（机械电子工程专业论文）碳纤维退捻、卷绕装备研制及工艺研究.pdf

摘要 碳纤维是一种具有很好的电学、热学和力学性能等的新型材料。抗拉强度高、 耐腐蚀、耐高温、导电性强等。因此成为当今世界各国重点研究的对象。目前广 泛应用于航空航天、军工、复合材料、医疗等行业。许多国家也因此将其放在国 家战略高度来考虑。 应北京某航空研究所要求，需将其进口的一批t 3 0 0 型碳纤维( 弱捻，捻度2 0 捻米) 退捻，卷绕成一定形状的卷装用于制造复合材料。在将对方提供的样品 进行分析后，结合纺织卷绕工艺、机械设计制造等方面的技术，研制了一台用于 弱捻的碳纤维退捻卷绕成型设备，包括机械装置、控制系统、张力检测三个部分。 卷装工艺上要求满足卷装容量大，毛丝小，碳纤维中张力均匀等。因此对卷绕过 程中的张力控制进行研究十分重要。 本文在基于仿真和实验的基础上优化设计了一种用于张力控制的模糊p i d 控制器。将常规p i d 控制与模糊p i d 控制进行了比较，并在s i m u l i n k 中进行了 仿真，仿真结果表明：模糊p i d 控制响应速度快，且超调量也更小，对张力波动 起到很好的抑制作用，且其最大优点在于当被控对象参数发生变化时，能够利用 自身的模糊推理方法时时调整p i d 参数，快速适应新的对象。 在机械部分及仿真的基础上，设计了由p l c 、变频器、张力传感器、数据采 集仪、触摸屏等硬件组成的张力控制系统及检测子系统。张力控制系统将张力传 感器采集到的张力信号首先经p l c 的a d 转换后参与模糊p i d 的运算，输出结果 再经变频器来控制电机时时转速，碳纤维中的张力也不断变化，以期与目标张力 趋向一致。触摸屏实现机器开启、停止及显示运行中各参数值的功能。实验结果 表明在加上了控制系统后，张力波动明显减小，卷装后的碳纤维质量受损程度较 未加张力控制系统时显著降低，达到了满意的效果。检测子系统则经过数据采集 仪将张力信号进行a d 转换送入计算机，并由软件绘制出张力曲线，对碳纤维的 张力变化进行在线检测，同时也对张力控制系统的正确性进行了验证。 关键词：碳纤维退捻卷绕张力控制模糊p i d 仿真p l c a b s t r a c t c a r b o n - f i b e ri san e wm a t e r i a lw i t hv a l u a b l ee l e c t r i c a l 、t h e r m a la n dm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s i t st e n s i l es t r e n g t hi sh i g h ，r e s i s t i n gc o r r o s i o na n dh i g ht e m p e r a t u r e ， a n dg o o dp e r f o r m a n c eo fe l e c t r i cc o n d u c t i o n s oi th a sb e c o m et h ek e yr e s e a r c ht a r g e t a r o u n dt h ew o r l da n di sw i d e l yu s e di ni n d u s t r yf i e l d ss u c ha sa e r o s p a c e 、m i l i t a r y i n d u s t r y 、c o m p o s i t em a t e r i a l 、m e d i c a lc a r ea n ds oo n m a n yc o u n t r i e s h a v ep u ti ti n t h es i t eo fs t r a t e g i ca l t i t u d e a tt h er e q u e s to fa na e r o n a u t i c sr e s e a r c hi n s t i t u t ei nb e i j i n g ，ab a t c ho fc a r b o n - f i b e r , m o d e lt 3 0 0 ，a m o u n to ft w i s ti s2 0p e rm e t e r , s h o u l db eu n t w i s t e da n dt h e n w i n d e df o rd e v e l o p i n gc o m p o s i t em a t e r i a l b y a n a l y s i so fs p e c i m e n , c o n s i d e r i n g t e x t i l et e c h n i q u e s 、m e c h a n i c a ld e s i g na n dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y , am a c h i n et o s a t i s f yt h ed e m a n di sd e v e l o p e d ，i n c l u d i n