纤维缠绕张力微机控制系统.docx

第25卷第10期徐东亮，等：纤维缠绕张力微机控制系统73第25卷第10期武汉理工大学学报Vol. 25 No. #2003 年 10 月JOURNAL OFWUHAN UNIVERSITY OFTECHNOLOG5Oct. 2003纤维缠绕张力微机控制系统徐东亮，吴耀楚，刘雪红，田会方(武汉理工大学机电学院，武汉430070)摘要：介绍了纤维缠绕张力微机系统的控制原理及硬件、软件的设计方法。该系统采用静摩擦施力方式给行进中的 缠绕纤维施加和调整张力，在对纤维损伤较小的情况下，实现了缠绕纤维的高张力高精度微机控制。关键词：纤维缠绕i张力i微机控制中图分类号：TP 3#文献标识码：A文章编号：1671-4431(2003)10-0071-03纤维缠绕（FW)张力是影响纤维缠绕玻璃钢/复合材料制品，特别是高性能制品质量的重要因素。对缠 绕过程中各缠绕层纤维张力进行准确控制是实现FW制品承载前具有所要求的预应力分布和预应力水平的 有效办法a。目前国内缠绕机一般采用机械式张力控制器，通过机械连接反馈，控制精度较低；国外有电子式 张力控制器，应用张力不变时，纱团阻力矩与纱团半径成反比的原理实现张力控制。这类张力系统采用在纱 团轴上施加阻力矩来调整纤维的张力，施加大张力时容易造成勒纱现象，对纤维损伤较大，只能用于张力不 太大的场合；其张力检测与实际张力甚至相差上十倍。一般要求纤维缠绕制品按张力逐层递减制度控制张 力，这类张力器不易在生产过程调节，或准确调整其设定张力。因而，对于要求大张力和高精度张力控制的 FW制品生产，这类张力控制方法无法满足使用要求2。为实现FW过程纤维的宽范围、低损伤大张力的高自动化控制，介绍一种先进的F W张力微机控制系统 (MCTS )。该系统可对FW过程中的纤维张力按一定的设定曲线进行控制。同时具有缠绕层自动跟踪（对微 机控制缠绕机）、用户级张力传感器标定、断纱报警、控制张力自动记录和控制结果处理等功能。实际应用表 明：该系统运行稳定可靠、控制性能优良，在民用高性能FW制品的生产领域具有广泛的应用前景。1 FW张力自动控制系统原理控制系统主要由张力检测机构、计算机和张力施加机构3大部分组成。其原理如图1所示，张力辊与电 机直联，纤维纱束在张力辊处绕张力辊一圈，以产生足够的静摩擦力。系统闭环控制过程如下：电机对张力 辊施加阻力矩，使纤维产生一定的张力。纤维张力通过传感辊作用于传感器产生电信号。与传感器相连的变 送器将该信号变送成标准信号，并传送给计算机的A/D模块，从而测得当前缠绕纤维的实际张力。由微机对 所测张力进行记录、比较和PID处理，然后送出控制数字信号。控制数字信号经D/A转换，控制驱动模块驱 动电机，对张力辊的阻力矩进行调整，实现纤维张力的控制。该系统采用静摩擦力（纤维与张力辊间无相对 滑动）间接施力方式对行进中的纤维张力进行施加与调整，因而对纤维的损伤较小，可对纤维进行大张力控 制（最高可达纤维强度的55%)。此外，采用微机作为控制处理核心系统，使张力的测量、控制精度及记录处 理都达到用户提出的性能要求。2张力施加方法2.1低损伤张力施加原理缠绕纤维的张力施加原理如图2所示。浸胶纤维由A端进入，经过张力辊，并在张力辊上绕一圈后，从B 收稿日期：2003-05-30.基金项目：军工专项项目（430711).作者简介：徐东亮（19 70-)，男，讲师.E-mail: xdonglmail. wt. edu. ?导纱辕PID及其 它处理导纱棍傲机单元变送器传感辊导纱辊导纱辊丝嘴芯模纤维图1张力施加原理图图2张力施加原理图图3软件框架图端抽出。在张力辊两端各设立了一个限位导 纱辊，以防止张力辊进端纤维压住出端纤 维，使进出段纤维产生相互摩檫，造成搭纱、 甚至断纱现象。假设A端纤维初张力为）， B端纤维张力为），纤维与张力辊间不产生 相对滑动，则调整施加于张力辊上的力矩 M，可使B处张力得到相应调整。