一種纖維纏繞控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的一種纖維纏繞控制系統(tǒng)包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、PMAC控制器、PWM功率放大器、力矩電機(jī)、張力傳感器、編碼器、開(kāi)卷輥和芯模，其中的張力傳感器與編碼器相連，編碼器與PMAC控制器相連，PMAC控制器相連分別與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、PWM功率放大器相連，PWM功率放大器與力矩電機(jī)相連，力矩電機(jī)與開(kāi)卷輥相連；本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化，可靠性更高，計(jì)算機(jī)控制式張力器既可單獨(dú)工作，又可同主機(jī)連接通信，張力可以被記錄、顯示和自動(dòng)設(shè)定。特別是對(duì)于多根絲束進(jìn)行張力控制的情況，通過(guò)這種模塊式張力器的自由組合，可適應(yīng)各種工況要求。
【專利說(shuō)明】 一種纖維纏繞控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及纖維的成套制造設(shè)備領(lǐng)域，特別是指一種纖維纏繞控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]纖維纏繞工藝是采用連續(xù)纖維浸漬樹(shù)脂粘結(jié)劑后，在張力的作用下按照一定的線型有規(guī)律地排布在芯模上，然后經(jīng)過(guò)加熱使粘結(jié)劑固化而制成一定形狀的制品的工藝方法。由于可以按照承力要求確定纖維排布的方向、層次和數(shù)量以實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，因而制品結(jié)構(gòu)合理。加上纖維纏繞過(guò)程中材料與零件是同時(shí)成型的，生產(chǎn)工序少，所以纖維纏繞是非常重要的復(fù)合材料成型工藝。由于纖維纏繞成型工藝及其制品有著其他工藝方法所無(wú)法比擬的優(yōu)越性，所以它得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，一系列新的纖維纏繞技術(shù)解決了特殊結(jié)構(gòu)形狀的適應(yīng)能力問(wèn)題，開(kāi)辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，纖維纏繞技術(shù)已廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、燃料貯箱、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、飛機(jī)副油箱等航空航天領(lǐng)域，以及導(dǎo)彈、魚(yú)雷發(fā)射管、機(jī)槍槍架、火箭發(fā)射筒等軍事領(lǐng)域，也用于制作各種壓力管道、貯罐、天然氣瓶、軸承、絕緣制品、體育器材、交通工具等民用產(chǎn)品在纖維纏繞過(guò)程中，張力的作用是形成成型壓力從而保障纖維在制品芯模上按設(shè)計(jì)線型排列和控制制品的樹(shù)脂含量。合理地控制控制張力，可以提高纖維的工作應(yīng)力，充分發(fā)揮纖維材料的高強(qiáng)特性，增加制品殼體承受內(nèi)壓的能力，提高制品的抗疲勞特性。如果張力選擇不當(dāng)或者不穩(wěn)定，可使纏繞制品的強(qiáng)度損失20%?30%。因此，纏繞張力是纖維纏繞工藝中重要的控制參數(shù)，對(duì)制品質(zhì)量的影響頗大。張力對(duì)制品質(zhì)量的影響表現(xiàn)在:
[0003](I)制品的強(qiáng)度和抗疲勞性能與纏繞張力有密切關(guān)系。張力過(guò)小，制品強(qiáng)度偏低，內(nèi)襯充壓時(shí)的變形較大，變形越大其抗疲勞性能就越差。張力過(guò)大，則纖維磨損增大，從而使制品強(qiáng)度下降。若張力波動(dòng)較大，使各層纖維的初始應(yīng)力狀態(tài)不同，不能同時(shí)承載，也導(dǎo)致整個(gè)制品強(qiáng)度下降。
[0004](2)在纏繞成型過(guò)程中，由于膠液中有揮發(fā)性氣體的存在，使制品中產(chǎn)生許多微孔。過(guò)多的微孔不僅使制品機(jī)械性能下降，而且會(huì)使制品氣密性變壞。纏繞張力是控制和限制孔隙含量的決定性因素之一。
[0005](3)纏繞張力增大，含膠量降低。張力波動(dòng)也使纏繞制品內(nèi)外層膠質(zhì)含量不均，導(dǎo)致不均勻的應(yīng)力分布而影響制品的質(zhì)量。
