智能化程度高的脆性纤维自动平铺装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种智能化程度高的脆性纤维自动平铺装置，由退绕纤维速度控制步进电机、X轴步进电机、退绕纤维、纤维托盘、二维平面运动平台、2个伺服电机、X轴图像摄像头、Y轴图像摄像头、图像采集与处理模块、PLC控制器、二维插补模块、2个步进电机驱动器、2个伺服电机驱动器、触摸屏组成。图像检测和处理模块采用左右二个长方形面积内像素恢度值求和算法。本发明结构紧凑且简单、自动化程度高、测控系统结构合理且智能化程度高。
【专利说明】智能化程度高的脆性纤维自动平铺装置
[0001] 本申请是申请号：201310356841. 1、申请日：2013.8. 16,名称"脆性纤维自动平铺 装置"的分案申请。
【技术领域】
[0002] 本发明涉及一种脆性纤维自动平铺装置。
【背景技术】
[0003] 低强力、脆性纤维平铺，是纤维从卷绕状态到平铺状态且平铺纤维分布均匀、曲率 半径不能小，以便后道工序加工；平铺脆性纤维分布曲率半径过小(甚至形成尖角），加热处 理后，重新卷绕时，易断裂。由于纤维强力很低、脆性很大，给平铺加工带来很大困难，目前， 采用人工方式，退绕过程中人工根据经验进行调节，无法确保平铺纤维的曲率半径的参数 (允许的曲率半径最小值)，严重影响加热处理后的纤维质量，因为平铺脆性纤维曲率半径 小(甚至形成尖角），加热处理后，重新卷绕时，易断裂。同时，人工方式工作效率低，也无法 确保平铺纤维分布的一致性。影响着新纤维材料的研究和应用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种结构合理，工作性能好的脆性纤维自动平铺装置。
[0005] 本发明的技术解决方案是： 一种脆性纤维自动平铺装置，其特征是：包括二维平面运动平台，二维平面运动平台上 设置纤维托盘，二维平面运动平台分别由二个伺服电机驱动进行X轴、Y轴运动，二个伺服 电机分别与一个伺服电机驱动模块连接，伺服电机驱动模块通过二维插补模块与PLC控制 器连接，PLC控制器接有触摸屏；另用分别对二维平面运动平台的X轴运动、Y轴运动进行 摄像的X轴摄像头、Y轴摄像头，X轴摄像头、Y轴摄像头与图像检测与处理模块连接，图像 检测与处理模块与PLC控制器连接；另有将退绕纤维放置到纤维托盘上的定点纤维退绕传 动机构，定点纤维退绕传动机构由X轴步进电机驱动进行X轴运动的X轴运动平台，X轴运 动平台上装退绕纤维转动机构，退绕纤维转动机构由退绕纤维速度控制步进电机驱动；定 点纤维退绕传动机构的X轴步进电机、退绕纤维速度控制步进电机分别与一个步进电机驱 动模块连接，步进电机驱动模块与PLC控制器连接；PLC控制退绕纤维步进电机的速度，退 绕纤维的线速度与二维平面运动平台插补线速度一致，以确保纤维在托盘上平铺形状；二 维平面运动平台插补轨迹，由PLC计算及插补程序通过二维插补模块经2个伺服电机驱动 模块，通过2个伺服电机的运动实现；X轴图像摄像头及图像检测与处理模块，实时检测并 计算退绕纤维与基准位置的偏差，图像检测与处理模块把退绕纤维与基准位置的偏差值通 过RS232通信方式发送给PLC，PLC控制X轴步进电机进给工作，以缩小退绕纤维与基准位 置的偏差，X轴步进电机属间隙工作模式；PLC直接控制2个步进电机驱动模块，驱动步进 电机工作；Y轴图像摄像头及图像检测与处理模块，实时检测并计算纤维正常、反绕、断纤 三种退绕悬挂状态，一旦发现反绕或断纤，图像检测与处理模块把退绕悬挂状态信息通过 RS232通信方式发送给PLC，PLC控制退绕纤维步进电机及二维平面运动平台停止工作，PLC 保存二维平面运动平台的工作位置，以便再次工作时，纤维平面平铺形状的延续；触摸屏作 为人工操作界面，用于速度参数、平铺纤维曲率半径参数的设置，人工操作及调节纤维退绕 悬挂位置、记录平铺纤维的长度、记录平铺纤维的断纤次数；断纤后再次工作，首先是人工 操作及调节纤维退绕悬挂位置，退绕纤维悬挂位置必须位于二维平面运动平台的设定初始 点；启动工作后，PLC首先控制二维平面运动平台运动到先前保存的断纤位置，然后控制退 绕纤维步进电机及二维平面运动平台同时工作；X轴步进电机及二个伺服电机的平台机构 都设有限位开关，同时作为起点位置。
