预浸料制备中的张力控制系统

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纤维纱筒开卷张力控制系统
预浸料的制备对筒纱纤维开卷张力恒定的要求比较严格。研制的预浸料制备设备的每
个筒纱都构成一个独立的张力闭环控制系统。系统由纤维筒纱、 比例电磁铁%机械制动装 置、 张力传感器和控制电路组成。 !(! 工作原理 纤维筒纱的开卷属于被动运动， 对筒纱施加一定的制动力矩， 纤维从纱筒中被拉出才具 有一定的张力。为保持粗纱张力恒定， 要求制动力矩能够自动连续调节。研制的 “比例电磁 铁%机械制动装置” 成功地实现了纤维张力恒定。 比例电磁铁%机械制动装置示意图如图 #。图中：- —摩擦力，.—比例电磁铁推力， —摩擦块与摩擦盘摩擦系数，0 1—制动力矩。力矩平衡方程式： /—正压力， !
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预浸料收卷张力控制系统
系统组成 预浸料收卷过程也应保持张力恒定。该
系统由可编程调节器、 变频器、 交流电机、 减 速器、 三辊摆式松紧架、 摆辊角度传感器和收 卷轴组成。系统示意图如图 !。系统中 ! G 是牵引辊线速度， 作为主令速度， 收卷轴线速 度 ! F 是从动速度。收卷过程中随着卷取半 径的增大， 导致三辊摆式松紧架 ! F 亦增大， 向一方倾斜摆动。速度传感器反馈信号增 大， 可编程调节器输出量减小， 使变频调节器 输出频率降低， 交流电机转速降低， 最终 ! F 恢复到设定值， 速度差 （ ! F 9 ! G） 为定值， 实 现恒张力卷绕收卷。 !"! 系统工作原理
第’期
预浸料制备中的张力控制系统
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预浸料制备中的张力控制系统
高殿斌 蒋秀明 杨公源
（天津纺织工学院机械工程及自动化系，天津 !""#$"） 摘要：详细阐述了预浸料制备过程中纤维纱筒开卷、 预浸料收卷张力控制系统的工作原理、 数 学模型以及控制方法。并在所研制的预浸料制备设备中进行实践与验证。在纤维开卷过程中， 研制出的 “比例电磁铁%机械制动装置” 调节和控制开卷张力， 为实现纤维粗纱张力恒定起到关 键作用。并详细介绍了 “比例电磁铁%机械制动装置” 的原理。在预浸料收卷过程中， 采用三轴 摆式松紧架装置， 以线速度跟随控制和卷径补偿控制， 实现了预浸料牵引辊和收卷辊快速跟随 性和张力稳定性。 关键词：开卷与收卷非线性；时变数学模型；比例电磁铁%机械制动装置；增益调度 中图分类号：&’$# ( )* 文献标识码：+ 文章编号：#"",%,",! （’"""） "’%""*)%"$
第A期预浸料Biblioteka 备中的张力控制系统=<
引辊、 收卷辊必须实现同步控制。控制方案 有多种， 我们采用三辊摆式松紧架控制方案， 再补以线速度跟随控制和卷径补偿控制， 实 现快速跟随性和张力稳定性。 首先， 将预浸料绕在收卷轴上， 收卷控制 系统自动地使三辊摆式松紧架的摆辊停在水 平位置， 启动牵引辊后， 收卷轴启动。在三辊 摆式松紧架控制下， 实现同步运行， 同时， 收 卷张力恒定。其数值取决于摆杆上配重的位 置。只要三辊摆式松紧架处于上下极限位置 之间， 收卷张力就是恒定的， 这就是三辊摆式 松紧架的特点， 是其他检测装置无法具备的。 预浸料收卷过程中， 由于卷径的增大， 收 卷轴线速度 ! 将大于牵引辊线速度 ! 8 ， 速 差 （ ! 9 ! 8） 的累积产生三辊摆式松紧架的角度微小位移。角度传感器输出电压增大， 至使 反馈信号稍大于设定信号， 可编程调节器进行反向积分， 即控制输出电流信号减小， 变频器 输出频率降低， 收卷电机转速降低， 线速度亦降低， 三辊摆式松紧架的摆辊重新回到原来设 这种控制过程一直进行到收卷结 定的位置。实现反馈信号等于设定信号， 此时， ! : ! 8， 束， 三辊摆式松紧架始终处在所设定的平衡位置上。在三辊摆式松紧架所构成的反馈控制 的基础上， 为了提高快速性和改善动态品质， 辅以牵引辊线速度 ! ; 的前馈补偿和收卷轴半 径 " < 的补偿控制， 这两者补偿控制属于信号自适应控制。
料长度； ! —收卷轴线速度； 3 4 —预浸料弹性系数； ! L —牵引辊线速度； 2 ) ! L —时间常 数； 1 —收卷时间。 上述各式组成了收卷轴的数学模型。收卷轴张力控制系统的结构图如图 N。 F % F % F 张力与同步控制理论 万方数据 预浸料牵引辊、 在传动设计上， 收卷辊均为主动传动。为保证预浸料收卷张力恒定， 牵
