数控缠绕机张力装置通用控制器的研究

摘要

张力控制是许多工业生产过程中一个重要的组成环节，它对提高产品质量起着至关重要的作用。纤维复合材料是一种新型材料，在性能方面可以弥补金属材料的很多缺陷，因而应用越来越广泛。缠绕成型是纤维复合材料成型工艺中的常用方法，而纤维缠绕张力是复合材料缠绕成型中的一个重要参数，直接影响着缠绕制品的质量，因而张力控制是纤维缠绕工艺中的关键技术之一。在纤维缠绕中，适当和平稳的张力可增强缠绕构件承受内压的能力，提高其抗疲劳特性。
　　本文通过对复合材料的发展和应用的回顾，总结了国内外纤维缠绕技术及张力器的发展状况，在对张力系统工作原理进行分析和研究后，建立了以PIC16F877单片机为主要控制单元、对磁粉离合器、交流伺服电机两种方案进行通用控制的张力控制系统。
　　该张力控制系统以PIC16F877单片机为主要控制单元，设计并调试了信号输入运算放大电路、光电隔离电路、PWM功率放大电路、主控制电路、USB通讯电路、键盘电路等硬件和A/D转换程序、USB通讯程序、单片机主控制程序等软件，并开发了张力控制系统的上位机实时控制程序。
　　在对张力控制系统的各项参数进行调试和确定之后，对整个控制系统进行了控制精度、可靠性试验研究，证明了控制方案的可行性。并通过实验对两种张力控制方案的性能进行了比较。得出方案二优于方案一的结论。

目录

数控缠绕机张力装置通用控制器的研究

RESEARCH OF THE COMMON TENSION CONTROLLER OF NC WINDING MACHINE

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 新型复合材料的产生和发展

1.3 纤维缠绕工艺的特点

1.4 纤维缠绕中张力控制的意义

1.5 纤维缠绕张力控制器的发展及研究现状

1.5.1 张力控制器的发展历史

1.5.2 张力控制器的国内外研究现状

1.5.3 张力控制器的发展趋势

1.6 课题来源

1.7 本文主要研究内容

第2章 张力控制系统的工作原理

2.1 张力控制系统的组成

2.2 张力系统的控制方法

2.3 以磁粉离合器为执行元件的张力控制方案

2.3.1 控制方案的工作原理

2.3.2 张力控制系统数学模型

2.3.3 磁粉离合器的原理

2.3.4 半径跟随臂工作原理

2.4 以交流伺服电机和气缸为执行元件的张力控制方案

2.4.1 控制方案的工作原理

2.4.2 张力控制系统数学模型

2.4.3 交流伺服电机的原理

2.4.4 气动系统工作原理

2.5 以交流伺服电机为执行元件的张力控制方案

2.6 本章小结

第3章 通用张力控制器的方案确定及硬件设计

3.1 通用张力控制器总体方案的确定

3.2 主控制电路

3.2.1 PIC单片机简介

3.2.2 人工复位、时钟电路

3.2.3 USB通讯电路

3.2.4 键盘电路

3.3 信号输入电路

3.4 信号输出电路

3.4.1 光电隔离电路

3.4.2 功率放大电路

3.5 其他预留I/O引脚

3.6 本章小结

第4章 张力控制系统的软件开发

4.1 主控制程序

4.2 上位机控制程序

4.2.1 初始化部分

4.2.2 启动和停止

4.2.3 信号检测部分

4.3 USB通讯程序

4.3.1 USB通讯程序组成部分

4.3.2 USB固件程序的开发

4.4 模拟量的采集

4.5 PWM波形的输出

4.6 积分分离数字PID控制

4.6.1 系统传递函数的建立

4.6.2 PID控制仿真

4.6.3 积分分离数字PID程序

4.7 本章小结

第5章 张力控制器的实验研究

5.1 实验设备

5.2 元件的标定

5.2.1 半径反馈装置的标定

5.2.2 张力传感器的标定

5.2.3 磁粉离合器的标定

5.2.4 气缸的标定

5.2.5 角度传感器的标定

5.2.6 交流伺服电机的标定

5.3 张力控制系统的联机调试

5.4 张力控制系统的性能分析

5.4.1 恒张力情况下张力测试

5.4.2 变张力情况下张力测试

5.4.3 回纱情况下性能测试

5.4.4 两种方案静差率分析及对比

5.4.5 两种方案波动率分析及对比

5.4.6 两种张力控制方案对比

5.5 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