CN111204612A - 一种变线速恒张力主动放线系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种变线速恒张力主动放线系统，包括平台、线盘、电机驱动装置、压线棒、双导轮紧丝器、轴角传感器、导向轮、张力控制器、导线棒和放线张力控制系统；电机驱动装置带动线盘转动，线盘上有绕制好的丝线，从线盘引出的丝线经过压线棒形成包角并进入双导轮紧丝器，并从双导轮紧丝器引出后经过导向轮后进入张力控制器，通过张力控制器后的丝线通过导线棒引出。本发明通过电动驱动装置、双导轮紧丝器、轴角传感器的联合作用，可以实现放线速度的闭环控制。相对于将线盘固定在无驱动装置的被动放线系统，本发明可实现主动放线，即根据轴角传感器检测的角度值，由控制系统控制驱动装置主动调整放线速度，可防止出现断线或丝线松弛。

Description

一种变线速恒张力主动放线系统

技术领域

本发明涉及一种变线速恒张力主动放线系统，用于放线速度快、且放线速度大幅变化的恒张力丝线传输设备，可在丝线传输过程中自适应放线速度以保持丝线张力恒定。

背景技术

在丝线的制备和使用过程中需要进行丝线的导向和输送，有些情况下放线端和收线端的速度可能不会时刻保持一致，介于放线端和收线端之间的丝线的张力会发生波动，若波动较大将会发生丝线断裂或丝线松弛两种情况。为此需要一套自适应放线系统，适时变化放线速度，使出线端的丝线张力能够保持恒定，进而起到张紧丝线防止丝线断裂和松弛的作用。

常规的丝线输送和导向装置要么放线速度基本能够保持恒定，不需要设计专门的放线系统，要么放线速度变化幅度不明显，或者放线速度较慢，或者丝径粗，只需要将线盘固定在转轴上，由丝线拉动线盘旋转即可，即线盘是被动旋转的。

当丝线速度有一定变化且对放线速度有一定要求时，可以采用电子张力控制器实现恒张力放线。如吉林大学硕士学位论文《极化线栅缠绕装置及其伺服系统的设计研究》描述的一种线栅缠绕装置及其制作方法，绕线机构本身非圆柱状，而是扁平状，旋转过程中必然导致放线速度变化，为此专门使用了AE电子张力控制器实现恒张力放线，同时可用于储存、拉紧丝线。

但该文献中的极化线栅口径仅为Φ500mm，当极化线栅口径扩大到Φ1500mm时，旋转框架尺寸也随之扩大(旋转框架用于安装固定线栅环，随线栅环一起旋转，其尺寸必须大于线栅环外形尺寸)，若以同样速度旋转，其速度变化幅度将会增加3倍，仅靠张力控制器已经不能满足要求，原因是速度变化幅度过大，超出了张力控制器控制能力范围(响应速度无法跟上，线盘惯量太大)，将会出现断线或丝线松弛问题。此时，常规的解决思路是降低旋转框架转速，但这样做的结果是引起排线机构丝杠螺母传动副的低速爬行现象(排线机构移动速度和旋转速度的比值是一定的)，爬行振动进而使排线精度恶化，使用丝线间距误差增大甚至超差，不能满足线栅对于丝线间距精度的要求。同时转速降低也使绕线时间变长，绕线效率降低。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，对于大口径和超大口径线栅缠绕装置，本发明提出一种变线速恒张力主动放线系统，能够根据放线速度变化适时调整出线速度，保证放出的丝线张力恒定，进而起到张紧丝线防止丝线断裂或松弛的作用，可适应高速、线速大幅变化的恒张力绕线装置。

主动式放线系统将线盘与电动驱动装置连接，放线速度可调，并采用双导轮紧丝器来储存丝线，储存丝线的长度更大，且储存的丝线长度能够通过传感器间接测量得出，进而反馈给控制系统，控制电动驱动装置的转速，实现闭环控制。

