纤维数控铺缠设备精密张力控制器的研究

摘要

纤维复合材料可以弥补金属材料的很多性能上的缺陷，因而应用越来越广泛。纤维缠绕和铺放是复合材料成型工艺中两种常用的方法，而纤维张力是成型过程中的一个重要参数，直接影响着材料的性能，因而张力控制是纤维铺缠工艺中的一项关键技术。由于缠绕和铺放工艺有其各自的特点，对张力控制的要求也有一定的不同，因此涉及到比其它张力器设计更多的因素，同时对系统的动静态性能也提出了较高的要求。
　　本文建立了一种以PIC16F877A单片机为主控单元，以交流数字伺服电机为执行元件，张力传感器为反馈元件的闭环张力控制方案。交流数字伺服电机既作为执行元件又作为回纱电机，简化了控制系统结构。
　　对上述系统进行深入分析研究，建立了主要元件的数学模型，进而获得系统的传递函数。在系统性能分析基础上加入了PID校正，并使用Matlab的SIMULINK工具箱对校正后的系统进行仿真分析。
　　对张力控制系统的软硬件进行了设计。首先，根据控制系统性能要求，对硬件系统进行设计。完成了芯片的选型和各外围接口电路开发，并对硬件系统进行了联机调试。在此基础上完成了主控电路的PCB设计板的设计和制作。
　　软件部分包括单片机程序设计和上位机监控软件的编制。考虑到张力控制系统的工作特点，控制算法最终采用了积分分离的PID控制。单片机程序主要包括积分分离PID算法、数字滤波、外围器件的接口程序等。基于LabVIEW构建的上位机监控软件主要实现张力系统的实时监控、断纱报警以及数据的保存等功能。
　　对张力控制实验台的搭建进行了介绍，进行了主要器件的标定，并在此基础上对张力控制器的性能进行了测试。通过测定张力设定值变化、收卷速度变化、恒速恒张力工作和回纱时的张力值响应曲线，分析了系统的动、静态性能。实验结果表明，恒速恒张力条件下，系统波动率和静差率均能符合张力控制的要求，张力值和铺缠速度变化时，系统响应迅速、准确，且正常张力值下系统回纱性能良好。

目录

纤维数控铺缠设备精密张力控制器的研究

RESEARCH ON PRECISE TENSION CONTROLLER OF FIBER WINDING AND PLACEMENT MACHINE

摘 要

Abstract

目 录

绪 论

1.1 纤维缠绕和铺放技术简介

1.2 张力控制器研究现状及分析

1.3 课题研究的意义

1.4 课题研究的内容

第2章 张力控制系统原理和控制策略研究

2.1 系统总体方案设计

2.2 张力控制系统建模和分析

2.3 控制策略研究

2.4 本章小结

第3章 张力控制器的硬件实现

3.1 硬件总体设计

3.2 外围电路设计

3.3 主控电路PCB设计

3.4 本章小结

第4章 张力控制系统的软件开发

4.1 单片机程序开发

4.2 上位机监控软件开发

4.3 本章小结

第5章 张力控制系统的实验研究

5.1 张力控制实验台的建立

5.2 主要元件的标定

5.3 张力控制器性能测试

5.4 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