超导带材绕制装置及其控制方法与流程

1.本发明涉及超导带材绕制技术领域，尤其涉及一种超导带材绕制装置及其控制方法。


背景技术：

2.高温超导体能够在液氮温度下实现超导性能，展现了高温超导体巨大的应用潜力，其中超导磁体是高温超导体的一个重要的应用方向。超导磁体的发展使得超高磁场的获得与以前相比更加容易，且可达到铜线圈无法达到的磁场强度，具有很好的应用前景。
3.目前用来绕制超导磁体的高温超导体主要有三类，分别为bi2212圆线、bi2223带材和re123带材。其中，通过传统的粉末套装和拉丝工艺制备的bi2212圆线和bi2223带材被称为第一代高温超导体，而基于薄膜外延和双轴织构技术形成的re123涂层导体被称为第二代高温超导体。上述几种高温超导线/带材的临界温度在液氮温区以上，且载流能力大，能够提供更大的临界电流密度，且上述几种高温超导线/带材的上临界磁场理论值均在100t以上，使得由其绕制的超导磁体可以产生铜线圈所不能达到的高磁场。
4.然而由于高温超导材料属于新型材料，目前没有通用的绕制设备，且在实际使用过程中为确保超导磁体产生稳定磁场，要求超导带材在绕制过程的张力一致。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本发明提供了一种超导带材绕制装置及其控制方法，能够对超导带材绕制过程的张力进行实时监控与调整，保证超导带材绕制过程中的张力一致。
6.本发明提供的一种超导带材绕制装置，包括：绕线机构，包括绕线盘及驱动所述绕线盘转动的主动电机；放线机构，包括放线盘及向所述放线盘传递扭矩的扭力电机；和控制系统，包括导向轮、激光测距仪、压力传感器和控制器，所述导向轮设于所述放线盘和所述绕线盘之间，所述激光测距仪设于与所述放线盘对应的位置，用于实时检测缠绕在所述放线盘上的超导带材的外径，所述激光测距仪与所述控制器通信连接，所述控制器根据所述激光测距仪反馈的外径数据实时调控所述扭力电机的输出扭矩，并换算出所述扭力电机作用到超导带材的理论张力值；所述压力传感器设于与所述导向轮对应的位置，用于实时检测超导带材作用到所述导向轮的压力，所述压力传感器与所述控制器通信连接，所述控制器根据所述压力传感器反馈的压力数据换算出超导带材所受的实际张力值，并根据实际张力值和理论张力值进行超导带材绕制控制。
7.可选地，所述超导带材绕制装置包括安装框架，所述导向轮通过导向轮座转动安装在所述安装框架上，所述压力传感器安装在所述导向轮座上。
8.可选地，所述激光测距仪安装在所述安装框架上，所述激光测距仪发射出的激光束朝向所述放线盘的外表面。
9.可选地，所述主动电机通过主动电机传动机构带动所述绕线盘转动，所述主动电
机传动机构包括主动传动轴，所述主动传动轴上设有第一抱死器，所述第一抱死器与所述控制器电连接；所述扭力电机通过从动电机传动机构向所述放线盘传递扭矩，所述从动电机传动机构包括从动传动轴和离合器，所述离合器设于所述扭力电机和所述从动传动轴之间，所述从动传动轴上设有第二抱死器，所述第二抱死器与所述控制器电连接。
10.可选地，所述主动电机传动机构还包括第一卡盘和第一丝杠，所述第一卡盘安装在所述主动传动轴的端部，所述第一丝杠安装在所述第一卡盘上，所述绕线盘安装在所述第一丝杠上；所述从动电机传动机构还包括第二卡盘和第二丝杠，所述第二卡盘安装在所述从动传动轴的端部，所述第二丝杠安装在所述第二卡盘上，所述放线盘安装在所述第二丝杠上。
11.本发明提供的一种超导带材绕制装置的控制方法，用于控制如上述任一实施例的超导带材绕制装置，该控制方法包括：根据激光测距仪反馈的外径数据实时调控扭力电机的输出扭矩，并换算出所述扭力电机作用到超导带材的理论张力值、以及根据压力传感器反馈的压力数据换算出超导带材所受的实际张力值；根据实际张力值和理论张力值进行张力判断；根据判断结果进行超导带材绕制控制。
12.可选地，所述根据实际张力值和理论张力值进行张力判断包括：若实际张力值和理论张力值的差值在预设差值范围内、且实际张力值高于第一预设阈值，则判断为张力过大；若实际张力值和理论张力值的差值在预设差值范围内、且实际张力值低于第二预设阈值，则判断为张力过小；若实际张力值和理论张力值的差值在预设差值范围内、且实际张力值低于第一预设阈值且高于第二预设阈值，则判断为正常绕制。
