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)控制計算機、PMAC控制器、PWM功率放大器、力矩電機、張力傳感器、編碼器、開卷輥和芯模，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)控制計算機、PWM功率放大器相連，PWM功率放大器與力矩電機相連，力矩電機與開卷輥相連；本發(fā)明的優(yōu)勢在于系統(tǒng)大大簡化，可靠性更高，計算機控制式張力器既可單獨工作，又可同主機連接通信，張力可以被記錄、顯示和自動設(shè)定。特別是對于多根絲束進行張力控制的情況，通過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)量以實現(xiàn)等強度設(shè)計，因而制品結(jié)構(gòu)合理。加上纖維纏繞過程中材料與零件是同時成型的，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法比擬的優(yōu)越性，所以它得到了廣泛應(yīng)用。近年來，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)能力問題，開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，纖維纏繞技術(shù)已廣泛應(yīng)用于發(fā)動機機匣、燃料貯箱、發(fā)動機短艙、飛機副油箱等航空航天領(lǐng)域，以及導(dǎo)彈、魚雷發(fā)射管、機槍槍架、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)計線型排列和控制制品的樹脂含量。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。如果張力選擇不當或者不穩(wěn)定，可使纏繞制品的強度損失20%?30%。因此，纏繞張力是纖維纏繞工藝中重要的控制參數(shù)，對制品質(zhì)量的影響頗大。張力對制品質(zhì)量的影響表現(xiàn)在:
[0003](I)制品的強度和抗疲勞性能與纏繞張力有密切關(guān)系。張力過小，制品強度偏低，內(nèi)襯充壓時的變形較大，變形越大其抗疲勞性能就越差。張力過大，則纖維磨損增大，從而使制品強度下降。若張力波動較大，使各層纖維的初始應(yīng)力狀態(tài)不同，不能同時承載，也導(dǎo)致整個制品強度下降。
[0004](2)在纏繞成型過程中，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。過多的微孔不僅使制品機械性能下降，而且會使制品氣密性變壞。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)了由計算機控制的張力器。由于微處理器的高計算速度、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)大大簡化，可靠性更高，同時也為使用各種先進的控制手段提供了前提。計算機控制式張力器既可單獨工作，又可同主機連接通信，紗線的張力可以被記錄、顯示和自動設(shè)定。因而，這種控制方式得到了廣泛的應(yīng)用。為了使整個張力控制器結(jié)構(gòu)進一步模塊化，延伸出了利用單片機或DSP做控制核心的張力器，使得整個張力器包括控制元件，可以嵌入纏繞機系統(tǒng)中，提高纏繞機的集成度。模塊化的結(jié)構(gòu)有利于提高張力器應(yīng)用的靈活性，特別是對于多根絲束進行張力控制的情況，通過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)展的一個重要方向。因此，在原機型的基礎(chǔ)之上進行改進，開發(fā)一種新的控制系統(tǒng)解決上述技術(shù)問題在本領(lǐng)域內(nèi)具有重大的意義。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]針對現(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)，使得整個張力器包括控制元件，可以嵌入纏繞機系統(tǒng)中，提高纏繞機的集成度。模塊化的結(jié)構(gòu)有利于提高張力器應(yīng)用的靈活性，特別是對于多根絲束進行張力控制的情況，通過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)控制計算機，作為主控器；
[0009]PMAC控制器，基于DSP的開放式多軸運動控制器；
[0010]PWM功率放大器，對控制信號的功率放大；以提供足夠大的電壓和電流以驅(qū)動執(zhí)行元件；
[0011]力矩電機，作為張力控制的執(zhí)行元件；
[0012]張力傳感器，檢測張力并傳輸張力信息；
[0013]編碼器，轉(zhuǎn)換張力信號并傳輸；
[0014]開卷輥，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)控制計算機、PWM功率放大器相連，PWM功率放大器與力矩電機相連，力矩電機與開卷輥相連；
[0017]對于本技術(shù)方案的進一步的改進，本系統(tǒng)采用張力控制與運動控制分離開的張力獨立控制方式，由工控機獨立完成張力控制運算；
[0018]對于本技術(shù)方案的進一步的改進，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]對于本技術(shù)方案的進一步的改進，工業(yè)控制計算機選用主頻為500MHZ的研華工控機，PMAC控制器通過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)控纏繞機的張力系統(tǒng)多采用張力獨立控制，即運動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，負責完成各個電機的運動控制和采集張力傳感器的反饋信號，工控機作為上位機完成張力控制的并行雙CPU結(jié)構(gòu)，采用實時檢測纖維張力的擺桿式張力傳感器作為檢測部分，直流力矩電機作為執(zhí)行元件實時纖維張力值由PMAC進行采集并以ISA總線通訊方式傳遞給上位機，在上位機中完成與張力設(shè)定值的比較，并進行相關(guān)的控制運算后，運算結(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)過力矩電機驅(qū)動器功率放大后去修正力矩電機的輸出力矩，實現(xiàn)對纖維張力的實時控制。