[0006]如前所述，在纏繞過(guò)程中，張力控制是保證制品質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，直接影響到最終制品的質(zhì)量。隨著集成電路的發(fā)展，高性價(jià)比微處理器的出現(xiàn)，張力系統(tǒng)的控制器也由模擬式轉(zhuǎn)向數(shù)字式，出現(xiàn)了由計(jì)算機(jī)控制的張力器。由于微處理器的高計(jì)算速度、高精度與可靠性，減少了電子控制系統(tǒng)復(fù)雜的硬件電路，使系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化，可靠性更高，同時(shí)也為使用各種先進(jìn)的控制手段提供了前提。計(jì)算機(jī)控制式張力器既可單獨(dú)工作，又可同主機(jī)連接通信，紗線的張力可以被記錄、顯示和自動(dòng)設(shè)定。因而，這種控制方式得到了廣泛的應(yīng)用。為了使整個(gè)張力控制器結(jié)構(gòu)進(jìn)一步模塊化，延伸出了利用單片機(jī)或DSP做控制核心的張力器，使得整個(gè)張力器包括控制元件，可以嵌入纏繞機(jī)系統(tǒng)中，提高纏繞機(jī)的集成度。模塊化的結(jié)構(gòu)有利于提高張力器應(yīng)用的靈活性，特別是對(duì)于多根絲束進(jìn)行張力控制的情況，通過(guò)這種模塊式張力器的自由組合，可適應(yīng)各種工況要求。這種模塊化、嵌入式的張力器結(jié)構(gòu)是纏繞張力控制系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要方向。因此，在原機(jī)型的基礎(chǔ)之上進(jìn)行改進(jìn)，開(kāi)發(fā)一種新的控制系統(tǒng)解決上述技術(shù)問(wèn)題在本領(lǐng)域內(nèi)具有重大的意義。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本發(fā)明提供一種纖維纏繞控制系統(tǒng)，使得整個(gè)張力器包括控制元件，可以嵌入纏繞機(jī)系統(tǒng)中，提高纏繞機(jī)的集成度。模塊化的結(jié)構(gòu)有利于提高張力器應(yīng)用的靈活性，特別是對(duì)于多根絲束進(jìn)行張力控制的情況，通過(guò)這種模塊式張力器的自由組合，可適應(yīng)各種工況要求。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的一種纖維纏繞控制系統(tǒng)，采用如下技術(shù)方案，該系統(tǒng)包括:
[0008]工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，作為主控器；
[0009]PMAC控制器，基于DSP的開(kāi)放式多軸運(yùn)動(dòng)控制器；
[0010]PWM功率放大器，對(duì)控制信號(hào)的功率放大；以提供足夠大的電壓和電流以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件；
[0011]力矩電機(jī)，作為張力控制的執(zhí)行元件；
[0012]張力傳感器，檢測(cè)張力并傳輸張力信息；
[0013]編碼器，轉(zhuǎn)換張力信號(hào)并傳輸；
[0014]開(kāi)卷輥，放絲設(shè)備；
[0015]芯模，為纏繞設(shè)備；
[0016]其中的張力傳感器與編碼器相連，編碼器與PMAC控制器相連，PMAC控制器相連分別與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、PWM功率放大器相連，PWM功率放大器與力矩電機(jī)相連，力矩電機(jī)與開(kāi)卷輥相連；
[0017]對(duì)于本技術(shù)方案的進(jìn)一步的改進(jìn)，本系統(tǒng)采用張力控制與運(yùn)動(dòng)控制分離開(kāi)的張力獨(dú)立控制方式，由工控機(jī)獨(dú)立完成張力控制運(yùn)算；
[0018]對(duì)于本技術(shù)方案的進(jìn)一步的改進(jìn)，所述PMAC控制器選擇PMAC2A-PC/104型PMAC作為張力系統(tǒng)的控制元件；
[0019]對(duì)于本技術(shù)方案的進(jìn)一步的改進(jìn)，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)選用主頻為500MHZ的研華工控機(jī)，PMAC控制器通過(guò)ISA總線與之通訊；
