專利名稱：一種超導(dǎo)帶材絕緣繞包裝置的數(shù)控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于超導(dǎo)儲能磁體以及MRI主磁體制造設(shè)備，特別涉及超導(dǎo)帶材絕緣繞包裝置 的數(shù)控系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
通常餅式超導(dǎo)磁體的制造過程包括超導(dǎo)帶材性能測試，超導(dǎo)帶材絕緣繞包，繞包絕緣測試， 超導(dǎo)雙餅的繞制，超導(dǎo)雙餅的性能測試，超導(dǎo)雙餅組裝成為磁體，磁體的性能測試等過程。對 于超導(dǎo)電力設(shè)備中的超導(dǎo)儲能裝置(如，1MJ/0.5MVA超導(dǎo)儲能裝置)，因?yàn)樾枰獟炀W(wǎng)運(yùn)行，所 以需要考慮磁體與金屬杜瓦容器之間的耐壓等級(如，10kV耐壓等級)；因?yàn)槌瑢?dǎo)儲能磁體為脈 沖磁體，并且在勵磁和釋能的過程中由于電感作用而產(chǎn)生感應(yīng)電壓，所以需要考慮雙餅間的耐 壓等級，單餅間的耐壓等級，以及單餅匝間的耐壓等級(如，2kV耐壓等級)；因?yàn)閮δ艽朋w的 電磁力很大(如，單根高溫超導(dǎo)帶材上的拉力為I10 170N)，所以需要考慮磁體的穩(wěn)定性和機(jī) 械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，將磁體進(jìn)行環(huán)氧浸漬固化可以顯著地增強(qiáng)磁體穩(wěn)定性和機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
同樣，在采用導(dǎo)冷作為冷卻方式的螺線管式MRI主磁體中，也需要將磁體進(jìn)行環(huán)氧浸漬固 化。其原因如下，首先，MRI對于磁場的強(qiáng)度、均勻性和穩(wěn)定性有嚴(yán)格要求， 一般要求質(zhì)子成 像的磁場場強(qiáng)在0.1 2.0T之間，磁場的不均勻度要求達(dá)到10"4 10—6，磁場穩(wěn)定度一般要求1 2 小時(shí)之內(nèi)，磁場漂移小于5ppm，在1 8小時(shí)之內(nèi)，磁場漂移小于10ppm，將磁體進(jìn)行環(huán)氧浸漬 固化可以有效地增強(qiáng)磁體磁場強(qiáng)度的均勻性和穩(wěn)定性。其次，通過摻有A1N的環(huán)氧浸漬固化之后， 可以有效地提高磁體的熱導(dǎo)率，進(jìn)而對于提高M(jìn)RI主磁體的熱穩(wěn)定性起到積極的作用。
基于以上因素，超導(dǎo)儲能磁體和MRI主磁體都需要進(jìn)行環(huán)氧浸漬固化。對于不需要固化的 超導(dǎo)磁體，超導(dǎo)帶材采用聚酰亞胺薄膜作為繞包絕緣是個(gè)很好的方案，其原因是聚酰亞胺薄膜 具有很好的絕緣性能(體電阻率為10"acm,擊穿強(qiáng)度〉300V/ym)，很好的機(jī)械強(qiáng)度(23。C溫 度下拉伸強(qiáng)度250MPa)以及很小的熱膨脹系數(shù)(8ppmTC)。
中國專利200510032515.0 "—種聚酰亞胺薄膜超導(dǎo)帶材絕緣結(jié)構(gòu)制作方法及裝置"，其絕緣 材料采用的是自粘性聚酰亞胺薄膜帶，其工藝過程為超導(dǎo)帶直線運(yùn)動先通過自粘性聚酰亞胺 薄膜帶，使得超導(dǎo)帶延縱向粘貼上自粘性聚酰亞胺薄膜，然后再通過一個(gè)包括上模和下模的包 絕緣裝置，包絕緣裝置的作用是使得超導(dǎo)帶和自粘性聚酰亞胺薄膜粘接的更為緊密和牢固。最 后，通過收線盤接收粘貼好自粘性聚酰亞胺薄膜的超導(dǎo)帶。
因?yàn)榫埘啺穼τ诃h(huán)氧樹脂的浸潤性很低以及其熱導(dǎo)率很低，所以聚酰亞胺不適用于超導(dǎo) 儲能磁體以及導(dǎo)冷MRI主磁體中的帶材絕緣。因?yàn)橥磕z層會阻止環(huán)氧樹脂固化在高溫超導(dǎo)帶材 上，而固化不好的超導(dǎo)磁體不能很好的解決超導(dǎo)儲能磁體中的電磁力問題以及MRI主磁體中的 磁場均勻性和穩(wěn)定性問題，所以自粘性的絕緣帶也不適用于儲能磁體中的帶材絕緣。因此，專 利中所述的方法及裝置不適用于超導(dǎo)儲能磁體以及MRI主磁體中的帶材絕緣的繞包。在超導(dǎo)儲 能磁體和MRI主磁體中的帶材絕緣采用的是不帶有涂膠層的玻纖布。玻纖布的特點(diǎn)是具有良好 的環(huán)氧樹脂浸潤性和相對較差的機(jī)械強(qiáng)度(如，EW40無堿玻纖布常溫下斷裂強(qiáng)度為 20kg/25mm)。因此，采用玻纖布作為超導(dǎo)帶材的繞包絕緣要求在繞包超導(dǎo)帶材的過程中，玻纖 布上承受的拉力應(yīng)小于玻纖布的拉伸斷裂強(qiáng)度，玻纖布的拉伸斷裂強(qiáng)度一般為0.8kg/mm，所以 繞包時(shí)玻纖布上的拉力應(yīng)小于這個(gè)值，以使得絕緣不會由于玻纖布的拉破而受到破壞。
