张力控制系统

2.4 张力控制系统原理图
以工控机为控制器， 力矩电机作为执行组件时，采用张力传感器实时检测纤 维张力，其张力控制原理图如图2.4所示。这是一个闭环控制系统，系统中，力 矩电机既是施力装置，也作为回纱电机完成回纱功能，使整个系统得以简化。在 结构上， 力矩电机输出轴与纱团轴相连，利用力矩电机可以长期工作在堵转下的 特性，用其堵转力矩作为纱团旋转的阻力矩，使纤维产生张力，从而通过控制力 矩电机的堵转力矩来达到控制纤维张力的目的。 闭环控制时张力设定值与张力反 馈值比较后，其差值进入数字控制器进行运算后，输出控制信号，经过功率放大 环节，修正电机输出的转矩，实线对纤维张力的实时控制。
2.3 张力传感器检测张力
将被测张丝(带)按图所示方式绕制，使张丝(带)沿定滚轮、采集轮、定滚轮 间形成固定夹角2θ，传感器固定于采集轮上。 传感器受力 张力 F = 2f cos θ f = K 2 cos θ Vout
式中：K为标定系数；Vout 为传感器输出信号。 由于K和θ为固定的常数， 因此传感器输出信号Vout 与张力值之间是线性正比 关系，可以很快地跟踪输入信号，可以不考虑其惯性，故可把传感器视为一个比 例环节。
1.3 位置式张力控制和反馈式张力控制简图
纤维缠绕工艺是采用连续纤维浸渍树脂粘结剂后， 在张力的作用下按照一定 的线型有规律地排布在芯模或内衬上，层叠到所需厚度，然后经过加热(或常温) 固化脱模(或不脱模) 制成增强塑料制品的工艺方法。在缠绕中施加张力的主要 目的是控制树脂含量和使纤维在芯模上按规定线型排列。 适当和平稳的张力可增 强构件承受内压的能力，提高其抗疲劳特性，所以，纤维缠绕张力成为工艺中重 要的控制参数。
张力控制器的研究
1 张力控制器的作用
在国防和民用工业领域, 缠绕工艺得到愈来愈广泛的应用。 纤维缠绕机(FWM)：在缠绕火箭发动机壳体、压力容器时，纤维张力对制品 的性能有着极为重要的影响。如果张力选择不当或不稳定,可使缠绕制品的强度 损失20 ~30%，对于一些特殊要求的产品，各部分张力的要求又有所不同。因此 张力控制是FWM的一项关键技术。较早的张力控制方式有机械式、液压式、气 动式等类型， 为适应微机控制的需要， 近几年以磁粉离合器作为执行元件的张力 控制系统，得到广泛的应用，如图1.1、1.2为张力控制器实图。
2.1 典型张力控制系统的组成
2.2 磁粉离合器作为控制元件 2.21 磁粉离合器的工作原理 磁粉离合器是电磁离合器的一种。它由主动转子、从动转子、固定支撑三部 分组成。磁粉离合器的工作原理如图2.1所示，当主动转子旋转，而线圈不通电 时， 工作缝隙和储粉腔中的磁粉在离心力的作用下被压附在主动转子内壁上，因 此， 主、 从动转子处于脱离状态， 从动转子不转动。 在当线圈两端加上激磁电流， 在磁场作用下，工作缝隙中的磁粉粒子被磁化，形成了磁粉链。当主动转子旋转 时， 靠磁粉间的电磁力造成的摩擦力把转矩从主动转子传到从动转子。磁粉离合 器所能传递的转矩由磁粉链的剪切强度决定， 而剪切强度又随磁场强度的增加而 增大直到磁饱和为止。当激磁电流足够大时，从动转子与主动转子同步旋转，当 激磁电流在一定范围内减少时，从动转子与主动转子不同步，呈滑差运行。磁粉 离合器在滑差状态下仍能具有输出恒转矩的特性，使得只需控制其激磁电流，便
2 张力控制器分类
2.1 张力控制器的组成 一般缠绕张力控制系统，包括开(复)卷部分、控制部分、测量部分及其辅助 装置组成(如图2.1)。开卷部分是指放带(丝)盘在缠绕材料的拉力下旋转放线，在 复合材料缠绕成型工艺中， 纤维ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ在收带(丝)盘的带动下产生运动的， 在放带(丝) 盘和收带(丝)盘之间，可有多个导向轮控制缠绕的走向，使之平稳运动。 为了产生张力，必须有施力装置产生阻力矩施加于放带(丝)盘上，该施力装 置就是张力系统中的执行元件。 执行元件是控制系统最基本的组成部分，它应该 具有快速响应的动态特性，良好的静特性(线性度好)及控制可靠等特点。
