（机械工程专业论文）变径中空玻纤拉伸伺服电机控制及试验研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t m 3 3 学科分类号 51 0 8 0 3 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 2 0 0 3 4 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名王丽然学号 2 0 1 0 0 l 0 0 3 4 获学位专业名称机械工程获学位专业代码0 8 5 2 0 1 课题来源自选课题研究方向机电一体化 论文题目变径中空玻纤拉伸伺服电机控制及试验研究 关键词变径玻纤拉伸，直流电机，d s p ，组态软件 论文答辩日期2 0 1 2 年6 月1 日奉论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称 工作单位学科专长 指导教师张连凯副教授北京化工大学机电工程 评阅人1侯俊达高工华电抗磨有限公司控制工程 评阅人2张东胜副教授北京化工大学测试与测量 椭员会揣钱才富教授北京化工大学化工机械 答辩委员1杨卫民教授北京化工大学聚合物加工 答辩委员2江波教授北京化工大学聚合物加工 答辩委员3张有忱教授北京化工大学聚合物加工 答辩委员4薛平教授北京化工大学 聚合物加工 答辩委员5周俊良教授北京化工大学工业设计 答辩委员6张亚军教授北京化工大学聚合物加工 答辩委员7王华庆教授北京化工大学故障诊断 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中查 询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 变径中空玻纤拉伸伺服电机控制及试验研究 摘要 实现低能x 射线物理检测需要变径中空玻纤作为聚焦装置，这就使 变径玻纤加工技术成为当前备受关注的问题。实现变径中空玻纤的重要手 段是拉制过程曳引速度控制。通常所使用的聚焦用中空变径玻纤成型牵引 调速系统响应速度、调速精度和品质不高，大多只能满足启动过程和工作 转速需要，对于高精度变径玻纤的拉伸往往不能达到工艺要求水平。为满 足上述工艺要求，需要对变径中空玻纤拉伸成型装置进行升级改造，使其 具有可控调速响应快、精度高等功能，以保证被拉伸中空变径玻纤制品的 质量。 本文通过搭建相应符合变速驱动性能要求的硬件与软件系统对常规 的驱动电机和控制系统进行了升级改造。设计完成了一个基于d s p 的聚 焦用中空变径玻纤成型牵引调速系统。 本文较详细地介绍了本次课题的研究背景和工程意义。经过理论研究 和对国内外现有的变径玻纤拉伸设备的分析比较，制定出一套理论上可行 的聚焦用中空变径玻纤成型牵引电机调速控制系统设计方案。 硬件方面，本文采用t i 公司生产的d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为核心的控 制电路，选取t ：t l 京勇光高特微电机有限公司生产的型号为1 6 0 l y 5 6 的 永磁无刷直流力矩电动机作为变径玻纤拉伸牵引电机。 软件方面，本文采用c c s 3 3 代码生成软件作为开发环境对d s p 进行 软件编程。选用由北京三维力控科技有限公司的力控组态软件开发制作了 t 北京化工大学硕士学位论文 上位机人机交互界面，对控制系统进行数据管理和实时监测。 经过实验室试验、测试、调整，再到现场进行试验、改进最终达到了 使用要求。 关键字：变径玻纤拉伸，直流电机，d s p ，组态软件 a b s l r a c t s e r v om o t o rc o n t r o ls y s t e ma n d e x p e r i m e n t a ls t u d yo nd r a w i n gv a r i a b l e d i a m e t e rh o l l o wg l a s sp i p e s a b s t r a c t t or e a l i z el o w - e n e r g yx - r a y sf o c u s i n gu s u a l l yn e e d sv a r i a b l ed i a m e t e r h o l l o wg l a s sp i p e sa sf o c u s i n gd e v i c e ，w h i c hm a k e sv a r i a b l ed i a m e t e rg l a s s p i p e s p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yb e c o m et h ep r o b l e mo