VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Рассматривается система регулирования натяжения «мокрой» композиционной ленты. Приведены схемы системы прямого управления моментом электропривода и структурная система автоматизации мокрой намотки. Приведены результаты разработки системы управления электроприводом. Рассмотрены режимы работы оборудования. Сопоставлены результаты работы системы.

Ключевые слова: система регулирования натяжения; мокрая намотка; управление моментом синхронного двигателя

1. Введение

В последнее время изделия, изготавливаемые из композиционных материалов методом намотки, нашли широкое применение во многих отраслях: в космических аппаратах и ракетах, в авиации, в химической промышленности благодаря своим уникальным химико-механическим характеристикам [1]. Существуют два метода намотки изделий: «сухой» и «мокрый». В настоящее время используются оба метода, хотя методом «мокрой» намотки изделия изготавливаются чаще.

До настоящего времени системы регулирования технологических параметров намотки строились с применением электроприводов постоянного тока с тиристорными регуляторами напряжения. Системы управления имели аналоговые контуры управления, что усложняло изготовление систем, их наладку, ограничивало функциональные возможности приводов. В настоящее время, в связи с совершенствованием технологии «мокрой» намотки к системам управления стали прикладываться более жесткие требования, требующие более быстродействующих приводов с возможностью их адаптации к изменяющимся режимам работы в процессе намотки. Изменились и регуляторы натяжения. Вместо простой «восьмерки» стали использоваться комбинированные регуляторы, включающие электропривод и пневматический или механический усилитель [2]. Такое решение позволило уменьшить мощность применяемого электропривода и повысить полосу пропускания системы. В силу указанных обстоятельств в ЮРГПУ(НПИ) была разработана система регулирования натяжения «мокрой» композиционной ленты с регулятором натяжения, оснащенным дополнительным пневматическим приводом, с использованием в качестве исполнительного электрического синхронного двигателя с системой векторного управления фирмы Siemens. Рассмотрим процесс «мокрой» намотки изделий. Схематически тракт намотки показан на рис. 1.

Рис. 1 Намотка изделий «мокрым» методом

На шпулярник 1 устанавливаются бобины с материалом 2. Количество бобин зависит от технологического процесса и может изменяться от 6 до 1200 штук. Сухой еще материал 3 проходит через натяжные устройства 4 и на специальной гребенке 5 формируется в ровницу. Долее ровница проходит через ванночку 6 со связующим. Количество связующего контролируется специальным датчиком 7. Избыток связующего удаляется отжимными роликами 8, зазор между которыми изменяется электроприводом 9. Натяжное устройство 10 состоит из неподвижного ролика 11 и ролика 12, перемещающегося вдоль натяжного устройства при помощи двух параллельно работающих приводов: электропривода 13 и пневмопривода 14. Таким образом, изменяется угол охвата «мокрой» лентой неподвижных роликов 11 и 12 и натяжение самой ленты. Натяжение ленты измеряется измерителем 15. Ролик 16 укладывает ленту на изделие 17 по специальной траектории. Для этого он снабжен механизмами укладки для простоты не показанными на рисунке. Изделие 17 приводится во вращение приводом 18. Отметим, что процессом намотки управляет несколько связанных друг с другом систем. Так процессом пропитки контролируется системой 19, процессом регулирования натяжения системами 20 и 21, процесс вращения изделия – системой 22. Блок 23 контролирует все параметры намотки и управляет ее процессом.

