纤维铺缠设备中张力控制器及张力测试台研究优秀毕业论文.pdf

国内图书分类号：tp 273.5 国际图书分类号：681.527 工学硕士学位论文 纤维铺缠设备中张力控制器及 张力测试台研究 硕 士 研 究 生： 巫瑞 导师： 路华教授级高级工程师 申 请 学 位： 工学硕士（应用研究型） 学 科 、 专 业： 机械制造及其自动化 所 在 单 位： 机电工程学院 答 辩 日 期： 2009 年 6 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学 classified index: tp 273.5 u.d.c: 681.527 dissertation for the master degree in engineering research on tension control system in fiber winding and placement and design of the tension test platform candidate： wu rui supervisor： prof. lu hua academic degree applied for： master of engineering speciality： mechanical manufacturing and automation affiliation： school of mechatronics engineering date of defence： june, 2009 degree-conferring-institution： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 i 摘摘 要要 张力控制是许多工业生产过程控制中的一个重要的组成环节，如造纸、印刷、 纺织和轧制等，它对提高产品质量起着至关重要的作用。缠绕成型是复合纤维材 料成型工艺中的常用方法，铺放技术是在缠绕技术基础上发展起来的新技术，弥 补了缠绕不适合凹面或较大面积平面制品的缺陷。而纤维张力是复合材料缠绕和 铺放成型中的一个重要参数，直接影响着制品的质量，因而张力控制是纤维缠绕 和铺放工艺中的关键技术之一。 本课题采用了以可编程控制器（plc）为主控制器，以计算机为上位机，以交 流数字伺服电机为执行元件，张力传感器为反馈元件的张力闭环控制方案。对伺 服电机的控制分别采用速度控制和转矩控制两种模式，其中速度控制模式通过开 卷辊和芯模速度差的积分建立起纤维张力，转矩控制模式通过给开卷辊施加阻力 矩建立起张力。 对两种控制方式的工作原理进行分析研究，并建立各组成部件的数学模型和 系统的传递函数。分析系统对输入和扰动信号的响应，并用 matlab 软件中 simulink 工具箱对控制系统进行仿真。对控制系统采用 pid 控制，对 pid 控制 的作用进行了分析和仿真。 针对张力控制器的 pid 控制，开发了 plc 的梯形图控制程序；根据张力设定 输入、实时监控，以及实验中进行分析等需要，开发了 vc 上位机控制程序，通过 上位机与 plc 的串口通讯完成参数设定和查询数据功能，对数据进行实时处理， 显示图形，计算控制性能指标，并对现场状况进行监控。 根据要求设计了用于张力控制和检测的张力测试台，完成了装配图、零件图 的设计与张力测试台的安装、联机调试。利用张力测试台对两种控制模式进行张 力控制的实验研究，分别调整系统各部件的相应参数，调整 pid 控制中的各参数， 观察系统对输入信号和扰动信号的响应情况，计算控制的性能指标。通过实验， 证明了两种控制模式的可行性。 关键词 数控缠绕；数控铺放；张力控制器；plc；交流数字伺服电机 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ii abstract tension control is an important aspect of manufacturing process control in paper making, printing, spinning and rolling, etc. it plays a vital role in production quality improvement. fiber placement is a new developed method based on winding process, which is a common method of composite fiber material forming technology. it remedies the defect of fiber winding which is not suitable for concave and large area plane. fiber tension directly affects the quality of both winding and placement production, thus is a key parameter. this paper researched