此外，考慮到磁體的繞制工藝，需要精確地控制繞包絕緣后帶材的厚度，其容許誤差小于 0.05mm。并根據(jù)不同的要求，實(shí)現(xiàn)搭接包、1/4疊包、半疊包等不同的工藝，同時(shí)要求相鄰的絕 緣間的距離誤差小于0.5mm。要求繞包絕緣時(shí)引起的超導(dǎo)帶材的上下振動，不會影響到超導(dǎo)帶材 的性能(如，拉伸強(qiáng)度小于Bi-2223高溫超導(dǎo)帶材的臨界應(yīng)力230MPa、拉伸強(qiáng)度小于MgB2超導(dǎo) 帶材的臨界應(yīng)力465MPa)?？紤]到需要繞包的超導(dǎo)帶材量比較大，要求繞包的速度要盡量的快。
綜上所述，考慮到超導(dǎo)儲能磁體和MRI主磁體對超導(dǎo)帶材的絕緣繞包提出的特殊要求，需 要有一種裝置能夠使一種許用應(yīng)力比較小的絕緣帶(如，玻纖布)按照絕緣繞包的工藝要求(如， 搭接包、1/4疊包、半疊包等等)安全地(如，拉伸強(qiáng)度小于Bi-2223高溫超導(dǎo)帶材的臨界應(yīng)力 230MPa、拉伸強(qiáng)度小于MgB2超導(dǎo)帶材的臨界應(yīng)力465MPa)繞包在超導(dǎo)帶材(如，Bi-2223高溫 超導(dǎo)帶材、MgB2超導(dǎo)帶材)上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種高溫超導(dǎo)帶材絕緣繞包裝置的數(shù)控系統(tǒng)， 本發(fā)明數(shù)控系統(tǒng)閉環(huán)控制其機(jī)床主體裝置，使得一種許用應(yīng)力比較小的絕緣帶(如，玻纖布) 按照絕緣繞包的工藝要求(如，搭接包、1/4疊包、半疊包等等)安全地(如，拉伸強(qiáng)度小于Bi-2223 高溫超導(dǎo)帶材的臨界應(yīng)力230MPa、拉伸強(qiáng)度小于MgB2超導(dǎo)帶材的臨界應(yīng)力465MPa)繞包在超 導(dǎo)帶材(如Bi-2223高溫超導(dǎo)帶材、MgB2超導(dǎo)帶材)上。
超導(dǎo)帶材絕緣繞包裝置由機(jī)械裝置和數(shù)控系統(tǒng)兩部分組成。本發(fā)明超導(dǎo)帶材絕緣繞包裝置 的數(shù)控系統(tǒng)包括數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和測量反饋系統(tǒng)。
數(shù)控裝置是本發(fā)明超導(dǎo)帶材絕緣繞包裝置的數(shù)控系統(tǒng)的核心。數(shù)控裝置主要由輸入裝置、 信息處理裝置和輸出裝置三個(gè)基本部分構(gòu)成。超導(dǎo)帶材進(jìn)行絕緣繞包的全過程都由計(jì)算機(jī)控制， 使得整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作。輸入裝置接收操作人員根據(jù)超導(dǎo)帶材絕緣繞包要求向計(jì)算 機(jī)中輸入的信息，計(jì)算機(jī)將輸入裝置傳送的信息編譯成中央處理器能夠識別的信息，通過通訊 接口傳送給中央處理器，信息處理裝置按照控制程序的規(guī)定，存儲并進(jìn)行信息處理后，通過輸 出裝置發(fā)出位置和速度指令到伺服系統(tǒng)。輸出裝置與伺服系統(tǒng)相聯(lián)。輸出裝置根據(jù)中央處理器 的命令接收輸出脈沖，并把脈沖送到伺服系統(tǒng)，經(jīng)過功率放大，驅(qū)動伺服系統(tǒng)，從而控制機(jī)械 裝置按照規(guī)定要求運(yùn)動。數(shù)控裝置通過測量反饋系統(tǒng)，接收超導(dǎo)帶材絕緣繞包裝置的收線盤上 超導(dǎo)帶材的半徑，伺服電機(jī)速度傳感器反饋的絕緣帶材繞線盤的角位移運(yùn)動速度和超導(dǎo)帶材的 直線位移運(yùn)動速度等實(shí)時(shí)參數(shù)傳送到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)中實(shí)時(shí)顯示這些數(shù)據(jù)，并計(jì)算出已繞包 的超導(dǎo)帶材的長度，絕緣帶材繞線盤上剩余的長度。這樣，就得到了繞包后的超導(dǎo)帶材的總長 度，并且通過絕緣帶材的剩余長度，可以在剩余長度變?yōu)榱阒?，由?shù)控裝置發(fā)出一個(gè)控制信 號，使超導(dǎo)帶材絕緣繞包裝置停機(jī)，避免出現(xiàn)由于最后一匝絕緣帶粘接在絕緣帶材繞線盤上， 引起超導(dǎo)帶材上的一個(gè)相對較大的拉力這一問題。
