数控缠绕机张力装置通用控制器的研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 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
• 致谢