專利名稱：低溫碳化爐系統(tǒng)中的碳布張力自動(dòng)控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)電自動(dòng)控制裝置，具體是一種燃料電池用碳 布低溫碳化爐系統(tǒng)中的碳布張力自動(dòng)控制裝置。
背景技術(shù)：
在燃料電池用碳布的低溫碳化工藝過程中碳布的張力是一個(gè)很重要的參數(shù)，它 直接影響碳布的強(qiáng)度。國際上通用的碳纖維生產(chǎn)工藝是先將聚丙烯腈纖維預(yù)氧化后 經(jīng)1000-150(TC的碳化，如經(jīng)過更高溫度的處理則可得到石墨纖維或石墨化碳纖維。 目前石墨化碳纖維產(chǎn)品主要由國外進(jìn)口，生產(chǎn)石墨化碳纖維的關(guān)鍵之一是專用生產(chǎn) 設(shè)備能否滿足生產(chǎn)工藝要求?，F(xiàn)有的改進(jìn)工藝是先將預(yù)氧化纖維紗線編織成布，然 后通過碳化爐碳化，最后再經(jīng)石墨化高溫處理。在碳化過程中碳布本身會(huì)有熱收縮 現(xiàn)象。對(duì)這種熱收縮不加管理，將直接導(dǎo)致構(gòu)成纖維的碳原子排列無序、構(gòu)成紗線 的纖維之間松散，從而降低紗線乃至布的強(qiáng)度?？刂七@種熱收縮的有效方法是對(duì)行 進(jìn)在碳化爐中的布施加牽伸張力。牽伸張力通過收放絲機(jī)構(gòu)差速實(shí)現(xiàn)，但牽伸張力 的大小往往無法顯示，或者能夠顯示往往沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，因此不能在最佳牽伸 力的條件下生產(chǎn)，致使?fàn)可觳荒馨l(fā)揮應(yīng)有的作用。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，發(fā)明名稱為 一種高強(qiáng)高模碳纖維專用生產(chǎn)設(shè) 備，申請(qǐng)?zhí)朇N02135138.4，申請(qǐng)日2002.6.20
公開日2002.12.18,該技術(shù)自述高頻 加熱反應(yīng)管分段設(shè)計(jì)，依次由脫氧段、裂解段、石墨化段、氣冷段和水冷段組成， 碳纖維在分段的反應(yīng)管中連續(xù)的通過，石墨化段的反應(yīng)溫度控制在2500—2650'C， 在催化劑的作用下完成碳纖維的石墨化過程。牽伸裝置增加了牽伸力顯示器；通過 光學(xué)測溫使反應(yīng)管內(nèi)微小的溫度變化變成電信號(hào)反饋到高頻發(fā)生器內(nèi)，由計(jì)算機(jī)控 制和調(diào)節(jié)高頻發(fā)生器的輸出功率。采用該裝置生產(chǎn)的石墨化碳纖維具有高強(qiáng)、高模 的力學(xué)性能，強(qiáng)度>3.56 &，模量〉400GPa。但是該技術(shù)僅通過前組合輪的阻力作 用和調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制對(duì)碳纖維的牽伸力，沒有述及牽伸力的反饋控制，而 且該技術(shù)僅是使?fàn)可炝Χ炕@示。日本專利名稱為METHOD FOR PRODUCING CARBON FIBER (—種制備碳纖維的 方法)，申請(qǐng)?zhí)朖P2007314901,申請(qǐng)日2006.05.24，
公開日2007.12. 06，但該技術(shù) 僅公開了應(yīng)用于長絲纖維的技術(shù)方案，對(duì)于碳布的實(shí)施方式并無記載，同時(shí)該技術(shù) 對(duì)張力的控制局限于很小范圍。
再經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，日本三菱麗陽株式會(huì)社的中國專利申請(qǐng)，名稱為用于碳纖維 的丙烯腈基前體纖維及其制備方法，CN200410006862. 1，申請(qǐng)日1999.07.22,公開 日2004.10.13，該技術(shù)揭示了一種碳纖維的丙烯腈基前體纖維的制備方法，該技術(shù)
的缺陷在于必須通過滾筒多次加溫拉伸以提高碳纖維的拉伸比。
