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自动纤维铺丝机张力系统研制

作　者: 刘纪成
导　师: 路华
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 纤维铺放 张力控制系统 DSP
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 31次
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内容摘要


纤维铺放技术是复合材料成型的一种重要工艺方法，其广泛应用于航空领域，尤其是大飞机制造业。纤维自动铺放机床是实现纤维自动铺放工艺的关键装备，是提升航空工业复合材料成型自动化水平的重要支撑。而张力控制器是纤维自动铺放机床中极其重要的一个部件，纤维张力的大小，波动率等直接影响着产品的质量。本课题研究的张力控制器选用上下位机控制方式，采用DSP2812作为主控单元构成下位机，PC机为上位机，松下A4数字交流伺服电机和SMC低摩擦气功作为执行元件，编码器作为反馈元件。由气缸施加压力，通过编码器检测由于张力变化而引起的摆杆的摆动，构成反馈环节，由此构成了闭环控制系统。首先，对张力控制器的机械结构进行了设计，构建了控制系统数学模型，并且通过Matlab建模，分析了系统的稳态误差，并研究了采用增加PID环节后张力控制系统对典型输入信号以及扰动信号的响应特性。然后，搭建了系统的软硬件平台，设计了以DSP为核心的控制系统，电路主要包含DSP最小系统，AD转换，DA转换，RS232通信接口，编码器接口等，并根据该原理图绘制了PCB板。软件方面，采用模块化设计思想，灵活运用DSP内部中断，编写了控制器程序，提高了程序的可读性。最后，搭建了张力控制系统实验平台，利用该系统进行了张力控制实验。实验结果表明，该张力控制系统能够在各种扰动速度下输出较为稳定的张力，张力的波动量较为稳定，最大波动1.8N，在可接受的范围内。同时，在实验中也发现，该张力控制系统存在张力死区，在低张力状态下张力动态调节较为困难。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-16
  1.1 课题背景与来源  8-11
    1.1.1 复合材料特点及其成型工艺  8-9
    1.1.2 纤维自动铺放工艺及其优点  9-10
    1.1.3 纤维铺放工艺中纤维束张力控制的重要意义  10-11
  1.2 纤维张力控制系统研究现状  11-15
    1.2.1 国外研究现状  11-14
    1.2.2 国内研究现状  14-15
  1.3 本课题研究的主要内容  15-16
第2章 张力控制系统总体方案设计  16-22
  2.1 控制系统总体方案  16-17
  2.2 张力控制系统组成  17-21
    2.2.1 张力控制器机械结构  17-18
    2.2.2 编码器选择  18-19
    2.2.3 电机及其工作模式的选择  19
    2.2.4 气动回路的设计  19-20
    2.2.5 控制器的选择  20
    2.2.6 张力传感器的选择  20
    2.2.7 张力控制系统整机实物图  20-21
  2.3 本章小结  21-22
第3章 张力控制系统控制原理  22-29
  3.1 控制系统数学模型的建立  22-26
    3.1.1 交流伺服电机数学模型的建立  22
    3.1.2 张力控制方程  22-23
    3.1.3 控制系统传递函数  23-25
    3.1.4 系统对输入信号以及扰动信号的响应  25-26
  3.2 PID 控制算法的研究  26-28
    3.2.1 PID 数学模型  26-27
    3.2.2 基于不同采样周期的积分分离式 PID 控制策略  27-28
  3.3 本章小结  28-29
第4章 控制系统设计  29-46
  4.1 控制系统硬件设计  29-37
    4.1.1 控制系统硬件总体结构  29
    4.1.2 DSP 最小系统设计  29-31
    4.1.3 编码器接口电路  31-32
    4.1.4 DA 转换电路  32-33
    4.1.5 AD 转换电路  33-34
    4.1.6 串口通信电路  34-35
    4.1.7 电平转换电路  35
    4.1.8 电源电路  35-36
    4.1.9 PCB 设计  36-37
    4.1.10 电气接口电路 PCB 设计  37
  4.2 控制系统软件编写  37-45
    4.2.1 下位机控制程序  37-43
    4.2.2 上位机控制程序  43-45
  4.3 本章小结  45-46
第5章 张力控制系统的实验研究  46-57
  5.1 张力控制系统各元件标定  46-47
    5.1.1 交流伺服电机转速标定  46-47
    5.1.2 张力传感器的标定  47
  5.2 张力控制系统性能测试  47-56
    5.2.1 稳态测试  48-51
    5.2.2 动态测试  51-54
    5.2.3 测试过程中出现的问题  54-56
  5.3 本章小结  56-57
结论  57-59
参考文献  59-62
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  62-64
致谢  64

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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