拉丝机电气化控制与功能改进解读.docx

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拉丝机电气化控制与功能改进解读

郑州大学现代远程教育

毕业设计

题目：

入学年月______________

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指导教师______________

完成时间____年____月____日

拉丝机电气化控制与功能改进

摘要

红外传能光纤可以粗略分为三大类玻璃光纤、晶体光纤和空芯光纤。

从传输激光性能上看，空芯光纤比实芯光纤具有更大的吸引力。

这种光纤损耗很高，并且弯曲半径小于。

其内在优势在于具有能够传输高强度激光的空气内芯，这种空芯结构相对简单和低成本。

一般说来，空芯光纤具有超高的激光阑值、低损耗、无端面反射、耐用和低发散性等优点。

然而，其潜在的缺陷主要是由于弯曲和小数值孔径引起的附加损耗。

尽管如此，今天对于化学传感和温度传感以及外科和工业激光传输系统来说，空芯光纤仍然是最佳选择之一。

 空心光子晶体光纤可以用标准的光纤拉制设备来制造。

首先，将几百个薄壁毛细管堆积在一起制成半成品。

然后经过套包层、拉丝、镀聚合物，得到尺寸和机械特性与标准单模光纤非常相似的光纤。

目前，空心光子晶体光纤的制造工艺发展非常迅速，甚至可以制造长度不限、光学性质一致的光纤—— 至少由熔融石英玻璃制成的空心光子晶体光纤可以达到这样的效果。

拉丝速度是光纤拉丝工艺的关键技术指标，许多拉丝工艺与拉丝设备都是根据拉丝速度来确定参数和性能指标。

因此，在提高拉丝速度的同时，必须同时对拉丝工艺与设备进行改造，形成一整套完整的全新的拉丝技术才能保证生产效率的提升和产品质量的提高。

关键词　光纤拉丝；光纤直径；拉丝塔；动力头；控制系统；单片机

Abstract

Canbephysicalpropertiesofthefiberopticfibercommunicationswiththetraditionalcompletelydifferent,theyaremainlyusedinlengthlessthan1meterofinfraredsensorandinfraredenergytransmissionfields．Infraredopticalfibercancanberoughlydividedintothreecategoriesofglassfiber,crystalopticalfiberandhollow．Fromthetransmissionpropertiesofco2laser,opticalfiberthansolidcorehasmoreattractive．Thiskindoffiberloss,andbendingradiusislessthan,cantransmitthelaserpavilionas．Itsinherentadvantagecanbetransmittedwithhighstrength,thewillofthelaserhollowstructureairrelativelysimpleandlowcost．Generallyspeaking,hollowfiberlaserishighandlowloss,aperturevaluereflected,durableandirrationallowdivergent,etc．However,itspotentialdefectsismainlyduetothebendingandsmalladditionallosscausedbythenumericalaperture．Nonetheless,forchemicalsensorsandtodaytemperaturesensingandsurgicalandindustriallaserhollowopticalfibertransmissionsystem,itisstilloneofthebestchoices．

Photoniccrystalfibercanusehollowfibercontrolequipmenttothestandard．First,hundredsofthincapillarymadeuptogether．ThenafterTaoBaolayer,drawing,polymer,sizeandmechanicalpropertiesandstandardsingle-modeopticalfiberareverysimilartotheopticalfiber．Atpresent,hollowphotoniccrystalfibermanufacturingtechnologyisdevelopingveryfast,evencanproduceunlimitedlengthandopticalpropertiesoffiber-atleastbymeltedquartzglasshollowphotoniccrystalfibercanachievesucheffect．

Drawingspeedisthekeytechnologyofopticalfiberdrawingtechnologyindex,manydrawingtechnologyandequipmentaredrawingaccordingtothedrawingspeedtodeterminetheparametersandperformanceindicators．Therefore,inimprovingdrawingspeed,mustalsotodrawingprocessandequipment,formedasetofcompletenewdrawingtechnologytoensureproductionefficiencyandproductquality．

Keywords　Opticalfiberdrawing,Opticalfiberdiameter,Drawingtower,Head,Controlsystem,SCM

