专利名称：缠绕机纤维上胶设备张力控制装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种缠绕机纤维上胶设备张力控制装置及其控制方法，属于机电控制 技术领域。
背景技术：
缠绕机在卫星制造的过程中承担着许多重要生产任务，随着生产任务的逐步增加 和产品工艺要求的不断提高，缠绕机现有的张力控制系统已经无法满足需求，迫切需要进 行改造。现有的张力系统无法达到比较精密的控制及实时数据显示。张力控制是缠绕纤维 的关键工艺，关系到纤维的浸润效果、纤维能否在模具表面充分展开、纤维应力状态等，直 接影响产品的质量。现有张力控制系统利用弹簧调节张力，无法实时控制张力数值，且精度 较低，误差较大。不同类型的产品对张力大小的要求往往有所差别，而现有张力控制系统无 法调节张力的大小。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出了一种缠绕机纤维上胶设备张力控制装 置及其控制方法，该装置采用数字电子控制系统取代了原来的机械控制系统，大大提高了 张力控制的精度，根据不同类型的产品调节张力大小，并实现张力值实时控制。本发明的缠绕机纤维上胶设备张力控制装置，包括伺服电机、电机驱动器、浸胶 辊、张力传感器、张力信号放大器、PLC控制器、弹簧导辊、刮胶板和辊轮；伺服电机上设有旋转编码器，伺服电机连接浸胶辊，驱动浸胶辊带动纤维运行，旋 转编码器连接电机驱动器，将伺服电机的速度信号传输给电机驱动器，电机驱动器控制伺 服电机的转速，电机驱动器的控制信号由PLC控制器提供；浸胶辊包括浸胶带轮、胶槽、上胶皮带；浸胶辊外围设置长度大于浸胶辊外缘周长 的上胶皮带，上胶皮带下端浸入胶槽里的胶液中，上端安装浸胶带轮；浸胶带轮包括若干个 自由旋转的滚轮和围绕其上的皮带，浸胶带轮的两端固定在机架上；纤维从上胶皮带和浸 胶带轮的外围皮带之间穿过，当浸胶辊转动时，上胶皮带转动，把胶槽里的胶液带到浸胶辊 上端，使得纤维被胶液浸润，纤维跟随皮带一起运动；纤维经过刮胶板，刮胶板将纤维上多余的胶液刮掉；浸胶辊和刮胶板之间设置若干个辊轮，纤维经过辊轮、刮胶板和弹簧导辊最后输 送至缠绕筒；弹簧导辊设置在缠绕筒与刮胶板之间的纤维运行路径上，纤维绕过弹簧导辊上的 辊子；张力传感器固定在机架上，从浸胶辊中出来的纤维从张力传感器上滚轮的纤维槽上 侧绕过，张力传感器测量到受力，得到电压信号，将电压信号传输给张力信号放大器；张力信号放大器对张力传感器输出的电压信号进行放大和校准，输入至PLC控制 器；PLC控制器接收张力信号放大器传输的电压信号，根据张力传感器测量的力，计算得到纤维的张力；在PLC控制器中设定张力的预设值，设置比例、微分、积分环节，即PID环 节，PLC控制器计算出纤维的张力与预设值的误差，将误差传送给PID环节，得到速度的改 变量，向电机驱动器发送速度控制信号，通过电机驱动器控制伺服电机的转速，调节浸胶辊 纤维的送出量，改变浸胶辊和张力传感器之间的纤维的长度，调整弹簧导辊被压缩的程度， 改变弹簧对纤维施加的力，实现对缠绕机的纤维的张力控制。
本发明的缠绕机纤维上胶设备张力控制装置的控制方法，包括以下几个步骤步骤一进行初始化，纤维预紧，启动装置；步骤二 张力传感器测量纤维上的张力值，传送给PLC控制器；步骤三PLC控制器传送控制信号给电机驱动器；步骤四电机驱动器通过伺服电机控制的浸胶辊转速，使得纤维的张力与张力的 预设值在误差范围内；步骤五纤维经过刮胶板传输给缠绕筒。本发明的优点在于(1)本发明的张力的控制精度高，能够实现对张力的实时监测，和现有弹簧测量设 备相比，测量精度提高很多，响应速度也提高了很多；(2)本发明可根据要求调节张力值，张力的预设值存储在PLC控制器中，在装置运 行的过程中可根据不同的生产要求改变张力值；(3)可对纤维张力实时监控，从张力传感器上返回的张力值直接显示在LED显示 屏上，从而实现对纤维张力的实时监控，工人根据现场需要调整张力值，以提高产品质量；(4)本发明所述装置操作方便。