本发明的技术方案为：

所述一种变线速恒张力主动放线系统，其特征在于：包括平台、线盘、电机驱动装置、压线棒、双导轮紧丝器、轴角传感器、导向轮、张力控制器、导线棒和放线张力控制系统；

所述电机驱动装置安装在平台上，能够带动线盘转动；所述线盘上有绕制好的丝线；所述压线棒轴线平行于线盘轴线，从线盘引出的丝线经过压线棒形成包角，丝线在压线棒上可以自由滑动；

从压线棒引出的丝线进入双导轮紧丝器，并从双导轮紧丝器引出后经过导向轮后进入张力控制器，通过张力控制器后的丝线通过导线棒引出；

所述双导轮紧丝器包括摇杆、摇杆导轮、弹性驱动部件和两个固定轮；所述摇杆中心位置固定有摇杆转轴，摇杆转轴上安装有弹性驱动部件，能够驱动摇杆绕摇杆转轴转动，且能够在摇杆两个方向的转动过程中释放和存储驱动能量；所述摇杆两端安装有摇杆导轮；两个固定轮布置在摇杆转轴两侧，且处于摇杆导轮回转圆周的内侧；第一固定轮靠近压线棒，第二固定轮靠近导向轮；丝线与两个固定轮的接触位置处于相反侧，丝线与压线棒以及第一固定轮的接触位置处于同一侧，丝线与导向轮以及第二固定轮的接触位置处于同一侧；摇杆导轮的回转圆周处于压线棒与第一固定轮之间，也处于导向轮与第二固定轮之间；

当压线棒与第一固定轮之间的丝线为直线以及导向轮与第二固定轮之间的丝线为直线时，此时两个摇杆导轮处于丝线的两侧，双导轮紧丝器中的丝线存储量为零，弹性驱动部件处于驱动能量最大状态；

弹性驱动部件能够释放驱动能量来驱动摇杆绕摇杆转轴转动，使摇杆导轮将压线棒与第一固定轮之间的丝线以及导向轮与第二固定轮之间的丝线存储，直至设定位置，此时双导轮紧丝器中的丝线存储量最大，弹性驱动部件处于驱动能量最小状态；

所述轴角传感器安装在摇杆转轴上，能够测量摇杆的转角，并将转角数据发送给放线张力控制系统；放线张力控制系统将输入的转角与设定角度比较，根据比较结果给电机驱动装置发送指令，控制线盘调整放线速度，使得双导轮紧丝储线长度始终趋向于理想长度。

进一步的优选方案，所述一种变线速恒张力主动放线系统，其特征在于：所述张力控制器通过励磁电流进行张力控制，带张力闭环控制功能，要求张力控制器的进线端张力小于张力设定值，可保证出线张力恒定，不随丝线速度变化而变化。

进一步的优选方案，所述一种变线速恒张力主动放线系统，其特征在于：在丝线存储量为零和丝线存储量最大两个状态下设置摇杆的机械限位装置，确保摇杆中的运动范围只在这两个状态区间内。

进一步的优选方案，所述一种变线速恒张力主动放线系统，其特征在于：弹性驱动部件采用涡簧。

进一步的优选方案，所述一种变线速恒张力主动放线系统，其特征在于：所述导线棒轴线与张力控制器的张力杆摆动平面平行且不重合，张力控制器引出的丝线在导线棒形成一定包角，丝线紧贴着导线棒放出。

有益效果

本发明对于大口径和超大口径线栅缠绕装置，提出一种变线速恒张力主动放线系统，通过电动驱动装置、双导轮紧丝器、轴角传感器的联合作用，可以实现放线速度的闭环控制。相对于将线盘固定在无驱动装置的被动放线系统，本发明可实现主动放线，即根据轴角传感器检测的角度值，由控制系统控制驱动装置主动调整放线速度，可防止出现断线或丝线松弛。

双导轮紧丝器用于储存丝线，储存丝线的长度更大，且将轴角传感器同轴安装于双导轮紧丝器中心转轴上，通过检测双导轮紧丝器摇杆的角度，可以准确得知双导轮紧丝器所存储的丝线的长度，原因在于本发明提出的双导轮紧丝器中，摇杆角度与丝线长度的关系是单调的，相对于以丝线张力作为变量的控制策略，其函数关系简单明确，有效降低了控制难度，提高了控制精度和速度。