13.可选地，所述根据判断结果进行超导带材绕制控制包括：若判断为张力过大，则控制扭力电机减小输出扭矩；若判断为张力过小，则控制扭力电机增大输出扭矩、主动电机进行反转、且扭力电机的转速高于主动电机的转速，直至实际张力值高于第二预设阈值后，控制主动电机进行正转、且减小扭力电机的输出扭矩；若判断为正常绕制，则控制扭力电机以预设的输出扭矩运行。
14.可选地，所述根据实际张力值和理论张力值进行张力判断还包括：若实际张力值和理论张力值的差值不在预设差值范围内、且实际张力值低于第三预设阈值，则判断为断线。
15.可选地，所述根据判断结果进行超导带材绕制控制还包括：若判断为断线，则控制从动电机传动机构的离合器分离、扭力电机空转、主动电机停止运行，以及控制第一抱死器将主动传动轴抱死、第二抱死器将从动传动轴抱死。
16.本发明实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
17.本发明实施例提供的超导带材绕制装置及其控制方法，通过激光测距仪实时检测缠绕在放线盘上的超导带材的外径，控制器根据超导带材的外径实时调控扭力电机的输出扭矩，以确保扭力电机作用到超导带材的张力始终保持在一定的张力范围内；通过压力传感器实时检测超导带材作用到导向轮的压力，压力传感器反馈的压力数据反映了超导带材的张力，从而实现实时监测超导带材的张力的功能，通过实际张力值和理论张力值的比对，一方面可以对扭力电机的输出扭矩进行校验，另一方面当监测到超导带材的张力出现异常时，可以及时地对超导带材的张力进行调控，从而保证超导带材绕制过程中各匝之间的张力一致；通过控制超导带材绕制过程的张力一致，有利于超导带材宽度均匀，且绕制紧实，
不易空气进入相邻层超导带材的表面，防止超导带材表面氧化影响超导带材焊接，从而确保超导带材在实际使用过程中能够产生稳定磁场。
附图说明
18.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明一实施例所述超导带材绕制装置的结构示意图；
21.图2为图1所示超导带材绕制装置的局部结构的示意图；
22.图3为图2中导向轮、导向轮座及压力传感器的结构示意图；
23.图4为本发明一实施例所述超导带材绕制装置进行绕制过程的结构示意图；
24.图5为本发明一实施例所述超导带材绕制装置的主动电机传动机构的结构示意图；
25.图6为本发明一实施例所述超导带材绕制装置的从动电机传动机构的结构示意图；
26.图7为本发明一实施例所述超导带材绕制装置的控制方法的流程图。
27.其中，1-绕线机构；11-绕线盘；12-主动电机传动机构；13-主动电机；121-第一联轴器；122-主动传动轴；123-第一轴承座；124-第一抱死器；125-第一卡盘；126-第一丝杠；
28.2-放线机构；21-放线盘；22-从动电机传动机构；23-扭力电机；221-第二联轴器；222-离合器；223-从动传动轴；224-第二轴承座；225-第二抱死器；226-第二卡盘；227-第二丝杠；
29.3-控制系统；31-导向轮；32-激光测距仪；33-压力传感器；34-安装框架；35-导向轮座；36-控制器；
30.4-超导带材。
具体实施方式
31.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将对本发明的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
32.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
33.如图1所示，本发明实施例提供了一种超导带材绕制装置，该超导带材绕制装置包括：绕线机构1、放线机构2和控制系统3。具体地，绕线机构1包括绕线盘11及驱动绕线盘11转动的主动电机13；放线机构2包括放线盘21及向放线盘21传递扭矩的扭力电机23；控制系统3包括导向轮31、激光测距仪32和控制器36，导向轮31设于放线盘21和绕线盘11之间，超导带材4绕制时，缠绕在放线盘21上的超导带材4通过导向轮31并最终缠绕在绕线盘11上，
扭力电机23向放线盘21传递扭矩，使缠绕在放线盘21上的超导带材4具有一定的张力；激光测距仪32设于与放线盘21对应的位置，用于实时检测缠绕在放线盘21上的超导带材4的外径，激光测距仪32与控制器36通信连接，控制器36根据激光测距仪32反馈的外径数据实时调控扭力电机23的输出扭矩。
