PU管卷绕系统的设计

编 号无锡太湖学院毕 业 设 计 （ 论 文 ）题目： PU 管卷绕系统的设计 信 机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专 业学 号： 学生姓名： 指导教师： 2013 年 5 月 25 日无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺 书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） PU 管卷绕系统的设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。班 级： 机械 94 学 号： 0923187 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日I无 锡 太 湖 学 院信 机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专 业毕 业 设 计 论 文 任 务 书一、题目及专题：1、题目 PU 管卷绕系统的设计 2、专题 二、课题来源及选题依据近年来，卷绕系统在产品生产过程中的应用越来越普遍，尤其是在纺管及纺管过程中的应用更为广泛。世界上对卷绕系统的研究相对较早，例如：海伦卷绕机在缆绳卷绕过程中的使用、美国 LEESONA公司生产的 MODEL 940 型的卷绕机在高强聚乙烯纤维生产过程中的使用等等。此外，在非织造布产品开发研究方面，如“ 自动卷绕空气过滤的化纤滤材”中卷 绕系统的使用。由于这些材料都比较细，且没有张力，在设计及制造自动卷绕设备时都是比较容易的。这与 PU 管卷绕系统的设计也有相似之处。但对于 PU 管，这种在温度不同时有伸缩，外径不同张力不同的气动管来说，设计卷绕系统时就要考虑到好多的问题，还有最终的脱卸。所以目前来说国内几乎没有公司拥有自动卷绕 PU 管的设备。 II为了能够提高产品的生产效率，实现更快捷的服务，用最优质的材质及组件来设计 PU 管自动卷绕系统，十分必要。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：合理安排论文的框架结构，确定本课题的主要研究方向； 设计 出一款新型的 PU 管卷绕机， 包括：机械 结构部分的设计和、控制系统的设计及其实现的功能； 硬件的 选型要合理，例如：电动机、 变频器、 PLC 等，在选型前，应详细阅读各个型号硬件的说明书，选择出最佳的硬件； 设计 PU 管卷绕系统的控制系统，包括：硬件系统和软件系统； 利用 MATLAB 工具对控制系统进行仿真，验证本设计的合理性。四、接受任务学生：机械 94 班 姓名 任 斌 五、开始及完成日期：自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名签名签名教 研 室 主 任学科组组长研究所III所长 签名系主任 签名2012 年 11 月 12 日III摘 要近年来，国内外市场对 PU 产品的需求呈现快速增长的趋势，对产品的层次要求也逐步提高。PU 管卷绕是生产过程中的最重要环节之一，卷绕控制系统性能的优劣直接关系到 PU 产品的产量和品质。目前，国内大量生产企业存在设备陈旧落后、生产率低下、产品品质跟不上市场脚步等问题。进口设备价格昂贵，生产中维护成本较高，因此，开发具有自主知识产权的新型卷绕设备己经成为业界的迫切需要。随着科学技术的不断发展，可编程控制器（PLC）技术的出现，对国内外卷绕机行业的发展起到了极大的推动作用。可编程控制器(PLC)作为控制系统的核心装置，功能强大、性能稳定、可靠、抗干扰能力强。另外，在控制系统中，接入变频器、采用改变电机频率的方法进行电机速度调整，可以对卷绕设备进行无级调速，具有噪音低、速度变化平滑等优点。然而卷绕控制系统应用 PLC 控制技术并不成熟。因此，针对 PLC 技术的研究显得尤为重要。本课题就是在这样的背景下，对卷绕机进行了深入的研究，设计出了新型的卷绕控制系统。并利用 MATLAB 仿真工具对控制系统进行了仿真，得到了理想的结果，证明了本系统的良好控制效果。