CN106547282B - 一种张力控制实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种张力控制实验平台，其特征在于该平台包括编码器、MCGS触摸屏、框架、供电及保护设备、张力控制板和两个卷轴部分；所述两个卷轴部分结构相同，两个卷轴部分和编码器三者平行布置在框架上表面，编码器位于两个卷轴部分之间，每个卷轴部分均包括主轴、顶丝轴套、伺服电机、伺服放大器和两个亚克力圆盘，所述主轴穿过两个亚克力圆盘的中心，并通过顶丝轴套将两个亚克力圆盘固定在主轴上，主轴两端通过相应的轴承固定在框架上，远离亚克力圆盘的主轴一端上通过联轴器连接有伺服电机，两个亚克力圆盘之间缠绕待控制材料，伺服放大器与伺服电机连接；所述张力控制板分别与MCGS触摸屏、编码器和两个伺服放大器连接。

Description

一种张力控制实验平台

技术领域

本发明涉及张力控制相关的实验和教学装置技术领域，具体涉及一种张力控制实验平台。

背景技术

包装行业、冶金行业、新能源行业等生产设备常常用到张力控制，对掌握张力控制技术的工程技术人员需求量日益增加。现有张力控制实验平台从安全、可开发性、价格、空间等因素考虑并不适合高等院校直接用于教学和学生实验，从而影响了张力控制相关工程技术人员的培养。所以需要发明一款利于学会综合技术能力培养的实验平台，具有安全、可开发性好、价格合理、易于维护、占用空间小、人机界面良好的特点。

专利号为ZL201420285411.5的中国专利公开了一种张力控制教学装置，该装置以西门子S7-300系列PLC为主控制器，搭建了张力控制实验平台。由于其采用交流电机进行收放卷控制，且没有相应的空气开关和漏电保护装置，进行安全保护，学生实验时有可能会造成危险，不涉及人机界面相关的考虑，不利于学生综合技术能力的培养。

专利号为ZL201010557995.3的中国专利公开了一种张力与纠偏实验装置，该实验装置包括纠偏控制器，主要解决料带导向无法控制的问题，其不足之处在于选用磁粉制动器作为制动装置，需要定期更换磁粉，造成维护不方便，磁粉制动器相对于伺服电机具有可靠性差、寿命短、易发热、需要定期更换磁粉等缺点。

专利号为ZL201010221833.2公开了一种张力控制装置，电机与胶辊之间设有一无级减速机与一精密减速机，结构复杂，体积大，造价昂贵且不具有可开发性，虽然可以满足工业需求，但是应用到教学中却难于使用和维护，同时难以培养学生对控制系统软件开发和人机界面开发的相关能力。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种张力控制实验平台。该平台支持通过Modbus(一种通讯协议)，通过Modbus协议使MCGS触摸屏或外部电脑与张力控制板之间进行通讯，提高人机交互能力，具有可编程性，无需张力传感器即可实现张力的高精度控制；同时本发明实验平台使用伺服电机代替传统的磁粉离合器和磁粉制动器，可靠性高，易于维护。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：

一种张力控制实验平台，其特征在于该平台包括编码器、MCGS触摸屏、框架、供电及保护设备、张力控制板和两个卷轴部分；所述两个卷轴部分结构相同，两个卷轴部分和编码器三者平行布置在框架上表面，编码器位于两个卷轴部分之间，每个卷轴部分均包括主轴、顶丝轴套、伺服电机、伺服放大器和两个亚克力圆盘，所述主轴穿过两个亚克力圆盘的中心，并通过顶丝轴套将两个亚克力圆盘固定在主轴上，主轴两端通过相应的轴承固定在框架上，远离亚克力圆盘的主轴一端上通过联轴器连接有伺服电机，两个亚克力圆盘之间缠绕待控制材料，伺服放大器与伺服电机连接；所述张力控制板分别与MCGS触摸屏、编码器和两个伺服放大器连接，张力控制板与MCGS触摸屏通过Modbus协议进行通讯；

