一种纤维铺放张力控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供的一种纤维铺放张力控制系统包括上位机、控制器、A/D转换器、D/A转换器、功放器、力矩电机、丝卷、张力传感器和放大器；本发明的优势在于：纤维铺放机配上准确控制张力的张力控制器，对系统的高效可靠提供保障，同时，方便进行复合材料制品的质量跟踪，提高纤维产品质量；采用直接控制中的反馈式张力控制，以达到充分发挥纤维材料的高强度特性的目的；系统根据上位机输入的张力控制阀值，对多根丝的张力同时进行控制，将铺丝过程中的张力控制结果实时记录、显示并且储存。
【专利说明】一种纤维铺放张力控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及纤维的成套制造设备领域，特别是指一种纤维铺放张力控制系统。
【背景技术】
[0002]在复合材料的成型工艺中，纤维缠绕成型工艺是指采用连续纤维在浸渍树脂粘合剂后，在张力的作用下按照一定的线型有规律的排布在芯模上，然后通过加热是粘合剂固化而制成一定形状的工艺方法。纤维铺放技术全称是自动丝束铺放成型技术，也称自动铺丝技术(Automatic Fiber Placement, AFP)。该技术是20世纪70年代作为纤维缠绕和自动铺带技术的改革而发展起来的全自动复合材料加工技术，也是近年来发展最快效率最高的复合材料自动化成型制造技术之一。纤维铺放技术既可以铺凸面也可以铺凹面，还可以铺放复杂的双曲率构件，并具有在铺层时切割丝束的功能，可以满足对铺层惊醒剪裁以适应局部加厚，铺层递降和开口铺层的需要，因此相比纤维缠绕技术和自动铺带技术具有更广泛的应用价值。在复合材料的成型工艺中，合理的控制张力可以提高纤维的工作应力，充分发挥纤维材料的高强特效[2]。复合材料制品的最终性能与其生产过程中的工艺参数密切相关。在铺放发动机壳体、压力容器时，铺放张力的大小，各束纤维间的张力的均匀性及各铺放层间纤维张力的量级变化对制品强度影响极大。研宄证明，张力选择不当或张力不稳定，可使纤维缠绕制品的强度损失20?30%。可见，性能优良的纤维铺放机必须配上准确控制张力的张力控制器，才能对系统的高效可靠提供保障。为了满足高品质纤维制品的生产要求，就纤维铺放过程中恒定张力的控制方法进行了研宄。因此，开发一种新的控制系统解决上述技术问题在本领域内具有重大的意义。
【发明内容】
[0003]针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明提供一种纤维铺放张力控制系统，为了适应智能化控制的发展方，使控制系统向一体化方向发展，方便进行复合材料制品的质量跟踪，提高纤维产品质量，张力控制系统将直接采用张力传感器实时监测张力，以直流力矩电机执行机构，利用直流力矩电机工作时提供的阻力矩恒定缠绕纤维上的张力，通过AT89C52微处理器控制直流力矩电机转矩，以达到控制张力的目的。为实现上述目的，本发明提出的一种纤维铺放张力控制系统，采用如下技术方案，该系统包括:
[0004]上位机，完成设定值的输入、数据处理和主控功能，作为整个张力控制系统的运算和控制中心；
[0005]控制器，用来给力矩电动机发运动指令；
[0006]A/D转换器，完成模拟信号转换为数字信号；
[0007]D/A转换器，完成数字量信号转换成模拟信号；
[0008]功放器，将电压信号进行放大后制动直流力矩电机；
[0009]力矩电机，为控制系统的执行机构；
[0010]丝卷，被控制执行的对象；
[0011]张力传感器，实时监测并显示纤维丝上的张力；
[0012]放大器；用于张力信号的放大和传输；
[0013]其中的上位机与控制器相连，控制器与D/A转换器相连，D/A转换器与功放器相连，功放器与力矩电机相连，力矩电机与丝卷相连；张力传感器与放大器相连，放大器与A/D转换器相连，A/D转换器与上位机相连。
[0014]对于本技术方案的进一步的改进，所述上位机选用AT89C52作为系统的处理器；
[0015]对于本技术方案的进一步的改进，A/D转换器选用AD1674作为核心装置，D/A转换器采用8位的DAC0832作为核心装置；
[0016]对于本技术方案的进一步的改进，张力传感器直接采用电阻应变丝、片来测定对象的应变和应力；