关键词：PU 管；卷绕机；PLC ；变频器；MATLABVIAbstractIn recent years， domestic and foreign market presents the fast growth the tendency of the demand for PU products， but also to gradually increase the level requirements for the product. PU pipe winding is one of the most important link in the production process， the winding control system performance is directly related to the yield and quality of PU products. At present， a large number of domestic production enterprises have obsolete equipment backward， low productivity， product quality can not keep up the pace of the market etc. The price of the imported equipment is expensive， high cost， maintenance production therefore， new winding equipment with independent intellectual property rights has become the urgent need for industry.With the development of science and technology， the programmable logic controller (PLC) technology， the development of domestic and foreign winding machine industry has played a great role in promoting. Programmable logic controller (PLC) as the core device of the control system， powerful， stable performance， reliable， strong anti-interference ability. In addition， in the control system， access， by changing the motor frequency converter for motor speed adjustment， stepless speed regulation is carried out on the winding equipment， has the advantages of low noise， smooth speed change etc. However， the winding control system using PLC control technology is not mature. Therefore， the study of PLC technology is particularly important. This topic is in this background， has carried on deep research to the winding machine， design a new type of winding control system. And the control system is simulated by using MATLAB simulation tool， obtained the ideal result， proved the good control effect of the system.Keywords: PU; winding machine; PLC; inverter; MATLABVII目 录摘 要 .IIIABSTRACT .VI目 录 .VII1 绪论 .11.1 本课题的研究内容和意义 .11.1.1 本课题研究的内容 .11.1.2 本课题研究的意义 .11.2 国内外的发展概况 .21.2.1 PU 管的发展概况 .21.2.2 卷绕机的发展概况 .31.3 本课题应达到的要求 .32 卷绕系统方案的总体设计 .52.1 PU 管卷绕系统的构成 .52.2 卷绕机机构部分的设计 .62.2.1 往复成形装置的设计 .62.2.2 往复运动装置传动结构的设计 .62.2.3 往复成形装置驱动元件的选择 .72.2.4 卷取装置的设计 .82.2.5 卷取装置驱动元件的选择 .92.3 卷绕控制方法的设计 .92.3.1 控制方法选择 .92.3.2 模糊 PID 控制器的设计 .102.3.3 输入输出量的模糊化 .112.3.4 确定模糊控制规则 .112.3.5 模糊推理及非模糊化 .112.4 本章小结 .123 控制系统方案的设计 .133.1 控制系统的硬件设计 .13VIII3.1.1 PLC 的选型 .133.1.2 变频器的选型 .143.2 控制系统电器原理图的设计 .153.2.1 控制电路的设计 .163.2.2 I/O 地址分配表 .173.2.3 I/O 接线图 .173.3 电机变频调速系统的设计 .183.4 软件系统的设计 .193.5 本章小结 .224 系统的仿真 .234.1 仿真工具的介绍 .234.1.1 Matlab 语言简介 .234.1.2 Simulink 建模方法 .234.2 控制系统的仿真 .244.3 本章小结 .265 结论与展望 .275.1 结论 .275.2 不足之处及未来展望 .27致 谢 .29参考文献 .30PU 管卷绕系统的设计11 绪论近年来，卷绕系统在产品生产过程中的应用越来越普遍，尤其是在纺管及纺管过程中的应用更为广泛。世界上对卷绕系统的研究相对较早，例如：海伦卷绕机在缆绳卷绕过程中的使用、美国 LEESONA 公司生产的 MODEL 940 型的卷绕机在高强聚乙烯纤维生产过程中的使用等等。此外，在非织造布产品开发研究方面，如“自动卷绕空气过滤的化纤滤材”中卷绕系统的使用。由于这些材料都比较细，且没有张力，在设计及制造自动卷绕设备时都是比较容易的。这与 PU 管卷绕系统的设计也有相似之处。但对于 PU 管，这种在温度不同时有伸缩，外径不同张力不同的气动管来说，设计卷绕系统时就要考虑到好多的问题，还有最终的脱卸。所以目前来说国内几乎没有公司拥有自动卷绕 PU 管的设备。 为了能够提高产品的生产效率，实现更快捷的服务，用最优质的材质及组件来设计PU管自动卷绕系统，十分必要。1.1 本课题的研究内容和意义1.1.1 本课题研究的内容卷绕控制系统在许多制造业领域中有着非常广泛地应用。早期的卷绕机构多采用一个主动电机，现在的卷绕控制系统已经步入了具有半反馈或全反馈的全自动控制阶段。由于卷绕控制系统多采用程序控制方式，不具有很高的智能性，并且这些控制系统仍然是主要分别对收、放卷电机进行控制，而未太多考虑这两部分的同步性能对整体运行的影响，并未完成同步卷绕控制，无法更好提高产品生产的质量。由于卷绕系统具有许多非线性时变等特点和对恒线速度或张力等特别的性能指标，且整个系统包含两个驱动电机进行协调工作才能保证生产质量，因此采用全自动卷绕控制策略是今后发展的必然方向。本课题主要研究了 PU 管在一定的卷装形式下卷绕到筒管上的系统过程。从而设计了新型的卷绕控制系统。主要功能是实现 PU 管在卷绕机上按照系统设定的卷绕方式，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：设计硬件的参数，设计软件的参数，卷装动程的变化要求，并设计具有速度调节性能，整机实现全自动化。充分利用 PLC 控制系统设计的方法，研制了一台基于 PLC 自动控制功能的 PU 管卷绕机，为新型卷绕机械从机械式到基于 PLC 自动控制功能式的转变提供了一定的参考价值。1.1.2 本课题研究的意义自我国加入世界贸易组织(WTO)，致使国内卷绕机行业面临巨大的竞争压力。密切关注国际上卷绕机发展的新动向，改变国内卷绕机行业的竞争压力，已变得迫不及待。本课题就是在这样一个背景下，充分利用计算机技术、PLC 技术、变频技术，设计出高可靠性、高速、高效、节能、环保、自动化、连续化、智能化的新型卷绕机控制系统，以适应高性能、多功能、高技术含量的产品生产的要求。在工业生产过程中，PU管卷绕机是重要的生产设备之一。它按照要求将PU管卷绕成不同规格的线盘。它要求卷绕紧密、美观，避免发生叠线，塌边等现象。