在框架上还安装有按钮安装板，在按钮安装板上设有急停按钮、电机开关、换向开关和电源指示；

所述供电及保护设备包括带漏电保护空气开关、交流接触器、继电器和直流电源；所述继电器的控制端依次通过电机开关、急停按钮与直流电源连接，继电器触点端与交流接触器连接；交流接触器同时与两个伺服放大器连接，通过交流接触器的通断可以控制伺服放大器的通电和断电；换向开关的公共端与直流电源连接，选择端分别通过信号线连接伺服放大器的正转或反转信号接口；所述带漏电保护空气开关通过电缆分别连接交流接触器、直流电源和电源指示，通过漏电保护空气开关将整个平台与外部电源连接；所述直流电源与张力控制板连接，为张力控制板供电。

一种上述张力控制实验平台的使用方法，该方法的步骤是：

第一步、安装控制材料，打开带漏电保护空气开关，接通电源；

第二步、选择控制材料运动方向：通过换向开关控制伺服电机的旋转方向，进而控制亚克力圆盘旋转的方向，从而带动控制材料按指定方向运动；

第三步、启动电机：悬起急停按钮，接通电机开关，交流接触器吸合，使伺服放大器得电，通过修改MCGS触摸屏中的速度值和张力值，改变并控制伺服电机的速度和转矩；运动开始后，张力控制板根据编码器反馈的脉冲信号，通过计算得到两平行亚克力圆盘间控制材料的卷径，然后张力控制板结合MCGS触摸屏输入的张力和速度信息进行运算，输出控制信号至伺服放大器，从而实现张力控制和速度控制；

第四步、电机停止运转和紧急停止：在需要停止电机运转或者发生意外情况需要紧急停止时，先拍下急停按钮，再关闭电机开关；

第五步、关闭带漏电保护空气开关，关闭实验平台。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明实验平台使用了带漏电保护空气开关和带有保护功能的伺服电机，并且设置了急停按钮为安全提供了保障。

2)本发明实验平台整体机械结构以标准件和采购件为主进行设计，尤其是卷轴部分巧妙利用带顶丝的轴套来固定亚克力圆盘，避免轴的机加工，不仅是节约了材料，更是降低了整体成本。

3)本发明实验平台使用了独创的张力控制板，允许进行二次编程，能够与外部计算机和MCGS触摸屏连接，提高了其可开发性，人机界面良好，能够充分锻炼学生的编程和算法设计能力，更加利于学生综合技术能力的培养。

