一种多束缠绕设备联合驱动系统及其张力控制方法技术方案

本发明专利技术属于纤维缠绕控制技术领域，提供一种多束缠绕设备联合驱动系统及其张力控制方法，解决了纤维缠绕过程中张力波动大，无法恒定输出的问题。建立张力控制系统分数阶数学模型；建立时变分数阶PID控制器；目标张力值和未知外界干扰输入张力控制系统分数阶数学模型，输出实时张力值；目标张力值和实时张力值作差后输入时变分数阶PID控制器，时变分数阶PID控制器的输出值和未知外界干扰输入张力控制系统分数阶数学模型，输出实时张力值；直至张力控制系统分数阶数学模型输出的实时张力值逼近目标张力值。本发明专利技术的控制系统输出张力值可以很好地稳定在目标张力值附近，且在遇到张力突变时，系统具有较强的鲁棒性。系统具有较强的鲁棒性。系统具有较强的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种多束缠绕设备联合驱动系统及其张力控制方法


[0001]本专利技术属于纤维缠绕设备控制
，具体涉及一种多束缠绕设备联合驱动系统及其张力控制方法。

技术介绍

[0002]缠绕设备广泛应用于压力容器和储料容器制作、汽车、航天等行业，纤维缠绕主要是将纤维材料按一定的缠绕方式均匀的覆盖在被缠绕件表面，是一种提升产品性能的加工技术。传统的纤维缠绕设备以单束缠绕为主，为提升效率也继续发展出多工位单束缠绕装置，但该类缠绕设备控制系统自动化程度较低、缠绕效率低，缠绕控制系统简单易受外界干扰，且对张力的恒定控制能力较弱。
[0003]随着多束缠绕设备的诞生，多丝束螺旋环向缠绕设备能够为纤维缠绕工艺开拓广阔的发展空间，多束螺旋缠绕工艺和环向缠绕工艺可以提升纤维缠绕的效率，减少缠绕缺陷，在减少纤维用量的同时提升产品的性能。对于多束缠绕设备的控制系统开发目前研究较少，多束缠绕所面临的控制难题是多轴多设备的协同控制，这对控制系统的同步性、实时性、高精度提出的更高的要求，多束缠绕涉及到的多轴联动系统控制，对柔性制造系统变得不可或缺。
[0004]在复合材料纤维缠绕成型过程中，对缠绕张力的控制是一个重要环节。张力过大会导致纤维断纱和芯模变形，张力过小会使得制品强度低，纤维滑纱现象严重。张力波动会导致缠绕制品密实度低，含胶量不均匀，从而严重影响制品性能。在工业实际生产应用中主要目标是尽可能保证整个生产过程的缠绕张力稳定。在张力控制系统控制方面，由于张力控制系统存在实时性强、多参数、非线性的特点，在纤维缠绕张力控制系统中，缠绕纤维作为一种柔性生产线，由于缠绕线型和芯模的多样性，增加了纤维张力的控制难度，由于芯模形状的急剧变化和外界环境的干扰会导致纤维出纱速度会以较大的加速度变化，从而使纤维在短时间内产生较大的张力偏差，因此需要一种动态响应性能和鲁棒性更强的控制器和方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了解决现有技术中存在的上述至少一个技术问题，提供了一种多束缠绕设备联合驱动系统及其张力控制方法。
[0006]本专利技术采用如下的技术方案实现：一种多束缠绕设备联合驱动系统，包括六自由度机械臂、螺旋缠绕装置、环向缠绕装置、控制器、上位机、被缠绕件、张力控制系统、运载车和移动滑轨；其中，六自由度机械臂用于实现对被缠绕件的抓取、夹持和送返，螺旋缠绕装置用于实现对被缠绕件的螺旋缠绕，环向缠绕装置用于实现对被缠绕件的环向缠绕，控制器用于接收上位机发出的控制指令并传输至相应的执行机构，上位机用于实现对执行机构参数的设定、目标张力值的设定和张力控制系统模型的仿真模拟，运载车用于实现对被缠绕件
的运输，移动滑轨用于实现螺旋缠绕装置或环向缠绕装置的水平滑动；张力控制系统包括放卷辊模块、摆杆模块、张力检测辊、张力伺服电机、张力传感器和时变分数阶PID控制器，其中张力传感器用于实现对张力的实时检测，放卷辊模块、摆杆模块和时变分数阶PID控制器用于根据张力的偏差值对张力伺服电机的输出力矩补偿以实现张力的平稳输出。
[0007]本专利技术还提供了一种多束缠绕设备联合驱动系统的张力控制方法，包括以下步骤，S1：根据放卷辊力矩方程、摆杆速度差方程和电路方程，建立张力控制系统分数阶数学模型；S2：在分数阶PID控制引入时变参数，建立时变分数阶PID控制器；S3：设定目标张力值，目标张力值和未知外界干扰输入张力控制系统分数阶数学模型，输出实时张力值；S4：目标张力值和实时张力值作差后输入时变分数阶PID控制器，时变分数阶PID控制器输出；S4：控制器的输出值和未知外界干扰输入张力控制系统分数阶数学模型，输出实时张力值；S5：重复步骤S3、S4，直至张力控制系统分数阶数学模型输出的实时张力值逼近目标张力值。
[0008]优选地，张力控制系统分数阶数学模型的传递函数为：式中，为张力控制系统的放卷辊模块的分数阶传递函数；为张力控制系统的摆杆模块的分数阶传递函数；，其中是张力伺服电机的转矩常数，是折算到张力伺服电机电机轴上的总摩擦系数，是等效电阻，是反电动势系数；，其中是总转动惯量；，其中是摆杆长度的一半；是引入的微分算子，且；是引入的积分算子，且。