gm e c h a n i c a lp a r t ，c o n t r o ls y s t e ma n d t e n s i o nm e a s u r i n gs u b s y s t e m i ts h o u l ds a t i s f yt h ed e m a n d so fh i g hc a p a c i t y , s m a l l f l a w sa n de v e nt e n s i o n ，t h e r e f o r ei ti si m p o r t a n tf o ru st or e s e a r c ht h et e n s i o nc o n t r 0 1 a f u z z y - p i dc o n t r o l l e r , w h i c hi su s e df o rt e n s i o nc o n t r o l ，i so p t i m i z e l yd e s i g n e d b a s e do ns i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s c o m p a r i n gi tt on o r m a lp i d ，t h es i m u l a t i o ni s a l s oc a r d e do u ti ns i m u l i n k , w h i c hs h o w st h a tf u z z y - p i dc o n t r o li sp r i o rt o n o r m a lp i da tr e s p o n s es p e e d ，a n do v e r s h o o ti sl o w e r , g o o da tc u r b i n gt e n s i o n v i b r a t i o n t h eg r e a t e s ts t r e n g t hi sw h e np a r a m e t e r so fc o n t r o l l e dp l a n tc h a n g e d ； f u z z y p i dc o n t r o l l e rc h a n g e sp i dp a r a m e t e r sb y i t s f u z z yi n f e r e n c ea b i l i t y a c c o r d i n g l y , a n da d j u s t st on e ww o r k i n gc i r c u m s t a n c e s o nt h eb a s eo fm e c h a n i c a lp a r ta n ds i m u l a t i o n ，t e n s i o nc o n t r o ls y s t e ma n d t e n s i o n m e a s u r i n gs u b - s y s t e m ，c o m p o s e d o f p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ) 、f r e q u e n c yc o n v e r s i o n 、t e n s i o ns l w i s o r 、d a t aa c q u i s i t i o ni n s t r u m e n ta n d t o u c hs c r e e na r es e tu p t e n s i o ns e n s o rs e n d st e n s i o ns i g n a lt op l c ，a f t e ra d c o n v e n t i o n ，t e n s i o ns i g n a lt a k e si nf u z z y - p i dc a l c u l a t i o n ，a n do u t c o m ei ss e n tt o f r e q u e n c yc o n v e r s i o nt oc o n t r o lt h er o t a t es p e e do fm o t o r s ot h et e n s i o ni nc a r b o n f i b e rc h a n g e sc o n t i n u o u s l y , e x p e c t i n gt ot e n dt ot a r g e tt e n s i o n t o u c hs c r e e ni s i n c h a r g e so fr u n 、s t o pa n dd i s p l a yp a r a m e t e r sf u n c t i o n s r e s u l t so fe x p e r i m e n t ss h o w t h a tw i t ht h eh e l po ft e n s i o nc o n t r o ls y s t e m ，t e n s