4)本发明实验平台使用伺服电机进行收放卷控制，维护方便，在满足教学实验需求的前提下，使用了最少的轴，极大减小实验设备的体积。

本发明实验平台具有安全、可开发性好、价格合理、易于维护、占用空间小、人机界面良好的特点，更加有利于学生综合技术能力培养，也能满足企业的生产需求。

附图说明

图1为本发明张力控制实验平台的实物俯视图；

图2为本发明张力控制实验平台的实物主视图；

图3为本发明张力控制实验平台的亚克力圆盘42和顶丝轴套43的连接结构示意图；

图4为本发明张力控制实验平台一种实施例的张力控制板5的结构框图；

图5为本发明张力控制实验平台一种实施例的供电及保护设备2的连接框图；

图6为本发明张力控制实验平台的换向开关103的连接框图；

图7为本发明张力控制实验平台的继电器205框图

图8为本发明张力控制实验平台的按钮开安装板100上开关及指示灯的布置图；

图中，编码器1、MCGS触摸屏6、框架3、供电及保护设备2、张力控制板5、卷轴部分4、智能设备7、计算机8、外部电源9，主轴41、顶丝轴套43、伺服电机44、伺服放大器45、亚克力圆盘42、急停按钮101、电机开关102、换向开关103和电源指示104、按钮安装板100、带漏电保护空气开关201、交流接触器203、继电器205、直流电源206、ARM cortex-M3微处理器51、模拟输入模块52、USB模块53、232模块54、DA模块55、运算放大器56、电源模块57、脉冲输入模块58、wifi模块59。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本发明张力控制实验平台(简称平台或实验平台，参见图1-8)包括编码器1、MCGS触摸屏6、框架3、供电及保护设备2、张力控制板5和两个卷轴部分4；所述两个卷轴部分结构相同，两个卷轴部分和编码器1三者平行布置在框架3上表面，编码器位于两个卷轴部分之间，每个卷轴部分4均包括主轴41、顶丝轴套43、伺服电机44、伺服放大器45和两个亚克力圆盘42，所述主轴41穿过两个亚克力圆盘的中心，并通过顶丝轴套43将两个亚克力圆盘固定在主轴上，主轴两端通过相应的轴承固定在框架3上，远离亚克力圆盘42的主轴一端上通过联轴器连接有伺服电机44，两个亚克力圆盘之间缠绕待控制材料，伺服放大器与伺服电机连接；所述张力控制板5分别与MCGS触摸屏6、编码器1和两个伺服放大器45连接，张力控制板5与MCGS触摸屏6通过Modbus协议进行通讯；

在框架3上还安装有按钮安装板100(参见图8)，在按钮安装板上设有急停按钮101、电机开关102、换向开关103和电源指示104；

所述供电及保护设备2(参见图5)包括带漏电保护空气开关201、交流接触器203、继电器205和直流电源206；所述继电器205(参见图7)的控制端依次通过电机开关102、急停按钮101与直流电源206连接，继电器205触点端与交流接触器203连接；交流接触器203同时与两个伺服放大器45连接，通过交流接触器203的通断可以控制伺服放大器45的通电和断电；换向开关103(参见图6)的公共端与直流电源206连接，选择端分别通过信号线(正转信号线或反转信号线)连接伺服放大器45的正转或反转信号接口；此部分使用的电气连接方法，能够确保安全。所述带漏电保护空气开关201与外部220V电源通过电缆连接，同时带漏电保护空气开关201通过电缆连接至电源指示104，为电源指示104供电，上电电源指示104亮；带漏电保护空气开关201通过电缆连接直流电源206，直流电源将220V交流电转换为24V直流电，连接至张力控制板5，为张力控制板5供电；带漏电保护空气开关201通过电缆连接交流接触器203；通过漏电保护空气开关201将整个平台与外部电源9连接，进而为整个平台供电。

本发明的进一步特征在于所述张力控制板5(参见图4)包括ARM cortex-M3微处理器51、模拟输入模块52、USB模块53、232模块54、DA模块55、运算放大器56、电源模块57、脉冲输入模块58和wifi模块59，所述ARM cortex-M3微处理器、模拟输入模块、USB模块、232模块、DA模块、运算放大器、电源模块、wifi模块和脉冲输入模块集成在一块电路板上；所述ARM cortex-M3微处理器的输出端通过USART(通用同步/异步串行接收/发送器)分别与WIFI模块59、USB模块和232模块连接，所述232模块通过RS232(异步传输标准接口)与MCGS触摸屏6连接，ARM cortex-M3微处理器与MCGS触摸屏6通过Modbus协议进行通讯，ARMcortex-M3微处理器与WIFI模块通过USART协议通讯，所述WIFI模块与外部智能设备7连接；所述USB模块通过USB数据线与外部计算机8连接，且与外部计算机通过Modbus协议进行通讯；ARM cortex-M3微处理器通过I²C总线与DA模块连接，所述DA模块与运算放大器连接，运算放大器将0-5V的电压转化为0-10v电压，运算放大器的输出端与伺服放大器的模拟量输入端口连接；所述电源模块与直流电源206连接，将24V电源转换为12V、5V和3.3V电压，根据各模块需求为各模块供电；所述编码器通过脉冲输入模块与ARM cortex-M3微处理器的输入端连接，脉冲输入模块用来将编码器采集的最高电压12V脉冲信号转换成最高电压3.3V脉冲信号；所述模拟输入模块的输出端与ARM cortex-M3微处理器的输入端连接，模拟输入模块的输入端与伺服放大器的反馈信息端口连接，模拟输入模块用来将0-10V和0-8V的电压信号转换为0-3.3V和0～2.6V的电压信号。