[0006] 图像检测和处理模块采用左右二个长方形面积内像素恢度值求和算法，左长方形 面积内像素恢度求和值大于设定值，则退绕纤维在左侧，属正常；右长方形面积内像素恢度 求和值大于设定值，则退绕纤维在右侧，属反绕；左右2个长方形面积内像素恢度求和值都 小于设定值，属断纤。
[0007] 当退绕纤维一层平铺结束，自动进行下一层平铺，下层平铺图形整体X轴向移动 一个偏移量，属奇数层左移，属偶数层右移。
[0008] 本发明在确保平铺纤维曲率半径参数的同时，把纤维从卷绕状态到平铺状态自动 融为一体。采用双摄像头及图像采集与处理技术，确保纤维既定位置的正常退绕；PLC控制 退绕纤维步进电机的速度，其退绕纤维的线速度与二维平面运动平台插补线速度一致，以 确保纤维在托盘上平铺形状(保证平铺纤维曲率半径参数)。二维平面运动平台插补轨迹， 由PLC计算及插补程序通过二维插补模块经2个伺服驱动器，通过2个伺服电机的运动实 现。整个脆性纤维自动平铺装置由PLC控制，经2个步进电机及驱动模块、2个伺服电机及 驱动模块、2个图像摄像头及图像采集与处理模块协同完成。有退绕纤维步进电机的旋转运 动、X轴步进电机经丝杆机构的直线运动、二维平面运动平台的插补运动、图像采集、图像处 理等。
[0009] 本发明结构紧凑且简单、自动化程度高、测控系统结构合理且智能化程度高。纵观 国内现有的纤维平铺装置和设备，本发明所提的设计目标尚无单位实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0011] 图1是本发明的一种脆性纤维自动平铺装置的结构图。
[0012] 其中有由退绕纤维速度控制步进电机、退绕纤维、纤维托盘、二维平面运动平台、2 个伺服电机、X轴图像摄像头、Y轴图像摄像头、图像采集与处理模块、PLC控制器、二维插补 模块、2个步进电机驱动器、2个伺服电机驱动器、触摸屏等组成。
[0013] 图2是定点纤维退绕传动机构示意图。
[0014] 其中有退绕纤维速度控制步进电机、X轴步进电机(带减速器、丝杆、齿轮)。退绕 纤维速度控制步进电机，整体固定在X轴步进电机的运动平台上，X轴步进电机的运动带动 退绕纤维速度控制步进电机的整体X轴向运动。
[0015] 图3是二维平面运动平台机构示意图。
[0016] 其中有二维平面运动平台和纤维托盘；二维平面运动平台包括2个伺服电机(带 减速器、丝杆、齿轮)。
[0017] 图4是图像检测与处理机构示意图。
[0018] 其中有2个摄像头和一块图像检测与处理模块，2个摄像头分别获取X轴向和Y轴 向的纤维退绕图像。
[0019] 图5是PLC控制及驱动机构。
[0020] 其中有PLC控制器、二维插补模块、触摸屏、2个步进电机驱动模块和2个伺服电机 驱动模块等组成。
[0021] 图6是Y轴图像检测纤维退绕悬挂3种状态示意图。
[0022] Y轴图像摄像头（CMOS面阵摄像头）定时获取Y轴向退绕纤维图像，图像处理模 块采用左右2个长方形面积内像素恢度值求和算法，左长方形面积内像素恢度求和值大于 设定值，则退绕纤维在左侧，属正常（A);右长方形面积内像素恢度求和值大于设定值，则悬 挂纤维在右侧，属反绕（B);左右2个长方形面积内像素恢度求和值都小于设定值，属断纤 (C)。