2. Разработанная система управления натяжением

В последнее время синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДПМ) привлекают повышенный интерес в связи с их активным использованием в промышленных электроприводах. Высокая эффективность, малые массогабаритные показатели при больших значениях крутящих моментов в сравнении с приводами с асинхронными двигателями делают такие привода хорошей альтернативой системе «преобразователь частоты – асинхронный электродвигатель». Кроме того, доступность недорогих электронных компонентов и высокие технические характеристики СДПМ позволяют использовать их в прецизионных устройствах электропривода. Общепризнано, что две наиболее подходящие для таких приводов системы управления – это векторное управление (ВУ) и прямое управление моментом (ПУМ). Обе системы контролируют момент и магнитный поток для точной отработки заданной траектории движения, несмотря на изменение параметров двигателя и нагрузки при различных возмущающих воздействиях. Такие системы управления регулируемого электропривода находят применение в промышленных установках, в том числе в станках с мокрой намоткой. По своей технической структуре система управления построена многоуровневой. Функциональная схема автоматизации мокрой намотки представлена на рис. 2. При разработке данной системы были использованы материалы, приведенные в [3-15].

Рис. 2. Функциональная системы автоматизации мокрой намотки

На верхнем уровне используется контроллер фирмы Siemens S7-300, на нижнем электропривод фирмы Siemens Sinamics S120. По технологическому процессу предусмотрены два автоматизированных рабочих места для оператора и технолога. Вся необходимая информации отображается на технологическом дисплее. Схема системы управления натяжением представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема системы управления натяжением

Внутренние контуры регулирования тока ЭП переменного тока, состоящее из автономного инвертора напряжения (АИН), датчиков фазных токов статора (ТА), канала обратной связи по току (ОСТ), регуляторов токов PT_d и PT_q, канала измерения скорости (КС) и блока компенсации перекрестных связей (БК), осуществляют регулирование моментной I_Iq и потокообразующей I_Id=0 составляющих тока статора.

Задание М_ЗАД на контур регулирования моментной составляющей тока статора или якоря поступает от системы регулирования момента двигателя или усилия через блок ограничения момента (БО), блок деления и на некоторый коэффициент 1/К_М.

3. Результаты испытаний разработанной системы

Разработанная система прошла испытания в лабораторных условиях. Графики изменения натяжения, момента на валу двигателя, скорости вращения двигателя и сигналы управления клапанами пневматической системы показаны на рис. 4.

Рис. 4. Результаты лабораторных испытаний электропривода механизма намотки

Из приведенных графиков видно, как на участке 1 сигнал задания натяжения было равно 300Н. В конце участка 1 на систему управления подается задающее воздействие, равное 2500Н. Момент на валу начинает увеличиваться и достигает максимального значения (регулятор тока находится в ограничении) и поддерживается на данном уровне на участке 2. Так как момент двигателя достигает максимального значения, включается в помощь пневматическая система. Открывается клапан и в пневмоцилиндры нагнетается воздух, пневмоцилиндры «помогают» электродвигателю перемещать исполнительный механизм. Скорость двигателя нарастает до значения 500 рад/с, перемещается исполнительный механизм, и натяжение постепенно увеличивается за счет увеличения угла обхвата роликов лентой. В конце участка 2 момент на валу двигателя уменьшается, пневматический клапан выключается, давление в пневмоцилиндрах не изменяется. На участке 3 момент двигателя не превышает максимального значения, и электродвигатель продолжает перемещать исполнительный механизм. На участке 4 момент двигателя изменяется на противоположное значение. Это связано с избыточным давлением в пневмоцилиндрах, вызванное компенсацией динамических составляющих процесса увеличения натяжения на участках 2 и 3. На участке 4 натяжение практически не изменяется, оно застабилизировано на заданном уровне, а давление в пневмоцилиндрах уменьшается. Для этого включается специальный элетропнематический клапан. Скорость двигателя практически равна нулю, перемещение исполнительного механизма незначительные. Далее на участке 5 обеспечивается стабилизация натяжения. Поэтому давление в пневмоцилиндрах в процессе работы не изменяется, так как момент на валу двигателя не достигает максимального значения. Скорость вращения двигателя изменяется незначительно. В конце участка 5 сигнал задания уменьшается до величины, соответствующей натяжению в 300Н. Момент на валу двигателя становится отрицательным и равным максимальному значению, включается электропневматический клапан, окончательно сбрасывающий давление в пневмоцилиндрах. Исполнительный механизм перемещается в исходное положение, что приводит к уменьшению угла обхвата лентой роликов исполнительного механизма, а, следовательно, снижению натяжения.