[0009]优选地，时变分数阶PID控制器的传递函数为：式中，为时变分数阶PID控制器的比例系数；为时变分数阶PID控制器的积分系数；为时变分数阶PID控制器的微分系数；为时变分数阶PID控制器的积分算子，且；为时变分数阶PID控制器的微分算子，且。
[0010]优选地，时变分数阶PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数的整定规则如下：
，，式中，为可调参数，且；为调节公式；调节公式的表达式如下：式中，由被控系统时间特性确定，取值范围为，为自然常数。
[0011]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术通过建立更为准确的张力控制系统分数阶数学模型和时变分数阶PID控制器，能够提升张力控制系统动态响应能力、鲁棒性和张力输出精度，张力输出值振动幅值明显减少，且可以较快的恢复到稳定状态，最终张力值可以很好地稳定在目标张力值附近，解决了缠绕过程中恒张力控制问题。
[0012]本专利技术能够完成对被缠绕件缠绕张力自动化控制，提升缠绕效率，实现准确高精度的控制，更好的满足工艺要求，提升系统协同控制能力，且控制系统具有更高的通用性。
附图说明
[0013]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0014]图1为本专利技术的联合驱动系统主控功能模块图；图2为本专利技术的联合驱动系统的设备示意图；图3为本专利技术的张力控制系统的控制流程图；图4为本专利技术的张力控制系统的控制原理图；图5为本专利技术中张力控制系统输出曲线图；图6为本专利技术的多束设备联合驱动控制系统示意图；图7为本专利技术的整体控制系统程序设计流程图。
[0015]图中：1
‑
六自由度机械臂；2
‑
螺旋缠绕装置；3
‑
环向缠绕装置；4
‑
运载车；5
‑
移动滑轨；6
‑
被缠绕件。
具体实施方式
[0016]结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚，完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部实施例。基于本专利技术的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本专利技术所保护的范围。
[0017]须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本专利技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本专利技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应落在本专利技术所揭示的
技术实现思路
能涵盖的范围内，需要说明的是，在本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多束缠绕设备联合驱动系统，其特征在于：包括六自由度机械臂（1）、螺旋缠绕装置（2）、环向缠绕装置（3）、控制器、上位机、被缠绕件（6）、张力控制系统、运载车（4）和移动滑轨（5）；其中，六自由度机械臂（1）用于实现对被缠绕件（6）的抓取、夹持和送返，螺旋缠绕装置（2）用于实现对被缠绕件（6）的螺旋缠绕，环向缠绕装置（3）用于实现对被缠绕件（6）的环向缠绕，控制器用于接收上位机发出的控制指令并传输至相应的执行机构，上位机用于实现对执行机构参数的设定、目标张力值的设定和张力控制系统模型的仿真模拟，运载车（4）用于实现对被缠绕件（6）的运输，移动滑轨（5）用于实现螺旋缠绕装置（2）或环向缠绕装置（3）的水平滑动；张力控制系统包括放卷辊模块、摆杆模块、张力检测辊、张力伺服电机、张力传感器和时变分数阶PID控制器，其中张力传感器用于实现对张力的实时检测，放卷辊模块、摆杆模块和时变分数阶PID控制器用于根据张力的偏差值对张力伺服电机的输出力矩补偿以实现张力的平稳输出。2.一种多束缠绕设备联合驱动系统的张力控制方法，依托于如权利要求1所述的多束缠绕设备联合驱动系统，其特征在于：包括以下步骤，S1：根据放卷辊力矩方程、摆杆速度差方程和电路方程，建立张力控制系统分数阶数学模型；S2：在分数阶PID控制引入时变参数，建立时变分数阶PID控制器；S3：设定目标张力值，目标张力值和未知外界干扰输入张力控制系统分数阶数学模型，输出实时张力值；S4：目标张力...

【专利技术属性】
技术研发人员：段昱杰，梁建国，文新宇，江连运，赵春江，赵晓冬，李银辉，高海峰，刘江林，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：