[0017]本发明的设备的工作原理主要在于:整套张力控制系统实行的是闭环反馈控制。系统运行时，首先通过张力传感器实时监测并显示纤维线绳上的张力，然后再通过控制系统执行机构直流力矩电机的阻力矩来稳定纤维线绳上的张力，达到恒定张力，提高纤维复合材料质量的目的。在铺放过程中共，系统随时监测纤维丝上的张力大小，经过CPU与设定值进行比较计算后，由D/A，数字量信号转换成模拟信号输出模拟控制电压信号，再由功率放大器放大后制动直流力矩电机，让其恒定运转，提供恒定的阻力距，从而稳定纤维丝上的张力大小以控制张力。
[0018]系统其中的CPU使用AT89C52单片机，程序容量8K，晶振使用11Hz。这是整个张力控制系统的运算和控制中心。AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM)，功能强大的AT89C52单片机适用于较多较为复杂的控制应用场合。空闲方式时停止CPU的工作，但是允许RAM、定时/计数器、串口通讯口及终端系统继续工作。掉电方式时保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。鉴于以上种种性能优点，因此，本文中的张力控制系统选用AT89C52作为系统CPU。
[0019]系统的通讯采用RS232通讯方式，芯片为MAX232。其中包含两路接受器和驱动器的IC芯片，适用于各种EIA-232和V.29/V.24的通信接口。
[0020]系统的A/D模/数转换使用内部带有20KHz采样频率的采样保持芯片AD1674，结合模拟多路开关AD7501，实现8路张力电压信号的采样。AD1674是美国AD公司推出的一种完整的12位并行模/数转换单片集成电路。该芯片内部自带采样保持器(SHA)UO伏基准电压源、时钟源以及可和微处理器总线直接接口的暂存/三态输出缓冲器。AD1674的内部结构紧凑，集成度高，工作性能，尤其是高低温稳定性较好，而且可以使设计板面积大大减小，因而可降低成本并提高系统的可靠性。在张力控制系统中，AD1674可以实时的采集各个传感器的模拟参量，进行快速、精确的数据转换并传给CPU进行数据处理，从而有效地控制整个张力控制系统的检测精度。正因为AD1674具有以上这些特点，在本套张力控制系统中，选用AD1674作为A/D转换的核心装置，
[0021]系统的D/A数/模转换，采8位的DAC0832，分别驱动多路控制器。DAC0832是采用CMOS工艺制造的8位单片D/A转换器，主要由两个8位寄存器和一个8位D/A转换器组成，使用两个寄存器，输入寄存器和DAC寄存器的好处是能简化某些应用中的硬件接口电路设计。DAC0832采用二次缓冲方式，这样可以在输出的同时，采集下一个数据，从而提高转换速度；更重要的是能够在多个转换器同时工作时，实现多通道D/A的同步转换输出。DAC0832分辨率位8位；只需在满量程下调整其线性度；可与所有的单片机或微处理直接接口，需要时亦不可与微处理器连接而单独使用；在测试技术中，除了直接用电阻应变丝、片来测定试件的应变和应力外，还广泛利用它制成各种应变式传感器来测定各种物理量，如力矩、压力、加速度等，应变式传感器是目前应用最广泛的传感器之一。
[0022]本系统的张力控制算法，采用PID控制；在电机运行时，采用闭环控制，张力设定值与张力反馈值比较后，其差值进入单片机，经增量式数字PID控制算法运算后得到电机运行的控制量，通过D/A转换输出控制信号，修正电机输出转矩，实现对张力的控制。当程序启动后，系统通过采样模块随时监测张力传感器的张力值并显示在显示面板上，上位机通过串口通讯设定该通道的张力值，系统接收键盘指令后进入PID运算模块，经过处理后的控制信号送往D/A转换模块，产生控制电压控制力矩电机力矩的变化，使得张力值达到平衡。控制程序中关键的部分是PID运算模块，它决定着系统控制精度的高低和动态响应的快慢。在模拟控制系统中，控制器常用的控制PID控制。计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，在控制输送张力时采用数字PID控制算法。
[0023]由以上本发明的实施方案可知，本发明所提出的纤维铺放张力控制系统，与现有的技术相比，具有以下优势:
[0024]1.纤维铺放机配上准确控制张力的张力控制器，对系统的高效可靠提供保障，同时，方便进行复合材料制品的质量跟踪，提高纤维产品质量，