伺服系統(tǒng)是本發(fā)明超導(dǎo)帶材絕緣繞包裝置的數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分，伺服系統(tǒng)包括驅(qū)動 裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分。伺服系統(tǒng)的作用是把來自數(shù)控裝置的指令信息，經(jīng)功率放大、濾波 整形處理后，轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直線位移和角位移運(yùn)動。兩臺交流伺服電機(jī)作為交流伺服系統(tǒng) 中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，分別控制絕緣帶材繞線盤的角位移運(yùn)動速度和超導(dǎo)帶材的直線位移運(yùn)動速度。 其中伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為三閉環(huán)控制電流閉環(huán)，速度閉環(huán)與位置閉環(huán)。三閉環(huán)控制確保了交流 伺服電機(jī)能夠平滑旋轉(zhuǎn)和穩(wěn)定工作，并具有良好的低速剛度和高動態(tài)性能。交流伺服電機(jī)與轉(zhuǎn) 軸直接相連，使其具有良好的低速運(yùn)行平穩(wěn)性。交流伺服電機(jī)具有相對小的轉(zhuǎn)子慣量，加上IPM 故障檢測機(jī)制，使得伺服系統(tǒng)具有良好的快速反應(yīng)性能，能夠準(zhǔn)確而靈敏地跟蹤數(shù)控裝置發(fā)出 的數(shù)字指令信號，并忠實(shí)地執(zhí)行來自數(shù)控裝置的指令，進(jìn)而提高了系統(tǒng)的動態(tài)跟隨特性和靜態(tài) 跟蹤精度。此外，通過調(diào)整絕緣帶材繞線盤的旋轉(zhuǎn)速度來控制繞包過程中超導(dǎo)帶材上的拉力， 使得拉力所引起的超導(dǎo)帶材的上下振動不會影響到超導(dǎo)帶材的性能(如，拉伸強(qiáng)度小于Bi-2223 高溫超導(dǎo)帶材的臨界應(yīng)力230MPa、拉伸強(qiáng)度小于MgB2超導(dǎo)帶材的臨界應(yīng)力465MPa)。在考慮拉 力不會影響到超導(dǎo)帶材性能的基礎(chǔ)上，調(diào)整絕緣帶材繞線盤的角位移運(yùn)動速度和超導(dǎo)帶材的直 線位移運(yùn)動速度，使得繞包的速度要盡可能的快，以達(dá)到提高絕緣繞包效率，節(jié)省絕緣繞包時(shí) 間的目的。
測量反饋系統(tǒng)將交流伺服電機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行值檢測出來并反饋到數(shù)控裝置中，數(shù)控裝置對反 饋回來的當(dāng)前運(yùn)行值和指令值進(jìn)行比較，并向伺服系統(tǒng)輸出達(dá)到設(shè)定值所需的指令。其中，通 過一種位置反饋裝置，實(shí)時(shí)檢測收線盤上變化的繞包后超導(dǎo)帶材的半徑，來確保相鄰絕緣間的 距離誤差在一個(gè)容許誤差值域內(nèi)(如0.5mm)，測量反饋裝置中的線絕緣檢測裝置可以在線的檢 測絕緣繞包的故障，可以避免由于玻纖布的局部的損壞帶來的絕緣問題。
計(jì)算機(jī)能夠根據(jù)交流伺服電機(jī)上的電流、速度和位置傳感器的反饋值來實(shí)時(shí)的顯示當(dāng)前兩 臺伺服電機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)，并根據(jù)控制算法計(jì)算出超導(dǎo)帶材繞包過一匝之后，下一匝伺服電機(jī)的 速度，加速度等參數(shù)，并把這些參數(shù)發(fā)送給數(shù)控裝置，來控制調(diào)整伺服電動機(jī)下一匝時(shí)的運(yùn)動， 同時(shí)當(dāng)前伺服電動機(jī)的運(yùn)動參數(shù)以及繞包情況等相關(guān)數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)庫中，這樣，可以在意外 掉電的情況下，通過輸入掉電前伺服電動機(jī)的運(yùn)動參數(shù)以及繞包情況相關(guān)數(shù)據(jù)，就可以在下一 次上電后繼續(xù)繞包超導(dǎo)帶材。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明進(jìn)一步說明。 圖l為本發(fā)明絕緣繞包裝置的數(shù)控系統(tǒng)的原理框圖2為超導(dǎo)帶材絕緣繞包裝置示意圖，圖中l(wèi)控制柜，2交流伺服電機(jī)A， 3在線絕緣檢測裝 置，4交流伺服電機(jī)B， 5絕緣帶材繞線盤，6超導(dǎo)帶材清潔裝置，7超導(dǎo)帶材，8焊接平臺，9力矩 電機(jī)，IO收線盤；
圖3為圖1中數(shù)控裝置的硬件組成框圖4為圖l中數(shù)控裝置的軟f^部分的程序流程圖
圖5為圖4中中斷服務(wù)程序部分的程序流程圖
圖6為圖1中伺服驅(qū)動器的硬件組成框圖7為本發(fā)明的超導(dǎo)帶材絕緣繞包過程控制軟件的程序流程圖； 圖8為在線絕緣檢測裝置的電路圖；
具體實(shí)施例方式