fc o n c e r n t h ec u r r e n t i m p o r t a n tm e a n so fr e a l i z i n gv a r i a b l ，ed i a m e t e rg l a s sp i p e sa r et h et r a c t i o n s p e e dc o n t r o l i nt h ed r a w i n gp r o c e s s t h ec o m m o n l yu s e dt r a c t i o ns p e e d c o n t r o ls y s t e mo fd r a w i n gv a r i a b l ed i a m e t e rg l a s sp i p e su s u a l l yh a v eal o w r e s p o n s es p e e d ，p r e c i s i o na n dc o n t r o lq u a l i t y m o s to f t h e mo n l yt os a t i s f yt h e s t a r t i n gu pp r o c e s sa n dw o r k i n gs p e e dn e e d ，b u tf o rh i g hp r e c i s i o nd e m a n di n d r a w i n gv a r i a b l ed i a m e t e rg l a s sp i p eo f t e nc a n n o ta c h i e v ep r o c e s sr e q u i r e m e n t l e v e l t om e e tt h ea b o v ep r o c e s sr e q u i r e m e n t sa n df i n a l l yg u a r a n t e et h e v a r i a b l ed i a m e t e rg l a s sp i p e s q u a l i t yn e e d st ou p g r a d et h ee x i s t i n gv a r i a b l e d i a m e t e r g l a s sp i p e s m o l d i n g t r a c t i o n d e v i c e ，m a k i n g t h e mh a v ea c o n t r o l l a b l ef a s tr e s p o n s es p e e da n dh i g hp r e c i s i o n t h i sp a p e ru p g r a d e dt h ec o n v e n t i o n a ld r i v em o t o ra n dc o n t r o ls y s t e mb y t h em e a n so fb u i l d i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e mw h i c hm e e tt h e r e q u i r e m e n t s f o rv a r i a b l e s p e e d d r i v e p e r f o r m a n c e ，a n dd e s i g n e d a n d i i i c o m p l e t e dav a r i a b l ed i a m e t e rg l a s sp i p e s m o l d i n gt r a c t i o ns p e e dr e g u l a t i o n s y s t e mb a s e do nd s p w h i c ha r eu s e di nx - r a y sf o c u s i n g t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e dt h et o p i cr e s e a r c hb a c k g r o u n da n dm e a n i n g i n d e t a i l t h o u g hs t u d i e so ft h e o r ya n dc o m p a r i n g t h ee x i s t i n gv a r i a b l ed i a m e t e r g l a s sp i p e se q u i p m e n t sa d v a n t a g e s w i t hi t sd i s a d v a n t a g e sf o r m