現(xiàn)有技術(shù)采用碳化爐和石墨化爐內(nèi)加熱碳素纖維，同時(shí)沿纖維方向加軸向張力 牽伸，使石墨微晶層沿纖維軸向重新排列取向，達(dá)到提髙抗拉模量和強(qiáng)度的效果。 由于碳纖維中存在著大量石墨微晶，這些微晶尺寸及完善化程度及之間互相聯(lián)結(jié)關(guān) 系對(duì)最終形成的石墨化纖維力學(xué)性能有重要的影響，這就大大增加了設(shè)備的造價(jià)和 工藝操作難度。這就使得低溫碳化爐內(nèi)的設(shè)計(jì)上具有很高的難度，使成品率降低， 價(jià)格昂貴，以及無法實(shí)現(xiàn)真正連續(xù)化纖維的加工。由于國際上僅有少數(shù)幾個(gè)國家能
夠生產(chǎn)該項(xiàng)產(chǎn)品，為滿足尖端學(xué)科和軍工部門的需要，需要以4000-6000元/kg的 髙價(jià)從國外進(jìn)口。上述因素均嚴(yán)重限制了我國石墨化纖維的研發(fā)和推廣應(yīng)用。
上述現(xiàn)有技術(shù)存在明顯問題和不足，由于碳布在低溫碳化爐內(nèi)隨著揮發(fā)份的逸 出會(huì)有收縮，即使上述三項(xiàng)現(xiàn)有技術(shù)相結(jié)合，亦未能解決基于無超調(diào)PID算法的反 饋控制策略的技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種低溫碳化爐系統(tǒng)中的碳布 張力自動(dòng)控制裝置，由張力傳感器直接測出碳布的實(shí)際張力值反饋回張力控制器， 構(gòu)成閉環(huán)張力自動(dòng)控制系統(tǒng)，達(dá)到了精確控制碳布張力的目的。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括電位器、進(jìn)口變頻控制器、 進(jìn)口驅(qū)動(dòng)輥、張力控制器、張力輥、出口變頻控制器和出口驅(qū)動(dòng)輥，其中進(jìn)口驅(qū)
動(dòng)輥置于低溫碳化爐前，進(jìn)口變頻控制器與電位器和進(jìn)口驅(qū)動(dòng)輥組成閉環(huán)反饋鏈路， 低溫碳化爐后依次放置張力輥和出口驅(qū)動(dòng)輥，張力控制器分別與張力輥和出口變頻 控制器連接，出口變頻控制器連接出口驅(qū)動(dòng)輥輸出碳布。所述的進(jìn)口驅(qū)動(dòng)輥包括變頻調(diào)速電機(jī)、減速箱、進(jìn)口動(dòng)力輥和進(jìn)口壓緊輥， 其中變頻調(diào)速電機(jī)與減速箱相連，減速箱連接至進(jìn)口動(dòng)力輥，兩個(gè)進(jìn)口壓緊輥分 別置于進(jìn)口動(dòng)力輥的前后用于將碳布?jí)壕o。
所述的張力輥包括檢測輥、軸承座、張力傳感器和導(dǎo)向輥，其中檢測輥?zhàn)?右兩側(cè)分別裝有軸承座，兩個(gè)張力傳感器分別設(shè)置于軸承座下，張力傳感器的輸出 端連接至張力控制器的輸入端并傳輸張力值信號(hào)，兩個(gè)導(dǎo)向輥沿碳布輸送方向分別 設(shè)置于檢測輥的前后，該導(dǎo)向輥的髙度低于檢測輥。
所述的出口驅(qū)動(dòng)輥包括變頻調(diào)速電機(jī)、減速箱、出口動(dòng)力輥、出口壓緊輥， 變頻調(diào)速電機(jī)經(jīng)減速箱去驅(qū)動(dòng)動(dòng)力輥，兩個(gè)出口壓緊輥分別置于出口動(dòng)力輥的前后 用于將碳布?jí)壕o。
所述的張力控制器包括信號(hào)接收模塊、比較模塊和信號(hào)輸出模塊，其中信號(hào) 接收模塊與張力輥連接并接收張力輥輸出的張力值信號(hào)，比較模塊連接信號(hào)接收模 塊并對(duì)張力值信號(hào)進(jìn)行無超調(diào)PID算法比較后輸出張力值更新信號(hào)至信號(hào)輸出模塊， 信號(hào)輸出模塊與出口變頻控制器相連接并輸出張力值更新信號(hào)。
所述的無超調(diào)PID算法包括比例運(yùn)算、抗飽和積分運(yùn)算、微分運(yùn)算和模糊控制 運(yùn)算的算法規(guī)則，采用自適應(yīng)反饋方式確定張力值更新信號(hào)。