[0023] 图7是X轴图像摄像头（CMOS面阵摄像头）实时获取退绕悬挂纤维绝对位置示意 图。
[0024] 伴随退绕纤维速度控制步进电机的运动，退绕纤维的位置向X轴向右侧移动，退 绕纤维与设定的基准位置变大，图像处理模块采用计算基准位置与退绕纤维间的像素点的 个数，来获取退绕纤维绝对位置。图中（A)为基准位置，（B)为退绕纤维。
[0025] 图8是纤维在纤维托盘上平铺形状示意图。
[0026] 这是理论设计的纤维在托盘上平铺形状(大于所设定的曲率半径参数)，二维平面 运动平台依据该设计图形，编制插补程序，实现二维平面运动平台插补轨迹。
【具体实施方式】
[0027] 一种脆性纤维自动平铺装置，包括二维平面运动平台1，二维平面运动平台上设置 纤维托盘2,二维平面运动平台分别由二个伺服电机3、4驱动进行X轴、Y轴运动，二个伺服 电机分别与一个伺服电机驱动模块5、6连接，伺服电机驱动模块通过二维插补模块7与PLC 控制器8连接，PLC控制器接有触摸屏9 ;另用分别对二维平面运动平台的X轴运动、Y轴运 动进行摄像的X轴摄像头10、Y轴摄像头11，X轴摄像头、Y轴摄像头与图像检测与处理模 块12连接，图像检测与处理模块与PLC控制器8连接；另有将退绕纤维放置到纤维托盘上 的定点纤维退绕传动机构，定点纤维退绕传动机构由X轴步进电机13驱动进行X轴运动的 X轴运动平台17, X轴运动平台上装退绕纤维转动机构18,退绕纤维转动机构由退绕纤维速 度控制步进电机14驱动；定点纤维退绕传动机构的X轴步进电机13、退绕纤维速度控制步 进电机14分别与一个步进电机驱动模块15、16连接，步进电机驱动模块与PLC控制器8连 接。
[0028] 卷绕状态的纤维位于退绕纤维步进电机控制的滚筒上（图2所示)，由其步进电机 控制退绕速度，为了让退绕悬挂纤维的绝对位置不变，由X轴图像摄像头及图像采集与处 理模块（图1所示)，实时采集退绕纤维与基准位置间的间距（图7所示)，通过X轴步进电机 的X轴向移动（图2所示)，使退绕纤维与基准位置间的间距尽可能小，保证退绕纤维的绝对 位置基本不变。为了防止退绕纤维反绕或断纤，Y轴图像摄像头及图像采集与处理模块，实 时采集退绕纤维的悬挂状态（图6所示)，如属反绕或断纤，图像采集与处理模块通信通知 PLC，由PLC控制的退绕纤维步进电机及二维平面运动平台的2个伺服电机（图3所示)，停 止工作，并保存平台运动位置参数。
[0029]图像采集与处理模块通过2个摄像头采集图像，实时将退绕纤维的悬挂位置信息 及退绕状态。Y轴图像摄像头（CMOS面阵摄像头）定时获取Y轴向退绕纤维图像(如图6所 示)，图像处理模块采用左右2个长方形面积内像素恢度值求和算法，左长方形面积内像素 恢度求和值大于设定值，则退绕纤维在左侧，属正常；右长方形面积内像素恢度求和值大于 设定值，则退绕纤维在右侧，属反绕；左右2个长方形面积内像素恢度求和值都小于设定 值，属断纤。X轴图像摄像头（CMOS面阵摄像头)实时获取退绕纤维绝对位置(如图7所示)。 伴随退绕纤维速度控制步进电机的运动，退绕纤维的位置向X轴向右侧移动，退绕纤维与 设定的基准位置变大，图像处理模块采用计算基准位置与退绕纤维间的像素点的个数，来 获取退绕纤维绝对位置。图像采集与处理模块把退绕纤维的悬挂位置信息及退绕状态，通 过RS232通信方式，传送到PLC，由PLC控制相应动作。触摸屏作为人工操作界面，用于速 度参数、平铺纤维曲率半径参数的设置，人工操作及调节纤维退绕位置、记录平铺纤维的长 度、记录平铺纤维的断纤次数等。断纤后再次工作，首先是人工操作及调节纤维退绕位置， 退绕纤维必须位于二维平面运动平台的设定初始点(设有明显标记）;启动工作后，PLC首先 控制二维平面运动平台运动到先前保存的断纤位置，然后控制退绕纤维步进电机及二维平 面运动平台同时工作。X轴步进电机及2个伺服电机的平台机构都设有限位开关，同时也作 为起点位置。整个脆性纤维自动平铺装置由PLC控制，经2个步进电机及驱动模块、2个伺 服电机及驱动模块、2个图像摄像头及图像采集与处理模块协同完成。当退绕纤维一层平铺 结束，自动进行下一层平铺，下层平铺图形整体X轴向移动一个偏移量(属奇数层左移，属 偶数层右移)。
