一、前言
由于纤维与树脂复合材料强度与重量比明显的优于金属，产品结构性能可设计及耐腐蚀等优点，在航天、国防和民用工业中发挥越来越重要的作用。在复合材料缠绕工艺中，合理地控制张力，可以控制树脂含量和使纤维在芯模上按规定线形排列，从而提高纤维的工作应力，充分发挥纤维材料的高强特性。实践证明，如果张力选择不当或张力控制不稳定，可使纤维缠绕制品的强度损失20-30%，可见，性能优良的纤维缠绕机必须配上精确控制张力的张力控制器(简称张力器)。目前国内使用的主要是精度较低机械式张力器，不易保证缠绕过程中的张力要求。为与哈工大缠绕机研究所研制的以及进口的微机控制纤维缠绕机配套使用，研制了精密张力控制器。
二、张力控制系统执行元件的分析与选择
控制纤维缠绕中纱线张力的实质是控制纱线轴的转动阻力炬，一个理想的张力执行系统应能给出稳定、可调的缠绕张力。目前，在张力控制系统中对执行元件控制主要采用两种方法：电机控制和滑动控制。其中电机控制经常应用于对速度和张力都有要求的大规模系统中，滑动控制一般用低张力的小规模系统中。由于纤维缠绕中要求张力值较小且恒定，再加上工作特性、经济性和外型尺寸上的综合考虑，在新研制的数控纤维缠绕机精密张力控制系统中采用的磁粉离合器作为执行元件。
图1 磁粉离合器原理图
可见，当磁粉离合器本身参数已定时，在激磁范围内，磁粉离合器的阻力矩与激磁电流的平方成正比。调节激磁电流的大小，则能调节传递力矩的大小。
该张力控制系统中磁粉离合器选用了宁夏机械研究所研制的FD-1型微型磁粉离合器，主要参数为：Mmax=1N.m；额定电压：V=24V；额定电流：I=1A。
根据工作原则可知磁粉离合器具有以下优良特性：(1)由于其力矩大致和激磁电流成正比，且与其转速无关，因此，能用简单方法来实现力矩的精密微调；(2)在某一特定激磁电流下，力矩与滑差速度无关，大体上是一恒定值，所以连接时安全，没有振动；(3)断开激磁电流时，剩余转矩非常小，因此，在断开时不会发生延迟回转现象。由此可见，磁粉离合器在一定的激磁电流下所能传递的力矩是一定的，可以通过改变激磁线圈中的电流量来改变磁场的强度，使磁粉之间的剪切力发生变化来调节输出力矩大小，从而调节纤维缠绕过程中纱线的张力。
磁粉离合器的磁通增长速度取决于激磁线圈的电感量，是一阶惯性环节。但是，磁通建立后，磁粉由离散状态到形成横过间隙的磁粉链时有延时过程，而且纤维由于自身的伸展性也会延迟张力的建立，这使磁粉离合器带有滞后的特性。因此，磁粉离合器的传递函数应为
，而PWM功率放大器是一个比例环节，则整个系统的开环传递函数为：
，如图2所示。
图2 系统开环传递函数
式中，KP-PWM增益；K0-磁粉离合器增益；τ-磁粉离合器滞后时间；T-时间常数。
由此可以得出：
用阶跃响应曲线法可以求出传递函数G(S)中的未知参数T、τ，试验时，在磁粉离合器的输入端加上一个阶跃信(激磁电压)，然后用光线记录示波器记录纤维张力的响应曲线。
由于在张力控制装置中采用了磁粉离合器做执行元件，因此，必须解决其滞后问题，提高其响应速度，否则将影响整个控制系统的稳定性和精度。此处采用过激控制的方法，即在磁粉离合器启动和停止瞬间，使电压上升到给定张力的最大电压，然后再降到给定电压，从而使力矩曲线的上升沿变得很陡，减少了系统的滞后时间。
三、张力控制系统的分析与设计
新研制的张力控制系统采用中心卷绕、外拉纱线式结构形式。用工业控制机作为整个张力控制系统的核心，用磁粉离合器作为执行元件，用半径反馈装置实时反馈纱团半径变化。该系统具有响应时间短、回纱能力强、结构简单及精度高等特点。张力控制系统原理图如图3所示。
图3 张力控制系统的原理图
图3 张力控制系统的原理图
在张力控制过程中，常速电机通过磁粉离合器与纱团相连，此结构优点是电机可带动几个纱团回纱，便于以后进行系统结构的扩展。由于磁粉离合器的输出力矩等于纱线张力与纱团半径的乘积，因此，为保证纱线张力不变，在纱团解卷半径减少时，磁粉离合器输出力矩也必须随之减小。为此，采用半径反馈装置来检测纱团解卷半径的实时变化值，经A/D转换器反馈到工控机中，经过补偿计算后通过D/A转换器输出模拟电压信号，再经PWM功率放大电路，为磁粉离合器提供激磁电流，通过控制磁粉离合器输出力矩的方法来保护纱线张力恒定。在控制回路中，为保证输入和输出信号的稳定及抗干扰能力，在D/A转换器与磁粉离合器之间加入了继电器隔离输出板(威达公司DB-16R)，A/D转换器与工控机之间加入了光电隔离输入板(威达公司DB-16P)。另外，此系统还有断纱检测、张力值异常报警、张力值、张力通道号及纱团半径实时显示等功能。
四、张力控制系统的软件研制与开发
张力控制系统的软件主要是由主程序和中断服务程序组成。主程序主要完成通道号、初始张力值设定，接口卡初始化，数据采集，张力值计算，D/A电压输出等功能。中断服务程序主要完成断纱检测，张力值异常报警，张力通道号、张力值及纱团半径实时显示、打印、查询等功能。其程序框图如图4、5所示。
图4 主程序框图
图5 中断子程序框图
五、结束语
该数控纤维缠绕机精密张力控制系统为航天工业总公司95期间的重点预研课题，经运行证明，系统设计合理，执行件选择正确，具有结构简单、自动化程度高、回纱能力强和响应速度快等特点，保证了纤维缠绕中张力的精密控制。此张力器可与国产或进口缠绕机配套使用，取代精度较低的机械式张力器，大大提高缠绕构件的质量和生产率，更好地为航天、航空事业服务。
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