由于采用 静摩擦力方式施加张力，因而对纤维的损伤 很小，进行大张力控制时不会对纤维性能产 生太大的影响。通过调整张力辊的阻力矩即 可调整纤维张力，从而使张力调整较为容 易。2.2张力施加方案的使用条件及应用方程 该方案的正常使用前提条件是纤维与 张力辊间不产生相对滑动。根据柔韧体摩擦 的欧拉方程(1)式中，分别为纤维A、B处张力，3为纤 维与张力辊间的最大静摩擦系数。由此可确 定纤维与张力辊间不产生相对滑动的条件 为），6)e223(2)在式（2)的条件下，A端张力、B端张力和张 力辊的阻力矩-间满足力学平衡关系式)b-7 0 8 d;/d= )a7 (3)式中，8为张力辊的转动惯量，7为张力辊半开始软硬件初始化读键盘、控制面 板及当前缠绕层读取张力值求与当前设 定值的偏差停各电机 记录结果终止控制？停各电机异常处理图4控制软件程序框图径，；为张力辊转动角速度。式（3)为张力施力方案的控制和设计方程。3控制系统软件1) 控制系统软件组成系统软件实现了控制系统运 行参数的调入拷出、张力制度设计、直接张力设定值输 入、传感器标定、控制参数设定、张力的自动控制与半自 动控制、控制结果处理和打印等功能。具体组成框架如图 3所示。2) 控制程序控制程序是控制系统的核心，是张力 控制的直接执行者。它运行过程的许多参数都是由其它 程序间接提供的，控制程序框图如图4所示。图5张力控制过程曲线4系统运行实例1)运行条件缠绕纤维,20.ex高强纱，俄罗斯产品；鼓形纱团；纤维经过的路径：纱团2导纱辊2胶槽2导纱辊2张力辊2导纱辊2传感器2丝嘴2芯模；电 机输出控制量上限设为85(满幅量为100)控制过程缠绕层数变化采用自动跟踪方式；纤维浸胶胶温38 5。 内衬直径：130 mm;内衬长度：440 mm;环向缠绕；缠绕转速：100330 r/min;张力设定范围：1643 N。表1内衬尺寸受张力的影响测量点内衬长度/mm内衬直径/mm缠绕前440. 16130.740层号为30时441.14129.392层号为4时441.70128. 6162 )张力控制情况及精度系统控制过程运行稳定；当前缠绕层变 化时，系统能及时准确地改变张力设定值；系统断纱判断正确无误；实 际张力对设定张力的改变具有很好的跟随性；张力控制精度达5?。实际控制界面如图5所示。3) 内衬在张力作用下的测试结果内衬尺寸变化见表1。按表1 计算，缠绕层号为48时，内衬长度增长0. 35?，伸长量为1. 54 mm;直 径缩小1. 62?，缩小量为2. 124 mm。这反映了内衬上己具有相当大的预应力。5结论E采用静摩擦施力方式对缠绕纤维进行张力控制，实现了缠绕纤维张力的大张力、高精度微机控制。F控制过程具有缠绕层自动跟踪、当前张力设定值自动更换、断纱停机、报警和控制张力记录等功能。G控制系统软件功能齐全，具有控制前后相关处理功能。 d.采用图文动态监视操作界面，使系统使用方便、直观。e该系统成本较高，限制了它在民用FW制品生产中的推广，但由于一般民用FW张力控制器的技术要 求不高，因而可选用成本较低的硬件，以扩大其在民用生产中的应用。参考文献1 李昕，吴耀楚，杨虹.FRP残余应力及纤维最佳预张力分析J.武汉理工大学学报，2001，23(5) :5456.2 冷兴武，王文达，张立国.缠绕工艺M.武汉：武汉工业大学出版社，1995.Microcomputer Control System on Filament Winding TensionXU Dong-liang，WU Yao-chu，LIU Xue-hong，TIAN Hui-fang(School of Mechanical and Electronics Engineering，WUT，Wuhan 430070，China)Abstract ：This paper introducesthe controlprinciple