a closed loop control system which used plc as main controller, pc as host computer, alternating numeric servo-electromotor as actuator, tension sensor as feedback component. two models were applied to servo-electromotor control. speed control model established the tension by the integral of linear speed difference between uncoiling roller and core mould, while torque control model by applying resistance on uncoiling roller. the working principles of the two control model were researched, and the mathematical models of the components and the whole systems were established. the responses of the input signal and the interference signal were analyzed, and the systems were simulated using simulink tool box in matlab. and the system after pid control was also analyzed and simulated. this paper developed the plc ladder program, to complete the pid control, and the vc program to meet the needs of tension setting, real time monitoring, and analyses in the control experiment. by the serial communication between the computer and plc, the vc program could set the parameters and inquiry the data, deal with the data, paint the curve, compute the control performance, and monitor the field status. this paper designed the test bench for tension control and measuring, during this work, the part drawing was completed, and equipments installation and system debugging were also finished. experimental studies about two control models were carried out based on this bench, including parameters adjusting of system parts and pid controller, observation of systems response to the input and interference signal, calculation of the control performance index. these two models were proved to be feasible by the experiments. keywords: nc winding, nc placement, tension controller, plc, alternating numeric servo-electromotor 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iii 目目 录录 摘 要.i abstract .ii 第 1 章 绪论.1 1.1 课题背景.1 1.1.1 纤维缠绕和铺放工艺.1 1.1.2 纤维缠绕和铺放中张力控制的意义.2 1.2 纤维缠绕和铺放张力控制器研究现状.3 1.2.1 张力控制器的发展历程.3 1.2.2 纤维缠绕和铺放张力控制器的国内外研究现状.3 1.3 本文主要研究目的和研究内容.5 第 2 章 张力控制方案设计和张力测试台的搭建.6 2.1 张力控制方案的建立.6 2.2 张力测试台的设计.8 2.3 主要组成部件.9 2.4 本章小结.10 第 3 章 张力控制系统的原理. 11 3.1 速度方式控制张力的系统模型建立. 11 3.1.1 电机速度控制的数学模型. 