本發(fā)明工作時(shí)，進(jìn)口變頻控制器進(jìn)行閉環(huán)速度控制變頻調(diào)速電機(jī)，通過用戶手 動(dòng)調(diào)節(jié)電位器可改變進(jìn)口驅(qū)動(dòng)輥速度，碳布通過檢測輥時(shí)張力傳感器敏感元件檢測 出即時(shí)張力值并處理成張力值信號(hào)。當(dāng)碳化爐內(nèi)碳布的張力因碳布內(nèi)部或外部原因 發(fā)生變化時(shí)，張力傳感器根據(jù)即時(shí)測出的張力值，轉(zhuǎn)換成張力值信號(hào)后反饋回張力 控制器。張力控制器通過對(duì)張力值信號(hào)與控制器預(yù)先設(shè)定的張力值相比較并進(jìn)行無 超調(diào)PID算法處理后送至出口變頻控制器，進(jìn)而改變出口驅(qū)動(dòng)棍的轉(zhuǎn)速使張力回復(fù) 到原來的預(yù)設(shè)張力值，最終達(dá)到碳布所承受的張力保持恒定。
本發(fā)明由于是根據(jù)碳布的實(shí)際張力值進(jìn)行張力自動(dòng)控制，所以張力控制精度可 達(dá)到土0.25N，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度也快；可對(duì)所需的張力值作精細(xì)的調(diào)節(jié)；改變碳 布運(yùn)行速度時(shí)其張力保持恒定不變。本發(fā)明采用了張力傳感器直接測出碳布的實(shí)際 張力值，反饋回張力控制器作無超調(diào)PID算法處理后送至變頻控制器，改變出口驅(qū) 動(dòng)棍的轉(zhuǎn)速，從而使碳布張力保持恒定不變。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)從而獲得相對(duì)穩(wěn)定的碳布張力張力傳感器測得碳布的即時(shí)張力值并通過反饋閉環(huán)控制，使得對(duì)碳布的張力控制精 度高，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快，通過手動(dòng)調(diào)整電位器即可使得本發(fā)明穩(wěn)定于新的平 衡反饋回路，從而能夠針對(duì)不同材質(zhì)的碳布進(jìn)行精細(xì)的調(diào)節(jié)，方便工藝操作。


圖l為本發(fā)明的系統(tǒng)示意其中l(wèi)-電位器、2-進(jìn)口變頻控制器、3-變頻調(diào)速電機(jī)、4-減速箱、5-進(jìn)口動(dòng) 力輥、6-第一進(jìn)口壓緊輥、7-第二進(jìn)口壓緊輥、8-張力控制器、9-第一張力傳感器、 10-第二張力傳感器、11-檢測輥、12-第一軸承座、13-第二軸承座、14-第一導(dǎo)向輥、 15-第二導(dǎo)向輥、16-出口變頻控制器、17-變頻調(diào)速電機(jī)、18-減速箱、19-出口動(dòng)力 輥、20-第一出口壓緊輥、21-第二出口壓緊輥、22-進(jìn)口驅(qū)動(dòng)輥、23-低溫碳化爐、 24-張力輥、25-出口驅(qū)動(dòng)輥、26-碳布。
圖2為本發(fā)明的張力傳感器工作原理示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為 前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述 的實(shí)施例。
如圖l所示，本實(shí)施例包括電位器l、進(jìn)口變頻控制器2、張力控制器8、出 口變頻控制器16、進(jìn)口驅(qū)動(dòng)輥22、張力輥24、出口驅(qū)動(dòng)輥25,其中進(jìn)口驅(qū)動(dòng)輥 22置于低溫碳化爐23前，電位器1連接進(jìn)口變頻控制器2控制進(jìn)口驅(qū)動(dòng)輥22,低 溫碳化爐23后依次放置張力輥24和出口驅(qū)動(dòng)輥25，張力控制器8分別與張力輥24 和出口變頻控制器16連接，出口變頻控制器16連接出口驅(qū)動(dòng)輥25輸出碳布26。
所述的進(jìn)口驅(qū)動(dòng)輥22包括變頻調(diào)速電機(jī)3、減速箱4、進(jìn)口動(dòng)力輥5、第一進(jìn) 口壓緊輥6和第二進(jìn)口壓緊輥7，其中變頻調(diào)速電機(jī)3與減速箱4相連，減速箱4 連接進(jìn)口動(dòng)力輥5，第一進(jìn)口壓緊輥6和第二進(jìn)口壓緊輥7分別置于進(jìn)口動(dòng)力輥5的 前后用于將碳布26壓緊在進(jìn)口動(dòng)力輥5上。