同的体积和电枢电压下产生较大的转矩和较低的转速，一般做成扁平状。由于直 流力矩电机具有长期工作在堵转状态的性能， 因此可由电机的堵转力矩提供卷绕 张力， 通过控制堵转力矩大小来控制张力大小。与其它执行组件如磁粉合离器和 电流变流体阻尼器(ER阻尼器相比)，力矩电机的主要特点是： (1)力矩波动小，低速下能稳定运行； (2)机械特性和调节特性的线性度好； (3)反应速度块，直流力矩电机的机电时间常数小，在十几ms至几十ms； (4)能在堵转和低速下运行，堵转情况下能产生足够大的转矩而不损伤自己。 2.4 工业控制计算机 工控机可根据需要选用合适的系统软件和应用软件， 也可由用户开发自己的 控制应用软件。与专业数控相比，更大程度上发挥了硬件的优势，使用更加灵活 方便。 2.5 张力传感器
能控制输出转矩，达到恒张力目的；而滑差率及主动轴的转速与输出转矩无关， 因此可采用磁粉离合器作为张力控制元件。且若原动机一直处于反转状态，而纱 线张力过小时，磁粉离合器还可以及时实现回纱，以保持纱线张力。
2.2 磁粉离合器的结构
2.3 力矩电机作为控制元件 2.31 力矩电机的控制原理 永磁式直流力矩电机是一种能够长期处于起动(堵转)状态下工作的控制电 机， 是由伺服电动机和驱动电动机结合起来发展而成的特殊电机。其工作原理和 直流电动机相同。 利用力矩电机具有能长期工作在堵转状态的性能，可有堵转力 矩提供卷绕材料张力，通过控制堵转力矩大小来控制张力。在结构上，直流力矩 电机为了能在相同的体积和电枢电压下产生较大的力矩和较低的转速， 一般都做 成扁平形。 定子是由软磁性材料做成的带槽的圆环， 槽中镶入永久磁钢作为主磁 场源， 这样在磁隙中形成了分布较好的磁场。转子铁心由导磁冲片叠压而没有缩 孔现象。 2.32 力矩电机 在张力控制系统中， 采用永磁式直流力矩电机作为执行主件是一种比较好的 方法。直流力矩电动机是一种能够长期处于起动(堵转)状态下工作的控制电机， 是一种有伺服电动机和驱动电动机结合而成的特殊电机， 其工作原理和直流电动 机一样。 力矩电机主要采用永磁式电枢控制方法。在结构上， 力矩电机为了能够在相
1.1 张力控制器
1.2 张力控制器
1.1 张力的产生 在复合材料成型工艺中，为了得到满足成型工艺要求的张力，必须有摩擦力 或阻力施加于缠绕材料上， 摩擦或阻力的产生分为两种情况，一种情况是在缠绕 过程中，在缠绕材料表面设置摩擦带或皮带，由于芯模的旋转收线，摩擦辊或皮 带与缠绕材料之间必然产生摩擦力，摩擦辊与芯模之间的缠绕材料形成张力。在 这种情况中， 缠绕材料张力不随卷辊或纱团半径变化而变化，整个系统结构比较 简单。 但由于摩擦辊对缠绕材料表面有正压力和摩擦力， 因而对有些材料不适用。 另一种张力产生办法是对开卷辊施加阻力矩，即开卷辊放线时，在卷辊中心轴上 设置可产生阻力的装置。在这种类型中，如阻力矩保持不变，缠绕材料张力就会 随卷辊半径变化而变化， 这种现象使张力变得更为复杂，但这种方式使用较为广 泛，数控纤维缠绕机的张力控制系统大多采用这种方式。 1.2 张力控制方法的选择 张力的控制方法按照不同的工艺要求， 可以分为间接张力控制和直接张力控 制两种。 间接张力控制是通过控制维持张力恒定的传动系统的电参数(往往是速度调 节器的输出限幅)实现张力控制，一般采用最大力矩控制或恒功率控制等方式， 适用于一般要求不高的场合，可简单实现一般张力控制要求。 直接张力控制系统采用张力传感器并构成张力闭环调节， 视传感器结构不同， 可分为位置式张力控制和反馈式张力控制。 其中位置式张力控制采用所谓浮辊作 为张力传感器，利用机械式电位器检测浮辊位置，并与给定位置比较，其偏差送 入位置调节器， 从而构成位置速度——电流三环系统。张力给定通过气动或液压 马达施加浮辊形成反力，当浮辊位置位于设定位置时，张力和反力平衡；反馈式 张力控制采用微处理器为控制核，实现复杂的控制算法，硬件采用张力传感器实 时检测张力，构成张力的反馈以实现闭环控制，使用于高精度、高速度的张力控 制场合。由于纤维缠绕时纱线总是处于运动控制中，而且要求张力恒定，因此， 缠绕机张力控制系统要求在动态，尤其是加、减速过程中能有效控制张力，这就 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，因此选用的是直 接张力控制中的反馈式张力控制方法。