[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，間接張力控制通過控制維持張力恒定的傳動系統(tǒng)的電參數(shù)實現(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合，可簡單實現(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)成張力的反饋以實現(xiàn)閉環(huán)控制，適用于高精度、高速度的張力控制場合。由于纏繞纖維時刻處于運動過程中，而且要求保持張力恒定，所以，纏繞機張力系統(tǒng)要求在動態(tài)及加減速過程中均能有效地控制張力，這就要求系統(tǒng)能夠精確地補償加減速及系統(tǒng)摩擦帶來的動態(tài)力矩的變化。一般纏繞張力控制系統(tǒng)是由開卷部分、控制部分(包括控制器和控制執(zhí)行元件)、檢測部分及其它輔助裝置組成。開卷(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)芯模帶動下產(chǎn)生運動，在開卷輥和芯模之間有多個導(dǎo)向輥控制纏繞纖維的走向，使之平穩(wěn)運動。對于開卷的驅(qū)動可分為表面驅(qū)動和中心驅(qū)動兩種。表面驅(qū)動是在纏繞材料的表面設(shè)置驅(qū)動輥或皮帶，靠摩擦產(chǎn)生驅(qū)動力。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)動方式結(jié)構(gòu)簡單，但對材料有正壓力和摩擦力，這對于纖維本身會產(chǎn)生相當大的磨損，特別是對于碳纖維，這種損傷是不允許的，因為這將大大影響到纏繞制品最終性能。中心驅(qū)動是在卷輥的中心軸線上設(shè)置驅(qū)動裝置。此時，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)的動態(tài)特性、良好的靜特性(線性度好)及控制可靠等特點。通過上述對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、反饋式張力控制模式。
[0022]由以上本發(fā)明的實施方案可知，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:為提高張力控制系統(tǒng)的可靠性及降低其成本，搭建一套以工控機為張力控制的主處理器、運動控制卡PMAC為運動控制器、永磁式直流力矩電機為執(zhí)行元件、擺桿式張力檢測裝置實時反饋纖維張力變化的閉環(huán)張力控制系統(tǒng)。系統(tǒng)大大簡化，可靠性更高，同時也為使用各種先進的控制手段提供了前提。計算機控制式張力器既可單獨工作，又可同主機連接通信，紗線的張力可以被記錄、顯示和自動設(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，特別是對于多根絲束進行張力控制的情況，通過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，2-開卷棍，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)控制計算機。
【具體實施方式】
[0025]為了更好地了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉具體實施例并配合所附圖式說明，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)控制計算機8，作為主控器；
[0027]PMAC控制器7，基于DSP的開放式多軸運動控制器；
[0028]PWM功率放大器6，對控制信號的功率放大；以提供足夠大的電壓和電流以驅(qū)動執(zhí)行元件；
[0029]力矩電機I，作為張力控制的執(zhí)行元件；
[0030]張力傳感器3，檢測張力并傳輸張力信息；
[0031]編碼器4，轉(zhuǎn)換張力信號并傳輸；
[0032]開卷輥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)控制計算機8、PWM功率放大器6相連，PWM功率放大器6與力矩電機I相連，力矩電機I與開卷輥2相連。
[0035]對于本技術(shù)方案的進一步的改進，本系統(tǒng)采用張力控制與運動控制分離開的張力獨立控制方式，由工控機獨立完成張力控制運算；
[0036]對于本技術(shù)方案的進一步的改進，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]對于本技術(shù)方案的進一步的改進，工業(yè)控制計算機8選用主頻為500MHZ的研華工控機，PMAC控制器7通過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)控纏繞機的張力系統(tǒng)多采用張力獨立控制，即運動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，負責完成各個電機的運動控制和采集張力傳感器的反饋信號，工控機作為上位機完成張力控制的并行雙CPU結(jié)構(gòu)，采用實時檢測纖維張力的擺桿式張力傳感器作為檢測部分，直流力矩電機作為執(zhí)行元件實時纖維張力值由PMAC進行采集并以ISA總線通訊方式傳遞給上位機，在上位機中完成與張力設(shè)定值的比較，并進行相關(guān)的控制運算后，運算結(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)過力矩電機驅(qū)動器功率放大后去修正力矩電機的輸出力矩，實現(xiàn)對纖維張力的實時控制。
[0039]綜上所述，本系統(tǒng)搭建一套以工控機為張力控制的主處理器、運動控制卡PMAC為運動控制器、永磁式直流力矩電機為執(zhí)行元件、擺桿式張力檢測裝置實時反饋纖維張力變化的閉環(huán)張力控制系統(tǒng)。系統(tǒng)大大簡化，可靠性更高，同時也為使用各種先進的控制手段提供了前提。計算機控制式張力器既可單獨工作，又可同主機連接通信，紗線的張力可以被記錄、顯示和自動設(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，特別是對于多根絲束進行張力控制的情況，通過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)明以實施例的方式揭露如上，不以任何形式對本發(fā)明構(gòu)成限制和限定，本發(fā)明的范圍以權(quán)利要求書為準，一切不超出本發(fā)明宗旨的顯而易見的修改、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)控制計算機(8)，作為主控器；
控制器(7)，一種基于03？的開放式多軸運動控制器； ？麗功率放大器￠)，對控制信號的功率放大，以提供足夠大的電壓和電流以驅(qū)動執(zhí)行元件； 力矩電機(1),作為張力控制的執(zhí)行元件； 張力傳感器(3),檢測張力并傳輸張力信息； 編碼器(4)，轉(zhuǎn)換張力信號并傳輸； 開卷輥(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)控制計算機⑶)、？麗功率放大器(6)相連，？麗功率放大器(6)與力矩電機⑴相連，力矩電機⑴與開卷輥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)采用張力控制與運動控制分離開的張力獨立控制方式，由工業(yè)控制計算機(8)獨立完成張力控制運算。
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)控制計算機(8)選用主頻為500冊12的研華工控機，控制器(7)通過總線與之通訊。
【文檔編號】B29C53/56GK104441598SQ201410609543
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月3日
【發(fā)明者】祝龍云 申請人:鎮(zhèn)江奧立特機械制造有限公司