本发明的进一步特征在于所述ARM cortex-M3微处理器可以为HT32F1656芯片。

本发明所述框架3可以为铝合金框架。供电及保护设备2和张力控制板均固定在框架3上，可以按照上下分层的方式进行布置，使整个平台更美观简洁。

本发明的进一步特征在于所述两个亚克力圆盘42通过中间三个带顶丝轴套43以及两侧各一个带顶丝轴套43与主轴41固定，避免的对轴进行加工，节约了成本，降低了价格。

本发明张力控制实验平台的工作原理及过程是：两个伺服放大器45通过控制电缆与张力控制板5连接，伺服放大器45同时通过电缆与相应的伺服电机44连接，编码器1通过电缆连接至张力控制板5，张力控制板5(该张力控制板具有支持Modbus的通讯接口)与计算机8或者MCGS触摸屏6连接。平台工作时，先从MCGS触摸屏6输入，相应的张力和速度信息后，启动卷轴部分，张力控制板5根据编码器1反馈的脉冲信号，通过一定的计算方法计算两平行亚克力圆盘42间控制材料的卷径，然后张力控制板5结合MCGS触摸屏6输入的张力和速度信息进行运算，输出控制信号至伺服放大器45，从而实现张力控制和速度控制。张力控制板5本身是单独开发的嵌入式系统，具有可二次开发的特点，其上通讯接口支持Modbus(一种国际标准的通讯协议)，可通过使用MCGS触摸屏6或计算机8等对张力控制板连接，进行人机交互开发，对锻炼学生综合实践能力有重要价值。

本发明张力控制实验平台的使用方法是：

第一步、安装控制材料，打开带漏电保护空气开关201，接通电源；

第二步、选择控制材料运动方向：通过换向开关103控制伺服电机44的旋转方向，进而控制亚克力圆盘42旋转的方向，从而带动控制材料按指定方向运动；

第三步、启动电机：悬起急停按钮101，接通电机开关102，交流接触器203吸合，使伺服放大器45得电，通过修改MCGS触摸屏6中的速度值和张力值，改变并控制伺服电机44的速度和转矩；运动开始后，张力控制板5根据编码器1反馈的脉冲信号，通过计算得到两平行亚克力圆盘42间控制材料的卷径，然后张力控制板5结合MCGS触摸屏6输入的张力和速度信息进行运算，输出控制信号至伺服放大器45，从而实现张力控制和速度控制；

第四步、电机停止运转和紧急停止：在需要停止电机运转或者发生意外情况需要紧急停止时，需要先拍下急停按钮101，再关闭电机开关102；

第五步、关闭带漏电保护空气开关201，关闭实验平台。

本发明中张力控制板的工作流程为：

1)开启电源，首先匹配ARM cortex-M3微处理器硬件资源，包括对内部时钟、中断、I/O、ADC、USART的配置以及对Modbus协议通讯进行配置；

2)根据编码器信号(通过外部中断实现实时监控)以及上一周期卷径(卷径初始值为程序内置)，ARM cortex-M3微处理器会计算得到当前周期的卷径大小，根据卷径大小可计算得出控制对象的张力与线速度；

3)将float型数据转换为Modbus认可的数据格式，然后进行CRC-Modbus校验码生产，并将伺服电机的转矩、卷径、张力、电机转速、线速度写入到Modbus中，延迟200ms，用于匹配MCGS触摸屏的通讯速度，防止通讯阻塞，根据特定的Modbus协议，进行通讯及数据交换，自动读取Modbus中的数值，获得MCGS触摸屏上设定的当前需求的张力和线速度，根据张力和线速度控制需求，结合当前卷径，计算得到实际的速度、转矩的值与速度限制和转矩限制的值；

4)对步骤3)得到的速度、转矩的值与速度限制和转矩限制的值做进一步修正，设置打滑系数，ARM cortex-M3微处理器自动进行打滑修正调整,然后进入下步超限检测；