超導(dǎo)帶材絕緣繞包裝置由機(jī)械裝置和數(shù)控系統(tǒng)兩部分組成。如圖2所示，超導(dǎo)帶材繞線盤 安裝在力矩電機(jī)9的主軸上，超導(dǎo)帶材7通過牽引帶固定在交流伺服電機(jī)2主軸上的繞線盤上，通 過數(shù)控系統(tǒng)的控制，絕緣帶材繞線盤5圍繞著超導(dǎo)帶材7轉(zhuǎn)動，絕緣帶材繞線盤5上的玻纖布繞包 在超導(dǎo)帶材7上。調(diào)整超導(dǎo)帶材絕緣繞包裝置的絕緣帶材繞線盤5的旋轉(zhuǎn)速度和超導(dǎo)帶材7的直線 位移運(yùn)動速度，來控制繞包過程中超導(dǎo)帶材7上的拉力和玻纖布上的的拉力，使得拉力所引起的 超導(dǎo)帶材的上下振動不會影響到超導(dǎo)帶材的性能，且拉力不會破壞玻纖布絕緣。在考慮拉力不 會影響到超導(dǎo)帶材性能以及不會破壞玻纖布絕緣的基礎(chǔ)上，調(diào)整絕緣帶材繞線盤5的角位移運(yùn)動 速度和超導(dǎo)帶材7的直線位移運(yùn)動速度，加快繞包速度。
超導(dǎo)帶材7在絕緣繞包前經(jīng)過超導(dǎo)帶材清潔裝置6除去其表面的灰塵、金屬屑等雜質(zhì)，以提 高絕緣繞包質(zhì)量。如需要多根超導(dǎo)帶材焊接后繞包，可以在焊接平臺8上焊接處理完畢后進(jìn)行繞 包。繞包后可以通過在線絕緣檢測裝置3來實(shí)現(xiàn)絕緣的在線檢測，如果出現(xiàn)玻纖布破損，在線絕 緣檢測裝置3報(bào)警，以提醒操作人員，并使系統(tǒng)停止運(yùn)行。超導(dǎo)帶材7進(jìn)行絕緣繞包的過程都由
計(jì)算機(jī)的程序合理組織，使得整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)帶材安全、精確地 進(jìn)行絕緣繞包。
圖l為本發(fā)明絕緣繞包裝置的數(shù)控系統(tǒng)的原理框圖，數(shù)控系統(tǒng)主要由數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和 測量反饋系統(tǒng)組成。其中，數(shù)控裝置和伺服系統(tǒng)中的伺服驅(qū)動器放置在控制柜l中。數(shù)控裝置主 要由輸入裝置、信息處理裝置和輸出裝置三部分構(gòu)成。數(shù)控裝置中的輸入裝置接收操作人員根 據(jù)超導(dǎo)帶材絕緣繞包要求向計(jì)算機(jī)中輸入的信息，計(jì)算機(jī)將輸入裝置傳送的信息編譯成中央處 理器能夠識別的信息，并通過通訊接口傳送給中央處理器，數(shù)控裝置中的信息處理裝置按照控 制程序的規(guī)定，存儲并進(jìn)行信息處理后，通過數(shù)控裝置中的輸出裝置發(fā)出位置和速度指令到伺 服系統(tǒng)。其中，伺服系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動器和交流伺服電機(jī)。其中數(shù)控裝置和伺服驅(qū)動器協(xié)同作 用來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)交流伺服電機(jī)的運(yùn)動。輸出裝置與伺服系統(tǒng)相聯(lián)。輸出裝置根據(jù)中央處理器 的命令接收輸出脈沖，并把脈沖送到伺服系統(tǒng)，驅(qū)動伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)把來自數(shù)控裝置的指 令信息，經(jīng)過功率放大、濾波整形處理后，轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直線位移和角位移運(yùn)動。其中， 通過測量反饋系統(tǒng)，數(shù)控裝置接收超導(dǎo)帶材絕緣繞包裝置收線盤10上超導(dǎo)帶材的半徑，交流伺 服電機(jī)速度傳感器反饋的絕緣帶材繞線盤5的角位移運(yùn)動速度和超導(dǎo)帶材的直線位移運(yùn)動速度 等實(shí)時(shí)參數(shù)傳送到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)中實(shí)時(shí)顯示這些數(shù)據(jù)，并計(jì)算和顯示出已繞包的超導(dǎo)帶材 的長度，絕緣帶材繞線盤上剩余的長度等數(shù)據(jù)。測量反饋系統(tǒng)將交流伺服電機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行值、 交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流檢測出來，并反饋到數(shù)控裝置中，數(shù)控裝置根據(jù)當(dāng)前的這些信息來 指示交流伺服電機(jī)下一步的運(yùn)動。