u l a t et h e d e s i g np l a no f t h ev a r i a b l ed i a m e t e rg l a s sp i p e sf o r m i n gt r a c t i o ns y s t e mw h i c h i sp o s s i b l ei nt h et h e o r y o nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h i sp a p e rd e s i g n e da n dc o m p l e t e dt h es p e e d c o n t r o ls y s t e mw h i c hi su pt ot h em u s t a r d ，a d o p t i n gt ot ic o m p a n y sd s p t m s 3 2 0 f 2 81 2a st h ec o r eo ft h ec o n t r o lc i r c u i ta n dc h o o s i n gt h e16 0 l y 5 6 p e r m a n e n tm a g n e td cm o t o ra s t h et r a c t i o nm o t o r w h i c hi sp r o d u c e db y b e i ji n gy o n g g u a n g m i c r o m o t o rm a n u f a c t u r i n gc o o nt h es o f t w a r ep l a t f o r m ，t h i sp a p e rp r o g r a m m e dd s pa d o p t i n gt h e c c s 3 3 ，ac o d eg e n e r a t i n gs o f t w a r e ，a st h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n d a c h i e v e dt h em o t o rd r i v ec o n t r 0 1 b e s i d e s ，t h i sp a p e ra l s od e s i g n e da n d a c h i e v e dam a n m a c h i n ei n t e r f a c eu s i n gt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eo fc o n t r o l f o r c e t h r o u g hr e p e a t e de x p e r i m e n t s ，t e s t sa n da d j u s t m e n t s ，t h es y s t e mf i n a l l y a c h i e v e dt h eu s er e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：v a r i a b l ed i a m e t e rg l a s sp i p e ，d cm o t o r , d s p , c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e 1 v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 本课题来源、研究目的及意义1 1 2 变径玻纤在x 射线聚焦中的作用1 1 3 变径玻纤成型控制技术国内外研究进展6 1 4 本课题主要研究内容1 0 第二章电机变速牵引1 1 2 1 调速系统电机类型的选择1 1 2 2 无刷直流电动机结构及控制原理1 2 2 2 1 无刷直流电动机结构1 2 2 2 2 霍尔位置传感器原理l3 2 2 3 无刷直流电动机工作原理1 5 2 2 4 无刷直流电动机的数学模型1 7 2 2 5 无刷直流电动机的调速方法1 9 2 2 6p w m 原理一2 0 2 3 对电动机变速响应品质的评价2 2 2 4 牵引控制系统所涉及的一些问题2 3 2 5 小结2 4 第三章直流电机调速控制系统设计2 5 3 1 总体设计方案制定2 5 - 3 2 硬件设计2 5 3 3 软件设计3 0 3 3 1 软件的组成3 0 3 3 2 软件设计3 3 3 4 本章小结4 2 v 北京化工大学硕士学位论文 第四章系统性能测试及试验研究4 3 4 1 试验原理4 3 4 2 直流电动机调速系统稳态特性测试4 4 4 3 系统的动态特性和稳定性能测试4 7 4 4 本章小结5 0 第五章总结与展望5 