本文设计的PLC控制系统，采取了“PC+PLC+ 变频器”的工作模式，使得卷绕系统运行平稳，控制精度高，并采用闭环张力控制使PU管拉力维持恒定，可以满足不同型号PU管的卷绕要求。无锡太湖学院学士学位论文21.2 国内外的发展概况1.2.1 PU 管的发展概况 PU 管是 POLYURETHANE TUBING 的英文简称，PU 管是气动行业首选的气动压力软管。PU 管按材料分为聚酯型 PU 管，聚醚型 PU 管；按使用要求和称呼不同分为 PU 空压软管，PU 夹管增强管，PU 工业软管，PU 钢管伸缩管， PU 螺旋管，PU 伸缩管，PU弹簧管，PU 夹管管，PU 编织管，PU 网纹管，PU 单管，PU 直管。图 1.1 PU 管PU 管性质：（1）透明管具有较高的透明度，介质流动的状态清晰可见。（2）采用高回弹性聚氨酯原材料制造；使得气动管具有较小的弯曲半径，更容易安装。（3）耐黄变达到 3 级以上，不易变黄。（4）颜色管采用进口耐候的色粉，所制造的颜色管颜色标准、鲜亮，长久工作不退色。（5）采用在线管径控制系统，管径的公差控制在0.12mm 之内。（6）采用 100%高物理性塑性聚氨酯弹性体（TPU ）制造，恒定工作压力状态使用，寿命更长久。（7）通过 SGS 认证和 ROHS 认证。PU 管的用途：适用于工业、农业、食品、医药、土木工程、渔业、养殖业、园林灌溉等领域一般工作压力的液体输送。如：气动管、液压管、花园水管、输油、输水管道、石油勘探管、喷砂管、蠕动泵软管等。PU 管的特性:（1）耐油性能好，是天然橡胶耐油性能的 15-20 倍；（2）耐磨性能好，是天然橡胶耐磨性能的 30-50 倍；（3）耐老化性好，是天然橡胶耐老化性能的 5 倍；（4）耐扯断强度是天然橡胶的 3 倍；（5）具有高弹性、高伸长率、高强力；（6）阻尼性能好，内壁光滑，液体阻力小，液压损失少；（7）外观漂亮，软管弯曲半径小，无毒无味，耐冲击，耐疲劳，轻便灵活，其重量是橡胶软管的百分之三十至七十；PU 管卷绕系统的设计3（8）阻然性好，无毒无味。耐冲击、耐疲劳，安全可靠；1.2.2 卷绕机的发展概况近几年我国 PU 管行业发展速度较快，受 PU 管行业生产技术不断提高以及下游需求市场不断扩大的影响，PU 管行业在国内和国际市场上发展前景广阔。虽然曾受金融危机的冲击，使得 PU 管行业近两年发展速度有所减缓，但随着我国国民经济的快速发展以及国际金融危机的逐渐消退，我国 PU 管行业又重新迎来了良好的发展机遇。进入 2013 年我国 PU 管行业面临新的发展形势，由于新进入企业不断增多，上游原材料价格持续上涨，导致行业利润降低，因此我国 PU 管行业市场竞争也日趋激烈。面对这一现状，PU 管行业业内企业要积极应对，注重培养创新能力，不断提高自身生产技术，加强企业竞争优势，于此同时，PU 管行业内企业还应全面把握该行业的市场运行态势，不断学习该行业最新生产技术，了解该行业国家政策法规走向，掌握同行业竞争对手的发展动态，只有如此才能使企业充分了解该行业的发展动态及自身在行业中所处地位，并制定正确的发展策略以使企业在残酷的市场竞争中取得领先优势。 卷绕机可以分为全自动卷绕机、半自动卷绕机以及手工卷绕机。其中手动卷绕机由于其效率低、投入的人工成本大等缺点而逐渐的被淘汰，而半自动卷绕机主要用于小批量的实验型生成，全自动卷绕机用于大量生成。下面列举半自动和全自动卷绕机设备的特点如下：半自动卷绕机具有隔膜张力连续可调，卷绕过程中电芯一致性好，设备操作简单，设备调试时间短，设备故障低，维护容易等优点，但同时也具有生成效率仍不能达到大规模生成的要求，造价相对贵等缺点。而全自动卷绕机采用的是 PLC 控制并且将数字交流驱动和张力传感技术相结合，实现卷绕过程中合理配置正负电容量以及实现精确的张力控制，但是相对的成本比较高，价格也相对昂贵，而且操作和结构都很复杂。近几年来，随着 PU 管的需求量增加，PU 管产业的快速发展，对 PU 管生产设备也提出了更高的要求，不仅仅对设备的制造工艺的复杂程度，生产设备的生产效率提出了更高的要求，而且能够设计一款更加简单，美观，易于操作，实时性高的人机界面也提出了需求。1.3 本课题应达到的要求本论文研究内容是对 PU 管的卷绕系统进行设计。通过大量调研和分析，吸取各类卷绕设备的优点，针对用户需求，设计一款基于 PLC 控制的卷绕系统，从而达到降低设备与维护成本、提高 PU 管生产质量与生产能力的目的。PU 管的卷绕是生产中的重要环节，卷绕系统性能的优劣直接关系到产品的产量和品质。