專利名稱：纏繞機纖維上膠設備張力控制裝置及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種纏繞機纖維上膠設備張力控制裝置及其控制方法，屬于機電控制 技術領域。
背景技術：
纏繞機在衛星制造的過程中承擔著許多重要生產任務，隨著生產任務的逐步增加 和產品工藝要求的不斷提高，纏繞機現有的張力控制系統已經無法滿足需求，迫切需要進 行改造。現有的張力系統無法達到比較精密的控制及實時數據顯示。張力控制是纏繞纖維 的關鍵工藝，關系到纖維的浸潤效果、纖維能否在模具表面充分展開、纖維應力狀態等，直 接影響產品的質量。現有張力控制系統利用彈簧調節張力，無法實時控制張力數值，且精度 較低，誤差較大。不同類型的產品對張力大小的要求往往有所差別，而現有張力控制系統無 法調節張力的大小。
發明內容
本發明的目的是為了解決上述問題，提出了一種纏繞機纖維上膠設備張力控制裝 置及其控制方法，該裝置采用數字電子控制系統取代了原來的機械控制系統，大大提高了 張力控制的精度，根據不同類型的產品調節張力大小，并實現張力值實時控制。本發明的纏繞機纖維上膠設備張力控制裝置，包括伺服電機、電機驅動器、浸膠 輥、張力傳感器、張力信號放大器、PLC控制器、彈簧導輥、刮膠板和輥輪；伺服電機上設有旋轉編碼器，伺服電機連接浸膠輥，驅動浸膠輥帶動纖維運行，旋 轉編碼器連接電機驅動器，將伺服電機的速度信號傳輸給電機驅動器，電機驅動器控制伺 服電機的轉速，電機驅動器的控制信號由PLC控制器提供；浸膠輥包括浸膠帶輪、膠槽、上膠皮帶；浸膠輥外圍設置長度大于浸膠輥外緣周長 的上膠皮帶，上膠皮帶下端浸入膠槽里的膠液中，上端安裝浸膠帶輪；浸膠帶輪包括若干個 自由旋轉的滾輪和圍繞其上的皮帶，浸膠帶輪的兩端固定在機架上；纖維從上膠皮帶和浸 膠帶輪的外圍皮帶之間穿過，當浸膠輥轉動時，上膠皮帶轉動，把膠槽里的膠液帶到浸膠輥 上端，使得纖維被膠液浸潤，纖維跟隨皮帶一起運動；纖維經過刮膠板，刮膠板將纖維上多余的膠液刮掉；浸膠輥和刮膠板之間設置若干個輥輪，纖維經過輥輪、刮膠板和彈簧導輥最后輸 送至纏繞筒；彈簧導輥設置在纏繞筒與刮膠板之間的纖維運行路徑上，纖維繞過彈簧導輥上的 輥子；張力傳感器固定在機架上，從浸膠輥中出來的纖維從張力傳感器上滾輪的纖維槽上 側繞過，張力傳感器測量到受力，得到電壓信號，將電壓信號傳輸給張力信號放大器；張力信號放大器對張力傳感器輸出的電壓信號進行放大和校準，輸入至PLC控制 器；PLC控制器接收張力信號放大器傳輸的電壓信號，根據張力傳感器測量的力，計算得到纖維的張力；在PLC控制器中設定張力的預設值，設置比例、微分、積分環節，即PID環 節，PLC控制器計算出纖維的張力與預設值的誤差，將誤差傳送給PID環節，得到速度的改 變量，向電機驅動器發送速度控制信號，通過電機驅動器控制伺服電機的轉速，調節浸膠輥 纖維的送出量，改變浸膠輥和張力傳感器之間的纖維的長度，調整彈簧導輥被壓縮的程度， 改變彈簧對纖維施加的力，實現對纏繞機的纖維的張力控制。
本發明的纏繞機纖維上膠設備張力控制裝置的控制方法，包括以下幾個步驟步驟一進行初始化，纖維預緊，啟動裝置；步驟二 張力傳感器測量纖維上的張力值，傳送給PLC控制器；步驟三PLC控制器傳送控制信號給電機驅動器；步驟四電機驅動器通過伺服電機控制的浸膠輥轉速，使得纖維的張力與張力的 預設值在誤差范圍內；步驟五纖維經過刮膠板傳輸給纏繞筒。本發明的優點在于(1)本發明的張力的控制精度高，能夠實現對張力的實時監測，和現有彈簧測量設 備相比，測量精度提高很多，響應速度也提高了很多；(2)本發明可根據要求調節張力值，張力的預設值存儲在PLC控制器中，在裝置運 行的過程中可根據不同的生產要求改變張力值；(3)可對纖維張力實時監控，從張力傳感器上返回的張力值直接顯示在LED顯示 屏上，從而實現對纖維張力的實時監控，工人根據現場需要調整張力值，以提高產品質量；(4)本發明所述裝置操作方便。
