專(zhuān)利名稱(chēng)：一種利用可編程多軸控制器實(shí)現(xiàn)張力控制的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)張力控制的方法，適用于采用可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器的復(fù)合材料纏繞/鋪放設(shè)備。
背景技術(shù)：
復(fù)合材料纏繞/鋪放成形過(guò)程中，需要對(duì)紗束/帶的張力進(jìn)行精密控制，使之保持恒定，或者按照一定的規(guī)律變化，以滿(mǎn)足制品力學(xué)和其它工藝性能的要求。傳統(tǒng)的張力控制多采用由機(jī)械式控制，數(shù)控張力控制方式的出現(xiàn)，提高了控制的精度、穩(wěn)定性與可靠性，是目前張力控制系統(tǒng)主要發(fā)展趨勢(shì)?，F(xiàn)有纏繞/鋪放設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制和張力控制通常采用兩套系統(tǒng)，即運(yùn)動(dòng)控制與張力控制在硬件上相互獨(dú)立，導(dǎo)致設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試難度大，在一定程度上影響了高端復(fù)合材料纏繞/鋪放成形設(shè)備的推廣應(yīng)用。
復(fù)合材料纏繞/鋪放成形設(shè)備大都為多軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)展趨勢(shì)之一是采用可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器(Programmable Multi-axes Controller，簡(jiǎn)稱(chēng)PMAC卡或MPAC)進(jìn)行控制。而可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器的控制通道較多(4-8)，運(yùn)動(dòng)控制一般只占用部分通道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在利用可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器卡運(yùn)動(dòng)控制外的剩余通道和控制器的運(yùn)算能力進(jìn)行張力控制，以解決運(yùn)動(dòng)控制與張力控制在硬件上相互獨(dú)立，導(dǎo)致設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試難度大的問(wèn)題。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案張力控制系統(tǒng)采用反饋式控制模式，利用執(zhí)行元件在紗筒上施加阻力矩的方法產(chǎn)生張力，借助張力傳感器，將實(shí)時(shí)張力值反饋給可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器，利用其計(jì)算功能進(jìn)行張力標(biāo)定和控制計(jì)算，控制執(zhí)行元件輸出轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到控制紗束/帶張力的目的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器傳統(tǒng)的速度模式(運(yùn)動(dòng)控制模式之一)，是將電機(jī)的速度(位置)信號(hào)通過(guò)編碼器等傳感器送入控制器，由控制器進(jìn)行相應(yīng)的伺服計(jì)算，控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。應(yīng)用控制器進(jìn)行張力控制，不同于傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制。在控制器平臺(tái)實(shí)現(xiàn)張力閉環(huán)控制的關(guān)鍵是，在控制器的開(kāi)環(huán)模式中，利用其計(jì)算功能將張力測(cè)量值與輸出給執(zhí)行元件的控制信號(hào)間建立虛擬閉環(huán)反饋關(guān)系，實(shí)現(xiàn)張力控制。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)最大程度地利用可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器多通道及多功能的特點(diǎn)，在同一硬件平臺(tái)上既實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制又完成張力控制，增加纏繞/鋪放設(shè)備的可靠性，縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間，減輕維護(hù)負(fù)擔(dān)，對(duì)推廣纏繞/鋪放技術(shù)有重要意義。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明的控制原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
之一做進(jìn)一步詳述具體實(shí)施方式
以采用美國(guó)Delta Tau公司PMAC2A-PC/104卡的多軸纏繞機(jī)為例進(jìn)行說(shuō)明。PMAC2A-PC/104是PMAC產(chǎn)品系列中性?xún)r(jià)比較高的一種，易于實(shí)現(xiàn)低成本和開(kāi)放式數(shù)控，被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床。PMAC2A-PC/104通常配置為4路控制的通道(可以增加到8路通道)，每個(gè)通道均包含了完整的I/O端口等硬件以及相應(yīng)的軟件控制方法。PMAC2A-PC/104卡有脈沖加方向、數(shù)字PWM以及D/A等多種輸出端口，可以連接多種張力控制執(zhí)行元件。PMAC2A-PC/104卡還有編碼器及A/D(增加相應(yīng)附件)等多種輸入接口，允許數(shù)字及模擬量輸入。
對(duì)于三軸纏繞機(jī)，纏繞機(jī)的三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸只需占用PMAC2A-PC/104的3路通道，而剩余的第4通道恰可用于張力控制。
本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，以工控機(jī)作為人機(jī)交互的上位機(jī)，將PMAC2A-PC/104安裝于上位機(jī)主板。鑒于力矩電機(jī)具有在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)發(fā)熱量小、可長(zhǎng)期工作，以及堵轉(zhuǎn)力矩與其電樞電壓成正比等特點(diǎn)。本發(fā)明執(zhí)行元件采用直流力矩電機(jī)，力矩電機(jī)與紗筒直連，工作時(shí)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)電樞電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出力矩的控制進(jìn)而控制張力。張力設(shè)定值由上位機(jī)給出，張力測(cè)量值實(shí)時(shí)反饋，PMAC將測(cè)量值與設(shè)定值進(jìn)行比較運(yùn)算后，輸出控制信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制信號(hào)經(jīng)功率放大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)張力的實(shí)時(shí)控制。如張力測(cè)量信號(hào)是模擬量，需在PMAC增加附件，利用PMAC的A/D通道反饋；如測(cè)量信號(hào)為數(shù)字量，可直接經(jīng)PMAC通道反饋。后者簡(jiǎn)單易行，效果更好。本發(fā)明采用編碼器作為傳感器，通過(guò)張力檢測(cè)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換，將張力值轉(zhuǎn)化為編碼器的脈沖信號(hào)進(jìn)行傳遞。