ofthefilamentwinding tensioncontrol systemand the designmethodofthe hardware and the software.Adjustingfilamenttensionbystatic-frictionduringthe courseofwinding hightensionofwinding filament is controlled precisely witli little wear and tear to it.Key words ： filament winding ； tension ； microcomputer control万方数据纤维缠绕张力微机控制系统教据III WANFANG DATA文献链接作者：徐东亮，吴耀楚，刘雪红,田会方作者单位：武汉理工大学机电学院，武汉,430070刊名:武汉理工大学学报丨.1 ilEED英文刊名：JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY年，卷（期）：2003,25(10)被引用次数：19次参考文献(2条)1. 李昕,吴耀楚，杨虹FRP残余应力及纤维最佳预张力分析期刊论文-武汉理工大学学报2001(5)2. 冷兴武；王文达；张立国缠绕工艺1995I本文读者也读过(10条)1. 田会方.田从莲基于PROFIBUS-DP的四轴纤维缠绕机计算机数控系统期刊论文-机电工程2005,22(1)2. 田会方.杨岳.周洋基于Internet的纤维缠绕机远程监控系统期刊论文-武汉理工大学学报2003,25(7)3. 叶涛.田会方.张佑林过程装备与控制工程专业教学改革的创新与实践会议论文-20044. 胡冰.刘晓静.吴耀楚.Hu Bing.Liu Xiaojing.Wu Yaochu纤维缠绕机传动系统计算机设计的研究期刊论文- 工程塑料应用2000,28(12)5. 田会方.黄亚辉.罗宇基于CAN现场总线的纤维缠绕控制系统设计期刊论文-玻璃钢/复合材料2004(6)6. 袁海华.刘仕华.董雪琴故障树分析法在CCFWM故障诊断中的应用期刊论文-玻璃钢/复合材料2002(4)7. 刘雪红.吴耀楚.徐东亮.Liu Xuehong.Wu Yaochu.Xu Dongliang玻璃钢缠绕制品结构设计系统研制期刊论文 -武汉理工大学学报（交通科学与工程版）2006,30(3)8. 胡俊.李鹏.吴耀楚缠绕线型及传动系统的计算机辅助设计期刊论文-玻璃钢/复合材料2003(1)9. 周庆贵纤维缠绕计算机张力控制系统的设计会议论文-200810. 罗宇.王志辉纤维缠绕机系统原有误差对FW线型精度的影响期刊论文-国外建材科技2003,24(3)I引证文献(16条)1. 罗姗,王志辉海底电缆张力微机控制系统的研究期刊论文-机械制造2010(08)2. 刘雪红,吴耀楚,徐东亮玻璃钢缠绕制品结构设计系统研制期刊论文-武汉理工大学学报（交通科学与工程版 2006(03)3. 刘雪红,徐东亮,吴耀楚玻璃钢缠绕制品CAD/CAM系统期刊论文-山东建材2005(01)4. 来小丽，王强,蔡冬梅,苑立宽预应力缠绕模具设计理论期刊论文-济南大学学报（自然科学版）2007(04)5. 何江华玻璃钢缠绕机控制系统设计学位论文硕士 20096. 朱洪雷纤维数控铺缠设备精密张力控制器的研究学位论文硕士 20107. 王莉娟基于Trio的夹砂玻璃钢管缠绕机控制系统研制学位论文硕士 20088. 赵寿华钢带缠绕张力控制系统的研究学位论文硕士 20109. 孟丽娟钢带缠绕预应力模具实验设备的开发与研究学位论文硕士 201010. 何芳,赵寿华，王强预应力模具钢带缠绕张力控制期刊论文-济南大学学报（自然科学版）2009(03)11. 朱洪雷纤维数控铺缠设备精密张力控制器的研究学位论文硕士 201012. 巫瑞纤维铺缠设备中张力控制器