目录

摘要III

AbstractIV

目录VI

第1章等径光纤拉丝系统电气控制结构设计6

1．1直径控制的硬件设计6

1．2直径控制的软件设计7

1．2．1光纤直径读入程序流程7

1．2．2键盘扫描程序流程图9

1．3光纤拉丝模糊控制系统的设计8

1．4光纤拉丝机闭环控制系统的实现9

1．5实验结果10

1．6本章小结11

第2章等径光纤拉丝系统机、电综合控制说明12

2．1手动螺旋推进器控制的精度范围12

2．2电气控制过程说明13

2．3张紧轮的控制作用14

2．4本章小结15

第3章存在的问题及改进措施15

3．1加热炉的问题16

3．2光纤直径的控制问题16

3．2．1光纤尺寸在线检测与控制方法17

3．2．2系统的组成部分及要求17

3．3拉丝机改进实例18

3．3．1改造方案18

3．3．2改造技术要求及技术关键19

3．3．3工频感应炉可不更换感应器进行停炉、开炉19

3．4气体加热炉的原理及改进20

3．4．1气体加热炉的原理20

3．4．2气体炉的结构及设计21

3．4．3气体炉的改进方法21

3．4．4结论22

3．5本章小结23

结论24

参考文献25

第1章光纤拉丝系统电气控制结构设计

光纤的直径可以通过控制拉丝机的转速来控制，由于控制光纤预制棒的电机的转速保持不变，所以拉制出光纤直径的大小只由拉丝机的转速来决定。

拉丝机的转速越快光纤的直径就越小；反之，就越大。

在本课题中，拉丝机即为所选用的微型直流减速电动机90SZ55型。

在本课题中，加热炉、光纤直径测量仪和拉丝机90SZ55组成一个闭环控制系统。

测径仪的信号作为反馈信号传送给单片机，单片机对测量值与预先设定好的标准值进行比较，经过PID运算处理后，来控制拉丝机电枢两端的电压，从而控制电机的转速，使光纤直径达到我们想要的理想值。

在光纤的制造过程中，要保持光纤直径的均匀，有两个因素是至关重要的。

一个是加热炉的温度；另一个是拉丝电机的转速。

本课题只研究拉丝电机的转速控制，而加热炉的温度控制则没有加以研究。

因此，对拉丝电机转速的精确控制是要解决的关键问题。

1．1直径控制的硬件设计

本系统大致可以分为三大部分：

一是直径控制部分；二是键盘和显示部分；三是存储器部分。

所以本系统中用到的硬件设备有：

光纤直径测量仪、单片机8031、系统扩展接口芯片8155、只读存储器ROM2764、随机存储器RAM6264，、微型直流电机90SZ55、电源监测及备用电源系统MAX703、用于电机转速测量及电机运行参数测量的回转编码器ACDMAXl86、LED数段码显示器、4术6输入键盘及各芯片电源系统等。

本系统中的直径控制的原理为：

由直径测量仪测出光纤的直径，测量值传送给单片机，单片机将测量值与事先设定的标准值进行比较，经过数据处理后通过AD558将数字量转化为模拟量，再经过直流电机驱动电路来控制直流电机电枢端电压，从而达到调速的目的。

