年王奋雄8通道纤维铺放张力控制系统设计11.deflate总结.doc

摘 要纤维与树脂复合材料的强度与重量比明显优于金属，其产品同时具有机构性能可设计及耐腐蚀等优点，因此在航天、国防和民用工业中正发挥越来越重要的作用张力控制是纤维和树脂复合材料生产工艺中极其重要的技术环节，生产过程中能否获得稳定可控的张力是纤维材料制品是否高强可靠的关键所在我国现有的纤维铺放机中所是使用的张力控制仪的控制精度和张力可调节性能都比拟低，为此，本文进行了8通道纤维铺放张力控制系统的方案设计通过分析张力控制的特点和要求，本文研究设计了金属应变式张力传感器，包括金属应变效应介绍、应变信号调理转换电路设计，张力传感器的结构特点分析和结构参数设计同时还研究了张力控制执行机构——直流力矩电机和工作特性和控制器的设计等方面的内容文中同时涵盖数据采集和处理，增量式数字PID控制方法的内容并给出张力控制系统方案设计的系统框图以及张力控制局部的相关电路图设计关键词：张力控制仪，张力传感器，直流力矩电机，PID控制ABSTRACTDue to the better strength-weight ratio compared with that of metal, and because it has advantages like erosion endurance, the tow and resin-compound materials are becoming more important in spaceflight, tension control is the crucial technique in the manufacturing process of the tow and resin-compound materials.KEY WORDS：tension-control equipment, tension sensor, the DC torque motor, the PID control mode目 录第1章 概述 51.1 引言 51.2 纤维铺放设备中张力控制国内外研究现状 5本文研究意义及内容 6第2章 张力控制系统总体设计 82.1 系统设计要求 82.2 系统设计方案 8 2.2.1 系统框图 8 2.2.2 硬件电路设计 9第3章 张力检测机构设计 163.1 电阻应变片工作原理及横向效应 16 3.1.1 金属的电阻应变效应及应变片结构 16 3.1.2 横向效应简介 183.2 电阻应变片的动态响应特性 193.3 电阻应变片的温度误差及补偿 203.4 张力传感器调整电路 22 3.4.1 电桥原理 22 3.4.2 张力传感器结构设计 24第4章 执行结构——直流力矩电机 274.1 直流力矩电机工作原理 274.2 直流力矩电机特点 284.3 直流力矩电机特性 29 4.3.1 直流力矩电机输入输出特性 29 4.3.2 带控制器的直流力矩电机特性 304.4 张力控制算法 31 4.4.1 比例调节器〔P〕 32 4.4.2 比例积分调节器〔PI〕 33 4.4.3 比例微分调节器〔PD〕 33 4.4.4 增量式PID控制算法 33第5章 总结 36参考文献 37致 谢 38第1章 概述1.1 引言在工业生产的诸多行业中，经常会遇到卷绕控制问题，如在纸张、纺织品、塑料薄膜、电线、印刷品、等的生产过程中，带料或线材的收放卷的张力对产品的质量至关重要，张力过大会造成加工材料的拉伸变形，张力过小会使卷取材料的层与层之间的应力变形，造成收卷不整齐，影响加工质量。

为此要求进行恒定张力控制，即在卷绕的过程中使产品承受最正确压力，且自始至终保持不变尤其是在纤维复合材料的应用中，由于纤维的强度与重量比明显优于金属，产品又具有结构性能可设计及耐腐蚀等优点，所以在航天、国防和民用工业中正发挥着越来越重要的作用因此，提高纤维以及一些树脂复合材料的质量就尤为重要[1]在复合材料的成型工艺中，纤维缠绕成型工艺是指采用连续纤维在浸渍树脂粘合剂后，在张力的作用下按照一定的线型有规律的排布在芯模上，然后通过加热是粘合剂固化而制成一定形状的工艺方法纤维铺放技术全称是自动丝束铺放成型技术，也称自动铺丝技术(Automatic Fiber Placement, AFP)该技术是20世纪70年代作为纤维缠绕和自动铺带技术的改革而开展起来的全自动复合材料加工技术，也是近年来开展最快效率最高的复合材料自动化成型制造技术之一纤维铺放技术既可以铺凸面也可以铺凹面，还可以铺放复杂的双曲率构件，并具有在铺层时切割丝束的功能，可以满足对铺层惊醒剪裁以适应局部加厚，铺层递降和开口铺层的需要，因此相比纤维缠绕技术和自动铺带技术具有更广泛的应用价值在复合材料的成型工艺中，合理的控制张力可以提高纤维的工作应力，充分发挥纤维材料的高强特效[2]。