34.上述实施例中，当超导带材4持续绕制时，缠绕在放线盘21上的超导带材4的外径会逐渐减小，导致转动惯量逐渐减小，若扭力电机23采用恒扭矩会导致扭力电机23作用到超导带材4的张力逐渐增加，通过设置激光测距仪32，实时检测缠绕在放线盘21上的超导带材4的外径，使得控制器36能够根据超导带材4的实时外径实时调控扭力电机23的输出扭矩，以确保扭力电机23作用到超导带材4的张力始终保持在一定的张力范围内。
35.进一步地，如图1所示，控制系统3还包括压力传感器33，压力传感器33设于与导向轮31对应的位置，压力传感器33用于实时检测超导带材4作用到导向轮31的压力，压力传感器33与控制器36通信连接，控制器36根据压力传感器33反馈的压力数据换算出超导带材4所受的实际张力值；控制器36还根据激光测距仪32反馈的外径数据以及根据该外径数据设定的扭力电机23的输出扭矩换算出扭力电机23作用到超导带材4的理论张力值；控制器36根据实际张力值和理论张力值进行超导带材4绕制控制。
36.上述实施例中，通过压力传感器33实时检测超导带材4作用到导向轮31的压力，压力传感器33反馈的压力信息反映了导向轮31上超导带材4的实际张力，如此实现对超导带材4的张力的实时监测功能，通过实际张力值和理论张力值的比对，一方面可以对扭力电机23的输出扭矩进行校验，正常情况下由扭力电机23换算的理论张力值和由压力传感器33换算的实际张力值的差值应该在预设差值范围内，若两者的差值较大，则可能存在扭力电机23的设定的输出扭矩和实际的输出扭矩差别较大的情况，该情况可能由于扭力电机23的精度不高等问题引起，必要时需停机进行检查；另一方面当监测到超导带材4的张力出现张力过大、张力过小等情况时，可及时地对超导带材4的张力进行调控，从而保证超导带材4绕制过程中各匝之间的张力一致。通过控制超导带材4绕制过程的张力一致，有利于超导带材4宽度均匀，且绕制紧实，不易空气进入相邻层超导带材4的表面，防止超导带材4表面氧化影响超导带材4焊接，从而确保超导带材4在实际使用过程中能够产生稳定磁场。
37.在一个实施例中，如图1所示，超导带材绕制装置包括安装框架34，导向轮31通过导向轮座35转动安装在安装框架34上，使得导向轮31能够相对安装框架34自由转动；如图2和图3所示，压力传感器33安装在导向轮座35上，导向轮座35上开设有通孔，压力传感器33的感应端穿过导向轮座35的通孔，与导向轮31的轮面相对，超导带材4绕制过程中超导带材4和压力传感器33分别位于导向轮31的两侧(如图4所示)，使得导向轮31能够将超导带材4作用到导向轮31的压力传递至压力传感器33，再由压力传感器33将压力信号转化为电信号传递给控制器36，实现实时监测与调控张力的功能；如图1所示，控制器36安装在安装框架34上，具体地，控制器36可以安装在位于绕线机构1下方的绕线机构1框架上。控制器36与主动电机13电连接，可以通过控制器36控制主动电机13的转速；控制器36还与扭力电机23电连接，可以通过控制器36控制扭力电机23的电压，进而控制扭力电机23的输出扭矩。
38.在一个实施例中，如图1所示，激光测距仪32安装在安装框架34上，激光测距仪32发射出的激光束朝向放线盘21的外周面，优选地，激光测距仪32发射出的激光束沿放线盘21的径向。激光测距仪32可根据不同时间点测量的距离之差来计算超导带材4的外径，并把
外径数据反馈给控制器36，控制器36根据超导带材4实时变化的外径，以及超导带材4的外径与扭力电机23的输出扭矩的算法关系，设定扭力电机23的输出扭矩，实现对扭力电机23的输出扭矩进行实时调控，以确保超导带材4绕制过程中的张力一致。
39.在一个具体实施例中，如图1所示，安装框架34包括用于安装放线机构2的放线机构框架、用于安装绕线机构1的绕线机构框架、以及用于安装导向轮31及压力传感器33的导向轮框架，激光测距仪32安装在导向轮框架上。优选地，如图2所示，激光测距仪32安装在导向轮框架背向导向轮31的一侧，换言之，激光测距仪32和导向轮31分别安装在导向轮框架的上下两侧。如此，不需要额外设置用于固定激光测距仪32的框架，使得超导带材绕制装置的结构更简化，激光测距仪32的安装固定更加方便，且使得激光测距仪32和导向轮31的安装互不干扰。当然，导向轮31、压力传感器33以及激光测距仪32的具体安装结构不限于上述的限定，可根据实际情况自行设计与调整。