1 5 1 全文总结5 1 5 2 研究展望5 1 参考文献5 3 致谢5 7 作者及导师简介5 9 v i c o n t e n t s c o n t e n t s c h a p t e r1o v e r v i e w 1 1 1s o u r c e ，o b j e c t i v ea n dm e a n i n go f r e s e a r c h 1 1 2t h ev a r i a b l ed i a m e t e rg l a s sp i p e ss i n n i f i c a n c et ot h ex - r a y sf o c u s i n g i 1 3r e s e a r c hp r o g r e s so f m o l d i n gc o n t r o lt e c h n o l o g yo f v a r i a b l ed i a m e t e rg l a s sp i p e 6 1 4m a i nr e s e a r c hc o n t e n t 1 0 c h a p t e r 2v a r i a b l es p e e dt r a c t i o no ft h em o t o r 11 2 1t h ec h o i c eo f t h em o t o ru s e di nt h es p e e dg o v e r n i n gs y s t e m 1 1 2 2s t r u c t u r ea n dc o n t r o lp r i n c i p l eo f b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r 1 2 2 2 1s t r u c t u r eo f b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r 1 2 2 2 2p r i n c i p l eo f h a l lp o s i t i o ns e n s o r s 1 3 2 2 3w o r k i n gp r i n c i p l eo f b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r 1 5 2 2 4m a t h e m a t i c a lm o d e lo f b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r 1 7 2 2 5a d j u s t a b l es p e e dm e t h o do f b r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n tm o t o r 1 9 2 2 6p r i n c i p l eo f p w m 2 0 2 3e v a l u a t i o no f v a r i a b l es p e e dm o t o rr e s p o n s eq u a l i t y 2 2 2 4s o m eq u e s t i o n so f t r a c t i o nc o n t r o ls y s t e m 2 3 2 5c h a p t e rc o n c l u s i o n 2 4 c h a p t e r 3d cm o t o rs p e e d - v a r y i n gc o n t r o ls y s t e md e s i g n 2 5 3 1o v e r a l ld e s i g ns c h e m e s 2 5 3 2h a r d w a r ed e s i g n 。2 5 3 3s o f t w a r ed e s i g n 3 0 3 3 1s o f t w a r ec o m p o n e n t 3 0 3 3 2s o f t w a r ed e s i g n 3 3 v l i 北京化工大学硕士学位论文 3 4c h a p t e rc o n c l u s i o n 4 2 c h a p t e r 4s y s t e mp e r f o r m a n c et e s ta n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 4 3 4 1p r i n c i p l eo f e x p e r i m e n t 一4 3 4 2s t e a d ys t a t ep e r f o r m a n c et e s t so f d cm o t