大口径线栅绕制时绕线速度快，且变化幅度大，原有的技术方案解决不了丝线松弛或断线问题，而本发明由于采用了主动放线系统，并能够闭环控制，能够很好地解决这一问题。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：本发明的轴测图；

其中：1.平台；2.电机；3.减速器；4.减速器支架；5.线盘；6.压线棒；7.压线棒支架；8.双导轮紧丝器；9.轴角传感器；10.导向轮；11.张力控制器；12.导线棒支架；13.导线棒；14.导线棒调整杆；

图2：本发明的主视图；

图3：本发明的俯视图；

图4：本发明的左视图；

图5：双导轮紧丝器的原理示意图；

图6：双导轮紧丝器丝线存储量为零时原理示意图；

图7：双导轮紧丝器丝线最大存储量时原理示意图；

其中：8-1.支座；8-2.摇杆转轴；8-3.摇杆；8-4.第一摇杆导轮及其转轴；8-5.第二摇杆导轮及其转轴；8-6.第一固定轮支座；8-7.第一固定轮及其转轴；8-8.第二固定轮支座；8-9.第二固定轮及其转轴；8-10.第三固定轮支座；8-11.第三固定轮及其转轴；8-12.第四固定轮支座；8-13.第四固定轮及其转轴；8-14.进线端丝线；8-15.出线端丝线；8-16丝线。

图8：电气接线图；

图9：本实施例中双导轮紧丝器的工作示意图。

具体实施方式

本实施例中，首先结合图5～图7说明双导轮紧丝器的工作原理，为了便于解释，图5～图7中采用四个固定轮，而实际本实施例中，两边外侧的固定轮采用压线棒和导向轮实现。

如图5所示，摇杆长度方向的中心位置固定有摇杆转轴，摇杆转轴安装在支座上，支座上安装有涡簧，能够驱动摇杆绕摇杆转轴转动，且能够在摇杆两个方向的转动过程中释放和存储驱动能量。摇杆两端安装有摇杆导轮。

四个固定轮两两一组，每组固定轮中的两个固定轮中，一个位于摇杆导轮回转圆周的外侧，一个位于摇杆导轮回转圆周的内侧。

如图5所示，丝线由进线端依次经过第三固定轮、第二摇杆导轮、第一固定轮、第二固定轮、第一摇杆导轮、第四固定轮的导向后至出线端。丝线在一组固定轮的上侧与固定轮接触，在另一组固定轮的下侧与固定轮接触，即在同一组固定轮中，丝线与固定轮的接触位置处于同一侧。

当每组固定轮之间的丝线为直线时，此时两个摇杆导轮处于丝线的两侧，双导轮紧丝器中的丝线存储量为零，弹性驱动部件处于驱动能量最大状态；即如在图6所示存储量为零时，第一固定轮和第三固定轮之间、第二固定轮和第四固定轮之间的丝线为直线。

涡簧能够释放驱动能量来驱动摇杆绕摇杆转轴转动，使摇杆导轮将每组固定轮中的丝线存储，直至图7设定位置，此时双导轮紧丝器中的丝线存储量最大，涡簧处于驱动能量最小状态，第一固定轮和第三固定轮之间、第二固定轮和第四固定轮之间均存储了约2倍摇杆长度的丝线，即该装置最大可存储约4倍摇杆长度的丝线。

摇杆在涡簧的驱动下可绕摇杆转轴旋转，在存储量为零和存储量最大时均有机械限位，确保摇杆的摆动范围介于图6和图7之间。摇杆在由图7所示位置转至图6所示位置过程中，转轴附件的涡簧储能，并提供阻碍摇杆由图7向图6所示位置转动的力。因此，当丝线张力大时，在丝线张力的作用下，摇杆在丝线张力的作用下向图6所示位置摆动，将储存的丝线释放出来以降低丝线张力：当丝线张力小时，在涡簧的作用下，摇杆向图7所示位置摆动，将丝线储存起来，同时提高了丝线张力。可根据最大和最小存储量下所需要的丝线张力值对弹性元件的初始弹力和刚度进行设计。