i o nv i b r a t i o nd e c r e a s e s ，i n j u r i e so f c a r b o n f i b e ri ss l i g h t e rt h a nt e n s i o nc o n t r o ls y s t e mi sn o ta p p l i e d i ta c h i e v e st h e s a t i s f i e dr e s u l t s d a t aa c q u i s i t i o ni n s t r u m e n to fm e a s u r i n gs u b - s y s t e ma dt h e t e n s i o ns i g n a la n ds e n di tt oc o m p u t e r , a n ds o f t w a r ed r a w st h et e n s i o nc u r v ei nr e a l t i m e ，c h e c k i n gt h et e n s i o no nl i n ea n dv e r i f y i n gt h ev a l i d i t yo ft e n s i o nc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：c a r b o n - f i b e ru n t w i s tw i n dt e n s i o nc o n t r o lf u z z y o p i ds i m u l a t i o n p l c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：夷【皙签字日期2 岬年胡芍日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意 学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：尹1 傀 签字日期：u 吖年2 月z 弓日 栲中 学位论文的主要创新点 一、应用现代设计理论设计并研制了一台用于具有弱捻( 捻度2 0 捻米) 的碳纤维( t 3 0 0 ) 退捻卷绕成型装备，包括机械装置、控制 系统、张力检测子系统。这种退捻、卷绕工艺在国内现有大型设备 是不能完成的。 二、通过计算机、应用软件及传感器等手段，自行搭建了一套测 试子系统，对纱线的张力变化进行在线检测。 三、基于仿真和实验的基础上优化设计了一种模糊p i d 控制器， 可满足这种弱捻、纤度大的碳纤维退捻后恒张力卷绕的工艺要求。 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 我国是世界上最大的纺织生产及出口大国，纺织行业在我国工业格局中具有 重要地位，为社会提供了巨大的就业市场，为国家经济作为了巨大贡献。我国的 纺织品可以用3 个1 3 来划分( 以价值量划分) ：1 3 产品出口，1 3 为国内城市 的中高档产品，1 3 为农村产品。随着我国经济的增长，衣着和家用纺织品、产 业用纺织品都会有很大的发展空间和潜力。因此，纺织企业要有正确的市场定位， 形成企业的核心竞争力和现代营销网络，才能在全球纺织产品的竞争中占有一席 之地。纺织行业也带动了相关产业的发展，例如棉、麻种植、化工、机械产业、 贸易流通等u 1 。我国加入w t o 以后，随着国际交流的日益增多，促进了国内外企 业间的互相合作与竞争，纺织行业得到了更快的发展，也给我国纺织业带来了机 遇和挑战1 。 近年来，机电一体化技术得到了广泛的应用。促使国内外纺织机械有了较大 的发展，例如：普遍采用交流变频调速技术，实现人机对话的电子触摸屏应用， 计算机控制技术扩大应用并向着智能化的专家系统方向发展，网络和现场总线技 术等，在纺织机械中都有一长足的发展u 。用新的科学技术改造传统的工艺技术， 这是提高生产力的必由之路，尤其是在科学突飞猛进，技术更新速度空前加快的 今天，更是如此，因此对传统纺织工业必须进行有步骤的和彻底的改造。纺机产 品的综合性能、设备运行的可靠性与稳定程度，无疑是决定纺织最终产品品质的 重要因素之一一。 加捻和卷绕是纺织工艺中常见的工艺步骤，通常加捻的目的是为了增强纱线 的强度。而本文所研究的是退捻，通常只有在测量纱线捻度或接线头的情况下才 会用到，从理论上来讲，只要让纱线绕其轴线与加捻时相反方向旋转即可完成退 捻过程。而卷绕则是将纱线以一定的卷装形式及容量等卷到卷纱筒上，纱线从前 一个工序顺利地转移到后一个工序( 诸如拉伸变形、针织和机织等) 去进一步加 工，必须有一种能容纳、贮存、运输的包装，即卷装。使纱线按照一定的规律缠 绕在筒管的表面。 碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢的大、密度比铝的小、比不 锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多很好的电学、 热学和力学性能的新型材料。