图1是本发明缠绕机纤维上胶设备张力控制装置的结构示意图；图2是本发明的挤胶辊结构示意图；图3是本发明的弹簧导辊示意图；图4是本发明的张力传感器结构示意图；图5是本发明的方法流程图；图6是本发明的纤维角度示意图。图中1-伺服电机2-电机驱动器3-浸胶辊4-张力传感器5-张力信号放大器 6-PLC控制器 7-弹簧导辊 8_刮胶板9-纤维10-缠绕筒 11-辊轮101-旋转编码器301-浸胶带轮302-胶槽 303-上胶皮带401-纤维槽402-滚轮 403-信号线601-LED 显示屏 701-辊子
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明是一种缠绕机纤维上胶设备张力控制装置，如图1所示，包括伺服电机1、电机驱动器2、浸胶辊3、张力传感器4、张力信号放大器5、PLC控制器6、弹簧导辊7、刮胶 板8和辊轮11，上述所有装置均固定安装在机架上。伺服电机1上设有旋转编码器101，伺服电机1连接浸胶辊3，驱动浸胶辊3带动 纤维9逆时针运行，旋转编码器101连接电机驱动器2，将伺服电机1的速度信号传输给电 机驱动器2，伺服电机1还连接电机驱动器2，电机驱动器2控制伺服电机1的转速，电机驱 动器2另一端连接PLC控制器6，电机驱动器2的控制信号由PLC控制器6提供；浸胶辊3如图2所示，包括浸胶带轮301、胶槽302、上胶皮带303 ；浸胶辊3是一个圆柱形金属滚筒，在伺服电机1带动下逆时针旋转。浸胶辊3外 挂着长度大于浸胶辊3外缘周长的上胶皮带303，上胶皮带303下端浸入胶槽302里的胶液 中，上端安装浸胶带轮301。浸胶带轮301由若干个自由旋转的滚轮和围绕其上的皮带组 成，本发明中设置4个滚轮，浸胶带轮301 —端通过弹簧固定在机架上，另一端直接连接在 机架上。依靠弹簧的预紧力，浸胶带轮301压在上胶皮带303上。当伺服电机1带动浸胶辊3转动时，上胶皮带303也跟着转动，同时不断把胶槽 302里的胶液带到浸胶辊3上端。胶槽302除了有盛放胶液的作用，还有对胶液加热的作用， 目的是增加胶液的流动性。纤维9从上胶皮带303和浸胶带轮301的外围皮带之间穿过， 接触上胶皮带303的时候被涂抹上胶液，并且在胶液的粘力和摩擦力的带动下跟随皮带一 起向前运动。在向前运动的过程中，纤维9还同时被上下皮带挤压，这使得胶液能在纤维9 上完全浸润。纤维9经过刮胶板8，刮胶板8将纤维9上多余的胶液刮掉；浸胶辊3和刮胶板8之间设置若干个辊轮11，辊轮11是可以绕轴线自由旋转的圆 柱形滚筒，个数和位置的安排根据生产现场而定，安排的原则是易于纤维9走线以及方便 操作人员对纤维9进行观察并执行某些操作，如纤维9意外折断后进行连接。弹簧导辊7设置在缠绕筒10与刮胶板8之间的纤维运行路径上，弹簧导辊7包括 弹簧702和辊子701，辊子701能够在弹簧702上绕其轴心自由滚动。纤维9绕过弹簧导辊 7上的辊子701，如图3所示，图中标出了三种位置，如果纤维9张力大于张力预设值，则力口 快纤维9送出速度，纤维9长度增加，弹簧导辊7伸长，张力降低回复到设定值。如果纤维 9张力小于设定值，则降低纤维送出速度，纤维9长度减少，弹簧导辊7压缩，张力增加回复 到设定值。