PU 管卷绕过程中最关键的技术就是对控制部分的设计，不能准确控制卷绕过程会造成良品率的下降、后续工序的难以进行。传统的卷绕控制器较多地采用了模拟电路或传统 PID 控制器对卷绕头拖动电机进行控制，实现张力调节。由于 PU 管卷绕生产车间通常是高温、潮湿、强电磁干扰的环境，并且卷绕装置本身的横动导管器也会给系统带来扰动，因此，模拟电路或一般线性控制器组成的卷绕控制系统常常效果一般，普遍存在调试困难、一致性差、张力周期性波动幅度大等问题，尤其是随着工艺上对绕速要求的不断提高，传统的卷绕控制系统己经越来越难以胜任。本无锡太湖学院学士学位论文4文主要论述了新型 PU 管卷绕系统的设计方法，论文主要完成了以下三方面的工作：(l)结构方案和功能的设计卷绕系统要求工作过程中始终保持恒张力卷绕，卷绕系统的自动控制具有一定复杂性。主要表现在三个方面：首先，卷绕过程中，恒张力卷绕自动控制是通过调节卷绕头电动机转速实现的；第二，随着卷绕过程时间的推移，管筒直径增量可达数厘米，重量变化可达几公斤，系统参数具有很强的时变性；第三，卷绕过程中为使 PU 管均匀卷绕，使用横动导管器往复拨动 PU 管，对张力形成复杂的扰动。(2)控制系统软、硬件的设计本文设计的卷绕控制系统对体积、成本和功耗都有严格要求。因此，在控制器软硬件方案选择方面都要遵循一定的原则，在控制器整体结构方面，应尽量选择结构简单、成本低廉的方案。本系统中卷绕机的旋转动力来自于三相异步电动机。恒张力卷绕中 PU 管上张力的大小与电动机的转速有直接的关系。因此，异步电动机调速性能的优劣与整个系统的控制效果息息相关。卷绕控制系统要求电动机转速变化平滑、输出转矩稳定。研究电机的变压变频调速理论，设计变频调速控制的软硬件，是十分必要的。(3)对系统进行仿真实验验证本文对 PU 管卷绕系统的控制部分进行了大量的、深入的研究，结合卷绕控制系统的运行特点，设计了合适的软、硬件，对电路控制方案的设计、步进电机往复成型装置的设计和交流异步电机卷绕装置的的设计等做出了详细地阐述。并对张力的模糊 PID 和传统 PID 控制系统进行了仿真比较，得出了最佳控制系统方案。PU 管卷绕系统的设计52 卷绕系统方案的总体设计2.1 PU 管卷绕系统的构成 PU管卷绕机主要由绕线机构和排线机构两部分所组成。在绕线过程中只要保持绕线电动机和排线电动机保持恒定的转速比就可以实现等螺距卷绕。其中绕线、排线机构如图2.1所示。（1）在绕线机构中，绕线轴由经过变频器变频后的电动机带动旋转完成绕线工作，并采用张力传感器进行反馈，实现对张力的闭环控制。（2）在排线机构中，排线轴由经过变频器变频后的步进电机带动作为从轴，在卷绕过程中跟随绕线主轴速度旋转，带动精密直线螺杆旋转，通过控制伺服电动机的正反转使螺杆上的排线螺钩做往复运动实现排线动作。 PU管 排 线电 动 机 交 流 变 频 器 模 拟 量给 定绕 线 速 度 检 测往 复 排 线张 力 检 测 绕 线电 动 机脉 冲给 定交 流 变 频 器图2.1 卷绕系统结构PU 管卷绕系统按其结构和功能部分可分为机械装置(结构功能)、执行器(驱动功能，能量转换功能) 、传感器( 检测功能)、计算机( 控制功能 )等。 （1）机械装置(结构功能)机构是零件组成的、能够传递运动并完成某些有效工作的装置。机械由输入部分、转换部分、传动部分、输出部分以及安装固定部分等组成。本课题中的机构部分主要由导管机构，卷取机构，张力调节装置三大部分组成。用到同步带，带轮，管杠，螺旋副齿轮，滚动轴承等机械装置。（2）执行器(驱动功能，能量转换功能) 执行器包括以电、气压和油压等作为动力源的各种元器件。如以电作为动力源的普通直流电动机、直流伺服电动机、三相交流异步电动机、变频用三相交流电动机、三相交流永磁伺服电动机、步进电动机、比例电磁铁、电磁粉末制动器、电动调节阀以及电磁泵等，以气压作为动力源的气动马达和气缸，以油压作为动力源的液压马达和液压缸等等。本课题中所涉及的执行器有：三相交流异步电机，步进电动机，交流变频器。（3）传感器(检测功能)传感器是从被测对象中提取信息的器件，用于检测机电系统工作时所要监视和控制无锡太湖学院学士学位论文6的物理量、化学量和生物量。大多数传感器是将被测的非电量转换为电信号，用于显示和构成闭环控制系统。本课题中所涉及的传感器有：光纤传感器。（4）计算机(控制功能)根据控制论中关于系统的定义：“系统是由相互制约的各个部分组织成的具有一定功能的整体”，相互制约的各个部分必须在控制论的指导下，由控制器(即计算机)实现协调与匹配，使整体处于最优工况，实现一定的功能。