o rs p e e dc o n t r o ls y s t e m 4 4 4 3d y n a m i ca n ds t e a d ys t a t ep e r f o r m a n c et e s to fs y s t e m 4 7 4 4c h a p t e rc o n c l u s i o n 5 0 c h a p t e r 5c o n c l u s i o na n dr e s e a r c hp r o s p e c t 5 1 5 1c o n c l u s i o no f t h i sp a p e r 5 1 5 2r e s e a r c hp r o s p e c to f t h i sp a p e r 51 r e f e f e n c e 5 3 a c k n o w l e d g e m e n t 5 7 r e s u m eo fa u t h o ra n dm e n t o r 5 9 v i i i 符号说明 延迟时间，m s 上升时间，m s 峰值时间，m s 缸 峰值 震荡次数 超调量 峰值时间，m s 上升时间，m s 调整时间，m s 占空比 电枢端电压 电枢电流 电枢电路总电阻 每相磁通量 电机参数 电压平均值 符号说明 i x 阼 唧 b l l a u r q k u 北京化工大学硕士学位论文 x 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题来源、研究目的及意义 北京师范大学低能核物理研究所多年来一直从事荧光物理学方面研究工作，其中 低能x 射线聚焦技术是实现微x 射线分层扫描的关键技术。由于技术发展迅速而研 究内容又涉及到高端科技保密问题，并且对于不同扫描需求，x 射线聚焦光路需要随 之适应，一般研究单位都是自行加工聚焦器件。 本课题就是受北京师范大学低能核物理研究所的委托，为该单位开发一套能够满 足工艺参数需要的聚焦器件用中空变径玻纤拉伸成型装置。 根据变径中空玻纤拉伸工艺要求，需要该变径中空玻纤拉伸成型装置具有可控调 速的基本功能，并且对调速精度有相当高的要求，同时这个调速过程应该能够接受计 算机程序控制，即这个拉伸调速过程可遵循某经验速度时间变化曲线，也可接受电机 转速反馈，自动调节拉伸速度，以期实现拉伸过程的自动化，保证被拉伸中空变径玻 纤制品的质量。 为实现上述功能，需要对常规的驱动电机和控制系统进行升级改造，首先系统牵 引能力调速要具有很好的灵敏性，这不仅涉及到牵引电机的输出特性，而且控制系统 响应速度也会起到重要影响，所以需要搭建起相应符合变速驱动性能要求的硬件与软 件系统。 通常牵引调速系统对调速响应速度、调速精度和品质要求不是很高，大多是能满 足启动过程和工作转速需要即可。随着科学与工程技术的发展，能实现变速牵引调速 的方案很多，但是调速精度和品质都很难达到所要求的水平。 所以应该针对聚焦用变径中空玻纤拉伸具体工艺需求，选取合适的硬件和软件来 满足整个工艺过程的需要。这就需要认识聚焦用变径中空玻纤所需要的基本功能和几 何结构，了解在加热条件下玻纤受拉成型特性，以及采用何种自动化控制方式来保证 工艺过程的实现，其中关键就是牵引系统的调速精度及品质控制，这就是本课题研究 的主要目的及意义。 1 2 变径玻纤在x 射线聚焦中的作用 从物理学概念上定义x 射线属于一种电磁辐射波，其波长应该介于紫外线和丫射 线之间，波长范围在o 0 1 l o n m 以内【1 1 。 x 射线属于自然现象，在自然界普遍存在，但是当其要被达到人为使用目的时， 北京化工大学硕士学位论文 需要通过激发手段产生x 射线，并通过聚焦措施将其辐射向所期望的目标。x 射线的 产生如图1 1 所示。 目标 图1 - 1x 射线的产生 f i g1 - 1t h ex - r a y sg e n e r a t i o ns c h e m e s 人工激发x 射线可以利用高速的电子流撞击金属靶，于是使金属靶向外发射出x 射线【2 】。这样发射出的x 射线构成了一个辐射场，辐射方向是发散的，辐射强度取决 于冲击金属靶电子流的密度，并不稳定。 由于这样产生的x 射线一般是不规则的并且是发散的，发散的射线能量被周围介 质所吸收，无法满足对x 射线利用的需求。而在实际应用中希望x 射线能够聚集在 一定方向内，即所谓集束辐射，这需要对所发射出的射线进行聚集整合，以最小的激 发能量获得最大密度的定向射线流，被称为x 射线聚焦。 因为x 射线的自身能量大，折射角很小，穿透能力强，在各个领域应用都已经非 常广泛，但是如何能够提高x 射线聚焦程度一直都是科学界不断探究的问题。 上世纪8 0 年代开始在同步辐射源上使用单根空心毛细管对一些微材料、微样品 进行x 射线微束分析，推动了导管x 射线光学的兴起。 