张力传感器4如图4所示，为单侧悬臂式，采用美国Montalvo公司的高精度张力 传感器，包括纤维槽401、滚轮402、信号线403，纤维槽401设置在滚轮402上，张力传感器 4固定在机架上，从浸胶辊3中出来的纤维9从滚轮402的纤维槽401上侧绕过，当浸胶辊 3驱动纤维9运动时，纤维9对滚轮402施加压力，压力产生力矩，力矩拉伸张力传感器4上 部的半导体，同时压缩下部的半导体，产生与力矩成正比的电压信号，电压信号通过信号线 403传输给张力信号放大器5 ；张力传感器4测量的力数值为纤维9从浸胶辊3上出来通过 若干导辊12后的数值。本发明中纤维9首先被导入浸胶辊3，浸胶辊3上附着胶液并不断逆时针旋转，带 动纤维9前进的同时在纤维9上浸润胶液。从浸胶辊3出来的纤维9，先通过辊轮11，再绕 过张力传感器4上侧后，经过刮胶板8，最后通过弹簧导辊7，当浸胶辊3逆时针转动时，纤 维9从弹簧导辊7输出，输送至缠绕筒10 ；
张力信号放大器5对张力传感器4输出的电压信号进行放大和校准，输入至PLC 控制器6。PLC控制器6接收张力信号放大器5传输的电压信号，PLC控制器6根据张力信号放大器5的型号对应的将电压信号转化为纤维9的张力，PLC控制器6计算纤维9的张力。 纤维9的张力显示在PLC控制器6的LED显示屏601上。在PLC控制器6中设定张力的预设值，设置比例、微分、积分环节，即PID环节；PLC控制器6计算纤维9的张力大小与预设值的误差，将误差传送给PID环节，得 到速度的改变量，向电机驱动器2发送速度控制信号，通过电机驱动器2控制伺服电机1的 转速，调节浸胶辊3纤维9的送出量，改变浸胶辊3和张力传感器4之间的纤维的长度，从 而调整弹簧7被压缩的程度，改变弹簧7对纤维9施加的力，实现对缠绕机的纤维9的张力 控制。本发明可根据要求调节张力值，张力的预设值存储在PLC控制器6中，在装置运行的 过程中可根据不同的生产要求改变张力值；通过实验测定张力改变值和伺服电机1速度改变值之间的关系，设置PLC控制器6 中PID环节的参数，通过实验进行测定和优化，不断调整PID参数，使系统得到最优良的性 能，不仅使响应速度达到最优，而且最大限度地避免了纤维张力的振荡。通过调整张力控制系统的参数，合理选择弹簧7，可以避免纤维张力的振荡，并且 提高张力改变的响应速度。在张力控制系统中，张力传感器4测量的张力数值为纤维从浸胶辊2上出来时的 数值。当张力传感器4测量的张力值大大超过给定张力值的情况(一般为超过张力预设值 的50%)下，说明挤胶过程可能存在对纤维9的摩擦力太大的情况。这时应紧急停止装置， 以防发生意外。缠绕机纤维上胶设备张力控制装置的控制方法，流程如图5所示，包括以下几个 步骤步骤一进行初始化，纤维9预紧，启动装置；纤维9预紧，拉紧纤维9，启动装置，使装置启动时纤维9上有一个初始张力，依靠 这个初始张力纤维能够附着在浸胶辊3、辊轮11、张力传感器4、刮胶板8、弹簧导辊7和缠 绕筒10上；步骤二 张力传感器4测量纤维9上的张力值，传送给PLC控制器6 ；纤维9经过张力传感器4，张力传感器4测得纤维9上的张力值，如果张力过大，一 般为超过张力预设值的50%，装置停止工作，否则将得到的电压信号传送给张力信号放大 器5，张力信号放大器5对电压信号进行放大和校准后，输入PLC控制器6 ；步骤三PLC控制器6传送控制信号给电机驱动器2 ；PLC控制器6接收到电压信号后，计算纤维9上的张力，如图6所示，当纤维9以包角B从张力传感器4的滚轮402上绕过，而且纤维9进