5)ARM cortex-M3微处理器进行超限检测，即自动检查伺服电机的速度、转矩、速度限制和转矩限制是否超过了伺服电机的额定值，如果超出，则使用伺服电机额定值，若没有超出，则进入下步模拟转数字；

6)经步骤5)超限检测后得到伺服放大器需要的电压，通过DA模块和运算放大器将模拟电压值转换为数字值，通过写I²C，控制DA模块输出，通过运算放大器放大，控制伺服放大器，进而实现控制伺服电机的转矩、转速、转矩限制和速度限制的目的；返回步骤2)；整个过程控制器实现自动PID检测，提高了张力控制的精度。

如图7所示，急停按钮101与电机开关102串联继电器205，间接通过继电器205控制交流接触器203，从而控制伺服放大器45的电源。换向开关103用于转向切换，与伺服放大器45的控制电缆连接，用于控制伺服电机44的旋转方向，进而控制亚克力圆盘42旋转的方向。

当伺服电机44转动时，伺服电机44的速度和力矩传递至亚克力圆盘42，通过控制伺服电机的速度和力矩实现对控制材料速度和张力的控制。所述编码器通过联轴器接触控制材料(图中白色带材)，以测得材料的进给速度。

本发明所涉及的元器件均可通过商购获得。

本发明未述及之处适用于现有技术。

基于上述技术，本领域技术人员不需付出创造性劳动完成的实施例均受本申请权利要求的保护。特别的，受保护的实施例不仅限于教学和实验用途，工业用途等其它用途均受本发明权利要求的保护。

Claims (4)

1.一种张力控制实验平台，其特征在于该平台包括编码器、MCGS触摸屏、框架、供电及保护设备、张力控制板和两个卷轴部分；所述两个卷轴部分结构相同，两个卷轴部分和编码器三者平行布置在框架上表面，编码器位于两个卷轴部分之间，且编码器与张力控制对象滑动接触；每个卷轴部分均包括主轴、顶丝轴套、伺服电机、伺服放大器和两个亚克力圆盘，所述主轴穿过两个亚克力圆盘的中心，并通过顶丝轴套将两个亚克力圆盘固定在主轴上，主轴两端通过相应的轴承固定在框架上，远离亚克力圆盘的主轴一端上通过联轴器连接有伺服电机，两个亚克力圆盘之间缠绕待控制材料，伺服放大器与伺服电机连接；所述张力控制板分别与MCGS触摸屏、编码器和两个伺服放大器连接，张力控制板与MCGS触摸屏通过Modbus协议进行通讯；

在框架上还安装有按钮安装板，在按钮安装板上设有急停按钮、电机开关、换向开关和电源指示；

所述供电及保护设备包括带漏电保护空气开关、交流接触器、继电器和直流电源；所述继电器的控制端依次通过电机开关、急停按钮与直流电源连接，继电器触点端与交流接触器连接；交流接触器同时与两个伺服放大器连接，通过交流接触器的通断控制伺服放大器的通电和断电；换向开关的公共端与直流电源连接，选择端分别通过信号线连接伺服放大器的正转或反转信号接口；所述带漏电保护空气开关通过电缆分别连接交流接触器、直流电源和电源指示，通过漏电保护空气开关将整个平台与外部电源连接；所述直流电源与张力控制板连接，为张力控制板供电；