11 3.1.2 纤维张力方程.12 3.1.3 系统的传递函数及性能分析.12 3.2 转矩方式控制张力的系统模型建立.15 3.2.1 电机转矩控制的数学模型.15 3.2.2 开卷辊的数学模型.15 3.2.3 系统的传递函数及性能分析.16 3.3 系统的pid控制.17 3.3.1 数字pid控制.17 3.3.2 系统pid校正作用分析及仿真.19 3.4 本章小结.23 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iv 第 4 章 张力控制系统的软件开发.24 4.1 plc控制程序.24 4.1.1 plc扫描工作方式.24 4.1.2 plc程序整体结构.25 4.1.3 张力值检测及滤波.26 4.1.4 pid控制与输出.26 4.2 上位机控制程序.26 4.2.1 上位机与plc的通讯.27 4.2.2 参数设置与系统启停.28 4.2.3 数据采集与绘图.28 4.2.4 张力过大及断纱检测和报警.30 4.2.5 性能计算.31 4.3 本章小结.31 第 5 章 张力控制系统的实验研究.32 5.1 系统部件的标定.32 5.1.1 张力传感器的标定.32 5.1.2 交流伺服电机输出速度和转矩的标定.33 5.2 张力控制系统的联机调试.34 5.2.1 程序调试.34 5.2.2 pid参数整定.35 5.3 速度控制方式控制实验.36 5.3.1 传递函数中参数的确定.36 5.3.2 张力对输入信号的响应.37 5.3.3 张力对干扰信号的响应.38 5.3.4 平稳工作时的性能分析.39 5.4 转矩控制方式控制实验.40 5.4.1 传递函数中参数的确定.41 5.4.2 张力对输入信号的响应.41 5.4.3 张力对干扰信号的响应.42 5.4.4 平稳工作时的性能分析.43 5.5 回纱控制.43 5.6 本章小结.45 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 v 结 论.46 参考文献.47 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明.50 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书.50 致 谢.51 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 课题背景 1.1.1 纤维缠绕和铺放工艺 随着航天航空等军事和民用领域工业的迅速发展，特别是航天、航空等尖端 技术的突飞猛进，不断地对材料的性能提出越来越高的要求，使传统的单一材料 在全面满足强度、韧性、重量和稳定性要求方面遇到越来越多的困难。而具有高 比强度、高比模量、重量轻、强度高、耐辐射、耐磨损、抗干扰、无磁性、可透 电磁波等比其组成材料更为优越性能的复合材料弥补了金属材料某些性能方面的 缺陷1。 复合材料的成型工艺大体上可以分为以下几类：手糊成型工艺、层压成型工 艺、模压成型工艺、缠绕成型工艺、挤出和注射成型工艺、挤拉成型工艺、玻璃 钢纹板连续成型工艺2。其中，缠绕成型工艺由于具有产品比强度高（拉伸强度/ 密度） 、可整体成型以及能够更好地发挥纤维高强度特性等特点，因此被广泛应用 在航天、航空和武器制造等领域。 纤维缠绕是把浸渍树脂的连续纤维通过芯模和丝嘴的相对运动，在张力作用 下按照一定的规律缠绕到芯模表面，然后加热或在常温下固化，制成一定形状的 制品。这种方法通过材料力学设计，可充分发挥纤维拉伸强度高的特性，用于制 造承受内/外压、弯曲、扭转、轴向载荷等情况下的产品。与其他成型方法比较， 用缠绕成型方法获得的复合材料制品，具有比强度高、耐腐蚀、质量轻、性能稳 定等优点3- 5，而且易于实现机械化、自动化，生产效率高，因而应用十分广泛6。 尽管如此，纤维缠绕工艺也有它的局限性。例如，当芯模表面存在凹面时， 纤维就会架空；当芯模上存在较大面积的平面时，如箱体零件，在平面部分纤维 的压紧力很小或几乎没有，而棱角部分的压紧力却非常大，这就导致部件的不同 部分壁厚不均7。正是上述纤维缠绕工艺本身不可克服的缺点促使铺放技术的产 生。 复合材料纤维铺放技术是自动铺丝束成型技术和自动窄带铺放成型技术的统 称，是在已有缠绕和自动铺放基础上发展起来的一种全自动制造技术。按结构所 确定的铺层方向和铺层厚度，用多自由度的铺放头将多组纤维预浸纱束/窄带自动 铺放在旋转的芯模表面，铺放过程中同时加热软化预浸纱束/带，压实形成制品型 面。铺放成型与缠绕成型相比，由于采用压辊成型，既可以实现任意曲面的成型 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 又可以保证成型压力自动可控，提高了制品质量；由于每根丝束具有单独增加和 切断功能，不受周期性约束，可以实现形体和各种铺层设计8。 1.1.2 纤维缠绕和铺放中张力控制的意义 在缠绕成型工艺过程中，浸胶纤维必须在张力作用下按一定的线型有规律地 排布在芯模表面。在铺放成型工艺中，预浸纤维以较低的张力排布在芯模表面以 待压实。 