圖3為數(shù)控裝置的硬件組成框圖。數(shù)控裝置中的輸入裝置為計(jì)算機(jī)，信息處理裝置包括中央 處理器和存儲器，輸出裝置為運(yùn)動控制接口。其中中央處理器是數(shù)控裝置的核心部分，中央處 理器主要由DSP (如Ti公司的TMS320LF2407芯片)、FPGA (如Altera公司的Stratix III FPGA)和 SRAM (如Samsung公司的K7D321874C)組成。中央處理器所用到的和所生成的數(shù)據(jù)可以存儲 在存儲器中，存儲器可以選擇Flash EPROM， Battery-backed RAM, Flash Memory Stick中的一個(gè) 或者幾個(gè)，各部分之間的信號傳輸通過輸入和輸出管腳來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的流入和流出。交流伺服 電機(jī)的控制算法在DSP中實(shí)時(shí)快速加以實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)控制算法的邏輯部分，SRAM暫時(shí)保存處理數(shù) 據(jù)過程中數(shù)據(jù)。中央處理器通過通訊接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，通過運(yùn)動控制接口與伺 服驅(qū)動器和測量反饋系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。存儲器部分存儲程序和數(shù)據(jù)。
圖4為數(shù)控裝置的軟件部分的程序流程圖。初始化程序之后，主程序?qū)崟r(shí)捕獲中斷服務(wù)程序， 在中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)交流伺服電機(jī)的控制算法。
圖5為圖4中的中斷服務(wù)程序部分的程序流程圖。控制算法主要通過PARK變換和2/3變換來 實(shí)現(xiàn)交流伺服電機(jī)的SVPWM控制，圖5和廚6中的程序都在DSP中計(jì)算實(shí)現(xiàn)，軟件部分計(jì)算的結(jié) 果為生成的PWM信號，PWM信號通過輸出管腳輸出到伺服驅(qū)動器的IPM模塊中，驅(qū)動開關(guān)器件 的通斷。
圖6為圖1中伺服驅(qū)動器的硬件組成框圖，工頻交流輸入經(jīng)過三相整流橋輸入端(如西門子 公司的三相整流橋模塊)之后在輸出端變?yōu)橹绷?，然后直流流入IPM (如三菱公司的IPM模塊 PM10CSJ060)逆變橋的輸入端并在其輸出端轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鳎蠼涣魍ㄟ^接線端輸入并驅(qū)動執(zhí)行 機(jī)構(gòu)交流伺服電機(jī)，其中數(shù)控裝置產(chǎn)生的PWM通過接口輸入驅(qū)動輸入到IPM逆變橋以實(shí)現(xiàn)交流 伺服電機(jī)的SVPWM控制，IPM逆變橋中采用了IPM故障檢測機(jī)制。
圖7為本發(fā)明的超導(dǎo)帶材絕緣繞包過程數(shù)控系統(tǒng)的控制流程圖，首先計(jì)算機(jī)接收操作人員根 據(jù)超導(dǎo)帶材絕緣繞包工藝要求輸入的繞包參數(shù)。接下來程序進(jìn)行初始化，初始化包括設(shè)定超導(dǎo) 帶材直線位移運(yùn)動交流伺服電機(jī)和絕緣帶材角位移運(yùn)動交流伺服電機(jī)的速度，加速時(shí)的加速度 以及減速時(shí)的加速度，設(shè)定位置傳感器的參數(shù)。然后進(jìn)入到主程序，循環(huán)檢測轉(zhuǎn)速傳感器反饋 數(shù)據(jù)是否有變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速傳感器反饋數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，如電機(jī)的轉(zhuǎn)速大于或者小于設(shè)定值時(shí)， 則調(diào)用子程序，子程序首先讀取轉(zhuǎn)速傳感器的反饋數(shù)據(jù)，然后根據(jù)當(dāng)前交流伺服電機(jī)的運(yùn)動數(shù) 據(jù)以及轉(zhuǎn)速傳感器的反饋數(shù)據(jù)，計(jì)算出下一步交流伺服電機(jī)的運(yùn)動參數(shù)，并傳送給數(shù)控裝置。 轉(zhuǎn)速傳感器反饋數(shù)據(jù)無變化時(shí)，主程序?qū)⒁恢毖h(huán)檢測下去。交流伺服電機(jī)當(dāng)前的運(yùn)動數(shù)據(jù)， 轉(zhuǎn)速傳感器的反饋數(shù)據(jù)以及超導(dǎo)帶材繞包的長度和絕緣帶材剩余的長度這些繞包參數(shù)實(shí)時(shí)地在 計(jì)算機(jī)中動態(tài)顯示。
