间传输每个电机的最佳纱线张力调整(取决于编织芯的当前位置)。这些依赖于编织芯的填纱张力将通过编织模拟确定并以文件形式提供。

“为 72 个步进电机平滑 CAN 输入/CAN 输出是一个非常复杂的过程。使用 Beckhoff 的 PLC 实时总线控制器,并且因为每个步进器都有自己的控制器,我们最终能够平滑所有 72 台电机,使它们满足所有要求,”项目负责人 Finckh 说。机械操作也对电机提出了很多要求。对于开发团队来说,即使机器处于静止状态,也要能准确、持续地保持较低的纱线张力,这一点尤为重要。

卷绕、整经、编织 —— 快速而明确

改造后的编织机及其自动化电机技术是进一步优化生产的典型范例。新开发的纱线制动原理 —— 电机制动纱线并使其保持张力 —— 也基本适用于所有纱线在规定的张力下以不同的速度展开(卷绕、整经、编织等)的纺织工艺。因此,还打算将该系统用于未来的研究项目并针对相关应用进行优化。

可通过 CAN 总线单独控制的步进电机能够以指定的方式快速执行所有动作,因此它们特别适合经过优化的以及新的纺织生产工艺。所委托的 IGF 项目 3D 纺织编织旨在使用步进电机来影响纺织和编织结合应用中的纺织接结结构,以期创造新的经济生产可能性。   

中小企业等项目

尽管它们很复杂,但现在单个编织物的制成速度已比以往要快得多 —— 这是避开长途(例如从国外)采购预成型织物的第一步。新技术同样适用于所有纤维复合材料技术中的径向和轴向编织机。有了它们,中小型企业便能够开发和生产轻量级、高性能的产品,并在工业 4.0 时代为端到端数字流程链和应用程序提供基础。


Hermann Finckh, Head of Simulation Research, German Institutes for Textile and Fiber Research DITF
Dr. Karsten Düsdieker, Technical Editor, Nanotec Electronic GmbH & Co. KG

 

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