复合材料制品的最终性能与其生产过程中的工艺参数密切相关在铺放发动机壳体、压力容器时，铺放张力的大小，各束纤维间的张力的均匀性及各铺放层间纤维张力的量级变化对制品强度影响极大研究证明，张力选择不当或张力不稳定，可使纤维缠绕制品的强度损失20~30%可见，性能优良的纤维铺放机必须配上准确控制张力的张力控制器，才能对系统的高效可靠提供保障[3,4]为了满足高品质纤维制品的生产要求，本课题就纤维铺放过程中恒定张力的控制方法进行了研究在分析了系统的要求及动态响应等各方面的要求后，对张力控制系统现象具有自动报警功能的可控张力控制仪1.2 纤维铺放设备中张力控制国内外研究现状资料显示，国内早期纤维线绳张力控制采用的是单纯的加重锤法，这种方法不能根据张力的实际情况调节放线速度，可调节精度差从20世纪80年代开始，出现了具有有限反响调节功能的机械式线绳张力控制装置，这也是目前国内主要使用的精度较低的机械式张力器，此装置绳辊后部增加了一个摩擦片，可以一定程度上调整线绳张力，但反映不灵敏，调节范围有限，控制精度也不太高，不易保证铺放过程中的张力精确控制要求其实控制纱线张力的实质是控制纱线轴的转动阻力矩，一个理想的张力控制系统应能给出稳定、可调的铺放张力。

20世纪80年代后期开始，一些进口成型机中常见的张力控制系统的线绳导开装置常采用的恒定张力自动控制系统，其线绳辊采用直流电机驱动，控制系统采用PWM调速，这样的装置有电流反响、张力反响等多环反响环节，并且由此之后出现了以磁粉离合器、磁粉制动器为执行机构的张力控制系统目前国内已研制的一些张力控制系统主要是采用工业控制机为控制核心，磁粉离合器为执行元件，半径跟随臂实时反响纱团半径变化可是，磁粉离合器的磁通增长速度取决于激磁线圈的电感量，磁通建立后，磁粉由离散状态到形成横过间隙的磁粉链时有延时过程；同时，纤维由于自身的伸展性也会延迟张力的建立，这使磁粉离合器带有滞后的特性，因此，这种系统必须解决滞后问题，提高其响应速度，否那么将影响整个控制系统的稳定性和精度[1]调查说明，力矩电动机在低转速、大转矩拖动系统中有广泛的应用，所以，如果把力矩电动机用在张力控制系统中，作为自动控制装置来改良张力控制系统的时间滞后性，可以有效地提高系统的控制精度[6,7,8]当前国外在整个工程上正在向集成模块开展，其充分利用计算机技术，把测量、控制、显示等进行一体化设计，尤其是在织机的张力控制系统中，国外的一些张力控制系统都具有极高的性能和智能化，如意大利的舒美特织机的“天马〞超优秀织机、瑞士的苏尔寿系列织机、日本津田驹系列织机等等。