4. Выводы

Таким образом электропривод в комплексе с пневматической системой обеспечивает быстрое и качественное регулирования натяжения в заданном диапазоне. Пневматическая система помогает электродвигателю при превышении им заданного момента на валу, работают системы асинхронно. Система обеспечивает стабильную и качественную намотку материала на изделие.

Библиографический список

1. Росато Д.В. Намотка стеклонитью / Д.В. Росато, К.С. Грове. – М. Машиностроение. 1969. – 311 с.

2. Заявка 99102699/12 Регулятор натяжения. Авторы Маринин В.И., Семенченко И.Г., опубликовано 10.12.1999

3. Холоденко Н.О. Решение задачи математического описания упругой ленты как объекта управления при намотке тел вращения сложной геометрической формы. Экономика, наука и образование в XXI веке: материалы III региональной научно-практической конференции ученых, студентов и аспирантов (24-25 марта 2011 г., г. Шахты) / Н.О. Холоденко, А.П. Микитинский – Новочеркасск: Лик, 2011. – С. 376-380.

4. Богданов Д.Ю. Математическое описание напотки прямоугольника с закругленными углами. Микроэлектронные и информационно - управляющие системы и комплексы: сборник тезисов и статей Всероссийской научной школы, г. Новочеркасск, 5-7 сентября 2011 г. / Д.Ю. Богданов, Д.В. Чепедникова, А.П. Микитинский // Юж.-Рос. гос техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск: Лик, 2011. – С.141-143.

5. Барыльник Д.В. Особенности реализации режимов ограничений скорости и положения в системах регулирования усилий / Д.В. Барыльник, О.А. Кравченко, А.Б. Бекин // Электротехника. 2014. № 03. С. 39-44

6. Кравченко О.А. Синтез оптимального регулятора усилий в электромеханических системах с упругими связями / О.А. Кравченко, Г.Я. Пятибратов // Изв. вузов. Электромеханика. – 1998. – № 4. – С. 58–63.

7. Пятибратов Г.Я. Создание и внедрение систем управления усилиями в упругих передачах и исполнительных устройствах электромеханических комплексов / Г.Я. Пятибратов, О.А. Кравченко // Изв. вузов. Электромеханика. – 2008. – № 1. – С. 45–56.

8. Кравченко О.А. Многокритериальная методика определения рациональных параметров электроприводов силокомпенсирующих систем / О.А. Кравченко // Изв. вузов. Электромеханика. – 2013. – № 3. – С. 33–38.

9. .Пятибратов Г.Я., Кравченко О.А., Папирняк В.П. Способы реализации и направления совершенствования тренажёров для подготовки космонавтов к работе в невесомости /Изв. вузов. Электромеханика.– 2010.– № 5.– С. 70–76.

10.Кравченко О.А. Принципы построения многокоординатных силокомпенсирующих систем/ Изв. вузов. Электромеханика.– 2008.– № 3.– С. 43–47.

11.Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». Иваново, 2008. 298 с.

12.Кравченко О.А. Математическая модель электромеханической многокоординатной силокомпенсирующей системы / О.А. Кравченко, Д.Ю. Богданов, Д.В. Барыльник // Вестник ЮУрГУ серия "Энергетика". – 2014. – Т. 14, № 1 . – С. 71 – 78.

13.Пятибратов Г.Я. Синтез систем подчиненного регулирования электроприводов, минимизирующих динамические нагрузки в упругих механических передачах/ Г.Я. Пятибратов // Изв. вузов. Электромеханика. – 1982.– № 3. – С. 296–303.

14. Завалий А.А., Кенжаев А.М., Микитинский А.П.Система регулирования натяжения при намотке изделий из композиционных материалов. VII Международная студенческая электронная научная конференция "Студенческий научный форум 2015". Доступ http://www.scienceforum.ru/2015/928/7747

Код для цитирования: Скопировать