圖8為在線絕緣檢測裝置的電路圖，其中左側(cè)為實(shí)際的電路連接圖，右側(cè)為電路原理圖，二 者在電路的實(shí)現(xiàn)功能上完全等效。左圖中左側(cè)的金屬輪與超導(dǎo)帶材相接觸，右側(cè)的金屬輪與繞 包后的超導(dǎo)帶材相接觸，兩個(gè)金屬輪隨著超導(dǎo)帶材向右箭頭的方向水平運(yùn)動且逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，兩 個(gè)金屬環(huán)中心的軸承上引出導(dǎo)線，與電源、蜂鳴器和采樣電阻串聯(lián)。當(dāng)出現(xiàn)絕緣帶材有破損的 時(shí)候，即相當(dāng)于右圖中開關(guān)K合上，蜂鳴器會通過聲音報(bào)警，同時(shí)采樣電阻上會產(chǎn)生一個(gè)采樣電 壓，采樣電壓傳送到數(shù)控裝置，主控裝置使整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)行，這樣就實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)帶材絕緣繞 包的在線絕緣檢測的功能。
以lMJ/0.5MVA高溫超導(dǎo)儲能系統(tǒng)中的磁體所用Bi—2223高溫超導(dǎo)帶材的絕緣繞包為例，來 說明本發(fā)明的工作過程以及控制算法的實(shí)現(xiàn)。Bi—2223高溫超導(dǎo)帶材的寬度和厚度分別為4.8mm 和0.32mm，絕緣材料選為EW40無堿玻纖布，其寬度為8mm。繞包工藝要求是，第一層絕緣為 搭接包，第二層絕緣為半疊包，相鄰絕緣間的距離誤差小于0.5mm，繞包過程不能使得超導(dǎo)帶材 發(fā)生超導(dǎo)性能的退化。在搭接包的絕緣繞包開始前，操作人員在計(jì)算機(jī)輸入繞包類型為搭接包， 超導(dǎo)帶材的類型為Bi-2223超導(dǎo)帶材，尺寸為寬4.8mm,厚0.32mm，絕緣類型為EW40無堿玻纖 布，其寬度為8mm等信息。計(jì)算機(jī)把上述信息對應(yīng)到交流伺服電機(jī)4的初始角速度為2rad/s，交
流伺服電機(jī)2的初始角速度為1/120 rad/s。在此需要說明，這個(gè)數(shù)據(jù)是在前期超導(dǎo)帶材絕緣繞包 裝置的調(diào)試中獲取的，這兩個(gè)速度對應(yīng)著繞包絕緣的過程中產(chǎn)生的拉力在Bi-2223高溫超導(dǎo)帶材 的臨界應(yīng)力以及EW40無堿玻纖布常溫?cái)嗔褟?qiáng)度以下，且由兩個(gè)交流伺服電機(jī)所產(chǎn)生的超導(dǎo)帶材 的直線位移和角位移運(yùn)動所合成的效果為搭接包絕緣繞包。
兩個(gè)交流伺服電機(jī)2、 4的轉(zhuǎn)速可通過實(shí)驗(yàn)的方法確定。兩個(gè)交流伺服電機(jī)2、 4驅(qū)動的直線 位移和角位移運(yùn)動合成的效果須滿足在不可逆應(yīng)變值較低的超導(dǎo)帶材(如，臨界應(yīng)力為230MPa 的Bi-2223高溫超導(dǎo)帶材、臨界應(yīng)力為465MPa的MgB2超導(dǎo)帶材)上繞包工藝的要求，如搭接包、 1/4疊包、半疊包等不同的工藝，以便安全、精確地繞包機(jī)械強(qiáng)度較低的絕緣材料，如，常溫下 斷裂強(qiáng)度為20kg/25mm的EW40無堿玻纖布。把上述交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和超導(dǎo)蒂材、繞包工藝要 求、繞包材料之間的這種對應(yīng)關(guān)系作為一個(gè)對應(yīng)表，操作人員可以通過輸入超導(dǎo)帶材、繞包工 藝要求、繞包材料這些信息，然后數(shù)控系統(tǒng)可以通過其相對應(yīng)的交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)超導(dǎo) 帶材的絕緣繞包。
然后計(jì)算機(jī)將這些信息編譯成中央處理器能夠識別的信息，并通過通訊接口傳送給中央處 理器，信息處理裝置按照控制程序的規(guī)定，存儲并進(jìn)行信息處理后，通過輸出裝置發(fā)出位置和 速度指令到伺服系統(tǒng)。經(jīng)過功率放大，驅(qū)動伺服系統(tǒng)，從而控制機(jī)械裝置按照規(guī)定要求運(yùn)動。 數(shù)控裝置通過測量反饋系統(tǒng)，接收超導(dǎo)帶材絕緣繞包裝置的數(shù)控系統(tǒng)的收線盤K)上超導(dǎo)帶材的 半徑，伺服電機(jī)速度傳感器反饋的絕緣帶材繞線盤的角位移運(yùn)動速度和超導(dǎo)帶材的直線位移運(yùn) 動速度等實(shí)時(shí)參數(shù)傳送到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)中實(shí)時(shí)顯示這些數(shù)據(jù)，并計(jì)算出已繞包的超導(dǎo)帶材