控制系统，作为“系统” ，其核心当然是控制。本课题中所涉及的控制器有：可编程逻辑控制器(Programinable Logic Controller，简称 PLC)，计算机（PC） 。二者形成控制系统的上位机系统。2.2 卷绕机机构部分的设计任何一种卷绕机都是由往复成形装置和卷取装置两部分组成。2.2.1 往复成形装置的设计卷装上的 PU 管一般是以螺旋线的形式卷绕，并由导管机构的往复移动一层一层卷绕层叠起来。其往复成型装置简图如图 2.2 所示。PU管 导 丝 机 构往 复 运 动图 2.2 往复成型装置简图往复成形装置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( 筒子尺寸大小、外形、卷绕密度、退绕性等等)和 PU 管的质量。因此，往复成形装置应当满足下列设计要求：(1) 导管速度均匀：为了获得均匀的卷绕密度，导管机构全程的运动速度应保持均匀。(2) 防叠能力：卷绕过程中，发生管圈重叠现象会严重影响 PU 管的质量，因此要求成形装置具有防叠能力，以其机构的运动消除管圈的重叠。(3) 减小和消除张力波动：为了减小张力波动，应尽量缩短导管点到筒子卷取点的距离。(4) 往复运动件惯性小，使用寿命长。基于以上设计要求，在对比了现有卷绕机多采用的凸轮或拨叉机构优劣，相比之下螺旋副的体积小、质量轻、结构简单，且易实现往复运动。因此，这台小型卷绕机提出了采用螺旋副导管机构。PU 管卷绕系统的设计72.2.2 往复运动装置传动结构的设计传动结构采用管杠螺母传动装置：由一台电动机，通过同步带，带动蜗轮一蜗杆减速器，再通过连轴器，将减速器与丝杠连接起来，杠上安装有导管钩，通过控制电机的正反转，从而使导管钩能够左右往复运动，该部分的结构图如图 2.3 所示。导 丝 钩 联 轴 器丝 杆 蜗 轮 -蜗 杆 加 速 器同 步 带电 动 机图 2.3 往复运动装置的传动机构2.2.3 往复成形装置驱动元件的选择驱动元件的种类多，如电动机(包括步进电动机、伺服电动机、变频电动机等等)、液压、气动马达和动作缸、电磁阀等等。根据驱动元件的不同，执行机构一般也同样分为电动式、气动式和液压式三种。因此，在确定驱动元件前，我们必需选择和确定该课题中采用什么样的执行机构。气动式是把压缩气体的能量转换成机械能量去拖动负载，完成被控对象的参数调整。气动式的优点是简单、稳定、安全、且价格低廉、维修方便、但缺点是山于气体作为介质，所以可压缩性大、精度较差、传输速度低。液压式是将液体压力能转换成机械能，以拖动负载实现直线或回转运动，其介质大多数为油。液压与气动式相比具有工作稳定、冲击和震动小、无极调速范围大、结构简单等优点、但其制作工艺要求高、价格较贵、安装和维护较难。在现有的实验条件下，显然采用液压式的执行机构并不是很适宜的。根据以上的分析比较，我们拟采用最为常用的电动式执行机构。要求自转与往复运动的密切配合性，且需要保证卷绕层单束的恒张力控制，所以这里有两种选择：a.步进电机；b.伺服电机。但由于在该系统中，要求控制精度较高，如果选择伺服电机带动同步带驱动，而同步带的热胀冷缩变化可能会产生较大的控制误差，进而影响控制精度。伺服电机相对于步进电机价格昂贵，在该系统中会占据更大空间，该机构所需的扭矩较小，且无论从控制精度要求和经济角度，还是有利于外形整体结构设计合理化和美观化来考虑，步进电机即可以满足控制精度，又价格便宜，具有较好的经济性。因此，在导管机构中，确定采用步进电机电机作为驱动元件将有利于整个系统设计的完美化。在该系统中选步进电机作为驱动元件无疑是最正确的选择。步进电机驱动系统原理框图如图 2.4 所示无锡太湖学院学士学位论文8检 测 装 置 信 号 转 换 电 路 放 大 装 置 执 行 机 构 被 控 对 象图 2.4 步进电机驱动系统原理框图步进电动机是一种将数字信号转换为角位移(或直线位移)的机电执行元件。每当输入一个脉冲时，转轴便转过一个固定的机械角度。步进电机具有控制简单、价格低、维护容易、定位精度高、无累积位置误差、可自锁、控制成本且能直接受数字信号的特点，在数字控制系统中得到了广泛的应用。尤其是数控设备、航空、导弹无线电等工业中一般都采用了步进电机作为伺服执行元件。