[0025]2.由于纤维铺放时纱线总是处于运动控制中，并且要求张力恒定，因此要求张力控制系统在动态，尤其是加、减速过程中能有效控制张力，也就是要求系统能够准确补偿由于加、减速及摩擦所带来的动态力矩，所以采用直接控制中的反馈式张力控制，以达到充分发挥纤维材料的高强度特性的目的。
[0026]3.系统根据上位机输入的张力控制阀值，对多根丝的张力同时进行控制，将铺丝过程中的张力控制结果实时记录、显示并且储存。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为本发明的纤维铺放张力控制系统结构示意图；其中:
[0028]1-丝卷，2-张力传感器，3-放大器，4-A/D转换器，5_上位机，6_控制器，7-D/A转换器，8-功放器，9-力矩电机。
[0029]图2为本系统的直流力矩电机在系统中的控制流程示意图；
【具体实施方式】
[0030]为了更好地了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明，如图1所示，本发明提出的一种纤维铺放张力控制系统，采用如下技术方案，该系统包括:
[0031]上位机5，完成设定值的输入、数据处理和主控功能，作为整个张力控制系统的运算和控制中心；
[0032]控制器6，用来给力矩电动机发运动指令；
[0033]D/A转换器7，完成数字量信号转换成模拟信号；
[0034]A/D转换器4，完成模拟信号转换为数字信号；
[0035]功放器8，将电压信号进行放大后制动力矩电机9 ;
[0036]力矩电机9，为控制系统的执行机构；
[0037]丝卷I，被控制执行的对象；
[0038]张力传感器2，实时监测并显示纤维丝上的张力；
[0039]放大器3 ;用于张力信号的放大和传输；
[0040]其中的上位机5与控制器6相连，控制器6与D/A转换器7相连，D/A转换器7与功放器8相连，功放器8与力矩电机9相连，力矩电机9与丝卷I相连；张力传感器2与放大器2相连，放大器2与A/D转换器4相连，A/D转换器4与上位机5相连。
[0041]对于本技术方案的进一步的改进，所述上位机5选用AT89C52作为系统的处理器;
[0042]对于本技术方案的进一步的改进，A/D转换器4选用AD1674作为核心装置，D/A转换器7采用8位的DAC0832作为核心装置；
[0043]对于本技术方案的进一步的改进，张力传感器2直接采用电阻应变丝来测定对象的应变和应力。
[0044]本发明的设备的工作原理主要在于:整套张力控制系统实行的是闭环反馈控制。系统运行时，首先通过张力传感器实时监测并显示纤维线绳上的张力，然后再通过控制系统执行机构直流力矩电机的阻力矩来稳定纤维线绳上的张力，达到恒定张力，提高纤维复合材料质量的目的。在铺放过程中共，系统随时监测纤维丝上的张力大小，经过CPU与设定值进行比较计算后，由D/A，数字量信号转换成模拟信号输出模拟控制电压信号，再由功率放大器放大后制动直流力矩电机，让其恒定运转，提供恒定的阻力距，从而稳定纤维丝上的张力大小以控制张力。
[0045]系统其中的CPU使用AT89C52单片机，程序容量8K，晶振使用11Hz。这是整个张力控制系统的运算和控制中心。AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM)，功能强大的AT89C52单片机适用于较多较为复杂的控制应用场合。空闲方式时停止CPU的工作，但是允许RAM、定时/计数器、串口通讯口及终端系统继续工作。掉电方式时保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。鉴于以上种种性能优点，因此，本文中的张力控制系统选用AT89C52作为系统CPU。
[0046]系统的通讯采用RS232通讯方式，芯片为MAX232。其中包含两路接受器和驱动器的IC芯片，适用于各种EIA-232和V.29/V.24的通信接口。
[0047]系统的A/D模/数转换使用内部带有20KHz采样频率的采样保持芯片AD1674，结合模拟多路开关AD7501，实现8路张力电压信号的采样。AD1674是美国AD公司推出的一种完整的12位并行模/数转换单片集成电路。该芯片内部自带采样保持器(SHA)UO伏基准电压源、时钟源以及可和微处理器总线直接接口的暂存/三态输出缓冲器。AD1674的内部结构紧凑，集成度高，工作性能，尤其是高低温稳定性较好，而且可以使设计板面积大大减小，因而可降低成本并提高系统的可靠性。在张力控制系统中，AD1674可以实时的采集各个传感器的模拟参量，进行快速、精确的数据转换并传给CPU进行数据处理，从而有效地控制整个张力控制系统的检测精度。正因为AD1674具有以上这些特点，在本套张力控制系统中，选用AD1674作为A/D转换的核心装置，