用碳纤维与塑料制成的复合材料所做的飞机不但轻 天津- t 业大学硕：卜学位论文 巧，而且消耗动力少，推力大，噪音小；用碳纤维制电子计算机的磁盘，能提高 计算机的储存量和运算速度；用碳纤维增强塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行 器，机械强度高，质量小，可节约大量的燃料。正因为碳纤维具有以上优点，因 此成为当今世界各国重点研究的对象，甚至放在国家战略高度来考虑。 1 2 课题来源及研究的意义 本课题来源于导师与某研究所的合作项目，该单位从国外进口了一批碳纤 维，准备用于制造复合材料，由于碳纤维被加捻，不能直接用使用。针对以上情 况，决定自行设计制造一台退捻、卷绕装备，将碳纤维上的捻度退掉，然后再卷 绕到卷纱筒上，成为成型的卷装。同时由于退捻与加捻是相反的过程，该机器也 可用于纱线等材料的加捻，可以说是一台多用途机。现代纺织机械实质上是一个 光、机、电和计算机技术集成的系统，机电一体化和智能化水平的高低决定着纺 机档次的高低。中国加入w t 0 ，致使国内纺机行业面临巨大的竞争压力。我们应 该密切注意国际纺机发展的新动向，充分利用计算机技术、高速、环保、自动化、 连续化、智能化的新型纺织机械，以适应高性能、多功能、多品种、高技术含量 的纺织品生产的要求1 5 。 根据功能实现要求，首先是实现纱线在卷绕机上按照一定的卷绕角，逐层、 密排成螺旋线形的圆柱形卷装筒子，工艺上要求卷绕应满足卷绕参数：卷绕角， 螺距，卷装动程的变化要求，并设计具有防凸、防叠、速度调节等性能，整机实 现全自动化。同时为了使卷装后的碳纤维损伤减小到最低程度，需考虑两个方面 的问题，一个是摩擦问题，另一个张力控制问题，摩擦可以通过合理的机械结构 设计来解决，尽量减少加工过程中碳纤维与其它材料的接触，直接接触部位想方 设法减小其摩擦系数；而张力控制则是一个非常复杂的过程，需要深入讨论，碳 纤维中张力过小或过大都对产品质量不利，过小使得卷装后的碳纤维松散，影响 外观，有塌边等现象的趋势，过大则容易使碳纤维受到损伤，甚至折断，因此在 本研究中决定将重点考虑碳纤维中的张力控制问题 针对所研究的碳纤维为弱捻，每股根数多( t 3 0 0 ) ，以及拉伸强度高，剪切 强度低等特点，设计出能完成退捻及卷绕功能的机器，运用p l c ，变频器控制退 捻电机、导丝电机和卷取电机等的运动，使碳纤维退捻后再以曲线缠绕在筒管上， 保证卷绕后的碳纤维不至于折断，起毛边，成形的卷装在筒管上不塌陷。涉及到 纺织卷绕工艺、机械设计及制造、控制工程等方面的知识。 碳纤维的退捻及卷绕是一个新的研究方向，目前国内外还鲜有这方面的报 导，借鉴已有纺织设备的退捻及卷绕工艺原理，综合考虑碳纤维的特殊性，设计 2 第一章绪论 一种小型装备完成以上工艺，有一定的实用价值。设计一台机电一体化的产品来 完成退捻及卷绕的任务，也为纺织实验室的纺织机械从机械式到机电一体化的转 变提供了一定的参考价值，因此有着重要意义。 1 3 退捻、卷绕的技术发展现状及趋势 目前常见的退捻方式有机械式退捻，气流旋转退捻等。机械式退捻原理是由 电机等传动部分直接带动解捻夹持器旋转而达到解捻的目的，气流旋转退捻则是 通过高压空气的作用使纱线等材料上的捻度除去，通常用在接线头的情况下。随 着新技术的发展，变频调速技术、触摸屏等的广泛应用，退捻方法越来越高速化、 自动化、智能化。有的退捻装置上加上了捻度传感器，时时检测剩余捻度。有的 采用伺服电机形成反馈控制，精确控制纱线中的张力。 张家港市先进机电有限公司研制的一种退捻装置【6 】，包括解捻头、解捻检测 器及驱动解捻头转动的电机，解捻头包括外壳和设置在外壳内的三只滚轮，解捻 检测器包括导布轮、检测辊、及设置在导布轮与检测辊之间的捻度传感器，捻度 传感器通过电器控制装置与电机相连接，电机采用伺服电机，检测辊上还设置有 张力传感器，导布轮由变频调速电机驱动，张力传感器通过控制电路与变频调速 电机相连接，其优点是：该装置用于织物退捻，能提高退捻加工质量，且安全可 靠，不易发生故障。 佛山市宏信机械公司生产的w s 系列绳状退捻开幅机采用变频调速方式控制 电机转速，适用布幅1 8 0 0 - - - 2 8 0 0 m m ，适用于针、梭织布水洗、染色后绳状转为平 幅状加工工艺。 温岭市兴达打结机厂采用气流旋转退捻方式，扩大了纱线退捻范围，减少了 震荡器易损件的损耗，适用纱线密度为单纱5 特- - - 3 0 特，股线5 特1 0 0 特；捻 结粗度为原纱的1 1 3 倍；保留强力为单纱大于原纱的8 0 ，股纱大于原纱的 7 5 ；净化空气压力为0 5 4 o 6 8 兆帕。 在其它材料的退捻上也有进展，例如用于钢丝绳的退捻机，可将钢丝绳在使 用过程中产生的拧劲退除，并将钢丝绳缠绕整齐，以免造成损伤，为下次使用做 好准备。它主要由机架、操作盘、两个线盘及其支架、吊杆、脚踏刹车、滑轮和 排绳机构等组成。操作方便、结构简单、重量轻，便于运输并大大减轻工人的劳 动强度和提高工作效率。 卷绕机应用范围更为广泛，除纺织行业外，还应用于化工、机械、电力等。 其基本原理都一样，将材料以各种形式( 螺旋式、环向式、平面式) 卷绕到筒管 上，目前，卷绕技术在不断飞速发展，概括来说，有以下几大发展趋势： 3 天津工业大学硕士学位论文 1 卷绕机向高速化发展：高速化的发展有利于提高生产率 7 1 。