圖1是本發明纏繞機纖維上膠設備張力控制裝置的結構示意圖；圖2是本發明的擠膠輥結構示意圖；圖3是本發明的彈簧導輥示意圖；圖4是本發明的張力傳感器結構示意圖；圖5是本發明的方法流程圖；圖6是本發明的纖維角度示意圖。圖中1-伺服電機2-電機驅動器3-浸膠輥4-張力傳感器5-張力信號放大器 6-PLC控制器 7-彈簧導輥 8_刮膠板9-纖維10-纏繞筒 11-輥輪101-旋轉編碼器301-浸膠帶輪302-膠槽 303-上膠皮帶401-纖維槽402-滾輪 403-信號線601-LED 顯示屏 701-輥子
具體實施例方式下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。本發明是一種纏繞機纖維上膠設備張力控制裝置，如圖1所示，包括伺服電機1、電機驅動器2、浸膠輥3、張力傳感器4、張力信號放大器5、PLC控制器6、彈簧導輥7、刮膠 板8和輥輪11，上述所有裝置均固定安裝在機架上。伺服電機1上設有旋轉編碼器101，伺服電機1連接浸膠輥3，驅動浸膠輥3帶動 纖維9逆時針運行，旋轉編碼器101連接電機驅動器2，將伺服電機1的速度信號傳輸給電 機驅動器2，伺服電機1還連接電機驅動器2，電機驅動器2控制伺服電機1的轉速，電機驅 動器2另一端連接PLC控制器6，電機驅動器2的控制信號由PLC控制器6提供；浸膠輥3如圖2所示，包括浸膠帶輪301、膠槽302、上膠皮帶303 ；浸膠輥3是一個圓柱形金屬滾筒，在伺服電機1帶動下逆時針旋轉。浸膠輥3外 掛著長度大于浸膠輥3外緣周長的上膠皮帶303，上膠皮帶303下端浸入膠槽302里的膠液 中，上端安裝浸膠帶輪301。浸膠帶輪301由若干個自由旋轉的滾輪和圍繞其上的皮帶組 成，本發明中設置4個滾輪，浸膠帶輪301 —端通過彈簧固定在機架上，另一端直接連接在 機架上。依靠彈簧的預緊力，浸膠帶輪301壓在上膠皮帶303上。當伺服電機1帶動浸膠輥3轉動時，上膠皮帶303也跟著轉動，同時不斷把膠槽 302里的膠液帶到浸膠輥3上端。膠槽302除了有盛放膠液的作用，還有對膠液加熱的作用， 目的是增加膠液的流動性。纖維9從上膠皮帶303和浸膠帶輪301的外圍皮帶之間穿過， 接觸上膠皮帶303的時候被涂抹上膠液，并且在膠液的粘力和摩擦力的帶動下跟隨皮帶一 起向前運動。在向前運動的過程中，纖維9還同時被上下皮帶擠壓，這使得膠液能在纖維9 上完全浸潤。纖維9經過刮膠板8，刮膠板8將纖維9上多余的膠液刮掉；浸膠輥3和刮膠板8之間設置若干個輥輪11，輥輪11是可以繞軸線自由旋轉的圓 柱形滾筒，個數和位置的安排根據生產現場而定，安排的原則是易于纖維9走線以及方便 操作人員對纖維9進行觀察并執行某些操作，如纖維9意外折斷后進行連接。彈簧導輥7設置在纏繞筒10與刮膠板8之間的纖維運行路徑上，彈簧導輥7包括 彈簧702和輥子701，輥子701能夠在彈簧702上繞其軸心自由滾動。纖維9繞過彈簧導輥 7上的輥子701，如圖3所示，圖中標出了三種位置，如果纖維9張力大于張力預設值，則力口 快纖維9送出速度，纖維9長度增加，彈簧導輥7伸長，張力降低回復到設定值。如果纖維 9張力小于設定值，則降低纖維送出速度，纖維9長度減少，彈簧導輥7壓縮，張力增加回復 到設定值。