"#$ % ! 图! 收卷控制系统示意图
&’( )*(+,’ -./ 01 +’( 2033#4$56/ +(4)#04 ,04+203 )7)+("8 9 1((:102-.2: ,0-/(4).+#04； ;8 9 )<#4$#4$ .2- ,0-/(4).+02； => 9 /20$2.--.?3( .:@6)+02； A 9 (3(,+20-0+02；B&8 9 2033#4$ 56/5+2.4)-#))#04 ,0-/(4).+#04； & 9 +2.4)-#++(2； "8 9 12(C6(4,7 B> 9 2033#4$56/5.E#) ,04D(2)#04；
所以纤维开卷过程的数学模型是时变、 非线性系 时间变化。数学模型中还有 & ) 和 & * 项，
图) +,- . )
筒纱开卷张力控制 系统结构图 /01 2’345’431 678 9: ’01 ;73< 8,5=> 48 311? ’1<2,9< 59<’39? 2;2’16
统。纤维开卷张力控制系统的结构图如图 张力控制电路图如图 *。 )， @ - & 是张力给定电位器设定的张力给定 的电压 信 号，它 对 应 于 比 例 电 磁 铁 线 圈 电 压， 决定了电磁铁推力 + ， 也就给定了纱线开 卷张力 , 。 @ / 是经过运算处理的张力传感 器输出信号， 即张力反馈信号。运算放大器 它对张力给定与张力反馈 A$ 为比例积分器，
图* +,- . *
张力控制电路示意图
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的差值 （即误差） 进行比例>积分运算， 其输出送到 BCD 脉冲宽度调制集成电路 EF 的输入 端， 施加于比例电磁铁线圈上， EF 输出 BCD 信号。该信号经过达林顿功率晶体管放大后， 产生一定的推力值 + 。也就决定了一定的张力值 , 。在筒纱开卷过程中筒纱半径 & 逐渐 减小， 导致纱线张力增大， 即 @ / 增大， 误差变负， 比例>积分调节器输出电压减小， @ / G @ - &， 施加于比例电磁铁线圈上的电压减小， 电磁铁推力减小， 制动力矩减小， 则 BCD 输出减小， 纤维张力 , 减小， 张力反馈信号减小， 又达到 @ / # @ - & 新的平衡状态， 即粗纱张力 , 等于 设定值。这种控制过程一直进行到纤维筒纱开卷结束， 从而保证了粗纱张力恒定。
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筒纱开卷张力数学模型 为了对筒纱开卷张力控制系统进行分析和设计， 首先建立筒纱开卷过程的数学模型， 进
而建立系统的数学模型。力矩平衡方程式为： （ - %"% ） ( , " ( ) " > @ >2 "# "% # $ ・ (, # , * - % # -$) ! - %$ ! -. /0 /0 （ *A " *A （ *A " *A -. # $ 1 # +2 +2 #$ 1 %$ ） %$ ） &2 &2 式中：* —筒纱半径 ； * %$ —筒纱芯轴半径； , —筒纱开卷张力； 0 —筒纱高度； -$) — 筒纱承托 机构及制动轮的转动惯量； -. —纤维转动惯量； - %$ —筒纱芯轴转动惯量； / —比重； 1 —占积 率； ( , —张力矩； ( ) —制动力 2 —重力加速度； "% —筒纱开卷角速度； #—粘性摩擦系数； 矩。 3- % & /0 3* 3* ・ # + %$ * ’ # $ 1*’ >2 >2 >2 2 > > -% "% ( , " ( 4 " -% " " "% # $ 万方数据 >2 "% >2 #
收稿日期：’"""%"’%’)；修订日期：’"""%"!%!" 作者简介：高殿斌（#)*,%） ，男，副教授
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制备单向预浸料是将多轴筒纱纤维一起释放， 经展平和树脂熔融浸渍、 挤胶、 辊压、 收卷 形成厚度均匀， 纤维彼此平行的单向连续带。在制备预浸料过程中， 如果纤维张力不均， 预 浸料纤维不能平行排列， 将严重影响复合材料的力学性能。预浸料收卷时， 必须解决好恒张 力卷绕问题， 否则将带来预浸料内松外紧现象， 或者出现皱折， 这样不仅外观不合格， 也会损 伤纤维。采用三轴摆式松紧架方便可靠地解决了这个问题。由于多轴筒纤维开卷和预浸料 收卷合理地解决了张力控制这个主要矛盾， 在所研制的预浸料设备上制备出了高质量预浸 料。