所述张力控制板包括ARM cortex-M3微处理器、模拟输入模块、USB模块、232模块、DA模块、运算放大器、电源模块、脉冲输入模块和wifi模块，所述ARM cortex-M3微处理器的输出端通过USART分别与WIFI模块、USB模块和232模块连接，所述232模块通过RS232与MCGS触摸屏连接，ARM cortex-M3微处理器与MCGS触摸屏通过Modbus协议进行通讯，ARM cortex-M3微处理器与WIFI模块通过USART协议通讯，所述WIFI模块与外部智能设备连接；所述USB模块通过USB数据线与外部计算机连接，且与外部计算机通过Modbus协议进行通讯；ARMcortex-M3微处理器通过I²C总线与DA模块连接，所述DA模块与运算放大器连接，运算放大器将0-5V的电压转化为0-10v电压，运算放大器的输出端与伺服放大器的模拟量输入端口连接；所述电源模块与直流电源连接，将24V电源转换为12V、5V和3.3V电压；所述编码器通过脉冲输入模块与ARM cortex-M3微处理器的输入端连接，脉冲输入模块用来将编码器采集的最高电压12V脉冲信号转换成最高电压3.3V脉冲信号；所述模拟输入模块的输出端与ARM cortex-M3微处理器的输入端连接，模拟输入模块的输入端与伺服放大器的反馈信息端口连接，模拟输入模块用来将0-10V和0-8V的电压信号转换为0-3.3V和0～2.6V的电压信号；

张力控制板的工作流程为：

1)开启电源，首先匹配ARM cortex-M3微处理器硬件资源，包括对内部时钟、中断、I/O、ADC、USART的配置以及对Modbus协议通讯进行配置；

2)根据编码器信号以及上一周期卷径，ARM cortex-M3微处理器会计算得到当前周期的卷径大小，根据卷径大小计算得出控制对象的张力与线速度；

3)将float型数据转换为Modbus认可的数据格式，然后进行CRC-Modbus校验码生产，并将伺服电机的转矩、卷径、张力、电机转速、线速度写入到Modbus中，延迟200ms，用于匹配MCGS触摸屏的通讯速度，防止通讯阻塞，根据Modbus协议，进行通讯及数据交换，自动读取Modbus中的数值，获得MCGS触摸屏上设定的当前需求的张力和线速度，根据张力和线速度控制需求，结合当前卷径，计算得到实际的速度、转矩的值与速度限制和转矩限制的值；

4)对步骤3)得到的速度、转矩的值与速度限制和转矩限制的值做进一步修正，设置打滑系数，ARM cortex-M3微处理器自动进行打滑修正调整,然后进入下步超限检测；

5)ARM cortex-M3微处理器进行超限检测，即自动检查伺服电机的速度、转矩、速度限制和转矩限制是否超过了伺服电机的额定值，如果超出，则使用伺服电机额定值，若没有超出，则进入下步模拟转数字；

6)经步骤5)超限检测后得到伺服放大器需要的电压，通过DA模块和运算放大器将模拟电压值转换为数字值，通过写I²C，控制DA模块输出，通过运算放大器放大，控制伺服放大器，进而实现控制伺服电机的转矩、转速、转矩限制和速度限制的目的；返回步骤2)；整个过程控制器实现自动PID检测，提高了张力控制的精度。

2.根据权利要求1所述的张力控制实验平台，其特征在于所述ARM cortex-M3微处理器为HT32F1656芯片。

3.根据权利要求1所述的张力控制实验平台，其特征在于所述两个亚克力圆盘通过中间三个带顶丝轴套以及两侧各一个带顶丝轴套与主轴固定。

4.一种权利要求1-3任一所述的张力控制实验平台的使用方法，该方法的步骤是：

第一步、安装控制材料，打开带漏电保护空气开关，接通电源；

第二步、选择控制材料运动方向：通过换向开关控制伺服电机的旋转方向，进而控制亚克力圆盘旋转的方向，从而带动控制材料按指定方向运动；

第三步、启动电机：悬起急停按钮，接通电机开关，交流接触器吸合，使伺服放大器得电，通过修改MCGS触摸屏中的速度值和张力值，改变并控制伺服电机的速度和转矩；运动开始后，张力控制板根据编码器反馈的脉冲信号，通过计算得到两平行亚克力圆盘间控制材料的卷径，然后张力控制板结合MCGS触摸屏输入的张力和速度信息进行运算，输出控制信号至伺服放大器，从而实现张力控制和速度控制；

第四步、电机停止运转和紧急停止：在需要停止电机运转或者发生意外情况需要紧急停止时，先拍下急停按钮，再关闭电机开关；

第五步、关闭带漏电保护空气开关，关闭实验平台。