从广义上讲，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在额定率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电动机。步进电机的特性如下：（1）能直接实现数字控制。大多数人都认为数字电路的研制难度要低于模拟电路。（2）位移量与脉冲数对应，在需要精确定位的应用(如指向镜)中可以在开环控制下获得较高的定位精度。（3）步距误差不累计，依赖晶振频率，在连续运转中无需闭环反馈就可得到稳定的周期转速。抗干扰能力强，在负载能力范围内，步距角和转速不受电压、负载和波形的影响，也不受温度、冲击和振动等环境条件的影响。选择步进电机也就回避了闭环设计，光电编码器、高精度基准源、抗干扰设计等这些无疑都将大大增加驱动电路的复杂程度的问题。步进电机分三种：永磁式(PM)，反应式(VR)和混合式(HB) 。永磁式步进一般为两相。转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度或15 度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5 度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家 80 年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛根据控制的实际情况我们选择步进电机的型号为86BYG450G- 01，DC4.0A，1.8DEG。2.2.4 卷取装置的设计卷取装置由一台交流电机驱动，通过同步带，带动主轴旋转，将 PU 管卷绕到卷筒上。由于这台小型卷绕装置所要求的速度并不高，因此它的 PU 管波动小，管条绕上筒子时，因摩擦打滑而发生意外拉伸的可能性小。故在这台小型卷绕装置中，并未设计专门的加压机构。这样既满足了要求，又简化了机构。该部分的结构简图如图 2.5 所示：PU 管卷绕系统的设计9支 架 转 动 臂 接 触 辊 筒 管轴 承 座同 步 带电 动 机图 2.5卷取装置的结构简图2.2.5 卷取装置驱动元件的选择一般卷绕机卷取装置的驱动方式有两种：摩擦驱动式卷取装置和直接驱动式卷取装置。摩擦驱动式卷取装置是指卷取筒子借助摩擦辊的摩擦力矩旋转工作的卷取装置。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而线速度保持恒定，即卷绕速度恒定。摩擦传动机构简单，容易控制，工作稳定，很多卷绕机上很多采用此种方式。但是这种方式易出现打滑、发热、起皱、胀边、卷装内层变形、凸边，影响纤维分子取向和沿纤维长度的物理性能，卷装成形质量不是很高。直接驱动式卷取装置是指筒子直接山变速电机驱动的卷取装置。卷绕过程中，电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，即采用 PU 管张力在卷绕中应保持不变的要求，将张力量变为电信号，通过比较反馈系统，控制电动机的转速。这种传动要求采用精密可靠的调速装置，因此卷装成形的质量较高。通过两种卷取驱动方式的比较，可以得出直接驱动式比摩擦式驱动方式卷取精度高，由于本课题是对卷绕机控制系统的研究，直接驱动方式中电机的转速随着卷装直径的增大而逐渐减慢，针对此转速建立的控制系统是个很好的研究方向，将对卷绕设备中卷绕头的控制提供参考依据，所以本机的卷取装置采用直接驱动式卷取装置。因为卷绕过程比较复杂，要精确计算各部分的消耗功率比较困难，所以设计时只从理论上进行大概估算，同时参考了同类型的卷绕机电机功率的配备。本设备选用主轴电机采用 0.4kw(50Hz，231v) ，变频范围为 25-310Hz 的三相交流电机。2.3 卷绕控制方法的设计2.3.1 控制方法选择机械部分能完成PU管卷装的功能，但完成的好坏很大程度上取决于控制系统，准确地说是取决于张力控制系统。张力控制是一个典型的时变、非线性系统，卷绕过程中张力存在波动，故需对张力进行实时控制。由于整个卷绕过程中，引起张力变化最主要的无锡太湖学院学士学位论文10是卷管筒的转速，故决定采用张力反馈控制系统来控制卷管筒的转速，也即相当于控制卷绕电机的转速，其它电机均为匀速运动，张力变化时只需改变卷绕电机的转速，即可改变PU管中的力。控制基本思想如下：由实验确定卷绕电机的某一转速为目标转速，该转速时PU管张力为目标张力，在该转速下PU管张力适中，也不会对卷装产量产生影响。将此时动态应变仪的输出电压做为基准