的長度，絕緣帶材繞線盤上剩余的長度。這樣，就得到了繞包后的超導(dǎo)帶材的總長度，并且通 過絕緣帶材的剩余長度，可以在剩余長度變?yōu)榱阒埃蓴?shù)控裝置發(fā)出一個(gè)控制信號，使超導(dǎo) 帶材絕緣繞包裝置停機(jī)，避免出現(xiàn)由于最后一匝絕緣帶粘接在絕緣帶材繞線盤上，引起超導(dǎo)帶 材上的一個(gè)相對較大的拉力這一問題。測量反饋系統(tǒng)將交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流檢測出來并 反饋到數(shù)控裝置中，數(shù)控裝置根據(jù)當(dāng)前的這些信息來指示交流伺服電機(jī)下一歩的運(yùn)動。在線絕 緣檢測裝置3實(shí)時(shí)在線檢測絕緣有無破損，如果出現(xiàn)絕緣破損，則繞包停止，進(jìn)行修復(fù)以后再繼 續(xù)繞包。同樣，在第二層的半疊包過程中，過程也是如此，其對應(yīng)的交流伺服電機(jī)4的初始角速 度為4rad/s，交流伺服電機(jī)2的初始角速度為1/60rad/s。
本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)在不可逆應(yīng)變值較低的超導(dǎo)帶材(如，臨界應(yīng)力為230MPa的Bi-2223高溫超 導(dǎo)帶材、臨界應(yīng)力為465MPa的MgB2超導(dǎo)帶材)上根據(jù)繞包工藝的要求(搭接包、1/4疊包、半 疊包等不同的工藝)安全、精確地繞包機(jī)械強(qiáng)度較低的絕緣材料(如，常溫下斷裂強(qiáng)度為 20kg/25mm的EW40無堿玻纖布)，相鄰絕緣間的距離誤差小于0.5mm，通過對采用本發(fā)明進(jìn)行絕 緣繞包過的超導(dǎo)帶材進(jìn)行性能測試，沒有發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)性能的退化，本發(fā)明的繞包速度為每小時(shí)60m
(搭接包繞包工藝時(shí))。應(yīng)用本發(fā)明已經(jīng)成功的繞包了準(zhǔn)備掛網(wǎng)運(yùn)行的超導(dǎo)電力設(shè)備一一 lMJ/0.5MVA高溫超導(dǎo)儲能系統(tǒng)中的磁體所用Bi—2223高溫超導(dǎo)帶材的絕緣，并且磁體雙餅間的 耐壓等級，單餅間的耐壓等級，以及單餅匝間的耐壓等級己經(jīng)通過了絕緣實(shí)驗(yàn)測試。同時(shí)本發(fā) 明還可以用于MRI主磁體中所用的MgB2超導(dǎo)帶材的絕緣繞包。超導(dǎo)帶材的生產(chǎn)廠家以及使用廠 家均可以利用本發(fā)明進(jìn)行超導(dǎo)帶材的絕緣繞包。
權(quán)利要求
1、一種超導(dǎo)帶材絕緣繞包裝置的數(shù)控系統(tǒng)，其特征在于該數(shù)控系統(tǒng)包括數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和測量反饋系統(tǒng)；數(shù)控裝置主要由輸入裝置、信息處理裝置和輸出裝置構(gòu)成，輸出裝置與伺服系統(tǒng)相聯(lián)；伺服系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動器和交流伺服電機(jī)；數(shù)控裝置中的輸入裝置計(jì)算機(jī)接收超導(dǎo)帶材絕緣繞包要求信息，編譯成中央處理器能夠識別的信息后，傳送至信息處理裝置；信息處理裝置存儲并進(jìn)行信息處理后，通過輸出裝置發(fā)出位置和速度指令到伺服系統(tǒng)；輸出裝置根據(jù)中央處理器的命令接收輸出脈沖，并把脈沖送到伺服系統(tǒng)，驅(qū)動伺服系統(tǒng)；伺服系統(tǒng)把來自數(shù)控裝置的指令信息，經(jīng)過功率放大、濾波整形處理后，轉(zhuǎn)換為交流伺服電機(jī)的直線位移和角位移運(yùn)動，控制絕緣帶材繞線盤(5)的角位移運(yùn)動速度和超導(dǎo)帶材的直線位移運(yùn)動速度；測量反饋系統(tǒng)接收超導(dǎo)帶材絕緣繞包裝置收線盤(10)上超導(dǎo)帶材的半徑，交流伺服電機(jī)速度傳感器反饋的絕緣帶材繞線盤的角位移運(yùn)動速度和超導(dǎo)帶材(7)的直線位移運(yùn)動速度等實(shí)時(shí)參數(shù)，傳送到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)中實(shí)時(shí)顯示這些數(shù)據(jù)，并計(jì)算和顯示已繞包的超導(dǎo)帶材的長度，絕緣帶材繞線盤上剩余的長度等數(shù)據(jù)；測量反饋系統(tǒng)檢測交流伺服電機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行值、交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流，反饋到數(shù)控裝置中，數(shù)控裝置根據(jù)當(dāng)前的這些信息指示交流伺服電機(jī)下一步的運(yùn)動。