1 9 8 4 年前苏联科学家库马霍夫提出x 射线的全反射原理，从而奠定了“毛细管光 学”这一个新兴光学学科【3 卅。从这个理论出发，可将x 射线引入内表面光滑的玻纤管 内，利用x 射线折射角小的特点，经在管内多次折射后，其最终将趋于与玻纤管轴线 平行。当采用多根平行玻纤管组合后，就能获得聚焦的平行x 射线束，从而避免通过 光学透镜聚焦的能量损失。 最早的x 射线毛细管光学透镜是把数以千计的玻璃纤维管均匀排列在一起，使这 些玻璃纤维管堆砌成为一个横截面为六方形的列阵，当x 射线进入这个毛细管列阵内 的时候，就可以将原本发散的x 射线束聚焦，使得这些原本发散的射线束变成为准平 2 第一章绪论 行的射线束，从而实现控制x 射线传播的方向。 为保持毛细管之间的平行，并将这些毛细管固定，先要制作打满小孔的支撑孔板， 再将每根毛细管都穿过小孔，就组装成透镜。用这种方法制作而成的光学透镜被称为 库马霍夫透镜，也称为装配式x 光透镜。 随着毛细管光学应用的扩展和玻纤成型工艺技术的进步，可以把多根毛细管都熔 成一体，外面加上护罩，就成为整体结构式库马霍夫透镜。 x 准直透镜 入射x 射线茎蓁蓁蓁蓁蓁薹| l l l 畛 半聚焦透 图l - 2 库玛霍夫透镜作用原理示意图 f i g1 - 2k u m a r h o f l e n se f f e c tp r i n c i p l ed i a g r a m 图1 2 是库马霍夫透镜作用原理示意图【7 1 ，由于应用目和适用环境差异，同出发 于库马霍夫原理的毛细透镜演变成多种形式，但是按照工作特点和功能基本上可以分 成聚焦型透镜、准直型透镜和半聚焦型透镜三种类型： 聚焦透镜：把从点射线源发射出来的球面x 射线进行汇聚，然后形成高能的x 射线发射源； 准直透镜：将入射原本发散的x 射线束处理成在有限面积内强度均匀的平行x 射线束，对目标形成匀质光斑； 半聚焦透镜：入射平行光线被聚焦成能量更集中的密集射线束，可以作为中继耦 合器件，逐级增强射线束密度。 值得注意的是，组成这三种透镜所用毛细光纤并非是等径中空玻管，必须是经过 特殊拉制的变径中空玻纤管，以轴线位移的变径率需满足库玛霍夫全反射曲率。 装配式x 光透镜体积大、传输效率低、易损坏，应用领域受到很大限制。以上所 介绍的这三种x 射线透镜可承受的x 射线束能量范围是：l k c v 到6 0 k c v 3 l 。此范围 随着人们对x 射线光学透镜的不断地研究和探索很有可能会进一步扩大。 由于库马霍夫透镜的应用较为特殊，所以如今世界范围内的很多国家的很多的研 究机构都在进行这方面的研究。像是库马霍夫所在的莫斯科伦琴射线系统研究所、美 北京化工大学硕士学位论文 国纽约州立大学以及美国纽约科内尔大学等，而在诸多的进行此研究的研究所内，当 属俄罗斯处于这一研究的前沿。 中国以北京师范大学低能和物理研究所为研究中心也已经开展了x 射线聚焦方 面的研究。本课题对于直流电动机的调速及精度控制系统的研究，正是来源于北京师 范大学低能核物理研究所进行此项研究过程中需要用到的聚焦用变径中空玻纤成型 装置中牵引电机调速控制部分。 1 9 9 3 1 9 9 4 年x 光透镜技术出现革命性的突破，美国x o s 公司和中国北京师范大 学低能核物理研究所先后研制成功整体x 光透镜。这种整体x 光透镜，每一个一般 需要用三十到五十万根导管构成，它的特点是：效率高、透镜体积小，而且易于携带 安装。 图1 3 为在x 光导管中x 射线的传输规律原理图【9 j 。 p l 图l - 3x 光导管中x 射线的传输规律原理图 f i g 1 - 3x - r a yt r a n s m i s s i o nl a wi nxl i g h tg u i d ep r i n c i p l ed i a g r a m d 为从光源到导管入口端的距离，l 为管长，r 为弯管的曲率半径。光线沿着x 轴入射。光源的圆心坐标是( d ，r ，0 ) ，管人e 1 端的中心点坐标是( o ，r ，0 ) 。 弯管方程为： ( x 2 + y 2 一r ) 2 + z 2 = r 2 ，0 口纠r ( 1 - 1 ) 入射光源上的任意一点b = ( ，y s ，z s ) ，人导管端面上任意一点 最= ( ，蚱，z p ) ， 入射距离： s 。= ( o 一矗) 2 + ( 一y s ) 2 + ( z r - z ，) 2 ( 1 2 ) 入射单位矢量： 4 第一章绪论 = 呶，坞，彪) =堕! 生型( 1 3 ) s o 由弯管方程( 1 1 ) 得，弯管的外法线矢量为： 叫吃，n y n)-(。