在2 0 世纪5 0 年代就有专利介绍美国杜邦公司的高速纺丝技术，2 0 世纪7 0 年代后期，高速纺 丝关键设备一高速卷绕机得到了飞速发展。日本帝人制机公司的a w 8 0 0 系列卷 绕机的最高卷绕速度为4 0 0 0 m m i n 。德国巴马格公司首先研制出了速度可达 6 0 0 0 m m i n 的s w 4 6 系列的工业化高速卷绕机，瑞士立达公司的r i e m a ta 6 - 0 6 型 高速卷绕机速度高达8 0 0 0 m m i n 。其它一些机械制造厂也有产品相继投放市场， 如：日本东丽工程公司的t w 一5 0 0 和t w - 6 0 0 系列卷绕机、日本帝人制机公司的 a w 9 0 0 系列卷绕机等有三十多种机型。在国内，中国纺织科学研究院机械厂自 1 9 9 6 年以来自行研制开发高速纺丝卷绕机，已成功推出了用于民用长丝生产的 b w a 8 6 0 、b w a l 2 6 0 、b w 4 3 5 等全自动、半自动高速卷绕机，卷绕速度在3 0 0 0 - - - 6 5 0 0 m m i n 之间；上海工程技术大学与上海二纺机股份有限公司合作研制了采用 锭轴传动、横动转翼的e j q 2 9 6 型全自动切换高速卷绕机，具有自主知识产权的 卷绕控制技术；它们在国内都处于领先水平，而国内全自动切换卷绕机的成功开 发和运行，打破了国外公司垄断高速卷绕机市场的局面。 2 绕绕机向功能多样化方向发展：目前卷绕机不仅可用于纱线、涤纶、橡胶 等材料。还可用于钢板、纤维等。另外还有用于纺织袋的卷绕机，用于电池生产 中电芯卷绕的卷绕机，用于化纤中的熔纺卷绕机等。 3 卷绕机向智能化方向发展：现今许多卷绕机都有张力控制系统，有些卷绕 过程中，张力对卷绕后材料的性能有很大影响。因此有必要严格控制张力情况； 有些机器上有断纱自停装置，能够保证纱线拉断后自动停止运行；有些装置自动 接线功能，当开始卷新的纱管时，自动接线，避免了人工干预的麻烦。 4 卷绕机向集散系统方向发展：把显示、张力、温度、纠偏系统设计成独立 的分系统，以提高可靠性。在这种系统中，上位机作为网络设备的节点只用来进 行通讯和监控。而主控制系统能帮助绘制产品设计曲线图表，发出生产控制指令， 自动化程度大为提高。 1 4 张力控制的基本原理 前面已述本课题中碳纤维用于制作复合材料。在将对方提供的样品进行分析 后，结合纺织工艺、机械设计制造等方面的知识，研制了一台用于弱捻的碳纤维 退捻卷绕成型设备。实验的结果表明，工作过程中张力波动对碳纤维的质量影响 较大，由于碳纤维剪切强度极低，张力波动容易造成碳纤维弯曲，产生毛刺，长 时间运转甚至有使碳纤维折断的危险。因此研究退捻、卷绕过程中的张力控制问 题有着重要的意义。本课题决定采用恒张力卷绕方式使碳纤维质量损伤减小到低 4 第一章绪论 程度。 张力控制在国内外的应用均主要集中于纺织机械，印刷机械，轧钢机械，拉 丝机，精密缠绕机等工业设备的生产过程中，控制方式多种多样，可选的执行机 构种类繁多，可采用的控制策略也比较广泛，如p i d 控制、模糊控制、鲁棒控制、 神经网络控制等等。p i d 控制是一种早期的、较基础的、也是人们所最为熟悉的 一种控制方法。常规p i d 控制器因具有原理简单、鲁棒性较强、动态和静态特性 优良，特别是对二阶对象模型具有最优调节器的结构特点，在工业控制中占据主 要位置，但常规p i d 控制器不具备在线参数整定功能，对系统模型的精确性依赖 较强，对于非线性、时变且受随机干扰的系统，一般难以获得较好的控制性能。 而我们的带材张力控制系统，往往就不能建立一个精确的数学模型，而且卷径、 速度和力矩随时都在变化，是一个大时变系统，常规p i d 调节难以满足精确张力 控制的要求；所以有必要对常规的p i d 进行改进，如前馈控制可以有效抑制干扰， 提高系统的动态稳定性；又如积分分离p i d 控制及变速积分p i d 控制可以减小累 积误差，抑制超调；通过改变p i d 控制结构也可改善控制过程中的静动态性能。 最近有人在实际张力控制过程中采用了一种新型的两自由度h 鲁棒控制 8 - 1 3 ，此方法不仅可以减弱速度与张力间的耦合作用，而且能够分别实现干扰抑 制和干扰跟踪，控制精度也相当高。神经网络控制可以不依赖受控对象的数学模 型，能适用于任何不确定系统，且不需任何先验知识，也可以很好的解决由于系 统参数间的耦合性而造成系统性能不好的问题。当应用于卷绕控制系统时，用带 有反向传播训练算法的人工神经网络可以克服传统p i 控制方法的缺点，可以有 效地减弱张力控制系统中速度和张力之间的耦合作用。 文献 1 4 采用了模糊控制方法，其工作原理是采用张力传感器将测得的张力 信号转换成电信号，经过a d 转换成数字量后输入计算机，与事先设定的张力给 定值进行比较，所取得的偏差e 与偏差变化率e 再经过模糊控制器，即经过一 套模糊控制算法，获得所需的控制量u ，再经过d a 转换，控制变频器的输出电 平，以调节细纱机主电机的转速，最终达到控制纺纱张力的目的。文献 1 5 3 检测 的不是张力，而是整经轴直径d ，由特定的公式算出所要求的电源信号频率值， 根据此频率来控制变频器，进而调整电动机转速为恒定，从而保持纱线张力恒定。 