[0020]本發(fā)明的設(shè)備的工作原理主要在于:數(shù)控纏繞機(jī)的張力系統(tǒng)多采用張力獨(dú)立控制，即運(yùn)動(dòng)控制與張力控制分立。因此，本張力控制系統(tǒng)采用PMAC(ProgrammableMult1-Axis Controller)作為下位機(jī)，負(fù)責(zé)完成各個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制和采集張力傳感器的反饋信號(hào)，工控機(jī)作為上位機(jī)完成張力控制的并行雙CPU結(jié)構(gòu)，采用實(shí)時(shí)檢測(cè)纖維張力的擺桿式張力傳感器作為檢測(cè)部分，直流力矩電機(jī)作為執(zhí)行元件實(shí)時(shí)纖維張力值由PMAC進(jìn)行采集并以ISA總線通訊方式傳遞給上位機(jī)，在上位機(jī)中完成與張力設(shè)定值的比較，并進(jìn)行相關(guān)的控制運(yùn)算后，運(yùn)算結(jié)果再次以通訊方式返回PMAC，由PMAC調(diào)整其控制端輸出電壓，PMAC輸出電壓經(jīng)過(guò)力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)器功率放大后去修正力矩電機(jī)的輸出力矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維張力的實(shí)時(shí)控制。
[0021]張力的控制方法按照不同的工藝要求，可以分為間接張力控制和直接張力控制，間接張力控制通過(guò)控制維持張力恒定的傳動(dòng)系統(tǒng)的電參數(shù)實(shí)現(xiàn)張力控制，通常采用最大力矩控制或恒功率控制等方式，一般適用于要求不高的場(chǎng)合，可簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)一般張力控制要求。直接張力控制是采用張力傳感器構(gòu)成張力閉環(huán)，視傳感器結(jié)構(gòu)不同，又可分為位置式和反饋式兩類。反饋式張力控制采用微處理器作為控制核心，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，硬件采用張力傳感器構(gòu)成張力的反饋以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，適用于高精度、高速度的張力控制場(chǎng)合。由于纏繞纖維時(shí)刻處于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，而且要求保持張力恒定，所以，纏繞機(jī)張力系統(tǒng)要求在動(dòng)態(tài)及加減速過(guò)程中均能有效地控制張力，這就要求系統(tǒng)能夠精確地補(bǔ)償加減速及系統(tǒng)摩擦帶來(lái)的動(dòng)態(tài)力矩的變化。一般纏繞張力控制系統(tǒng)是由開(kāi)卷部分、控制部分(包括控制器和控制執(zhí)行元件)、檢測(cè)部分及其它輔助裝置組成。開(kāi)卷(解卷)部分是指卷輥在纏繞材料的拉力下旋轉(zhuǎn)放線，在復(fù)合材料纏繞成型工藝中，纖維是在旋轉(zhuǎn)芯模帶動(dòng)下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，在開(kāi)卷輥和芯模之間有多個(gè)導(dǎo)向輥控制纏繞纖維的走向，使之平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于開(kāi)卷的驅(qū)動(dòng)可分為表面驅(qū)動(dòng)和中心驅(qū)動(dòng)兩種。表面驅(qū)動(dòng)是在纏繞材料的表面設(shè)置驅(qū)動(dòng)輥或皮帶，靠摩擦產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。在這種方式中，纏繞材料的線速度和張力不隨纏繞卷輥的變化而變化，這種驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但對(duì)材料有正壓力和摩擦力，這對(duì)于纖維本身會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的磨損，特別是對(duì)于碳纖維，這種損傷是不允許的，因?yàn)檫@將大大影響到纏繞制品最終性能。中心驅(qū)動(dòng)是在卷輥的中心軸線上設(shè)置驅(qū)動(dòng)裝置。此時(shí)，纏繞材料的線速度和張力隨卷輥半徑的變化而變化，使張力的控制變得復(fù)雜，但由于適用范圍廣，中心驅(qū)動(dòng)被廣泛采用。為了產(chǎn)生張力，必須有施力裝置產(chǎn)生阻力矩，施加于開(kāi)卷輥上，該施力裝置就是張力控制系統(tǒng)中的張力執(zhí)行元件。執(zhí)行元件是控制系統(tǒng)最基本的組成部分，它應(yīng)該具有快速響應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性、良好的靜特性(線性度好)及控制可靠等特點(diǎn)。通過(guò)上述對(duì)張力控制方法及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析，本系統(tǒng)采用了中心驅(qū)動(dòng)、反饋式張力控制模式。