纤维张力是纤维缠绕和铺放工艺中重要的控制参数，对制品的性能影响很大， 主要表现在： 缠绕和铺放张力对复合材料制品机械性能有很大影响：制品的强度和抗疲劳 性能与缠绕和铺放张力有密切关系。张力过大，则纤维磨损增大，从而使制品强 度下降；张力过小，制品强度偏低，当承受压力时，变形较大，从而抗疲劳性能 越差。若张力波动较大，使各层纤维的初始应力状态不同，不能同时承载，也导 致整个制品强度下降。 在缠绕成型过程中，张力除了对机械性能的影响外，还有对制品密实程度和 含胶量的影响。由于胶液中有挥发性气体的存在，使制品中产生许多微孔。过多 的微孔不仅使制品机械性能下降，而且会使制品气密性变坏。纤维张力是控制和 限制孔隙含量的决定性因素之一。同时对复合材料含胶量也有影响，张力增大， 含胶量降低。张力波动也使制品内外层胶质含量不均，导致不均匀的应力分布而 影响制品性能9- 11。 大量实践和研究表明，在缠绕过程中，如果张力选择不当或张力控制不稳定， 可使纤维缠绕构件的强度损失 2030%12。 由此可见，性能优良的数控纤维缠绕和铺放系统必须配上精确控制的张力控 制器。一个理想的张力控制系统应能保证张力稳定、可调。 在造纸、塑料、纺织和轧制等工业中，对线状、带状及面状材料卷取张力的 控制是关系其产品质量关键技术。但纤维铺放和缠绕加工中的张力控制与它们既 有相同之处，又有其独特的方面。 对于缠绕加工中的纤维张力控制，需要能根据不同纤维缠绕层张力变化的规 律实时设定张力、纤维出线速度变化引起张力波动时能及时调整，以及在松纱的 时候能快速回纱。 在铺放成型中，除了要满足张力的设定和调整外，剪断和重送后分别需要撤 销和加上张力，对张力的控制需要能快速接收和执行撤销张力的指令，避免判断 失误造成回纱，同时在重送后能及时加上张力。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 复合材料的缠绕和铺放张力控制系统设计时涉及到比其它张力器设计更多的 因素，同时对系统的动态性能也提出了较高的要求。因此，研制具有良好的动静 态特性及控制可靠的纤维缠绕和铺放张力控制系统，具有重要的理论意义和实用 价值。 1.2 纤维缠绕和铺放张力控制器研究现状 1.2.1 张力控制器的发展历程 在纤维缠绕和铺放成型工艺中，对纤维张力进行人工或自动的调整，使张力 变化可以得到有效控制的装置称为张力控制系统，简称为张力器。随着缠绕机和 铺放机的发展，张力器至今大致经历了三个发展时期，即机械式张力器、电控式 张力器和计算机控制张力器13。 机械式张力器的优点是结构简单，制造容易；缺点主要是张力值不能自动设 置，控制精度低，回纱能力差14。 电控式张力器通常使用应变式力传感器实时检测纱线张力，然后反馈给控制 器（控制器是由电子元器件组成的模拟电子系统） ，控制器将纤维张力设定值与反 馈值比较、校正后，输出控制信号，经放大后驱动纱团电机或电磁离合器，使张 力保持在一定范围内。电控式张力器的回纱能力强，可自动调节张力，控制精度 比机械式张力器有所提高。但由于受外界环境的干扰，纤维张力容易产生波动15。 计算机控制张力器使系统大大简化，可靠性更高。同时也为使用各种先进的 控制提供了前提条件，使张力精确控制成为可能16。计算机控制式张力器既可单 独工作，又可同主机连接通讯，模块化程度很高。因而，这种控制器得到了广泛 的应用。 1.2.2 纤维缠绕和铺放张力控制器的国内外研究现状 1.2.2.1 国外研究现状 在造纸、塑料、纺织和轧制等工业中，对线状、带状及面状材料卷取张力的 控制都是非常重要的，目前国内外对于张力的研究分布在各种需要张力控制的工 业中17- 20，但专门针对纤维缠绕加工中的张力控制的产品较少。 在张力测量中，用跳辊和力传感器到底哪一个性能更好，德国西门子股份公 司的ebler等人在现代造纸机上进行了这两种系统的对比试验 21。 理论上如果应用 一个时间常数很小的滤波器，力传感器系统要好一些，它具有更快一些的反应速 度和更小的张力波动。 在各种线加工中其中一个主要的干扰是由于卷的偏心而引进的周期性扰动， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4 为抵制这个扰动， 韩国建国大学的shin等人提出了一种能适应卷偏心的评估器和偏 心补偿方法。这个评估器利用每个卷的角速度和切线速度，使用力矩补偿方法来 减少由于卷偏心而引进的速度和张力波动22。 美国卡耐基-梅隆大学的mathur等人针对在高速张力控制中的摩擦，使用一种 试验-误差方法来确定库仑摩擦力的大小23。日本丰桥科技大学imamura等人设计 了一种碳纤维张力控制系统。该系统使用交流伺服电机作为执行件，采用了在芯 模上使用力矩伺服控制和使用芯模与夹辊部分的速差来进行张力控制的两种控制 方法，使用了pid或ipd控制策略，并用环爆破试验来检测张力控制的有效性24。 弹性材料引入了线速度和线张力之间的强耦合，速度中存在的干扰源如卷辊 的非线性、辊子变化和滑线等带来的干扰将会传递到线张力中。法国斯特拉斯堡 第一大学的knittel等人用一种带有圆滑时序控制器的线性参数变化控制和不同增 益的鲁棒控制策略相结合来提高系统的鲁棒性25。 