ix(c羼+y丁2-r)，弋y(c两+y厂2_r)，(1-4y ) ，x + r x + y r 入射线和弯管之间的夹角，即掠射角可以表示为： 0 = s i n 叫o 乞以+ ，刀，+ 从他) ( 1 5 ) 根据微分几何公式，反射光线的方向余弦为： e = 段一2 以s i n 0 ( 1 - 6 ) b = 以一2 n y s i n 0( 1 - 7 ) 丘= g z 一2 他s i n 0 ( 1 8 ) 由式( 1 - 6 卜式( 1 8 ) 可见，x 射线在x 光导管中的传输，只要已知入射光线单位矢 量和弯管外法线矢量，反射光线的传输方向便可以完全确定。经过第一次全发射后的 反射光线即可以看做是下次全反射的入射光线，逐次类推，便可以确定出x 射线在 x 光导管中的传输路径。除了图1 3 所示x 光在等直径弯导管中x 射线的传输规律以 外，x 射线在等直径直导管和x 射线在变直径直导管中的传输可以用如图1 4 所示示 意图表示。 ( a ) x 射线在等直径直导管中的传 输规律示意图 ( b ) x 射线在变直径直导管中的传 输规律示意图 图1 - 4 x 射线在x 光导纤维中传输示意图 f i g 1 - 4t h ex r a y st r a n s m i s s i o ns c h e m e si nt h exo p t i c a lf i b e r 由图1 4 可知，改变x 射线在x 光导管中的传播方向可以有多种方式。为了达到 北京化工大学硕士学位论文 x 射线束的特定聚焦效果，尽量减少光纤在光纤传输中的损耗和色散特性带来的不利 影响，经常希望光纤的直径能够沿光纤轴线方向按照特定曲线发生变化。本课题所要 研究的正是一种如图1 4 ( b ) 中所示的变直径的玻璃光导纤维( 即变径玻纤) 在拉制 过程中所要用到的牵引电机的变速调控系统。综合考虑加热炉温度、进给速度和拉伸 速度对光纤直径的影响，经过实验验证和理论推导，得出在一定的炉温和进给速度前 提下，玻纤直径与电机转速之间所具有的特定的函数关系。经过进一步的推导转换， 当玻纤直径变化固定时，便能够由给定的玻纤直径变化曲线确定出曳引电机的转速- 时间曲线，即电机v t 曲线。x 射线在变径玻纤中聚焦的实现如图1 5 所示。 图1 - 5x 射线在变径玻纤中聚焦的实现 f i g 1 5t h er o l eo ft h eg l a s sf i b e rw i t hc h a n g i n gd i a m e t e r si nt h ex r a y sf o c u s i n g 1 3 变径玻纤成型控制技术国内外研究进展 伴随着国内外相关领域对于玻璃光导纤维的需求日益提升，世界范围内的很多专 家学者针对光纤成型工艺控制问题进行了诸多研究，在不断提高玻纤生产效率及生产 质量方面取得了一定的研究成果。然而，以上研究多数是针对等直径玻纤拉伸控制而 开展的，通过不断改进控制内核优化算法，提高对玻纤拉伸的控制精度，进而提高拉 玻纤伸质量和速率【1 0 】。目前为止，对于变径玻纤成型控制技术的研究只有俄罗斯、美 国等少数国家相关机构开展，但由于多数是采用8 位单片机或可编程逻辑控制器 ( p l c ) 等相对来说具有较低运算速度和控制精度的控制部件作为控制内核，在量化 过程中经常会出现相对较大的跳跃，因此，这样的控制系统一般只能够实现相对比较 基本的玻纤拉制，而对于变径玻纤拉制设备的牵引速度而言，由于其控制精度没有办 法达到所需要的要求，就直接导致了玻纤直径的变化与所设定的曲线的吻合程度比较 低。国内对于变径玻纤拉伸控制的研究尚处于起步阶段。 变径玻纤成型的实现是将一根提前制作好的玻璃光纤棒拉制成为一种满足一定 6 第一章绪论 外径要求的玻纤的一种工艺。一般这样拉伸出来的光纤，其芯径和外径的比理论上应 和提前制作好的玻璃光纤棒的比是相同的，只不过是玻纤的尺寸要相应地缩小而已。 不仅如此，拉伸出来的光纤在径向的折射率分布结构也是严格地保留了与那根玻璃光 纤棒预相同的分布结构。 在工程实际中，一般较常见的玻纤拉制设备要有数米高。在玻纤拉制设备的顶端 有一个用来给玻璃棒进行加热的加热炉，这种加热炉根据制作材料的不同一般又可以 分为高纯石墨炉、氧化锆炉等多种。在这些不同种类中的加热炉里面，石墨炉是一般 较常用到的。变径玻纤拉伸设备对于加热炉的发热体是有一定的要求的：首先，发热 体必须要寿命长，而且不能够含有过多的杂质；其次，加热炉内的温度必须要是均匀 分布的；此外，加热炉内的气体的流量和气体的速度都必须要保持稳定。加热部件对 于预制玻璃棒的加热属于热辐射型加热，是无接触的。 图1 - 6 是玻纤拉伸塔结构示意图【l 。 纤收线系统 图l - 6 玻纤拉伸塔结构示意图 f i g 1 - 6c l a s sf i b e rd r a w i n gt o w e rs t r u c t u r ed i a g r a m 提前制备好的玻璃棒一般是用一个特定的机构以某一特定速度平缓地送到加热 炉里边去。