专利名称：一种利用可编程多轴控制器实现张力控制的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用可编程多轴运动控制器实现张力控制的方法，适用于采用可编程多轴运动控制器的复合材料缠绕/铺放设备。
背景技术：
复合材料缠绕/铺放成形过程中，需要对纱束/带的张力进行精密控制，使之保持恒定，或者按照一定的规律变化，以满足制品力学和其它工艺性能的要求。传统的张力控制多采用由机械式控制，数控张力控制方式的出现，提高了控制的精度、稳定性与可靠性，是目前张力控制系统主要发展趋势。现有缠绕/铺放设备的运动控制和张力控制通常采用两套系统，即运动控制与张力控制在硬件上相互独立，导致设备结构复杂，调试难度大，在一定程度上影响了高端复合材料缠绕/铺放成形设备的推广应用。
复合材料缠绕/铺放成形设备大都为多轴运动系统，发展趋势之一是采用可编程多轴运动控制器(Programmable Multi-axes Controller，简称PMAC卡或MPAC)进行控制。而可编程多轴运动控制器的控制通道较多(4-8)，运动控制一般只占用部分通道。
发明内容
本发明的目的旨在利用可编程多轴运动控制器卡运动控制外的剩余通道和控制器的运算能力进行张力控制，以解决运动控制与张力控制在硬件上相互独立，导致设备结构复杂，调试难度大的问题。
本发明所采用的技术方案张力控制系统采用反馈式控制模式，利用执行元件在纱筒上施加阻力矩的方法产生张力，借助张力传感器，将实时张力值反馈给可编程多轴运动控制器，利用其计算功能进行张力标定和控制计算，控制执行元件输出转矩，从而达到控制纱束/带张力的目的，系统结构如图1所示。
可编程多轴运动控制器传统的速度模式(运动控制模式之一)，是将电机的速度(位置)信号通过编码器等传感器送入控制器，由控制器进行相应的伺服计算，控制电机运动。应用控制器进行张力控制，不同于传统的运动控制。在控制器平台实现张力闭环控制的关键是，在控制器的开环模式中，利用其计算功能将张力测量值与输出给执行元件的控制信号间建立虚拟闭环反馈关系，实现张力控制。
本发明的优点最大程度地利用可编程多轴运动控制器多通道及多功能的特点，在同一硬件平台上既实现运动控制又完成张力控制，增加缠绕/铺放设备的可靠性，缩短系统开发时间，减轻维护负担，对推广缠绕/铺放技术有重要意义。
图1为本发明的系统结构图；图2为本发明的控制原理图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式
之一做进一步详述具体实施方式
以采用美国Delta Tau公司PMAC2A-PC/104卡的多轴缠绕机为例进行说明。PMAC2A-PC/104是PMAC产品系列中性价比较高的一种，易于实现低成本和开放式数控，被广泛应用于数控机床。PMAC2A-PC/104通常配置为4路控制的通道(可以增加到8路通道)，每个通道均包含了完整的I/O端口等硬件以及相应的软件控制方法。PMAC2A-PC/104卡有脉冲加方向、数字PWM以及D/A等多种输出端口，可以连接多种张力控制执行元件。PMAC2A-PC/104卡还有编码器及A/D(增加相应附件)等多种输入接口，允许数字及模拟量输入。
对于三轴缠绕机，缠绕机的三个运动轴只需占用PMAC2A-PC/104的3路通道，而剩余的第4通道恰可用于张力控制。
本发明系统结构如图1所示，以工控机作为人机交互的上位机，将PMAC2A-PC/104安装于上位机主板。鉴于力矩电机具有在堵转状态发热量小、可长期工作，以及堵转力矩与其电枢电压成正比等特点。本发明执行元件采用直流力矩电机，力矩电机与纱筒直连，工作时处于堵转状态，通过调节电枢电压实现对输出力矩的控制进而控制张力。张力设定值由上位机给出，张力测量值实时反馈，PMAC将测量值与设定值进行比较运算后，输出控制信号给电机驱动器，控制信号经功率放大，驱动电机，实现张力的实时控制。如张力测量信号是模拟量，需在PMAC增加附件，利用PMAC的A/D通道反馈；如测量信号为数字量，可直接经PMAC通道反馈。后者简单易行，效果更好。本发明采用编码器作为传感器，通过张力检测机构转换，将张力值转化为编码器的脉冲信号进行传递。