我们根据要制造光纤的直径值，将直流电机开始工作的转速分为几个不同的档位。

当系统工作时，再根据光纤测径仪测出的直径来控制直流电机转速，这样可以提高控制速度。

在本系统中，光纤直径测量仪由CCD摄像头测出的直径值需经过单片机的处理后才能得到其真实值。

因此，我们要想得到直径的真实值进行对拉丝电机的控制，还需要和测量仪的单片机之间进行串口通信。

1．2直径控制的软件设计

本系统中的软件设计部分由键盘扫描程序、LED数码段显示驱动程序、采样程序、直径控制程序、PID运算子程序、串口通信程序及调用延时子程序等组成。

其中，直径控制程序是程序控制的主要模块。

下面将分别给出光纤直径读入程序流程图、键盘扫描程序流程图。

1．2．1光纤直径读入程序流程

图4—1光纤直径读入程序流程图

1．2．2键盘扫描程序流程图

图4-3控制系统示意图

1．3光纤拉丝模糊控制系统的设计

为了提高光纤成品率和光纤拉丝机的自动化程度，将模糊控制理论应用于光纤拉丝机控制系统中，从而实现对光纤拉丝机的闭环控制。

在光纤拉丝机控制系统设计中，只需要将熟练操作人员的操作经验转换成全面而精确的模糊控制规则，设计出模糊控制。

因此，光纤拉丝机模糊控制设计的核心在于模糊控制器的设计。

它主要由输入量的模糊化、模糊推理和去模糊化（或称为模糊判决）3个部分构成。

在光纤拉丝机模糊控制系统设计中，模糊控制器采用计算机程序来实现。

模糊控制软件设计的流程图如图4-4所示。

计算机程序实现的具体步骤如下：

（1）确定语言变量

图4-4模糊控制软件设计流程图

1）计算系统目标值与反馈值的误差e0。

单片机通过A／D采样获得由激光测径仪测得的光纤丝径的精确值h，然后将其与系统目标值h0比较，得到误差值e=h0-h。

2）计算误差变化率ec。

在一个A／D采样周期内求出丝径误差的变率ec=e2-e1=（h0-h1）-（ho-h2）=h2-h1

（2）输入量的模糊化。

由于得到的误差和误差变化率都是精确量，所以必须将其模糊化为E和EC。

同时，要把语言变量的语言值化为适当论域上的模糊子集。

设E和EC的语言变量的词集均为{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}，设U的语言变量的词集为{NB，NM，Ns，O，PS，PM，PB）。

根据E、EC和U的语言变量给出正态型模糊变量，其正态函数为

μ（x）=exp[-（x-c）2/σ2]（4-1）

式中，口的大小直接影响隶属度函数曲线的形状。

隶属度函数的形状越陡，分辨率就越高，控制灵敏度也较高；相反，若隶属度函数变化缓慢，控制性能特性较平缓，盯系统的稳定性较好。

σ0一般取0．4～0．8。

（3）模糊控制规则。

根据专家的知识或操作人员的经验编写控制规则，控制规则一般为多条，故需要制定总的模糊控制规则，作为模糊推理的基础。

目前，模糊推理常用的方法是Mamdani法。

光纤拉丝机控制系统中的模糊控制器的结构是二维的，二维模糊控制器同时考虑了丝径误差和误差变化的影响，控制性能良好。

因此，该模糊控制系统中的模糊条件语句可以用“若A且B则C”表示，在模糊推理运算时，该模糊条件语句可表示为R=（A×C）．（B×C），则根据上述模糊控制规则设计的基本思想可得模糊控制规则表。

可以根据模糊控制表编写出相应的控制程序。

（4）语言变量E和EC作为模糊推理的输入，再由语言变量E和EC和总的模糊控制规则R，根据合成推理得到模糊控制量U=（E×EC）T．R。

（5）去模糊化。

为了对被控对象实现精确的控制，必须将模糊控制量U去模糊化，转化为精确控制量u。

在根据模糊控制表求出U后，利用最大隶属度法反模糊化，可得到精确的输出控制信号u。

计算机完成上述5个步骤后，即完成了一步控制；等到下一次A／D采样结束后，再进行第二步控制；如此循环下去，实现对拉丝电机的控制。

光纤拉丝机控制系统中所采用的模糊控制实现方法是查表法。

离线计算得到模糊控制的查询表，在软件设计时将该表格事先置入内存中供实时查表使用。

在实际控制时，模糊控制器首先把输入量量化到输入量的语言变量论域中，再根据量化的结果去查表求出控制量，这样可大大提高模糊控制的实时效果，节省内存空间。

1．4光纤拉丝机闭环控制系统的实现

在光纤拉丝机模糊控制系统中，模糊控制器的实际载体是51系列单片机。

系统输入接口由A／D转换模块构成，输出接口由D／A转换模块组成。

根据本系统激光测径仪和拉丝电机的实际性能指标，选择o～10V作为A／D模块输入电压，±5V作为D／A模块输出电压。

激光测径仪为反馈元件，实时监测光纤丝径值并将其转换为与之对应的模拟信号量。

交流伺服电机充当执行元件，光纤丝径值为被控对象。

通过改变伺服电机的转速来实现对光纤丝径值的控制。

整个系统通过测径仪反馈信号，形成闭环控制。

图1-5所示为光纤拉丝机闭环控制系统框图。

图4-5光纤拉丝机闭环控制系统框图

在光纤拉丝机工作过程中，系统通过上位PC机监测和控制拉丝情况，拉丝结束后对数据进行报表打印等。

而直接对交流伺服电机实行控制的是单片机，并且实时丝径检测值的采集等都是通过单片机实现的。

因此，上位PC机和单片机之间要有相应的通信功能。

串行通信端口在系统控制的范畴中一直占据着极其重要的地位，它不仅没有因为时代的进步而遭淘汰，反而在规格上越来越完善，应用也越来越广泛，串行通信端口RS232已经是计算机上的标准配置。