[0048]系统的D/A数/模转换，采8位的DAC0832，分别驱动多路控制器。DAC0832是采用CMOS工艺制造的8位单片D/A转换器，主要由两个8位寄存器和一个8位D/A转换器组成，使用两个寄存器，输入寄存器和DAC寄存器的好处是能简化某些应用中的硬件接口电路设计。DAC0832采用二次缓冲方式，这样可以在输出的同时，采集下一个数据，从而提高转换速度；更重要的是能够在多个转换器同时工作时，实现多通道D/A的同步转换输出。DAC0832分辨率位8位；只需在满量程下调整其线性度；可与所有的单片机或微处理直接接口，需要时亦不可与微处理器连接而单独使用；在测试技术中，除了直接用电阻应变丝、片来测定试件的应变和应力外，还广泛利用它制成各种应变式传感器来测定各种物理量，如力矩、压力、加速度等，应变式传感器是目前应用最广泛的传感器之一。
[0049]如图2所示本系统的直流力矩电机在系统中的控制流程示意图；采用PID控制，在电机运行时，采用闭环控制，张力设定值与张力反馈值比较后，其差值进入单片机，经增量式数字PID控制算法运算后得到电机运行的控制量，通过D/A转换输出控制信号，修正电机输出转矩，实现对张力的控制。当程序启动后，系统通过采样模块随时监测张力传感器的张力值并显示在显示面板上，上位机通过串口通讯设定该通道的张力值，系统接收键盘指令后进入PID运算模块，经过处理后的控制信号送往D/A转换模块，产生控制电压控制力矩电机力矩的变化，使得张力值达到平衡。控制程序中关键的部分是PID运算模块，它决定着系统控制精度的高低和动态响应的快慢。在模拟控制系统中，控制器常用的控制PID控制。计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，在控制输送张力时采用数字PID控制算法。
[0050]综上所述，本控制系统实行的是闭环反馈控制，系统通过张力传感器实时监测并显示纤维线绳上的张力，然后再通过控制系统执行机构直流力矩电机的阻力矩来稳定纤维线绳上的张力，达到恒定张力，提高纤维复合材料质量的目的。
[0051]本发明以实施例的方式揭露如上，不以任何形式对本发明构成限制和限定，本发明的范围以权利要求书为准，一切不超出本发明宗旨的显而易见的修改、变换和替代方案均在本发明范围内。
【权利要求】
1.一种纤维铺放张力控制系统，其特征在于该系统包括: 上位机(5)，完成设定值的输入、数据处理和主控功能，作为整个张力控制系统的运算和控制中心； 控制器￠)，用来给力矩电动机发运动指令； D/A转换器(7)，完成数字量信号转换成模拟信号； A/D转换器(4)，完成模拟信号转换为数字信号； 功放器(8)，将电压信号进行放大后制动力矩电机9 ; 力矩电机(9)，为控制系统的执行机构； 丝卷(I)，被控制执行的对象； 张力传感器(2)，实时监测并显示纤维丝上的张力； 放大器(3);用于张力信号的放大和传输； 其中的上位机(5)与控制器(6)相连，控制器(6)与D/A转换器(7)相连，D/A转换器(7)与功放器⑶相连，功放器⑶与力矩电机(9)相连，力矩电机(9)与丝卷⑴相连；张力传感器(2)与放大器(2)相连，放大器(2)与A/D转换器(4)相连，A/D转换器(4)与上位机(5)相连。
2.根据权利要求1所述的纤维铺放张力控制系统，其特征在于:所述上位机(5)选用AT89C52作为系统的处理器。
3.根据权利要求1所述的纤维铺放张力控制系统，其特征在于:所述A/D转换器(4)选用AD1674作为核心装置，所述D/A转换器(7)采用8位的DAC0832作为核心装置。
4.根据权利要求1所述的纤维铺放张力控制系统，其特征在于:所述张力传感器(2)采用电阻应变丝来测定对象的应变和应力。
【文档编号】B65H59/40GK104444597SQ201410609019
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月3日 优先权日:2014年11月3日
【发明者】祝龙云 申请人:镇江奥立特机械制造有限公司