CN101804928B - 缠绕机纤维上胶设备张力控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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。

附图说明

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301一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，则加快纤维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：

$L=2P\sin \frac{B}{2}+W---\left(1\right)$

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：

$P=\frac{L-W}{2\sin \frac{B}{2}}---\left(2\right)$

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。

Claims (10)

1.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，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：

$L=2P\sin \frac{B}{2}+W---\left(1\right)$

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：

$P=\frac{L-W}{2\sin \frac{B}{2}}---\left(2\right)$

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，浸胶辊和张力传感器之间纤维的长度增加，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，浸胶辊和张力传感器之间纤维的长度减少，弹簧导辊压缩，张力增加回复到设定值；通过改变浸胶辊和张力传感器之间纤维的长度，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％。

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