所以，在光纤拉丝机控制系统的设计中采用常用的串行通信方式实现上位PC机和单片机间的通信功能。

第2章光纤拉丝系统机、电综合控制说明

在本文的第1章分别讲述了本课题系统中涉及到的机械部分、电气部分。

在本章节中，将讲述机械、电气两部分是如何实现对光纤直径的综合控制，从而确保拉制出来的光纤直径是均匀的。

保证了拉制出来的光纤质量是可靠的。

2．1手动螺旋推进器控制的精度范围

手动螺旋推进器是本系统的手动控制部分，其控制的精度Lk较低。

在本系统中，手动螺旋推进器是有以下几个部件组成的。

一是螺旋旋转轴；一是手柄销；一是装载螺旋轴的M型活1：

1。

手动螺旋推进器的工作原理如下：

手柄销360度旋转，带动螺旋轴转动，由于旋转轴的轴向被固定，所以旋转轴只能沿径向旋转。

根据相对运动的原理知：

与螺旋轴相啮合的弯板将会沿着轴向移动即左右移动。

由于弯板与装有拉丝轴01的滑块是用螺钉给固定在一起，所以弯板的左右移动就会推动滑块的左右移动，而拉丝轴是固定在滑块的内部，所以推动拉丝轴的左右移动。

如系统装配图所示，手动螺旋推进器可以推动拉丝轴01沿左右方向移动，从而带动轴01上的拉丝轮01左右移动，由于拉丝轴02是固定不动的，即拉丝轮02也是固定不动的，从而控制光纤拉丝的挤压力。

当手动螺旋推进器推动拉丝轴01向右移动时，光纤拉丝的挤压力变大，则拉制出来的光纤直径变小；同理，当手动螺旋推进器推动拉丝轴01向左移动时，光纤拉丝的挤压力变小，拉制出来的光纤直径变大。

手动螺旋推进器向右移动的范围是0～5mm；向左移动的范围是0～10mm；由于拉制出来的光纤直径是很细的，一般在2~3mm左右，所以手动螺旋推进器的移动范围足够满足光纤直径的拉丝要求。

这是粗略的手动机械调节装置。

2．2电气控制过程说明

由直流电机脉宽调速系统电路图可知，调速的工作原理如下：

首先由光纤测径仪检测到从拉丝炉中出来的光纤直径，由BCD码译码器经过四位D数据线DO、D1、D2、D3输入给接口芯片8155，8155将接受到的数据传送给单片机8031，同时将接受到的数据保存在ROM2764和RAM6264中，防止数据丢失。

同时将检测到的光纤直径值传送给数码段显示器，由键盘控制数码段的显示。

单片机将接受到的数据值与预先设定好的标准值进行比较比较完毕后，单片机输出一个反馈信号给芯片MAXl86，MAXl86的一个输出端CHl接在电动机的电枢两端，当比标准值大时，CHl两端的电压降变小，则此时电动机的转速就会变慢，从而光纤的挤压力增大。

光纤直径变小，从而达到设定的标准值。

所以，电机转速越快，光纤直径就越小；电机转速越慢，光纤直径就越大。

另外，单片机还将反馈信号传送给传感器，当光纤拉丝到一定长度时，这个长度预先在单片机内存中设置好。

由传感器检测到的信号经单片机的比较确认，当拉丝长度达到时，单片机输出信号给机械传感器，然后由机械传感器的机械力将光纤剪断。

2．3张紧轮的控制作用

传动带的材料不是完全的弹性体，因而带在工作一段时f白J后会发生塑性伸长而松弛，使张紧力降低。

因此，带传动需要有重新张紧的装置，以保证带的正常工作。

张紧装置分定期张紧和自动张紧两类。

由于本系统采用同步带传动，所以需要有张紧装置。

带传动一段时间后，会松弛，这样导致拉丝轮之问传动的不准确，而本系统中对拉丝轮的传动要求比较高。

所以为了准确传动，本系统中采用了带有弹簧装置的自动张紧的张紧轮。

其机械结构图在系统装配图中已给出。

这种自动张紧的方法有利于延长同步带的工作寿命。

第3章存在的问题及改进措施

3．1加热炉的问题

尽管本课题没有论述加热炉的问题，但是加热炉的温度在光纤的拉制过程中确实起着非常重要的作用。

所以加热炉的温度控制问题在本章节中单独列出来。

以作理论补充。

加热炉是拉制光纤的关键设备之一。

加热炉的温度控制的精度对于所拉制出来的光纤的光学性能及机械性能都具有决定性的影响。

所以必须想法设法提高加热炉的温度控制精度。

一般的电加热炉温度控制系统的主要缺点是温度波动范围大。

由于它主要通过控制接触器的通断时问比例来达到改变热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低，故温度控制精度低。