所述的張力輥24包括檢測輥ll、第一軸承座12、第二軸承座13、第一張力 傳感器9、第二張力傳感器10、第一導(dǎo)向輥14和第二導(dǎo)向輥15，其中檢測輥11左 右兩側(cè)分別裝有第一軸承座12和第二軸承座13，第一張力傳感器9和第二張力傳感 器10分別設(shè)置于第一軸承座12和第二軸承座13下端以及碳布26的外側(cè)，第一張力傳感器9和第二張力傳感器10的輸出端連接至張力控制器8的輸入端并傳輸張力 值信號(hào)，第一導(dǎo)向輥14和第二導(dǎo)向輥15沿碳布輸送方向設(shè)置于檢測輥11的前后， 該第一導(dǎo)向輥14和第二導(dǎo)向輥15的高度低于檢測輥11。
所述的第一張力傳感器9、第二張力傳感器10為電阻應(yīng)變式張力檢測器。
所述的出口驅(qū)動(dòng)輥25包括變頻調(diào)速電機(jī)17、減速箱18、出口動(dòng)力輥19、第 一出口壓緊輥20和第二出口壓緊輥21，其中變頻調(diào)速電機(jī)17與減速箱18相連接， 減速箱18與動(dòng)力輥19連接，第一出口壓緊輥20和第二出口壓緊輥21分別置于出 口動(dòng)力輥19的前后用于將碳布26壓緊在出口動(dòng)力輥19上。
所述的張力控制器8包括信號(hào)接收模塊、比較模塊和信號(hào)輸出模塊，其中信 號(hào)接收模塊與張力輥連接并接收張力輥輸出的張力值信號(hào)，比較模塊連接信號(hào)接收 模塊并對(duì)張力值信號(hào)進(jìn)行無超調(diào)PID算法比較后輸出張力值更新信號(hào)至信號(hào)輸出模 塊，信號(hào)輸出模塊與出口變頻控制器相連接并輸出張力值更新信號(hào)。
所述的無超調(diào)PID算法具體是指包括比例運(yùn)算、抗飽和積分運(yùn)算、微分運(yùn)算和 模糊控制運(yùn)算的算法規(guī)則，采用自適應(yīng)反饋方式確定張力值更新信號(hào)。
如圖2所示，碳布26通過檢測輥11時(shí)分別對(duì)兩側(cè)的第一張力傳感器9、第二張
力傳感器10施加負(fù)載G，使張力傳感器檢測出碳布26的即時(shí)張力值F，則有
C^F(sing+sin《)+『，
當(dāng)《=《=0時(shí)，G = 2Fsin<9 +『，其中G為負(fù)載，F(xiàn)為碳布的即時(shí)張 力值，『為檢測輥11的自重，《是第一導(dǎo)向輥14和檢測輥11的外緣切線與水平 線所成角度，6>2是第二導(dǎo)向輥15和檢測輥11的外緣切線與水平線所成角度。
當(dāng)靜止?fàn)顟B(tài)或正常工作時(shí)，《和《為自然常數(shù)，因此負(fù)載與碳布的即時(shí)張力值 成線性關(guān)系，系數(shù)(sin《+ sin<92)為定值，且線性偏移量『為檢測輥?zhàn)灾?；進(jìn)口
動(dòng)力輥5由變頻調(diào)速電機(jī)3驅(qū)動(dòng)，由變頻控制器2進(jìn)行閉環(huán)速度控制，通過電位器1 手動(dòng)調(diào)節(jié)速度，轉(zhuǎn)速固定不變，出口動(dòng)力輥19由變頻調(diào)速電機(jī)17驅(qū)動(dòng)，由出口變 頻控制器16進(jìn)行閉環(huán)速度控制。檢測輥11測出的張力值經(jīng)張力控制器8處理后送 至出口驅(qū)動(dòng)輥的變頻控制器16，自動(dòng)調(diào)節(jié)出口動(dòng)力輥19的轉(zhuǎn)速。
當(dāng)碳布26的張力發(fā)生變化時(shí)，第一張力傳感器9和第二張力傳感器10測出變化后的張力值信號(hào)并輸出至張力控制器8，由張力控制器8處理后控制出口變頻控制 器16進(jìn)而改變出口動(dòng)力輥19的轉(zhuǎn)速，使碳布26中的張力恢復(fù)至預(yù)設(shè)值，從而達(dá)到 張力保持恒定。
權(quán)利要求
1、一種低溫碳化爐系統(tǒng)中的碳布張力自動(dòng)控制裝置，其特征在于，包括電位器、進(jìn)口變頻控制器、進(jìn)口驅(qū)動(dòng)輥、張力控制器、張力輥、出口變頻控制器和出口驅(qū)動(dòng)輥，其中進(jìn)口驅(qū)動(dòng)輥置于低溫碳化爐前，進(jìn)口變頻控制器與電位器和進(jìn)口驅(qū)動(dòng)輥組成閉環(huán)反饋鏈路，低溫碳化爐后依次放置張力輥和出口驅(qū)動(dòng)輥，張力控制器分別與張力輥和出口變頻控制器連接，出口變頻控制器連接出口驅(qū)動(dòng)輥輸出碳布。