1.2.2.1 国内研究现状 武汉理工大学的贾晓宁等提出了一种静摩擦施力的纤维缠绕张力微机控制系 统，用与纱团轴直联的力矩电机施加初张力，并使初张力在微机中得以控制26。 张力检测元件离丝嘴较近，可以较准确地反映实际情况。采用无滑动摩擦施加张 力，对纱线损伤小。武汉理工大学的徐东亮等也提出了类似的方法27。 张力控制系统存在参数时变、电机及被控对象的严重非线性等缺点，很难确 定准确的模型。为提高张力控制系统的稳态精度、动态响应特性、鲁棒性等性能， 因此采用智能控制算法是一种必然趋势。哈尔滨工业大学的王春香采用了神经网 络bp学习算法，实验表明控制结果良好28。哈尔滨工业大学的谢怀勤在实验基础 上采用人工神经网络结合遗传算法对纤维缠绕张力进行优化，取代传统的“试凑 法” ，优化结果与实验吻合29。哈尔滨工业大学的任胜乐采用fuzzy-pid双模模糊 控制，提高了整个系统的控制精度30。南京航空航天大学的陈兴建等将模糊自适 应pid算法应用于以pmac为控制器的纤维缠绕张力控制系统当中，克服了pmac 伺服算法pid参数不能在线调剂的缺点31。 对于铺放机的张力控制系统， 天津工业大学的王朝纲在对z8f型机大梁带铺放 机的总体概念设计中设计了张力控制器。将控制系统的张力传感器、执行件磁粉 离合器等放置在铺放头里边，控制器plc放置在外部7。南京航空航天大学的孔燕 设计了以直流力矩电机为执行件的八通道自动铺丝张力测控系统方案32。 微机控制精密张力系统是航天工业总公司 95 期间的重点预研课题，为完成这 个课题，本实验室研制了分别以磁粉离合器和直流力矩电机作为执行元件的两种 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 5 张力控制系统28。这两种张力控制方案张力波动率均小于 8%，并且具有较高的响 应速度。但是，在采用力矩电机为执行件的控制方案中，虽然具有结构简单、紧 凑的特点，但当纤维速度发生剧烈变化时，控制的精度不能满足要求；而且难以 实现小转矩时高转速或者大转矩时低转速的工作要求。而采用磁粉离合器为执行 元件的张力控制系统中，磁粉离合器的滞后问题较严重，控制精度和响应速度不 高33。 交流变频调速电机具有结构简单、运行可靠、维护方便等优点，故现在广泛 采用交流变频调速驱动，但系统的控制精度低、响应速度慢。纤维缠绕要求能够 快速回纱，交流变频调速电机只能根据控制电压的大小速度从零到最大值之间变 动，难以自动反转，从而难以实现自动回纱功能34。 针对这些问题，实验室改进方案，研制了以数字交流伺服电机为执行元件的 张力控制系统。伺服电机具有可控性好、稳定性高、速应性强和无自转等优点， 适用于高精度的控制场合。之后又研制了一种新型气一电控制张力系统，以交流 伺服电机和气缸为执行元件，进一步提高了性能35。 1.3 本文主要研究目的和研究内容 本课题在继承本实验室既有成果的基础上，寻求新的张力控制方案，建立以 交流伺服电机为执行元件的闭环控制系统，实现缠绕和铺放过程中纤维张力的精 确控制。 本课题的主要研究内容包括： 1）建立以交流伺服电机为执行元件，以 plc 为控制器，张力传感器为反馈元 件的闭环张力控制方案，对伺服电机的控制分别采用速度控制和转矩控制两种模 式。设计张力测试台，完成装配图和零件图的绘制，张力测试台加工完成后，进 行安装和联机调试，为张力控制的实验研究搭建硬件平台； 2）对两种控制模式的张力控制原理分别进行分析研究，并建立伺服电机、传 感器等部件的数学模型，建立系统的传递函数，分析系统 pid 控制的作用，并用 matlab 的 simulink 工具箱对控制系统进行仿真分析； 3）开发 plc 控制主程序，用于完成反馈量的采集和系统的 pid 控制。开发 vc 上位机控制程序，用于和 plc 进行通讯，向 plc 传递张力设定等参数，并实 时采集数据进行图形绘制，对现场情况进行监控和管理； 4）对控制系统各元件进行标定，在张力测试台上进行控制实验，将实验结果 和系统 pid 控制的理论分析及仿真结果相比较，调整电机和 pid 控制的参数，提 高系统的控制精度，响应速度等动静态性能。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第第 2 章章 张力控制方案设计和张力测试台的搭建张力控制方案设计和张力测试台的搭建 2.1 张力控制方案的建立 目前较常用的精密张力控制系统的两种方案：一、采用交流伺服电机为执行 元件，利用半径跟随装置实时反馈纱团半径变化，从而调整电机输出转矩以设定 张力。如图 2-1 所示；二、以气缸和交流伺服电机为执行元件的张力控制系统，如 图 2-2 所示。 对于方案一，缠绕机工作时，电机工作在反转状态下，电机的输出转矩提供 给纱线阻力矩，即纱线张力与纱团半径的积，纱团半径的变化通过半径跟随臂的 检测被传送到plc。经过运算后，由plc系统发出转矩限定指令到伺服驱动器，从 而控制纱线张力36。图中所示的力传感器在标定时使用，不作为控制系统的反馈 元件。 