文献 1 6 对数十家引进的国外( 荷兰和德国) 塑料制品自动化生产线进行了 分析，虽然是八十年代末期的国外产品，但是也可从中窥探国外在张力控制方面 的研究现状，引进的生产线都是模拟控制系统，对张力控制采取的是扰动补偿控 制，通过硬件电路产生两路补偿信号，一路使卷绕过程的张力与卷径无关，另一 路使收卷过程的张力随一定的曲线衰减。文献 1 7 采用直流电机作为执行机构， 在保持线速度和其它参数不变的情况下，调节发电机的励磁电流来控制张力恒 5 天津工业大学硕士学位论文 定。文献 1 8 提出了一种缠绕机新型张力控制系统，是以电流变流体阻尼器作为 张力执行元件，以微机控制的数控电压源作为控制电路来控制阻尼器的制动力 矩，达到控制张力的目的，所以其“新型 主要体现在执行机构方面。文献 1 9 介绍了四种张力控制方法：滑擦片恒张力控制、电机电流恒张力控制、杠杆恒张 力控制、动滑轮恒张力控制，这四种方法主要体现在检测机构的不同，但是都属 于线速度跟踪控制。 文献 2 0 分析了卷绕过程中影响卷绕线速度变化的主要因素：卷径的变化和 送料线速度的变化，采用了直接张力闭环控制，将检测到的张力信号与给定张力 信号比较后，经调节器产生脉宽调制信号来控制伺服电机的转速，以维持线速度 差恒定，从而也控制张力恒定。文献 2 1 2 2 对大卷径变化范围的卷取机采用了 直接检测卷径d 的方法，在不同d 的范围内分别使磁通及电枢电流与卷径的比值 ( 或电枢电流及磁通与卷径的比值) 保持恒定，从而使卷取机张力保持恒定。文 献 2 3 介绍了一种纯模拟实现恒张力的控制系统，计算了速度环和电流环及p i 调节器各参数，对于实际的纯模拟张力控制系统参数的调整有一定的参考价值。 文献 2 4 介绍了一种纯数字张力控制系统，推导了直流电机为执行机构的系统中 电流变化应满足的数学模型，采用了速度反馈和电流反馈，反馈信1 0 号全都送 入8 0 9 6 单片机，再按照p i 调节律进行处理。文献 2 5 介绍了一种间接张力控制 系统，输入单片机的量是直接检测到的角速度和线速度，通过相应的公式计算出 卷径和张力补偿电流，再用常规模拟调带器来实现电流和磁通控制。文献 2 6 利用摆杆位置对应张力，通过控制摆杆角度来控制张力恒定，但是为了提高系统 的动态性能指标和精度，又引入了主扰动量( 线速度) 的顺馈补偿，使线速度差 为恒定。 文献 2 7 介绍了直接张力控制法和间接张力控制法相结合的一种控制方法， 在系统中使用了张力传感器，同时为了提高控制精度，在电机基速以上，采用复 合控制，在基速以下采用最大力矩控制，这样就使磁通、电枢电流与卷径的比值 ( 或电枢电流、磁通与卷径的比值) 保持恒定，从而保持张力恒定。文献 2 8 介绍了全数字控制的几种典型张力控制方案：间接张力控制和直接张力控制，指 出了卷径检测的重要性和扰动补偿对于恒张力控制的作用，并对不同控制方案的 电机选型进行了分析。文献 2 9 介绍了速度控制和张力控制的设计思想，速度控 制是用检测末端电机线速度来控制收卷线速度，使速度差恒定，张力控制采用的 仍然是最大力矩控制法来实现恒张力控制。 6 第一章绪论 1 5 张力控制研究的发展现状 早期的张力控制系统，一般都是以模拟器件为主，系统复杂，调试困难，可 设置选项少，系统的控制精度不高。随着电力电子技术，计算机实时控制技术， 检测技术的发展，全自动张力控制系统逐渐由模拟控制转向数字化控制，并从单 纯的单机单路控制转向一机多路控制，全面采用单板机、可编程序控制器( p l c ) 控制，目前以大规模集成电路，彩色液晶显示，多层菜单操作为主。根据控制系 统输出的控制对象分，目前市场上主要有以下两种张力控制系统：一种是以磁粉 制动器( 离合器) 为主要执行部件的张力控制设备，由于磁粉制动器的输出转距与 通过其电感线圈的电流具有优良的线性关系，因而只要通过相应的压力检测器件 检测现场的压力值，对应此输出相应的通过磁粉制动器的激励电流就能实现动态 控制，保持现场张力的恒定。这类张力控制系统主要用于低张力控制的造纸，纺 织等行业中：另外一种就是以变频电机为执行部件的张力控制系统，其主要特点 就是通过控制变频器的激励电流或者激励电压来实现电机转速的控制，从而实现 现场压力的恒定，该类系统只要应用于对速度和张力都有较高要求的大规模工业 系统中，如钢铁行业，电缆制造业等。 近年来，张力控制系统结合了最新的电力电子技术，检测技术，数字控制技 术于一身，向着多功能，一体化，产品系列化的方向发展。相对来说，国外张力 控制系统设备不仅对于卷取过程中张力有严格精确的控制，而且对于初始建立张 力、抛尾过程张力都有较好的控制，并且有友好的人机界面，完善的功能，如缓 冲启动，防松卷功能、手动自动控制、模式选取、控制参数的保存和调用、自 诊断模式、多种通讯接口等，但是价格却相对昂贵。国内的张力控制系统基本停 留在手动随机、随时控制的水平上，有部分采用模拟检测、模拟放大控制输出的 产品，可控性和人机界面差，控制精度不高，迫切需要更新换代。 1 6 本课题研究的内容 本课题研究的碳纤维型号为t 3 0 0 ，捻度为2 0 个捻每米。对于这种弱捻度的 材料，目前常见的退捻机是无法完成的。在查阅相关资料后，发现很少有对碳纤 维退捻的研究，因此研制一台能对弱捻材料退捻及卷绕的装备，综合运用机械、 控制等专业知识，实现恒张力卷绕，有重要的意义。 