[0022]由以上本發(fā)明的實(shí)施方案可知，本發(fā)明所提出的纖維纏繞控制系統(tǒng)，與現(xiàn)有的技術(shù)相比，具有以下優(yōu)勢(shì):為提高張力控制系統(tǒng)的可靠性及降低其成本，搭建一套以工控機(jī)為張力控制的主處理器、運(yùn)動(dòng)控制卡PMAC為運(yùn)動(dòng)控制器、永磁式直流力矩電機(jī)為執(zhí)行元件、擺桿式張力檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)反饋纖維張力變化的閉環(huán)張力控制系統(tǒng)。系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化，可靠性更高，同時(shí)也為使用各種先進(jìn)的控制手段提供了前提。計(jì)算機(jī)控制式張力器既可單獨(dú)工作，又可同主機(jī)連接通信，紗線的張力可以被記錄、顯示和自動(dòng)設(shè)定。。模塊化的結(jié)構(gòu)有利于提高張力器應(yīng)用的靈活性，特別是對(duì)于多根絲束進(jìn)行張力控制的情況，通過(guò)這種模塊式張力器的自由組合，可適應(yīng)各種工況要求。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明的纖維纏繞控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；其中:
[0024]1-力矩電機(jī)，2-開(kāi)卷棍，3-張力傳感器，4-編碼器，5-芯模，6-PWM功率放大器，7-PMAC控制器，8-工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為了更好地了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉具體實(shí)施例并配合所附圖式說(shuō)明，如圖1所示，本發(fā)明提出的一種纖維纏繞控制系統(tǒng)，采用如下技術(shù)方案，該系統(tǒng)包括:
[0026]工業(yè)控制計(jì)算機(jī)8，作為主控器；
[0027]PMAC控制器7，基于DSP的開(kāi)放式多軸運(yùn)動(dòng)控制器；
[0028]PWM功率放大器6，對(duì)控制信號(hào)的功率放大；以提供足夠大的電壓和電流以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件；
[0029]力矩電機(jī)I，作為張力控制的執(zhí)行元件；
[0030]張力傳感器3，檢測(cè)張力并傳輸張力信息；
[0031]編碼器4，轉(zhuǎn)換張力信號(hào)并傳輸；
[0032]開(kāi)卷輥2，放絲設(shè)備；
[0033]芯模5，為纏繞設(shè)備；
[0034]其中的張力傳感器3與編碼器4相連，編碼器4與PMAC控制器7相連，PMAC控制器7分別與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)8、PWM功率放大器6相連，PWM功率放大器6與力矩電機(jī)I相連，力矩電機(jī)I與開(kāi)卷輥2相連。
[0035]對(duì)于本技術(shù)方案的進(jìn)一步的改進(jìn)，本系統(tǒng)采用張力控制與運(yùn)動(dòng)控制分離開(kāi)的張力獨(dú)立控制方式，由工控機(jī)獨(dú)立完成張力控制運(yùn)算；
[0036]對(duì)于本技術(shù)方案的進(jìn)一步的改進(jìn)，所述PMAC控制器7選擇PMAC2A-PC/104型PMAC作為張力系統(tǒng)的控制元件；
[0037]對(duì)于本技術(shù)方案的進(jìn)一步的改進(jìn)，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)8選用主頻為500MHZ的研華工控機(jī)，PMAC控制器7通過(guò)ISA總線與之通訊；
[0038]本發(fā)明的設(shè)備的工作原理主要在于:數(shù)控纏繞機(jī)的張力系統(tǒng)多采用張力獨(dú)立控制，即運(yùn)動(dòng)控制與張力控制分立。