张力传感器 a/d转换 plc d/a转换 工 控 机 232rs 脉冲编码器 交流伺服电机 半径跟随装置 纱团 芯模 力矩指令 伺服驱动器 图 2-1 原有张力控制系统组成原理图30 fig.2-1 principle of former tension control system 方案二采用 plc 做主控制器，以气缸和交流伺服电机为执行元件。通过气缸 设定系统张力值，初始稳定状态时纤维张力和气缸对摆杆的作用力使摆杆处于平 衡位置。纤维缠绕过程中，如果缠绕纱线速度发生变化，纱线中的张力将发生改 变，这时由于气缸的输出力不变，使得摆杆转动，摆动角度通过角度传感器测出 并反馈到 plc 中，plc 输出指令控制驱动器进而控制电机使出纱速度改变，维持 纤维张力值不变，摆杆又回到平衡位置。 方案一的局限性在于采用的是半径补偿的开环控制方式，只针对半径变化进 6 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 行了补偿，当系统中出现其它参数变化或干扰而影响张力时不能作出相应的调整。 方案二利用摆杆的角度变化进行反馈，实现了闭环控制，实验证明方案二精度要 高于方案一，各方面性能较好，故在精度要求高的场合常使用这种张力器。但是 其缺点在于气缸、摆杆等部分占用体积较大，尤其在多路控制的情况下，需要占 用很大的空间，并且同时使用伺服电机和气缸也增加了成本。 气缸 交流伺服电机 开卷辊 角度传感器 过滤器 调压阀 可编程控制器 驱动器 上位机 芯模 v 电气比 例阀 图 2-2 原有张力控制系统组成原理图 fig.2-2 principle of former tension control system 故本课题在同时考虑精度和体积，兼顾性能和实用性的基础上，采用一种新 的方案。本方案采用以交流伺服电机为执行元件，plc 为控制器，采用闭环控制， 用张力传感器实时反馈张力值，通过调整电机输出速度或转矩来对张力进行调整。 既通过闭环控制提高控制精度，又避免了设备占用太大体积。本张力控制系统的 组成原理图如图 2-3 所示。 卷纱筒放纱团 计算机 松下 plc fp0 压力传感器 a/d d/a伺服驱动器 交流伺服电机 rs232 信号放大器 交流伺服电机 伺服驱动器 d/a 图 2-3 张力控制系统组成原理图 fig.2-3 principle of tension control system 7 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 8 对电机的控制采用两种控制模式分别进行研究。 1）采用调整电机输出速度的方式来调整张力。当带动芯模旋转的主轴转速突 然增大时，由于惯性的影响纱线张力会突然增大，控制器接收到偏差量以后控制 电机速度加快（纱团开卷） ，纱线张力逐渐降下趋近于系统设定值，因而使张力值 回到稳定状态。当主轴转速突然减小时，纱线出现松线的状况，这时电机马上减 速或快速回纱，纱线重新拉紧，使得输出张力逐渐增大回到设定值。 2）采用调整转矩的方式来调整张力。交流伺服电机输出的转矩克服摩擦力带 动芯模旋转并提供负载转矩（即张力与纱团半径的乘积） 。控制器工作过程中，根 据张力传感器反馈情况实时调整电机输出转矩，当张力增大时减小输出转矩，张 力减小时增大输出转矩，从而调整张力。 系统工作过程为：张力的设定通过计算机人机界面传送给 plc。在纤维缠绕 和铺放过程中，张力传感器实时检测张力变化，经过 a/d 转换传送到 plc，将张 力检测值与张力设定值进行比较，通过事先设定的算法调整电机速度或转矩限定， 再经过 d/a 转换输出到电机驱动器，使张力维持设定值。同时系统对检测到的张 力值进行实时显示，通过计算机与 plc 的串口通讯，计算机查询张力反馈等信息。 实际工作时也可以根据需要通过数控系统专用的i/o接口与plc相连来设定张力， 通过另接人机界面来进行输出显示。 2.2 张力测试台的设计 设计张力测试台的目的是为研究张力控制提供一个张力测试和控制实验的良 好的平台，并能进行卷纱以模拟缠绕和铺放运动。 以往对张力控制器的控制性能进行测试的方法是用弹簧秤拉住纱线来测试张 力，本课题设计的张力测试台，直接用台上张力传感器测试张力。以往对张力控 制器进行实验时，纱线处于静止的状态，现在测试台上将设计一个模拟芯模运动 的卷纱筒，交流伺服电机带动卷纱筒进行卷纱，如图 2-3 所示，从而进行实验时纤 维处于运动状态，可以对卷纱筒的速度进行速度阶跃、加速等不同的设置，简单 地模拟一些实际生产中的情况。 在这个测试台上，可以对张力传感器、交流伺服电机等进行标定。标定张力 和传感器输出电压之间的关系，以及控制器输出控制电压和电机输出速度或转矩 之间的关系。 当张力出现较大波动时，该方案没有像气电控制系统的摆杆装置，不能对 张力变化起到一定的缓冲，可能出现松纱或纱线突然拉紧的现象，故设计一个挑 纱机构，缓解速度突然变化造成的张力变化过大的情况，减小了发生纤维被突然 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 增大的张力拉断的几率。 因此，测试台包括了卷纱筒、挑纱机构、张力传感器三部分，与开卷辊和 plc 控