在对碳纤维样品分析以后，发现主要存在以下几个问题造成退捻障碍： 该碳纤维型号为t 3 0 0 ，即每束碳纤维包括3 0 0 0 根细小的碳纤维丝，易 发生卷曲，扭结等现象，不利于退捻； 该碳纤维表面涂有一层油剂，有一定的粘性，使碳纤维粘在一起，对退 7 天津，t 业大学硕二t 学位论文 捻有一定的阻力； 碳纤维剪切强度极低，在摩擦力作用下，非常容易起毛，甚至折断。 本课题首先对退捻及卷绕等工艺进行研究，从机械上实现其功能，在对运动 过程中张力变化进行研究后，提出张力控制的总体方案，然后再以p l c 、变频器、 张力传感器等构成张力控制的硬件结构。 张力控制上采用模糊p i d 控制算法，通过张力传感器构成张力闭环控制，以 变频驱动的异步电机为执行部件，从而实现张力的恒力。 p l c 与变频器之间的数据传送采用r s 4 8 5 通信，提高了系统的抗干扰能力。 控制方法的实现通过对p l c 进行编程来实现，易于调整。 总体上分为以下几个部分进行： ( 1 ) 从机械上来实现退捻、卷绕的基本功能，完成机械部分的设计并制造 出该机器； ( 2 ) 对退捻、卷绕运动过程及张力进行分析，确定基本运动参数； ( 3 ) 控制方法的确定与仿真研究； ( 4 ) 控制系统的硬件及软件设计与实现等； ( 5 ) 整个装置调试与试运行。 第二章机械部分设计 第二章机械部分设计 要完成碳纤维的退捻及卷绕工艺，机械功能的实现是基础。退捻是加捻的逆 过程，退捻时，让碳纤维一端保持被握持的状态，而另一端在退捻机构的作用下绕 自身轴线回转，回转方向为与加捻时的方向相反即可完成退捻过程。卷绕则是将 碳纤维卷到空的卷筒上，形成有一定容量的卷装形式。要求碳纤维在卷筒上排列 疏密程度均匀，有适当的张力，且有好的外观。本章主要介绍完成以上工艺过程 的机械实现方法，为后面运动分析及控制系统的设计等章节打下基础。 2 1 原理方案的研究 由于纱线交叉卷绕所构成的圆柱形卷装筒子，具有成形机构简单，筒管容纳 纱线数量大等优点，因此，在纺织行业中纱线一般均卷绕成圆柱形卷装筒子。 纱线卷绕成圆柱形筒子时，最基本的排布形式有周向型、平面型、螺旋型。 其中螺旋线形卷绕由于当纱线卷到卷筒左右两侧时有把纱线拉向卷筒中间的拉 力，可减少塌边等现象，故本设计采用螺旋型卷绕。在卷绕过程中常称螺旋角为 卷绕角，通常卷绕角范围为3 。至6 。 2 1 1 卷绕方法研究 纺纱的工艺过程是由若干个生产工序来执行的。前道工序生产出来的半成品 须以合适的卷装方式输送到下道工序的机器上进行进一步的加工。因此，在生产 过程中，为了便于搬运、贮存和下一道工序的加工，每道工序生产出的产品都必 须要被制成合适卷装的管纱。 1 卷绕要求 卷绕的要求主要有以下三点： ( 1 ) 增大半制品的卷装容量，相应减少更换卷装的次数，有利于提高劳动 生产率。同时，增加卷装容量也必须考虑到便于工序问的运输和贮存以及与下道 工序机器设备的操作配合因素。 ( 2 ) 卷装要能维持半制品的机械性能，不应该对其外观、结构均匀度和其 他品质造成损害，不增加疵点，不减少半制品的合格率。 ( 3 ) 满足下道工序对半制品的喂入要求并能适应高速退绕，避免退绕时的 9 天津工业大学硕：匕学位论文 粘连、脱圈、扭结、意外伸长甚至损伤或断头。 2 卷绕形式 卷绕的形式主要有以下四种： ( 1 ) 螺旋卷装形式。这种卷装端面的几何形式近似于阿基米德螺旋线，适 合于宽而厚的产品。 ( 2 ) 摆线卷装形式。摆线卷装形式是将产品以圈条形式摆放在筒状容器( 条 筒) 内，适合于粗大而强力较小的半制品。 ( 3 ) 交叉卷绕形式。产品常以各种管状结构形式出现，有圆柱形和圆锥形 两种，适合于纱条强力较大，卷绕张力也较大，卷绕与退绕速度高的产品。粗纱 机、细纱机、络筒机及捻线机均采用这种卷绕形式。在这种卷装形式中，按纱线 在卷装上每次升降动程的长短可分为短动程、中动程和长动程三种。 ( 4 ) 平行卷绕方式。采用平行卷绕方式卷绕时，导纱器横动速度较慢，绕 纱螺距很小，致使纱条在卷装上平行排列，这种方式卷绕密度较大。 3 卷绕的基本规律 在对产品进行成形卷绕时，视工艺要求的不同，均应遵循一定的基本规律及 纱卷成形运动控制系统的研究。 通常要注意以下三个方面： ( 1 ) 卷装结构。被卷绕的纱圈应在整个卷装长度上按预先规定的某种轨迹 ( 如圆条) 或卷绕节距( 如粗纱、细纱) 来配置，这个卷绕轨迹或节距可能是恒 定的，也可能是变化的。合理的卷装结构有利于以后的贮运、退绕及提高生产率。 ( 2 ) 卷绕速度。产品的输出线速度与卷绕线速度应保持协调一致，否则， 不是产品松坠或卷绕松弛( 卷装不紧密和不结实) ，就是使产品受到意外牵伸甚 至被拉断。 ( 3 ) 卷绕张力。必须能适应在较大范围内的产品卷绕时因粗细、强度和其 他性质的不同而造成的张力变化。产品规定的最合适的张力，可通过适当调整相 关的卷绕机构而迅速和方便地得到。卷绕机构应该确保卷绕张力在纺满一个卷装 的时间内不发生变化，或即便稍有变化，也只能在允许的范围之内 3 0 l 。 2 1 2 成形方法研究 1 退捻方式 本批碳纤维捻向为s 捻，捻度为每米2 0 个捻，让碳纤维在竖直面内运动， 一端握持。