本發(fā)明的控制流程結(jié)構(gòu)如圖2所示，上位機(jī)將設(shè)定值通過(guò)總線(xiàn)發(fā)送給PMAC，張力值對(duì)應(yīng)的編碼器脈沖，進(jìn)入PMAC2A-PC/104后，PMAC把采集到的脈沖寄存于其內(nèi)存空間默認(rèn)位置，用M變量可以映射到該位置，M變量就可采集到編碼器脈沖。例如，如使用PMAC的第4通道進(jìn)行張力控制，定義M461變量指向卡內(nèi)地址D$00DF，變量M462值即為反饋的脈沖。由于采集的是實(shí)時(shí)張力所對(duì)應(yīng)的脈沖，利用PMAC軟PLC計(jì)算功能將其換算為張力值后，供上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示張力大??；同時(shí)將張力設(shè)定值與實(shí)時(shí)測(cè)量值進(jìn)行比較計(jì)算，得出執(zhí)行元件的控制信號(hào)，在開(kāi)環(huán)控制模式下，PMAC提供了可以改變D/A端口輸出值的寄存器地址，用M變量指向該地址，把控制信號(hào)賦值給相應(yīng)M變量，就可實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的輸出，執(zhí)行元件根據(jù)輸出的信號(hào)改變輸出力矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)紗束張力的實(shí)時(shí)控制。例如，利用#4O0命令在4通道進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，定義M1020變量指向卡內(nèi)地址X$00EE；改變M1020值，可使D/A口輸出調(diào)節(jié)信號(hào)。
PMAC本身具有運(yùn)算功能，特別是集成了軟PLC功能，可用于專(zhuān)門(mén)計(jì)算程序的編制。上述換算以及控制的相關(guān)計(jì)算，均在軟PLC中實(shí)現(xiàn)。軟PLC分為解釋型和編譯型，鑒于編譯型具有執(zhí)行速度快、頻率高的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明采用編譯型以適合變化復(fù)雜的在線(xiàn)纏繞張力控制。
PMAC軟件系統(tǒng)提供了PCOMM函數(shù)庫(kù)，利用這些函數(shù)庫(kù)，可以方便地實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PMAC間的通訊編程。
工業(yè)應(yīng)用中，纏繞/鋪放系統(tǒng)通常要對(duì)多根紗束/帶的張力進(jìn)行控制。在控制精度和響應(yīng)速度不高的情況下，可以PMAC單個(gè)通道以巡檢的方式控制多根紗束/帶的張力。若對(duì)張力控制精度要求較高，則可通過(guò)增加PMAC通道數(shù)(增加附件)解決。例如在采用PMAC2A-PC/104卡的普通數(shù)控三軸纏繞機(jī)上，只要再增加一個(gè)4軸擴(kuò)展板，就可以在纏繞機(jī)上實(shí)現(xiàn)多達(dá)5路以上的張力控制。
其它型號(hào)的PMAC在軟硬件規(guī)格上與PMAC2A-PC/104類(lèi)似，在硬件改動(dòng)不大的情況下，軟件可以移植使用。整套系統(tǒng)基于不同PMAC型號(hào)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)互換。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明涉及一種張力控制的方法，適用于采用可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器的復(fù)合材料纏繞/鋪放設(shè)備，其特征在于張力控制系統(tǒng)采用反饋式控制模式，利用執(zhí)行元件在紗筒上施加阻力矩的辦法產(chǎn)生張力，借助張力傳感器，將實(shí)時(shí)張力值反饋給可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器，利用其計(jì)算功能進(jìn)行張力標(biāo)定和控制計(jì)算，控制執(zhí)行元件輸出轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到控制紗束/帶張力的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的張力控制的方法，其特征在于在可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器的開(kāi)環(huán)模式中，利用其計(jì)算功能將張力測(cè)量值與輸出給執(zhí)行元件的控制信號(hào)間建立虛擬閉環(huán)反饋關(guān)系，實(shí)現(xiàn)張力控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的張力控制方法，其特征在于張力測(cè)量信號(hào)可以是模擬量，通過(guò)可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器的A/D通道反饋。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的張力控制方法，其特征在于張力測(cè)量信號(hào)可以是數(shù)字量，通過(guò)可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器的通道直接反饋。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器卡運(yùn)動(dòng)控制外的剩余通道和控制器的運(yùn)算能力進(jìn)行張力控制的方法，適用于采用可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器的復(fù)合材料纏繞/鋪放設(shè)備。張力控制系統(tǒng)采用反饋式控制模式，利用執(zhí)行元件在紗筒上施加阻力矩的方法產(chǎn)生張力，借助張力傳感器，將實(shí)時(shí)張力值反饋給可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器，利用其計(jì)算功能進(jìn)行張力標(biāo)定和控制計(jì)算，在張力測(cè)量值與輸出給執(zhí)行元件的控制信號(hào)間建立虛擬閉環(huán)反饋關(guān)系，控制執(zhí)行元件輸出轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到控制紗束/帶張力的目的。在同一硬件平臺(tái)上既實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制又完成張力控制，增加纏繞/鋪放設(shè)備的可靠性，縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間，減輕維護(hù)負(fù)擔(dān)，對(duì)推廣纏繞/鋪放技術(shù)有重要意義。
文檔編號(hào)G05B15/02GK1955869SQ20051009499
公開(kāi)日2007年5月2日 申請(qǐng)日期2005年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月25日
發(fā)明者杜巍, 文立偉, 肖軍, 李勇, 吳海橋 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)