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的低溫碳化爐系統(tǒng)中的碳布張力自動(dòng)控制裝置，其特征 是，所述的進(jìn)口驅(qū)動(dòng)輥包括變頻調(diào)速電機(jī)、減速箱、進(jìn)口動(dòng)力輥和進(jìn)口壓緊輥， 其中變頻調(diào)速電機(jī)與減速箱相連，減速箱連接至進(jìn)口動(dòng)力輥，兩個(gè)進(jìn)口壓緊輥分 別置于進(jìn)口動(dòng)力輥的前后用于將碳布?jí)壕o。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的低溫碳化爐系統(tǒng)中的碳布張力自動(dòng)控制裝置，其特征 是，所述的張力輥包括檢測輥、軸承座、張力傳感器和導(dǎo)向輥，其中檢測輥?zhàn)?右兩側(cè)分別裝有軸承座，兩個(gè)張力傳感器分別設(shè)置于軸承座下，張力傳感器的輸出 端連接至張力控制器的輸入端并傳輸張力值信號(hào)，兩個(gè)導(dǎo)向輥沿碳布輸送方向分別 設(shè)置于檢測輥的前后。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的低溫碳化爐系統(tǒng)中的碳布張力自動(dòng)控制裝置，其特征 是，所述的導(dǎo)向輥的高度低于檢測輥。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的低溫碳化爐系統(tǒng)中的碳布張力自動(dòng)控制裝置，其特征 是，所述的張力傳感器為電阻應(yīng)變式張力檢測器。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的低溫碳化爐系統(tǒng)中的碳布張力自動(dòng)控制裝置，其特征 是，所述的出口驅(qū)動(dòng)輥包括變頻調(diào)速電機(jī)、減速箱、出口動(dòng)力輥、出口壓緊輥， 變頻調(diào)速電機(jī)經(jīng)減速箱去驅(qū)動(dòng)動(dòng)力輥，兩個(gè)出口壓緊輥分別置于出口動(dòng)力輥的前后 用于將碳布?jí)壕o。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的低溫碳化爐系統(tǒng)中的碳布張力自動(dòng)控制裝置，其特征 是，所述的張力控制器包括信號(hào)接收模塊、比較模塊和信號(hào)輸出模塊，其中信號(hào) 接收模塊與張力輥連接并接收張力輥輸出的張力值信號(hào)，比較模塊連接信號(hào)接收模 塊并對(duì)張力值信號(hào)進(jìn)行無超調(diào)PID算法比較后輸出張力值更新信號(hào)至信號(hào)輸出模塊， 信號(hào)輸出模塊與出口變頻控制器相連接并輸出張力值更新信號(hào)。
全文摘要
一種自動(dòng)控制領(lǐng)域的燃料電池用碳布低溫碳化爐系統(tǒng)中的碳布張力自動(dòng)控制裝置，包括電位器、進(jìn)口變頻控制器、進(jìn)口驅(qū)動(dòng)輥、張力控制器、張力輥、出口變頻控制器和出口驅(qū)動(dòng)輥，進(jìn)口驅(qū)動(dòng)輥置于低溫碳化爐前，進(jìn)口變頻控制器與電位器和進(jìn)口驅(qū)動(dòng)輥組成閉環(huán)反饋鏈路，低溫碳化爐后依次放置張力輥和出口驅(qū)動(dòng)輥，張力控制器分別與張力輥和出口變頻控制器連接，出口變頻控制器連接出口驅(qū)動(dòng)輥輸出碳布。本發(fā)明中張力傳感器測得碳布的即時(shí)張力值并通過反饋閉環(huán)控制，使得對(duì)碳布的張力控制精度高，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快，通過手動(dòng)調(diào)整電位器即可使得本發(fā)明穩(wěn)定于新的平衡反饋回路，從而能夠針對(duì)不同材質(zhì)的碳布進(jìn)行精細(xì)的調(diào)節(jié)，方便工藝操作。
文檔編號(hào)G05D15/01GK101419472SQ20081020343
公開日2009年4月29日 申請(qǐng)日期2008年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月27日
發(fā)明者張良年, 朱亦華, 沈曙光, 許曉峰 申請(qǐng)人:上海新卡碳素科技有限公司