这些织机都实现了电子卷取和电子送经控制，具有较高的智能化控制水平，在国际市场上占据重要的地位所以，智能化的张力控制器也正是我们该产业努力开展的方向为了适应现代智能化控制的开展方，使控制系统向一体化方向开展，同时，方便进行复合材料制品的质量跟踪，提高纤维产品质量，张力控制系统的研究有很重要的现实意义根据所选的检测元件和转矩调节元件不同，可以有各种不同的张力控制方案，例如，可以根据带料或线材收卷直径的变化来控制张力，也可以根据带料或线材的长度变化来控制张力，当然也可以用测力传感器直接测量张力来实现控制一般按照不同的工艺要求，有间接张力控制和直接张力控制两种方法间接控制是通过控制维持张力恒定的传动系统的电参数(往往是速度调节器的输出限幅)实现张力控制，一般采用最大力矩控制或恒功率控制等方式，适用要求不高的场合，可实现一般的简单张力控制要求直接张力控制系统采用张力传感器并构成张力闭环调节，视传感器结构不用，可分为位置式控制和反响式控制，一般用在高精度，高速度的张力控制场合这几种方法各有优缺点，如何选取技术方案要综合考虑技术与工艺要求、可靠性和经济性等因素由于纤维铺放时纱线总是处于运动控制中，并且要求张力恒定，因此要求张力控制系统在动态，尤其是加、减速过程中能有效控制张力，也就是要求系统能够准确补偿由于加、减速及摩擦所带来的动态力矩，所以本文采用直接控制中的反响式张力控制 。

所谓反响式张力控制是指采用微处理器为控制核心，实现复杂的控制算法，硬件采用张力传感器实时监测张力，构成张力的反响以实现闭环控制因此，文中张力控制系统将直接采用张力传感器实时监测张力，以直流力矩电机执行机构，利用直流力矩电机工作时提供的阻力矩恒定缠绕纤维上的张力，通过AT89C52微处理器控制直流力矩电机转矩，以到达控制张力的目的以下对张力控制装置的主要结构进行介绍，让读者对本文的主要研究内容有个根本了解1) 纤维铺放张力控制仪：张力控制仪正面是控制界面，控制仪正面左上方有6个5寸红色数码管组成的现实区域，可以实时现实张力值及设置的各个参数之；在面板的右面是功能按键和数字按键区域，可以按照要求完成一系列设置、检测、控制的功能在控制仪的后面有八个航空插头，用于接入八路控制信号该张力控制仪将在本文第2章作详细的介绍2) 张力传感器： 传感器底部贴有金属应变片，应变信号由信号线通过张力控制仪后的航空插头送入张力控制仪进行数据处理全套系统共有8个这样的传感器结构，用来检测8路张力本文的第3章将重点介绍应变效应，应变传感器的工作原理、根本结构，电阻应变片温度误差和补偿，应变信号调理电路及张力传感器参数设计等方面的内容。

3) 直流力矩电机： 在每个传感器的正下方都对应有一个直流力矩电机直流力矩电机是该控制系统 执行机构，它工作时提供的阻力距用于维持纤维线绳上的张力在整个系统执行过程中，对直流力矩电机的控制将直接影响到整个系统的控制精度和可靠性问题，它是整个系统的运行核心和控制关键，因此对它的透彻研究和准确分析将是重点本文的第4章将就此问题展开详尽的讨论，从直流力矩电机的工作原理着手，结合实验讨论直流力矩电机的特性和输入输出控制关系，目的在于找出张力和控制电压之间的数量关系，是张力控制仪可以通过运算得到稳定张力需求的输出控制电压在介绍完整个张力控制系统的相关检测和执行局部之后，在此根底上，本文将按照这个顺序依次展开详细讨论第2章 张力控制系统总体设计2.1 系统设计要求该系统将用于复合材料预浸纱铺丝设备在铺丝时的张力控制，以到达充分发挥纤维材料的高强度特性的目的系统要求根据上位机输入的张力控制阀值，对8根丝的张力同时进行控制，将铺丝过程中的张力控制结果实时记录、显示并且储存，对断丝进行实时报警，以便质量跟踪要求该控制系。