張力傳感器4如圖4所示，為單側懸臂式，采用美國Montalvo公司的高精度張力 傳感器，包括纖維槽401、滾輪402、信號線403，纖維槽401設置在滾輪402上，張力傳感器 4固定在機架上，從浸膠輥3中出來的纖維9從滾輪402的纖維槽401上側繞過，當浸膠輥 3驅動纖維9運動時，纖維9對滾輪402施加壓力，壓力產生力矩，力矩拉伸張力傳感器4上 部的半導體，同時壓縮下部的半導體，產生與力矩成正比的電壓信號，電壓信號通過信號線 403傳輸給張力信號放大器5 ；張力傳感器4測量的力數值為纖維9從浸膠輥3上出來通過 若干導輥12后的數值。本發明中纖維9首先被導入浸膠輥3，浸膠輥3上附著膠液并不斷逆時針旋轉，帶 動纖維9前進的同時在纖維9上浸潤膠液。從浸膠輥3出來的纖維9，先通過輥輪11，再繞 過張力傳感器4上側后，經過刮膠板8，最后通過彈簧導輥7，當浸膠輥3逆時針轉動時，纖 維9從彈簧導輥7輸出，輸送至纏繞筒10 ；
張力信號放大器5對張力傳感器4輸出的電壓信號進行放大和校準，輸入至PLC 控制器6。PLC控制器6接收張力信號放大器5傳輸的電壓信號，PLC控制器6根據張力信號放大器5的型號對應的將電壓信號轉化為纖維9的張力，PLC控制器6計算纖維9的張力。 纖維9的張力顯示在PLC控制器6的LED顯示屏601上。在PLC控制器6中設定張力的預設值，設置比例、微分、積分環節，即PID環節；PLC控制器6計算纖維9的張力大小與預設值的誤差，將誤差傳送給PID環節，得 到速度的改變量，向電機驅動器2發送速度控制信號，通過電機驅動器2控制伺服電機1的 轉速，調節浸膠輥3纖維9的送出量，改變浸膠輥3和張力傳感器4之間的纖維的長度，從 而調整彈簧7被壓縮的程度，改變彈簧7對纖維9施加的力，實現對纏繞機的纖維9的張力 控制。本發明可根據要求調節張力值，張力的預設值存儲在PLC控制器6中，在裝置運行的 過程中可根據不同的生產要求改變張力值；通過實驗測定張力改變值和伺服電機1速度改變值之間的關系，設置PLC控制器6 中PID環節的參數，通過實驗進行測定和優化，不斷調整PID參數，使系統得到最優良的性 能，不僅使響應速度達到最優，而且最大限度地避免了纖維張力的振蕩。通過調整張力控制系統的參數，合理選擇彈簧7，可以避免纖維張力的振蕩，并且 提高張力改變的響應速度。在張力控制系統中，張力傳感器4測量的張力數值為纖維從浸膠輥2上出來時的 數值。當張力傳感器4測量的張力值大大超過給定張力值的情況(一般為超過張力預設值 的50%)下，說明擠膠過程可能存在對纖維9的摩擦力太大的情況。這時應緊急停止裝置， 以防發生意外。纏繞機纖維上膠設備張力控制裝置的控制方法，流程如圖5所示，包括以下幾個 步驟步驟一進行初始化，纖維9預緊，啟動裝置；纖維9預緊，拉緊纖維9，啟動裝置，使裝置啟動時纖維9上有一個初始張力，依靠 這個初始張力纖維能夠附著在浸膠輥3、輥輪11、張力傳感器4、刮膠板8、彈簧導輥7和纏 繞筒10上；步驟二 張力傳感器4測量纖維9上的張力值，傳送給PLC控制器6 ；纖維9經過張力傳感器4，張力傳感器4測得纖維9上的張力值，如果張力過大，一 般為超過張力預設值的50%，裝置停止工作，否則將得到的電壓信號傳送給張力信號放大 器5，張力信號放大器5對電壓信號進行放大和校準后，輸入PLC控制器6 ；步驟三PLC控制器6傳送控制信號給電機驅動器2 ；PLC控制器6接收到電壓信號后，計算纖維9上的張力，如圖6所示，當纖維9以包角B從張力傳感器4的滾輪402上繞過，而且纖維9進