入和离开滚轮402的两侧角度对称时，张力传感器4测得的力为 βL^lPsin-+ W(1)其中W为滚轮402自身重量，P为纤维9的张力；由式(1)，则得到纤维9的张力值为<formula>formula see original document page 8</formula>依据上式，PLC控制器6根据张力传感器4的电压信号计算得到纤维9张力的数值。与预先设定张力值进行比较，得到误差，误差经过PLC控制器6的比例、微分、积分 环节，得到速度改变量，将速度改变量作为控制信号传到电机驱动器2 ；步骤四电机驱动器2通过伺服电机1控制的浸胶辊3转速，使得纤维9的张力与 张力的预设值在误差范围内；电机驱动器2通过旋转编码器101与伺服电机1组成速度回路，按照PLC控制器6 给出的控制信号带动浸胶辊3转动，伺服电机判断是否收到停机信号，如果收到装置停止， 否则，判断实际张力值是否大于张力的预设值，如果大于则浸胶辊转动速度增大，纤维长度 增加，弹簧导辊伸长，张力降低回复到设定值；如果实际张力值小于张力的预设值，浸胶辊 转动速度减小，纤维长度减少，弹簧导辊压缩，张力增加回复到设定值；通过改变纤维9的 长度，控制弹簧7的压缩量，使得纤维9的张力与张力的预设值在误差允许范围之内，一般 为张力的预设值的3% ；步骤五纤维9经过刮胶板8传输给缠绕筒。浸胶辊3转速变化使得纤维9被拉紧或放松，从而改变纤维9上张力的大小，最 后，纤维9经过刮胶板8传输给缠绕机上的缠绕筒10。
权利要求
缠绕机纤维上胶设备张力控制装置，其特征在于，包括伺服电机、电机驱动器、浸胶辊、张力传感器、张力信号放大器、PLC控制器、弹簧导辊、刮胶板和辊轮，上述装置均安装在机架上；伺服电机上设有旋转编码器，伺服电机连接浸胶辊，驱动浸胶辊带动纤维运行，旋转编码器连接电机驱动器，将伺服电机的速度信号传输给电机驱动器，电机驱动器控制伺服电机的转速，电机驱动器的控制信号由PLC控制器提供；浸胶辊包括浸胶带轮、胶槽、上胶皮带；浸胶辊外围设置长度大于浸胶辊外缘周长的上胶皮带，上胶皮带下端浸入胶槽里的胶液中，上端安装浸胶带轮；浸胶带轮包括若干个自由旋转的滚轮和围绕其上的皮带，浸胶带轮的两端固定在机架上；纤维从上胶皮带和浸胶带轮的外围皮带之间穿过，当浸胶辊转动时，上胶皮带转动，把胶槽里的胶液带到浸胶辊上端，使得纤维被胶液浸润，纤维跟随皮带一起运动；纤维经过刮胶板，刮胶板将纤维上多余的胶液刮掉；浸胶辊和刮胶板之间设置若干个辊轮，纤维经过辊轮、刮胶板和弹簧导辊最后输送至缠绕筒；弹簧导辊设置在缠绕筒与刮胶板之间的纤维运行路径上，纤维绕过弹簧导辊上的辊子；张力传感器固定在机架上，从浸胶辊中出来的纤维从张力传感器上滚轮的纤维槽上侧绕过，张力传感器测量到受力，得到电压信号，将电压信号传输给张力信号放大器；张力信号放大器对张力传感器输出的电压信号进行放大和校准，输入至PLC控制器；PLC控制器接收张力信号放大器传输的电压信号，根据张力传感器测量的力，计算得到纤维的张力；在PLC控制器中设定张力的预设值，设置比例、微分、积分环节，即PID环节，PLC控制器计算出纤维的张力与预设值的误差，将误差传送给PID环节，得到速度的改变量，向电机驱动器发送速度控制信号，通过电机驱动器控制伺服电机的转速，调节浸胶辊纤维的送出量，改变浸胶辊和张力传感器之间的纤维的长度，调整弹簧导辊被压缩的程度，改变弹簧对纤维施加的力，实现对缠绕机的纤维的张力控制。
2.根据权利要求1所述的缠绕机纤维上胶设备张力控制装置，其特征在于，所述的浸 胶带轮中设置4个滚轮。
3.根据权利要求1所述的缠绕机纤维上胶设备张力控制装置，其特征在于，所述的浸 胶带轮一端通过弹簧固定在机架上，另一端直接连接在机架上。
4.根据权利要求1所述的缠绕机纤维上胶设备张力控制装置，其特征在于，所述的胶 槽盛放胶液，而且对胶液进行加热。
5.根据权利要求1所述的缠绕机纤维上胶设备张力控制装置，其特征在于，所述的辊 轮为能够绕轴线自由旋转的圆柱形滚筒，个数和位置根据生产现场设置，使得操作人员能 够对纤维进行观察并执行操作。
6.根据权利要求1所述的缠绕机纤维上胶设备张力控制装置，其特征在于，弹簧导辊 包括弹簧和辊子，辊子能够在弹簧上绕其轴心自由滚动。