因此，本張力控制系統(tǒng)采用PMAC(ProgrammableMult1-Axis Controller)作為下位機(jī)，負(fù)責(zé)完成各個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制和采集張力傳感器的反饋信號(hào)，工控機(jī)作為上位機(jī)完成張力控制的并行雙CPU結(jié)構(gòu)，采用實(shí)時(shí)檢測(cè)纖維張力的擺桿式張力傳感器作為檢測(cè)部分，直流力矩電機(jī)作為執(zhí)行元件實(shí)時(shí)纖維張力值由PMAC進(jìn)行采集并以ISA總線通訊方式傳遞給上位機(jī)，在上位機(jī)中完成與張力設(shè)定值的比較，并進(jìn)行相關(guān)的控制運(yùn)算后，運(yùn)算結(jié)果再次以通訊方式返回PMAC，由PMAC調(diào)整其控制端輸出電壓，PMAC輸出電壓經(jīng)過(guò)力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)器功率放大后去修正力矩電機(jī)的輸出力矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維張力的實(shí)時(shí)控制。
[0039]綜上所述，本系統(tǒng)搭建一套以工控機(jī)為張力控制的主處理器、運(yùn)動(dòng)控制卡PMAC為運(yùn)動(dòng)控制器、永磁式直流力矩電機(jī)為執(zhí)行元件、擺桿式張力檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)反饋纖維張力變化的閉環(huán)張力控制系統(tǒng)。系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化，可靠性更高，同時(shí)也為使用各種先進(jìn)的控制手段提供了前提。計(jì)算機(jī)控制式張力器既可單獨(dú)工作，又可同主機(jī)連接通信，紗線的張力可以被記錄、顯示和自動(dòng)設(shè)定。。模塊化的結(jié)構(gòu)有利于提高張力器應(yīng)用的靈活性，特別是對(duì)于多根絲束進(jìn)行張力控制的情況，通過(guò)這種模塊式張力器的自由組合，可適應(yīng)各種工況要求。
[0040]本發(fā)明以實(shí)施例的方式揭露如上，不以任何形式對(duì)本發(fā)明構(gòu)成限制和限定，本發(fā)明的范圍以權(quán)利要求書(shū)為準(zhǔn)，一切不超出本發(fā)明宗旨的顯而易見(jiàn)的修改、變換和替代方案均在本發(fā)明范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種纖維纏繞控制系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括: 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(8)，作為主控器；
控制器(7)，一種基于03？的開(kāi)放式多軸運(yùn)動(dòng)控制器； ？麗功率放大器￠)，對(duì)控制信號(hào)的功率放大，以提供足夠大的電壓和電流以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件； 力矩電機(jī)(1),作為張力控制的執(zhí)行元件； 張力傳感器(3),檢測(cè)張力并傳輸張力信息； 編碼器(4)，轉(zhuǎn)換張力信號(hào)并傳輸； 開(kāi)卷輥(2),放絲設(shè)備； 芯模(5),為纏繞設(shè)備； 其中的張力傳感器⑶與編碼器⑷相連，編碼器⑷與？心^控制器⑵相連，控制器⑵分別與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)⑶)、？麗功率放大器(6)相連，？麗功率放大器(6)與力矩電機(jī)⑴相連，力矩電機(jī)⑴與開(kāi)卷輥⑵相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維纏繞控制系統(tǒng)，其特征在于:本系統(tǒng)采用張力控制與運(yùn)動(dòng)控制分離開(kāi)的張力獨(dú)立控制方式，由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(8)獨(dú)立完成張力控制運(yùn)算。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維纏繞控制系統(tǒng)，其特征在于:所述？嫩控制器(7)選擇？^02^？07104型作為張力系統(tǒng)的控制元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的纖維纏繞控制系統(tǒng)，其特征在于:工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(8)選用主頻為500冊(cè)12的研華工控機(jī)，控制器(7)通過(guò)總線與之通訊。
【文檔編號(hào)】B29C53/56GK104441598SQ201410609543
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月3日
【發(fā)明者】祝龍?jiān)? 申請(qǐng)人:鎮(zhèn)江奧立特機(jī)械制造有限公司