入和離開滾輪402的兩側角度對稱時，張力傳感器4測得的力為 βL^lPsin-+ W(1)其中W為滾輪402自身重量，P為纖維9的張力；由式(1)，則得到纖維9的張力值為<formula>formula see original document page 8</formula>依據上式，PLC控制器6根據張力傳感器4的電壓信號計算得到纖維9張力的數值。與預先設定張力值進行比較，得到誤差，誤差經過PLC控制器6的比例、微分、積分 環節，得到速度改變量，將速度改變量作為控制信號傳到電機驅動器2 ；步驟四電機驅動器2通過伺服電機1控制的浸膠輥3轉速，使得纖維9的張力與 張力的預設值在誤差范圍內；電機驅動器2通過旋轉編碼器101與伺服電機1組成速度回路，按照PLC控制器6 給出的控制信號帶動浸膠輥3轉動，伺服電機判斷是否收到停機信號，如果收到裝置停止， 否則，判斷實際張力值是否大于張力的預設值，如果大于則浸膠輥轉動速度增大，纖維長度 增加，彈簧導輥伸長，張力降低回復到設定值；如果實際張力值小于張力的預設值，浸膠輥 轉動速度減小，纖維長度減少，彈簧導輥壓縮，張力增加回復到設定值；通過改變纖維9的 長度，控制彈簧7的壓縮量，使得纖維9的張力與張力的預設值在誤差允許范圍之內，一般 為張力的預設值的3% ；步驟五纖維9經過刮膠板8傳輸給纏繞筒。浸膠輥3轉速變化使得纖維9被拉緊或放松，從而改變纖維9上張力的大小，最 后，纖維9經過刮膠板8傳輸給纏繞機上的纏繞筒10。
權利要求
纏繞機纖維上膠設備張力控制裝置，其特征在于，包括伺服電機、電機驅動器、浸膠輥、張力傳感器、張力信號放大器、PLC控制器、彈簧導輥、刮膠板和輥輪，上述裝置均安裝在機架上；伺服電機上設有旋轉編碼器，伺服電機連接浸膠輥，驅動浸膠輥帶動纖維運行，旋轉編碼器連接電機驅動器，將伺服電機的速度信號傳輸給電機驅動器，電機驅動器控制伺服電機的轉速，電機驅動器的控制信號由PLC控制器提供；浸膠輥包括浸膠帶輪、膠槽、上膠皮帶；浸膠輥外圍設置長度大于浸膠輥外緣周長的上膠皮帶，上膠皮帶下端浸入膠槽里的膠液中，上端安裝浸膠帶輪；浸膠帶輪包括若干個自由旋轉的滾輪和圍繞其上的皮帶，浸膠帶輪的兩端固定在機架上；纖維從上膠皮帶和浸膠帶輪的外圍皮帶之間穿過，當浸膠輥轉動時，上膠皮帶轉動，把膠槽里的膠液帶到浸膠輥上端，使得纖維被膠液浸潤，纖維跟隨皮帶一起運動；纖維經過刮膠板，刮膠板將纖維上多余的膠液刮掉；浸膠輥和刮膠板之間設置若干個輥輪，纖維經過輥輪、刮膠板和彈簧導輥最后輸送至纏繞筒；彈簧導輥設置在纏繞筒與刮膠板之間的纖維運行路徑上，纖維繞過彈簧導輥上的輥子；張力傳感器固定在機架上，從浸膠輥中出來的纖維從張力傳感器上滾輪的纖維槽上側繞過，張力傳感器測量到受力，得到電壓信號，將電壓信號傳輸給張力信號放大器；張力信號放大器對張力傳感器輸出的電壓信號進行放大和校準，輸入至PLC控制器；PLC控制器接收張力信號放大器傳輸的電壓信號，根據張力傳感器測量的力，計算得到纖維的張力；在PLC控制器中設定張力的預設值，設置比例、微分、積分環節，即PID環節，PLC控制器計算出纖維的張力與預設值的誤差，將誤差傳送給PID環節，得到速度的改變量，向電機驅動器發送速度控制信號，通過電機驅動器控制伺服電機的轉速，調節浸膠輥纖維的送出量，改變浸膠輥和張力傳感器之間的纖維的長度，調整彈簧導輥被壓縮的程度，改變彈簧對纖維施加的力，實現對纏繞機的纖維的張力控制。
2.根據權利要求1所述的纏繞機纖維上膠設備張力控制裝置，其特征在于，所述的浸 膠帶輪中設置4個滾輪。
3.根據權利要求1所述的纏繞機纖維上膠設備張力控制裝置，其特征在于，所述的浸 膠帶輪一端通過彈簧固定在機架上，另一端直接連接在機架上。
4.根據權利要求1所述的纏繞機纖維上膠設備張力控制裝置，其特征在于，所述的膠 槽盛放膠液，而且對膠液進行加熱。
5.根據權利要求1所述的纏繞機纖維上膠設備張力控制裝置，其特征在于，所述的輥 輪為能夠繞軸線自由旋轉的圓柱形滾筒，個數和位置根據生產現場設置，使得操作人員能 夠對纖維進行觀察并執行操作。
6.根據權利要求1所述的纏繞機纖維上膠設備張力控制裝置，其特征在于，彈簧導輥 包括彈簧和輥子，輥子能夠在彈簧上繞其軸心自由滾動。