40.在一个实施例中，如图1所示，绕线机构1包括依次连接的绕线盘11、主动电机传动机构12和主动电机13，主动电机13通过主动电机传动机构12带动绕线盘11转动。具体地，如图5所示，主动电机传动机构12包括主动传动轴122，主动传动轴122上设有第一抱死器124，第一抱死器124与控制器36电连接，第一抱死器124用于在绕线故障(如发生断线)时将主动传动轴122抱死，确保超导带材绕制装置使用的安全性。
41.进一步地，如图5所示，主动电机传动机构12还包括第一卡盘125和第一丝杠126，第一卡盘125安装在主动传动轴122的端部，第一丝杠126安装在第一卡盘125上，绕线盘11安装在第一丝杠126上。通过设置第一卡盘125和第一丝杠126，使得绕线盘11的更换更加方便，便于换件操作，并且通过更换不同尺寸的第一丝杠126，可以实现在第一丝杠126上同时安装一个、两个或者更多个绕线盘11，从而实现多个绕线盘11同时绕制的目的。
42.在一个具体实施例中，如图5所示，主动电机传动机构12包括依次连接的第一联轴器121、主动传动轴122、第一卡盘125和第一丝杠126，主动传动轴122通过第一联轴器121与主动电机13连接，主动传动轴122通过第一轴承安装在第一轴承座123上，第一抱死器124设在第一轴承座123远离第一联轴器121的一侧，绕线盘11安装在第一丝杠126上。
43.在一个实施例中，如图1所示，放线机构2包括依次连接的放线盘21、从动电机传动机构22和扭力电机23，扭力电机23通过从动电机传动机构22向放线盘21传递扭矩。具体地，如图6所示，从动电机传动机构22包括从动传动轴223和离合器222，离合器222设于扭力电机23和从动传动轴223之间，离合器222用于在绕线故障(如发生断线)时分离，从而使得扭力电机23和从动传动轴223断开，此时可控制扭力电机23空转，从而保护扭力电机23；从动传动轴223上设有第二抱死器225，第二抱死器225与控制器36电连接，第二抱死器225用于在绕线故障(如发生断线)时将从动传动轴223抱死，确保超导带材绕制装置使用的安全性。
44.进一步地，如图6所示，从动电机传动机构22还包括第二卡盘226和第二丝杠227，第二卡盘226安装在从动传动轴223的端部，第二丝杠227安装在第二卡盘226上，放线盘21安装在第二丝杠227上。通过设置第二卡盘226和第二丝杠227，使得放线盘21的更换更加方便，便于换件操作，并且通过更换不同尺寸的第二丝杠227，可以实现在第二丝杠227上同时安装一个、两个或者更多个放线盘21，从而实现多个放线盘21同时放线进行绕制的目的。
45.在一个具体实施例中，如图6所示，从动电机传动机构22包括依次连接的第二联轴器221、离合器222、从动传动轴223、第二卡盘226和第二丝杠227，扭力电机23与第二联轴器
221连接，从动传动轴223通过第二轴承安装在第二轴承座224上，第二抱死器225设在第二轴承座224远离第二联轴器221的一侧，放线盘21安装在第二丝杠227上。
46.在一个实施例中，超导带材绕制装置的控制器36中设有断电保护模块，以在绕制过程中出现故障时以及断电，确保超导带材绕制装置使用的安全性。
47.本发明实施例提供的超导带材绕制装置，超导带材4绕制时，缠绕在放线盘21上的超导带材4通过导向轮31进入绕线盘11，其中扭力电机23给从动电机传动机构22提供扭矩，即通过从动电机传动机构22内部的离合器222将扭力传递给放线盘21，使缠绕至放线盘21上的超导带材4具有一定的张力，超导带材4经过导向轮31后，使导向轮31产生压力信号并传递至压力传感器33，再由压力传感器33将压力信号转化为电信号传递至控制器36，控制器36将接收到的电信号与预设的阈值相比较，判断是否为断线、张力过大、松脱等状态，并根据判断结果进行反馈信号的输出。
48.由于超导带材4绕制过程中放线盘21内的超导带材4的外径会逐渐减小，激光测距仪32可根据不同时间点测量的距离之差来计算超导带材4的外径，并把外径数据反馈给控制器36，控制器36根据该外径数据预设扭力电机23的输出扭矩，并根据由该外径数据预设的扭矩值计算出扭力电机23作用到超导带材4的理论张力值，然后根据压力传感器33读取的压力数值计算出实际运行中超导带材4的实际张力值，根据理论张力值和实际张力值进行断线、张力过大和松脱等情况的逻辑判断。
49.如图7所示，本发明实施例提供了一种超导带材绕制装置的控制方法，用于控制如上述任一实施例的超导带材绕制装置，该超导带材绕制装置的控制方法包括：
50.s102，根据激光测距仪反馈的外径数据实时调控扭力电机的输出扭矩，并换算出扭力电机作用到超导带材的理论张力值、以及根据压力传感器反馈的压力数据换算出超导带材所受的实际张力值；