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)帶材絕緣繞包裝置的數(shù)控系統(tǒng)，其特征在于調(diào)整超導(dǎo)帶材絕 緣繞包裝置的絕緣帶材繞線盤(5)的旋轉(zhuǎn)速度和超導(dǎo)帶材(7)的直線位移運(yùn)動來控制繞包過 程中超導(dǎo)帶材(7)上的拉力和玻纖布上的的拉力，使得拉力所引起的超導(dǎo)帶材的上下振動不會 影響到超導(dǎo)帶材的性能，且拉力不會破壞玻纖布絕緣；在考慮拉力不會影響到超導(dǎo)帶材性能以 及不會破壞玻纖布絕緣的基礎(chǔ)上，調(diào)整絕緣帶材繞線盤(5)的角位移運(yùn)動速度和超導(dǎo)帶材(7) 的直線位移運(yùn)動速度，加快繞包速度。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超導(dǎo)帶材絕緣繞包裝置的數(shù)控系統(tǒng)，其特征在于兩個(gè)交流伺 服電機(jī)(2、 4)驅(qū)動的直線位移和角位移運(yùn)動合成的效果須滿足在不可逆應(yīng)變值較低的超導(dǎo)帶 材上繞包的工藝要求。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的超導(dǎo)帶材絕緣繞包裝置的數(shù)控系統(tǒng)，其特征在于超導(dǎo)帶材的類型 為Bi-2223超導(dǎo)帶材，尺寸為寬4.8mm，厚0.32mm，絕緣類型為EW40無堿玻纖布，玻纖布寬 度為8rmn的參數(shù)條件下，交流伺服電機(jī)B (4)的初始角速度為2rad/s，交流伺服電機(jī)A (2) 的初始角速度為1/120 rad/s。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)帶材絕緣繞包裝置的數(shù)控系統(tǒng)，其特征在于測量反饋系統(tǒng)的 在線絕緣檢測裝置的一個(gè)金屬輪與超導(dǎo)帶材相接觸，另一個(gè)金屬輪與繞包后的超導(dǎo)帶材相接觸， 兩個(gè)金屬輪隨著超導(dǎo)帶材(7)運(yùn)動方向水平運(yùn)動且逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，二個(gè)金屬環(huán)中心的軸承上引出 導(dǎo)線，與電源、蜂鳴器和采樣電阻串聯(lián)；當(dāng)出現(xiàn)絕緣帶材有破損的時(shí)候，蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)采 樣電阻上會產(chǎn)生一個(gè)采樣電壓，采樣電壓傳送到數(shù)控裝置，數(shù)控裝置使整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)行。
全文摘要
一種超導(dǎo)帶材絕緣繞包裝置的數(shù)控系統(tǒng)，包括數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和測量反饋系統(tǒng)。數(shù)控裝置接收超導(dǎo)帶材絕緣繞包要求信息，編譯信息并發(fā)送給數(shù)控裝置的中央處理器，存儲并進(jìn)行信息處理，通過輸出裝置發(fā)出位置和速度指令到伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)把來自數(shù)控裝置的指令信息，經(jīng)功率放大、濾波整形處理后，轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直線位移和角位移運(yùn)動。測量反饋系統(tǒng)檢測交流伺服電機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行值，反饋到數(shù)控裝置，數(shù)控裝置對反饋回來的當(dāng)前運(yùn)行值和指令值進(jìn)行比較，并向伺服系統(tǒng)輸出達(dá)到設(shè)定值所需的指令。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)在不可逆應(yīng)變值較低的超導(dǎo)帶材(如，臨界應(yīng)力為230MPa的Bi-2223高溫超導(dǎo)帶材、臨界應(yīng)力為465MPa的MgB₂超導(dǎo)帶材)上安全、精確地繞包機(jī)械強(qiáng)度較低的絕緣材料。
文檔編號G05B19/18GK101169641SQ20071017878
公開日2008年4月30日 申請日期2007年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月5日
發(fā)明者東 張, 張豐元, 張京業(yè), 戴少濤, 王子凱 申請人:中國科學(xué)院電工研究所