可以看出，双导轮紧丝器的作用是张紧和储存丝线，在放线端和收线端之间形成“缓冲池”，以匹配丝线速度变化。当收线端线速较快时，双导轮紧丝器能够将暂存丝线快速放出，不致拉断，反之，当收线端线速较慢时，双导轮紧丝器将丝线存储起来，确保丝线仍有一定的张力，不致松弛。由于张力控制器的存在，所以张力控制器出线张力恒定，但大口径线栅绕制时绕线速度快，且变化幅度大，张力控制器出线张力恒定必然导致丝线速度变化很大，此时如果还采用无驱动装置的被动放线系统，非常容易导致张力控制器前端出现断线或丝线松弛，所以双导轮紧丝器的出现，并配合电动驱动装置以及轴角传感器，实现放线速度的闭环控制，主动调整放线速度，可防止张力控制器前端出现断线或丝线松弛。

下面结合附图再详细描述本发明：

变线速恒张力主动放线系统结构示意图如图1所示，单根丝线从线盘放出，经压线棒6、双导轮紧丝器8、导向轮10、张力控制器11后，最后紧贴导线棒13放出，完成放线功能。

减速器3、压线棒6、双导轮紧丝器8、导向轮10、张力控制器11、导线棒13均通过支架用螺钉固定在平台1上。

电机与减速器组成电动驱动装置，带动线盘旋转，其转速可随放线速度进行自适应调整。减速器可选用行星减速器，其输入轴与电机输出轴同轴连接，输出轴端部有安装螺纹孔，用于线盘的固定，减速器壳体与减速器支架连接固定。减速器支架固定在平台上。

线盘上有绕制好的金属丝线，线盘中心孔用于线盘的安装固定，用螺钉压紧安装在减速器输出轴上，使得线盘中心孔与减速器输出轴同轴。

压线棒轴线平行于线盘轴线。丝线经过压线棒形成包角，起导向作用，丝线在压线棒上可以自由滑动，可以适应丝线在线盘宽度方向不同位置放出的情况。

双导轮紧丝器的作用是张紧和储存丝线，在放线端和收线端之间形成“缓冲池”，以匹配丝线速度变化。当收线端线速较快时，双导轮紧丝器能够将暂存丝线快速放出，不致拉断，反之，当收线端线速较慢时，双导轮紧丝器将丝线存储起来，确保丝线仍有一定的张力，不致松弛。

轴角传感器同轴安装在双导轮紧丝器中心转轴上，如图9所示，通过实时检测双导轮紧丝器摇杆角度(图中A为角度范围，B角度为摇杆处于中间位置)，反馈给控制系统，控制电机转速，调整线盘转速进而调整放线速度，使得储线长度在设定范围内，实现放线速度的闭环控制。

导向轮通过支架固定在平台上，将丝线从双导轮紧丝器导向至张力控制器上，导向轮的合理布置可有效节省平台空间。

张力控制器是一种电子元器件，通过励磁电流进行张力控制，自动控制精度可达2％，张力稳定，可适应高速绕线，并带张力闭环控制功能，并且具有远程数据采集、控制功能，可通过RS485通讯方式，实现张力曲线与数据的实时监控。张力控制器的进线端张力小于张力设定值，即可保证出线张力恒定，不随丝线速度变化而变化。

导线棒两端分别通过导线棒调整杆固定在导线棒支架上，导线棒采用陶瓷材料制成，表面光滑耐磨，导线棒支架固定在平台上。导线棒轴线方向与张力控制器的张力杆摆动平面平行，且二者只能平行，不能重合，保证出线时丝线在导线棒形成一定包角，丝线紧贴着导线棒放出，这样丝线出线方向始终能够由导线棒轴线方向决定。