我们可以采用单片机脉宽调温闭环系统，它以803l单片机作为该控制系统的核心，采用脉冲宽度调制技术，双向可控硅技术，工作稳定、性能可靠。

热电偶的冷端补偿采用热电阻温度传感器，测量准确。

克服了常规方法补偿误差大的缺点。

采用单片机控制的温度系统可以使炉温控制误差达到正负1摄氏度。

3．2光纤直径的控制问题

近年来，随着纤维光学的发展，光纤制造与应用的研究得到飞速的发展，并且在制造工艺，传输特性和机械性能等各方面都取得了显著的进展，除所用材料外，光纤的性能还取决于纤维制造工艺，光纤的制备主要包括预制棒的制备和拉丝两个工序，光纤的传输损耗和带宽在很大程度上依赖于制造工艺，而直径的均匀性和强度则依赖于拉丝工艺。

光纤尺寸在线检测和控制，对提高光纤的生产质量起到了很重要的作用。

3．2．1光纤尺寸在线检测与控制方法

在本系统中，为保证拉出的光纤尺寸均匀，减小直径的波动，热源需稳定在299摄氏度与301摄氏度之问。

光纤拉制的电机转速也需匀速稳定，并保证电炉温度与拉丝速度相匹配。

为保证光纤的生产质量，必须有检测系统对光纤生产中光纤尺寸进行在线实时检测与控制。

为了检测光纤生产中光纤拉丝日仃后尺寸的变化，本课题在系统中加了一个带有反馈环的闭环控制系统。

在反馈信号的闭环控制系统下，根据测量结果和光纤尺寸的要求，可对电炉和光纤拉丝机速度以及光纤直径进行在线实时检测与控制。

比如，当光纤直径尺寸大于要求尺寸时，可通过反馈信号提高电炉温度和增加拉制电机的速度；反之，可降低电炉温度和减小拉制电机速度，以保证光纤生产尺寸要求。

3．2．2系统的组成部分及要求

本系统是一个光学、机械、电子学和计算机等综合的在线检测系统，其包括以下几个部分：

（1）高性能的扫描光学系统。

对激光扫描检测系统来说，扫描速度应是平稳、均匀的，且扫描光束应和光轴平行。

在设计时，除了考虑速度外，还要通过改变有关光学参数以减小准值误差。

最后，根据测量精度要求进行优化。

（2）光电变化电子学系统和单片机微机实时控制与数据处理系统。

光电变化电子学系统主要是将携带有被测信息的一系列光强调制信号，高速地、不失真地转化成电信号，送到主控制器进行实时数据处理，给出测量结果。

为适应激光扫描检测系统速度快，信息量大，数据处理繁重，控制方便等要求，本系统必须采用内存大的微型单片机作为主控制器。

以单片微机作为主控制器，主要考虑的不仅仅是要保证测量精度所需要的数据处理精确可靠，同时要考虑在线检测要适应光纤生产要求的高速性和实时性。

（3）精密机械系统。

本精密机械系统最重要的作用是保证光学系统性能参数的准确性和稳定性。

对关键零部件的公差和材料给予严格的要求，以保证整个系统的工作性能。

3．3拉丝机改进实例

西古光纤光缆有限公司（简称西古公司）80年代末引进的日本古河光纤拉丝设备,其机械运行最高速度为300m/min。

受生产条

件的限制,光纤拉丝速度一直运行在80～120m/min,生产效率较低。

进口一套高速拉丝设备约需1500万元,费用较高。

为了满足光纤需求,西古公司决定对光纤拉丝机实施提速改造。

原计划请日本古河电气株式会社全部承担这项改造,需用费用270元。

因资金紧缺,西古公司决定自主独立实施拉丝机提速改造。

3．3．1改造方案

经过分析后确认:

制约西古公司拉丝速度的主要原因是裸光纤冷却不足和对涂层进行光固化的能力不足。

提速改造主要是解决

这两方面的不足。

对裸光纤冷却不足,可采用两种方案:

（1）进口一套光纤冷却系统,约需资金85万元;

（2）加大光纤自然冷却空间,具体方法是改造拉丝机塔架,提高拉丝炉的高度,进而加长炉口与涂覆装置间的有效冷却空间,此方案约需资金10万元。

我们采用方案

（2）来满足光纤冷却的不足。

对涂层光固化能力不足可进口一套美国福深公司制造的UV固化系统,由三套UV灯对涂层进行光固化。

3．3．2改造技术要求及技术关键

技术要求如下:

（1）拉丝中心线的垂直度设计要求必须达到3/105（3/10万；

（2）拉丝中心线不得偏离牵引中心点0．3mm；

（3）光纤冷却空间不小于4m；

（4）提速后拉丝速度应不小于200m/min