7.根据权利要求1所述的缠绕机纤维上胶设备张力控制装置，其特征在于，PLC控制器 计算出纤维的张力后，将张力显示在PLC控制器的LED显示屏上。
8.一种应用权利要求1所述的缠绕机纤维上胶设备张力控制装置的控制方法，其特征 在于，包括以下几个步骤步骤一进行初始化，纤维预紧，启动装置；纤维预紧，将拉紧纤维，启动装置，使装置启动时纤维上有一个初始张力，依靠这个初 始张力纤维能够附着在浸胶辊、辊轮、张力传感器、刮胶板、弹簧导辊和缠绕筒上； 步骤二 张力传感器测量纤维上的张力值，传送给PLC控制器； 纤维经过张力传感器，张力传感器测得纤维上的张力值，如果张力过大，装置停止工 作，否则将得到的电压信号传送给张力信号放大器，张力信号放大器对电压信号进行放大 和校准后，输入PLC控制器；步骤三PLC控制器传送控制信号给电机驱动器；PLC控制器接收到电压信号后，计算纤维上的张力，具体为当纤维以包角B从张力传感器的滚轮上绕过，而且纤维进入和离开滚轮的两侧角度对 称时，张力传感器测得的力为<formula>formula see original document page 3</formula>其中W为张力传感器滚轮自身重量，P为纤维的张力； 由式(1)，则得到纤维的张力值为<formula>formula see original document page 3</formula>依据上式，PLC控制器根据张力传感器的电压信号计算得到纤维张力的数值； 将计算得到的张力值与预先设定张力值进行比较，得到误差，误差经过PLC控制器的 比例、微分、积分环节，得到速度改变量，将速度改变量作为控制信号传到电机驱动器；步骤四电机驱动器通过伺服电机控制的浸胶辊转速，使得纤维的张力与张力的预设 值在误差范围内；电机驱动器通过旋转编码器与伺服电机组成速度回路，按照PLC控制器给出的控制信 号带动浸胶辊转动，伺服电机判断是否收到停机信号，如果收到装置停止，否则，判断实际 张力值是否大于张力的预设值，如果大于则浸胶辊转动速度增大，纤维长度增加，弹簧导辊 伸长，张力降低回复到设定值；如果实际张力值小于张力的预设值，浸胶辊转动速度减小， 纤维长度减少，弹簧导辊压缩，张力增加回复到设定值；通过改变纤维的长度，控制弹簧的 压缩量，使得纤维的张力与张力的预设值在误差允许范围之内； 步骤五纤维经过刮胶板传输给缠绕筒； 纤维经过刮胶板传输给缠绕机上的缠绕筒。
9.根据权利要求8所述的缠绕机纤维上胶设备张力控制装置的控制方法，其特征在 于，步骤二中所述的张力过大是指张力超过张力预设值的50%。
10.根据权利要求8所述的缠绕机纤维上胶设备张力控制装置的控制方法，其特征在 于，步骤四中所述的误差为张力的预设值的3%。
全文摘要
本发明公开了一种缠绕机纤维上胶设备张力控制装置及其控制方法，控制装置包括伺服电机、电机驱动器、浸胶辊、张力传感器、张力信号放大器、PLC控制器、弹簧导辊、刮胶板和辊轮；控制方法包括步骤一进行初始化，纤维预紧，启动装置；步骤二张力传感器测量纤维上的张力值，传送给PLC控制器；步骤三PLC控制器传送控制信号给电机驱动器；步骤四电机驱动器通过伺服电机控制的浸胶辊转速，使得纤维的张力与张力的预设值在误差范围内；步骤五纤维经过刮胶板传输给缠绕机。本发明的张力的控制精度高，能够实现对张力的实时监测，和现有弹簧测量设备相比，测量精度提高很多，响应速度也提高了很多，而且装置操作方便。
文档编号G05B19/05GK101804928SQ20101011661
公开日2010年8月18日 申请日期2010年2月25日 优先权日2010年2月25日
发明者丁希仑, 陈浩 申请人:北京航空航天大学