图8为控制系统原理图，放线张力控制系统通过ARM主控板实现，主控板上集成了RS232通信接口、RS485接口、CAN总线、AD采样接口、大量的串口、DC-DC降压模块等。控制原理如下：轴角传感器(本发明采用了光电编码器)同轴安装在双导轮紧丝器转轴上，实时检测紧丝器摇杆转角，摇杆转角与储线长度的关系是明确的单调函数，即每个转角对应唯一的储线长度。通过检测光电编码器转角就能够间接得知储线长度，光电编码器将检测到的转角反馈给主控板，控制程序将其与理想角度B进行比较，理想角度根据双导轮紧丝器转角设定，且在双导轮紧丝器转角范围A内选取，一般建议取中间值(这样双导轮紧丝器将储存一定长度的丝线，当放线速度变化时，既能够继续储存丝线，也能放出丝线)。根据比较结果给电机驱动器发送指令，控制放线电机调整放线速度，使得双导轮紧丝储线长度始终趋向于理想长度。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种变线速恒张力主动放线系统，其特征在于：包括平台、线盘、电机驱动装置、压线棒、双导轮紧丝器、轴角传感器、导向轮、张力控制器、导线棒和放线张力控制系统；

所述电机驱动装置安装在平台上，能够带动线盘转动；所述线盘上有绕制好的丝线；所述压线棒轴线平行于线盘轴线，从线盘引出的丝线经过压线棒形成包角，丝线在压线棒上可以自由滑动；

从压线棒引出的丝线进入双导轮紧丝器，并从双导轮紧丝器引出后经过导向轮后进入张力控制器，通过张力控制器后的丝线通过导线棒引出；

所述双导轮紧丝器包括摇杆、摇杆导轮、弹性驱动部件和两个固定轮；所述摇杆中心位置固定有摇杆转轴，摇杆转轴上安装有弹性驱动部件，能够驱动摇杆绕摇杆转轴转动，且能够在摇杆两个方向的转动过程中释放和存储驱动能量；所述摇杆两端安装有摇杆导轮；两个固定轮布置在摇杆转轴两侧，且处于摇杆导轮回转圆周的内侧；第一固定轮靠近压线棒，第二固定轮靠近导向轮；丝线与两个固定轮的接触位置处于相反侧，丝线与压线棒以及第一固定轮的接触位置处于同一侧，丝线与导向轮以及第二固定轮的接触位置处于同一侧；摇杆导轮的回转圆周处于压线棒与第一固定轮之间，也处于导向轮与第二固定轮之间；

当压线棒与第一固定轮之间的丝线为直线以及导向轮与第二固定轮之间的丝线为直线时，此时两个摇杆导轮处于丝线的两侧，双导轮紧丝器中的丝线存储量为零，弹性驱动部件处于驱动能量最大状态；

弹性驱动部件能够释放驱动能量来驱动摇杆绕摇杆转轴转动，使摇杆导轮将压线棒与第一固定轮之间的丝线以及导向轮与第二固定轮之间的丝线存储，直至设定位置，此时双导轮紧丝器中的丝线存储量最大，弹性驱动部件处于驱动能量最小状态；

所述轴角传感器安装在摇杆转轴上，能够测量摇杆的转角，并将转角数据发送给放线张力控制系统；放线张力控制系统将输入的转角与设定角度比较，根据比较结果给电机驱动装置发送指令，控制线盘调整放线速度，使得双导轮紧丝储线长度始终趋向于理想长度。

2.根据权利要求1所述一种变线速恒张力主动放线系统，其特征在于：所述张力控制器通过励磁电流进行张力控制，带张力闭环控制功能，要求张力控制器的进线端张力小于张力设定值，可保证出线张力恒定，不随丝线速度变化而变化。

3.根据权利要求1所述一种变线速恒张力主动放线系统，其特征在于：在丝线存储量为零和丝线存储量最大两个状态下设置摇杆的机械限位装置，确保摇杆中的运动范围只在这两个状态区间内。

4.根据权利要求1所述一种变线速恒张力主动放线系统，其特征在于：弹性驱动部件采用涡簧。

5.根据权利要求1所述一种变线速恒张力主动放线系统，其特征在于：所述导线棒轴线与张力控制器的张力杆摆动平面平行且不重合，张力控制器引出的丝线在导线棒形成一定包角，丝线紧贴着导线棒放出。

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