本发明的控制流程结构如图2所示，上位机将设定值通过总线发送给PMAC，张力值对应的编码器脉冲，进入PMAC2A-PC/104后，PMAC把采集到的脉冲寄存于其内存空间默认位置，用M变量可以映射到该位置，M变量就可采集到编码器脉冲。例如，如使用PMAC的第4通道进行张力控制，定义M461变量指向卡内地址D$00DF，变量M462值即为反馈的脉冲。由于采集的是实时张力所对应的脉冲，利用PMAC软PLC计算功能将其换算为张力值后，供上位机实时显示张力大小；同时将张力设定值与实时测量值进行比较计算，得出执行元件的控制信号，在开环控制模式下，PMAC提供了可以改变D/A端口输出值的寄存器地址，用M变量指向该地址，把控制信号赋值给相应M变量，就可实现控制信号的输出，执行元件根据输出的信号改变输出力矩，实现对纱束张力的实时控制。例如，利用#4O0命令在4通道进行开环控制，定义M1020变量指向卡内地址X$00EE；改变M1020值，可使D/A口输出调节信号。
PMAC本身具有运算功能，特别是集成了软PLC功能，可用于专门计算程序的编制。上述换算以及控制的相关计算，均在软PLC中实现。软PLC分为解释型和编译型，鉴于编译型具有执行速度快、频率高的优点，本发明采用编译型以适合变化复杂的在线缠绕张力控制。
PMAC软件系统提供了PCOMM函数库，利用这些函数库，可以方便地实现上位机与PMAC间的通讯编程。
工业应用中，缠绕/铺放系统通常要对多根纱束/带的张力进行控制。在控制精度和响应速度不高的情况下，可以PMAC单个通道以巡检的方式控制多根纱束/带的张力。若对张力控制精度要求较高，则可通过增加PMAC通道数(增加附件)解决。例如在采用PMAC2A-PC/104卡的普通数控三轴缠绕机上，只要再增加一个4轴扩展板，就可以在缠绕机上实现多达5路以上的张力控制。
其它型号的PMAC在软硬件规格上与PMAC2A-PC/104类似，在硬件改动不大的情况下，软件可以移植使用。整套系统基于不同PMAC型号时，可以实现互换。
权利要求
1.本发明涉及一种张力控制的方法，适用于采用可编程多轴运动控制器的复合材料缠绕/铺放设备，其特征在于张力控制系统采用反馈式控制模式，利用执行元件在纱筒上施加阻力矩的办法产生张力，借助张力传感器，将实时张力值反馈给可编程多轴运动控制器，利用其计算功能进行张力标定和控制计算，控制执行元件输出转矩，从而达到控制纱束/带张力的目的。
2.根据权利要求1所述的张力控制的方法，其特征在于在可编程多轴运动控制器的开环模式中，利用其计算功能将张力测量值与输出给执行元件的控制信号间建立虚拟闭环反馈关系，实现张力控制。
3.根据权利要求1所述的张力控制方法，其特征在于张力测量信号可以是模拟量，通过可编程多轴运动控制器的A/D通道反馈。
4.根据权利要求1所述的张力控制方法，其特征在于张力测量信号可以是数字量，通过可编程多轴运动控制器的通道直接反馈。
全文摘要
本发明涉及一种利用可编程多轴运动控制器卡运动控制外的剩余通道和控制器的运算能力进行张力控制的方法，适用于采用可编程多轴运动控制器的复合材料缠绕/铺放设备。张力控制系统采用反馈式控制模式，利用执行元件在纱筒上施加阻力矩的方法产生张力，借助张力传感器，将实时张力值反馈给可编程多轴运动控制器，利用其计算功能进行张力标定和控制计算，在张力测量值与输出给执行元件的控制信号间建立虚拟闭环反馈关系，控制执行元件输出转矩，从而达到控制纱束/带张力的目的。在同一硬件平台上既实现运动控制又完成张力控制，增加缠绕/铺放设备的可靠性，缩短系统开发时间，减轻维护负担，对推广缠绕/铺放技术有重要意义。
文档编号G05B15/02GK1955869SQ20051009499
公开日2007年5月2日 申请日期2005年10月25日 优先权日2005年10月25日
发明者杜巍, 文立伟, 肖军, 李勇, 吴海桥 申请人:南京航空航天大学