有两种方案可考虑，一种让卷筒在水平面内旋转，下端被握持；另一 种是卷筒不转动，被握持端在水平面内旋转。如果采用第二种方案，被握持处将 l o 第二章机械部分设计 同时存在较大的拉力和扭转力矩，不利于退捻后碳纤维质量的保证，故采用让筒 管在水平面内旋转的方式。退捻过程中需要注意的有以下几个问题： 由于碳纤维表面有一定粘性，使得退过捻的碳纤维有反转，即又加上捻 的趋势，故握持端一定要握持牢固，避免碳纤维转动。 碳纤维在退捻的同时还要在竖直平面内由上往下运动，而该运动由下端 的卷绕运动来提供，因此退捻速度和竖直面内的直线运动速度需保持一定比例， 否则有可能出现碳纤维过紧或过松，或者还没来得及退捻就通过握持端，影响最 终产品质量。 另外碳纤维剪切强度极低，退捻过程中避免碳纤维弯曲等现象，以免造成毛 刺。 2 导丝方式 导丝机构属于往复成形装置，它是构成卷绕单元部件的一个重要部分。这一 部分的优劣直接影响到卷装成形的质量和纤维的质量。 往复成形装置应当满足下列设计要求： 导丝速度要均匀：为了获得均匀的卷绕密度，导丝器在全程上的运动 速度应保持均匀。 有防叠能力：卷绕过程中，发生重叠现象会严重影响纤维质量，因此要 求成形装置具有防叠能力，以其机构的运动消除碳纤维的重叠。 要减小和消除张力波动：为了减小张力波动，应尽量缩短导丝器到筒子 卷取点的距离，也就是说导丝器的位置应尽量靠近筒子卷取点。 往复运动件惯性要小，使用寿命要长。 基于以上设计要求，在对比了现在卷绕机多采用的凸轮或拨叉机构，相比之 下螺旋副的体积小，质量轻，结构简单，成本低，且易实现往复运动，因此，决 定采用螺旋副导丝机构。 3 卷取方式 卷取装置有锭子传动和摩擦辊传动两种传动方式。 锭子驱动式卷取装置 锭子驱动式卷取装置是指锭子( 筒子夹头) 直接由变速电动机驱动的卷取装 置。卷绕过程中，电动机的转速随着卷取直径的增大而自动降低，以保持恒定的 卷绕速度。电动机调速采用张力控制方式，即利用张力在卷绕中应保持不变的要 求，将张力量转变为电信号，通过比较和反馈系统，控制电动机的转速。锭子传 动要求采用精密可靠的电气调速装置，因此在常规卷绕机上的应用受到限制。锭 子传动在高速卷绕机和特数高、纤度大材料上获得一定的应用。 摩擦驱动式卷取装置 天津工业大学硕士学位论文 摩擦驱动式卷取装置是指卷取筒子借助于摩擦辊的摩擦力矩旋转工作的长 丝卷取装置。卷绕过程中，摩擦辊保持恒定转速，因此与摩擦辊表面接触的筒子 表面线速度保持恒定。摩擦传动机构简单，容易控制，工作稳定。 由于这台小型退捻卷绕机对卷绕速度的要求并不高，对比以上两种卷取装 置，摩擦驱动式卷取装置适宜这台小型卷绕机，故选用摩擦驱动式卷取装置。 2 2 机械结构设计 机械结构是完成退捻、卷绕功能的基础，根据完成任务要求，决定将卷绕 机分为以下两个机械部分：退捻部分、卷绕部分，其中卷绕部分又分为导丝横动 机构部分和卷取机构部分。 2 2 1 机械传动方式确定 机械传动方法很多，常见的有齿轮传动、带传动、链传动、蜗杆传动等。 每种传动方式均有自己的优缺点，本设计中将在分析各种传动方式的特点上，结 合制造工艺，经济性，空间尺寸等因素综合选定传动方式。 齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，具有传动效率高( 例如一级圆 柱齿轮传动效率可达9 9 ) 、工作可靠寿命长、传动比稳定等优点。但齿轮传动 的制造及安装精度要求高，价格较贵，且设计时为了便于各机械部件在工作台上 摆开，彼此间有留一定的空隙，故未选用此传动方式。 链传动是一种挠性传动，无弹性滑动和整体打滑现象，因而保持准确的平 均传动比，传动效率高，与齿轮传动相比，制造与安装精度要求低，成本也低。 但主要缺点是，只能实现平行轴间链轮同向传动，运转时不能保持恒定的瞬时传 动比，磨损后易发生跳齿，工作时有噪声，不宜用在载荷变化大，高速和急速反 向的传动中，故也未选用。 蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和力的一种传动机构，具有传动 比大的优点，当使用单头蜗杆时，蜗杆每旋转一周，蜗轮只转过一个齿距，因而 能实现大的传动比，在动力传动中，一般传动比- - 5 8 0 ，在分度机构或手动机 构的传动中，传动比可达甚至1 0 0 0 以上。通常取当蜗杆的螺旋线升角小于啮合 面的当量摩擦角时，蜗杆传动具有自锁性。但蜗杆传动在啮合处有相对滑动，当 滑动速度较大且工作条件不够良好时，会产生较严重的摩擦与磨损，从而引起过 分发热，使润滑情况恶化，因此摩擦缺失大，效率低，当传动具有自锁性时，效 率仅为通常为4 0 左右。同时由于摩擦与磨损严重，常需耗用有色金属制造蜗轮， 1 2 第二章机械部分设计 因而价格比较昂贵。 带传动也是挠性传动，具有结构简单，传动平稳，价格低廉和缓冲吸振等 优点，因而应用广泛。其缺点是当使用摩擦带传动时若载荷过大，可能有打滑现 象发生，因此传动比不稳定。但同步带传动即可解决这一问题，同步带传动是一 种啮合传动，兼有啮合传动传动比准确和带传动平稳的特点，同时安装、拆卸时 也较其它传动方式方便。 综合以上考虑，决定选同步带传动为此设计中主传动方式。 2 2 2 退捻部分设计 根据退捻的基本原理，初步设计了如图2 - 1 所示退捻方案。退捻电机5