【权利要求】
1. 一种智能化程度高的脆性纤维自动平铺装置，其特征是：包括二维平面运动平台， 二维平面运动平台上设置纤维托盘，二维平面运动平台分别由二个伺服电机驱动进行X 轴、Y轴运动，二个伺服电机分别与一个伺服电机驱动模块连接，伺服电机驱动模块通过二 维插补模块与PLC控制器连接，PLC控制器接有触摸屏；另用分别对二维平面运动平台的X 轴运动、Y轴运动进行摄像的X轴摄像头、Y轴摄像头，X轴摄像头、Y轴摄像头与图像检测 与处理模块连接，图像检测与处理模块与PLC控制器连接；另有将退绕纤维放置到纤维托 盘上的定点纤维退绕传动机构，定点纤维退绕传动机构由X轴步进电机驱动进行X轴运动 的X轴运动平台，X轴运动平台上装退绕纤维转动机构，退绕纤维转动机构由退绕纤维速度 控制步进电机驱动；定点纤维退绕传动机构的X轴步进电机、退绕纤维速度控制步进电机 分别与一个步进电机驱动模块连接，步进电机驱动模块与PLC控制器连接；PLC控制退绕纤 维步进电机的速度，退绕纤维的线速度与二维平面运动平台插补线速度一致，以确保纤维 在托盘上平铺形状；二维平面运动平台插补轨迹，由PLC计算及插补程序通过二维插补模 块经2个伺服电机驱动模块，通过2个伺服电机的运动实现；X轴图像摄像头及图像检测与 处理模块，实时检测并计算退绕纤维与基准位置的偏差，图像检测与处理模块把退绕纤维 与基准位置的偏差值通过RS232通信方式发送给PLC，PLC控制X轴步进电机进给工作，以 缩小退绕纤维与基准位置的偏差，X轴步进电机属间隙工作模式；PLC直接控制2个步进电 机驱动模块，驱动步进电机工作；Y轴图像摄像头及图像检测与处理模块，实时检测并计算 纤维正常、反绕、断纤三种退绕悬挂状态，一旦发现反绕或断纤，图像检测与处理模块把退 绕悬挂状态信息通过RS232通信方式发送给PLC，PLC控制退绕纤维步进电机及二维平面 运动平台停止工作，PLC保存二维平面运动平台的工作位置，以便再次工作时，纤维平面平 铺形状的延续；触摸屏作为人工操作界面，用于速度参数、平铺纤维曲率半径参数的设置， 人工操作及调节纤维退绕悬挂位置、记录平铺纤维的长度、记录平铺纤维的断纤次数；断纤 后再次工作，首先是人工操作及调节纤维退绕悬挂位置，退绕纤维悬挂位置必须位于二维 平面运动平台的设定初始点；启动工作后，PLC首先控制二维平面运动平台运动到先前保 存的断纤位置，然后控制退绕纤维步进电机及二维平面运动平台同时工作；X轴步进电机 及二个伺服电机的平台机构都设有限位开关，同时作为起点位置；图像检测和处理模块采 用左右二个长方形面积内像素恢度值求和算法，左长方形面积内像素恢度求和值大于设定 值，则退绕纤维在左侧，属正常；右长方形面积内像素恢度求和值大于设定值，则退绕纤维 在右侧，属反绕；左右2个长方形面积内像素恢度求和值都小于设定值，属断纤。
2. 根据权利要求1所述的智能化程度高的脆性纤维自动平铺装置，其特征是：Y轴图像 摄像头为CMOS面阵摄像头。
3. 根据权利要求1所述的智能化程度高的脆性纤维自动平铺装置，其特征是：X轴图 像摄像头为CMOS面阵摄像头。
【文档编号】D02J1/18GK104088056SQ201410309722
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2013年8月16日 优先权日:2013年8月16日
【发明者】姜平, 陈瑞祥 申请人:南通大学