51.s104，根据实际张力值和理论张力值进行张力判断；
52.s106，根据判断结果进行超导带材绕制控制。
53.在上述实施例中，超导带材4绕制过程中，放线盘21内超导带材4的外径会逐渐减小，根据激光测距仪32反馈的外径数据实时调控扭力电机23的输出扭矩，以确保扭力电机23作用到超导带材4的张力始终保持在一定的张力范围内；扭力电机23输出扭矩之后，根据压力传感器33反馈的压力数据实时监测超导带材4的实际张力值，一方面校验扭力电机23输出扭矩的精准性，另一方面当实际张力值与理论张力值的差值较大时，可以对扭力电机23的输出扭矩等参数进行实时调控，从而确保超导带材4绕制过程的张力一致。
54.在一个实施例中，根据实际张力值和理论张力值进行张力判断包括：若实际张力值和理论张力值的差值在预设差值范围内、且实际张力值高于第一预设阈值，则判断为张力过大；若实际张力值和理论张力值的差值在预设差值范围内、且实际张力值低于第二预设阈值，则判断为张力过小；若实际张力值和理论张力值的差值在预设差值范围内、且实际张力值低于第一预设阈值且高于第二预设阈值，则判断为正常绕制。
55.进一步地，根据判断结果进行超导带材绕制控制包括：若判断为张力过大，则控制扭力电机23减小输出扭矩；若判断为张力过小，则控制扭力电机23增大输出扭矩、主动电机13进行反转、且扭力电机23的转速高于主动电机13的转速，直至实际张力值高于第二预设阈值后，控制主动电机13进行正转、且减小扭力电机23的输出扭矩；若判断为正常绕制，则
控制扭力电机23以预设的输出扭矩运行。
56.上述实施例中，是对实际张力值和理论张力值的差值在预设差值范围内的情况进行的张力判断与控制；具体地，当判断为张力过大时，说明可能会造成断线现象，此时控制器36将给扭力电机23发送信号，减小扭力电机23的输出扭矩，使超导带材4的张力控制到设定的阈值内，扭力电机23和主动电机13将继续进行工作；当判断为张力过小时，说明存在一定的松脱，此时控制扭力电机23增大输出扭矩、主动电机13进行反转、且扭力电机23的转速高于主动电机13的转速，使得绕线盘11上已经缠绕但比较松的超导带材4重新绕回到放线盘21上，直到超导带材4的张力重新升至设定的阈值后(此时可先停留一下)，再控制主动电机13正转、且减小扭力电机23的输出扭矩，进行正常绕制，整个过程将超导带材4松脱部分重新绕制到绕线盘11上；待绕制平稳后，提高主动电机13的转速，快速提高张力，使张力控制在设定的范围内。
57.在一个实施例中，根据实际张力值和理论张力值进行张力判断还包括：若实际张力值和理论张力值的差值不在预设差值范围内、且实际张力值低于第三预设阈值，则判断为断线。进一步地，根据判断结果进行超导带材绕制控制还包括：若判断为断线，则控制从动电机传动机构22的离合器222分离、扭力电机23空转、主动电机13停止运行，以及控制第一抱死器124将主动传动轴122抱死、第二抱死器225将从动传动轴223抱死。
58.上述实施例中，若实际张力值和理论张力值的差值不在预设差值范围内(例如两者的差值突然增大)、且实际张力值低于第三预设阈值(例如实际张力值突然减小)时，则判断为断线，此时控制器36发出信号给从动电机传动机构22的离合器222，使离合器222分离，扭力电机23空转，如此可保护扭力电机23；并控制第一抱死器124将主动电机13轴抱死、第二抱死器225将从动电机轴抱死，使放线盘21和绕线盘11停止转动，如此可防止放线盘21及绕线盘11中的已断的超导带材4甩出，防止对操作人员造成伤害。当然，若在保证安全的情况下，也可以在判断断线时，控制主动电机13先降速后逐渐停止，如此可以使绕线盘11缓慢停止，避免绕线盘11上已经缠绕上的超导带材4过多的松脱掉后对超导带材4表面镀层磨损。
59.需要说明的是，若实际张力值和理论张力值的差值不在预设差值范围内，则可以判断为绕线故障(包括发生断线的情况)，此时可发出报警等指示，提醒操作人员及时查验故障。
60.需要说明的是，在本文中，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
61.以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所发明的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。