7.根據權利要求1所述的纏繞機纖維上膠設備張力控制裝置，其特征在于，PLC控制器 計算出纖維的張力后，將張力顯示在PLC控制器的LED顯示屏上。
8.一種應用權利要求1所述的纏繞機纖維上膠設備張力控制裝置的控制方法，其特征 在于，包括以下幾個步驟步驟一進行初始化，纖維預緊，啟動裝置；纖維預緊，將拉緊纖維，啟動裝置，使裝置啟動時纖維上有一個初始張力，依靠這個初 始張力纖維能夠附著在浸膠輥、輥輪、張力傳感器、刮膠板、彈簧導輥和纏繞筒上； 步驟二 張力傳感器測量纖維上的張力值，傳送給PLC控制器； 纖維經過張力傳感器，張力傳感器測得纖維上的張力值，如果張力過大，裝置停止工 作，否則將得到的電壓信號傳送給張力信號放大器，張力信號放大器對電壓信號進行放大 和校準后，輸入PLC控制器；步驟三PLC控制器傳送控制信號給電機驅動器；PLC控制器接收到電壓信號后，計算纖維上的張力，具體為當纖維以包角B從張力傳感器的滾輪上繞過，而且纖維進入和離開滾輪的兩側角度對 稱時，張力傳感器測得的力為<formula>formula see original document page 3</formula>其中W為張力傳感器滾輪自身重量，P為纖維的張力； 由式(1)，則得到纖維的張力值為<formula>formula see original document page 3</formula>依據上式，PLC控制器根據張力傳感器的電壓信號計算得到纖維張力的數值； 將計算得到的張力值與預先設定張力值進行比較，得到誤差，誤差經過PLC控制器的 比例、微分、積分環節，得到速度改變量，將速度改變量作為控制信號傳到電機驅動器；步驟四電機驅動器通過伺服電機控制的浸膠輥轉速，使得纖維的張力與張力的預設 值在誤差范圍內；電機驅動器通過旋轉編碼器與伺服電機組成速度回路，按照PLC控制器給出的控制信 號帶動浸膠輥轉動，伺服電機判斷是否收到停機信號，如果收到裝置停止，否則，判斷實際 張力值是否大于張力的預設值，如果大于則浸膠輥轉動速度增大，纖維長度增加，彈簧導輥 伸長，張力降低回復到設定值；如果實際張力值小于張力的預設值，浸膠輥轉動速度減小， 纖維長度減少，彈簧導輥壓縮，張力增加回復到設定值；通過改變纖維的長度，控制彈簧的 壓縮量，使得纖維的張力與張力的預設值在誤差允許范圍之內； 步驟五纖維經過刮膠板傳輸給纏繞筒； 纖維經過刮膠板傳輸給纏繞機上的纏繞筒。
9.根據權利要求8所述的纏繞機纖維上膠設備張力控制裝置的控制方法，其特征在 于，步驟二中所述的張力過大是指張力超過張力預設值的50%。
10.根據權利要求8所述的纏繞機纖維上膠設備張力控制裝置的控制方法，其特征在 于，步驟四中所述的誤差為張力的預設值的3%。
全文摘要
本發明公開了一種纏繞機纖維上膠設備張力控制裝置及其控制方法，控制裝置包括伺服電機、電機驅動器、浸膠輥、張力傳感器、張力信號放大器、PLC控制器、彈簧導輥、刮膠板和輥輪；控制方法包括步驟一進行初始化，纖維預緊，啟動裝置；步驟二張力傳感器測量纖維上的張力值，傳送給PLC控制器；步驟三PLC控制器傳送控制信號給電機驅動器；步驟四電機驅動器通過伺服電機控制的浸膠輥轉速，使得纖維的張力與張力的預設值在誤差范圍內；步驟五纖維經過刮膠板傳輸給纏繞機。本發明的張力的控制精度高，能夠實現對張力的實時監測，和現有彈簧測量設備相比，測量精度提高很多，響應速度也提高了很多，而且裝置操作方便。
文檔編號G05B19/05GK101804928SQ20101011661
公開日2010年8月18日 申請日期2010年2月25日 優先權日2010年2月25日
發明者丁希侖, 陳浩 申請人:北京航空航天大學