当这一玻璃棒的温度到达一定值的时候，玻璃棒的下端就会因为受热而开 北京化工大学硕士学位论文 始软化，当曳引电机以一定的转速开始旋转的时候，曳引电机的旋转力矩通过转轴传 递给玻璃棒一定的牵引力，因为有了这样的一个牵引力的作用，玻璃棒便被拉伸制成 为了玻纤。 在变径玻纤拉伸控制系统中，位于顶部的位置控制电机通过一个速度可以调整的 转换装置控制着预制棒夹头的升降。因为位于顶端的位置控制电机的转速是保持不变 的，所以拉制出的玻纤直经能够按照预先设定的直径函数曲线发生变化除了受温度的 影响外，主要是通过对曳引电机的转速进行调控，从而转化为控制光纤的拉伸力来间 接完成的。当温度保持恒定时，曳引电机的转速越慢，拉制出的光纤直径也就越大： 相反，曳引电机的转速越快，从而光纤的直径也就越小。 在整个的拉制玻纤的进程当中，主控制系统要对所有的过程参数进行集中采集， 如炉温、玻纤直径、牵引速度等。然后主控制系统经过一定的数字运算，从而能够综 合地调整这些参数的值，继而拉制出所需要参数的玻纤。一般情况下，在通信领域中 所使用到的玻纤直径与所要求的玻纤直经波动值都不应该超过士0 5 p m 。对于不同用途 的玻纤，此数值可以略微有些差别，例如对于某些特种的光纤，这个波动值便可以被 适当放宽到士1 o g r e 。除此以外，这个参数主要还与拉丝塔的自身的性能有关。 当将提前制作好的玻璃棒拉制成为玻纤以后，一般的情况下，为了不让玻纤的表 面处的微裂纹发生扩散，从而能够保持它的机械强度，往往需要立刻涂覆刚刚拉制好 的玻纤。涂覆玻纤的时候经常所使用的材料有如下的几种：聚氨基甲酸乙酯、有硅树 脂及环氧树脂等。不仅如此，通常情况下还需要采用二次涂覆工艺，在玻纤的内层涂 上固化后比较柔软的涂料，在玻纤的外层涂上固化后比较硬的涂料，这样做的目的是 希望能够保持了玻纤在日后长期的使用中过程中的机械强度，并且这样做有利于玻纤 的接续。 国内现有的变径玻纤拉伸设备数量不多，共有三台，除去其中一台由美国生产外， 另外两台均为国产。实验证明，国内所生产的变径玻纤拉伸设备由于控制精度无法达 到精度要求，无法正常应用于生产。于是，为了满足实验室研究需要，北京师范大学 低能核物理研究所引进了一台美国设备进行实验研究。然而，就该设备的运行效果而 言，依然不是很理想的。该设备在拉伸控制方面尚存在如下问题： ( 1 ) 该设备对于拉伸力的控制是通过人工手动控制的，属于人工反馈，人工调 节。这样就对工人的操作水平有了非常高的要求。此外，手动控制的精度无法严格把 握，稍不留神就可能使拉伸过程中断，导致人力和财力的浪费。 ( 2 ) 此控制系统所采用的是8 位的单片机作为其牵引电机的控制内核。这种情 况下，在变径玻纤拉制成型设备控制过程当中，尤其是在对主牵引电机的调速的过程 当中，经常会引入相对较大的误差【1 2 1 。这样一来，采用8 位的单片机作为牵引电机的 控制内核将不能满足特种光纤拉丝工艺在精细程度上的要求。 图1 7 为美国进口的变径玻纤拉伸设备实物图。 第一章绪论 图1 7 美国生产的变径玻纤拉伸设备实物图 f i g 1 7t h eu n i t e ds t a t e sp r o d u c e sv a r i a b l ed i a m e t e rf i b e r g l a s st e n s i l ee q u i p m e n tp h y s i c a lm a p 针对上述所讨论的问题，结合北京师范大学低能和物理研究所x 射线实验室科研 工作的需要，急需要设计一套具有在美国这种实验仪器上符合光学特性的聚焦用变径 中空玻纤成型新型曳引电机控制系统。如图1 8 所示。 拉伸：i ( t ：w j ： 一，j 图1 - 8 变径玻纤拉伸电机调速系统功能示意图 f i g 1 - 8t h ef u n c t i o ns k e t c hm a po f t h em o t o rc o n t r o ls y s t e mi nt h ev a r i a b l ed i a m e t e rg l a s sp i p e s d r a w i n zo r o c e s s 9 北京化工大学硕士学位论文 针对第一个问题，如果把这种对玻纤牵引力的作用转化成为拉制工艺工程牵引力 的数学模型，将这个数学模型输入到数据库里去，让执行机构来执行这个过程，那么 一个新的系统将是一种数字化控制的玻纤拉伸工艺控制系统。原有的美国设备基础上 本课题拟在改进后的设备上加上一个力传感器，使应力变化与丝经的变化成一定的对 应关系，从而实现智能化控制。 针对第二个问题，本文将通过对现有光纤拉丝塔控制系统核心部件进行更新，采 用具有强大数据处理能力和高运行速度的d s p 作为控制内核，通过在主控程序中使用 高级的编程语言所编制出的玻纤直径控制程序，以便能够达到提高变径玻纤拉伸控制 精度和响应速度的目的。本课题所选用的d s pt m s 3 2