基于大包角和高摩擦系数纤维丝束低张力输送装置及方法与流程

本发明涉及一种自动铺丝设备，具体涉及基于大包角和高摩擦系数纤维丝束低张力输送装置及方法，用于生产由复合材料制成的部件，实现了纤维丝束的分段张力控制，有效降低了铺放过程的丝束张力。

背景技术：

自动铺丝技术以其高效率、高精度，可制造复杂型面的复合材料构件的优势，成为了目前复合材料自动化制造装备研究的热点，在航空航天、能源装备、轨道交通等领域有着非常广阔的应用前景。自动铺丝技术(afp)是在纤维缠绕技术和自动铺带技术的基础上发展而来的，结合了纤维缠绕技术和自动铺带技术的技术优点。输送系统是自动铺丝设备的重要组成部分，是保证预浸丝平整、铺丝头可靠运行，铺放精度的基础和前提。

在目前使用的碳纤维预浸丝束铺放方案中，料卷基于铺放速度同步转动并通过张力机构反馈增减转速实现张力控制及送料。送料电机控制料卷转动进行主动送料实现送料速度的调节以及张力的稳定，随着送料量的增加料卷直径会不断减小，控制程序还需要根据料卷直径的变化来调整转速。目前算法是通过记录电机工作脉冲数推算碳纤维预浸丝束使用量以此为依据对料卷直径进行估算，估算结果与实际情况存在偏差，难以保证控制的精度。同时，读取张力机构参数并进行反馈响应性过慢，当张力过大时无法快速降低从而影响铺层质量，当张力过小时易造成送料冗余影响可靠性。

同时在现有的设备中，碳纤维预浸丝束从料卷送出到铺放在模具上的过程中张力是连续的。大张力条件下丝束会在模具凹曲面处发生架桥现象，影响成型结构件的质量；小张力条件下隔离膜收卷会发生冗余甚至造成反缠，大大降低了设备的可靠性。当前张力连续的输送系统无法同时实现隔离膜收卷机构的大张力要求以及铺放过程的小张力要求，大大限制了铺放速度以及可成型结构件的复杂程度。

技术实现要素：

为克服现有技术中的问题，本发明的目的是提供基于大包角和高摩擦系数纤维丝束低张力输送装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于大包角和高摩擦系数纤维丝束低张力输送装置，包括安装在纱架板顶面的制动器以及安装在纱架板底面的料卷机构、隔离膜收卷机构和输送装置；制动器与料卷机构相连；输送装置一侧设置有张力机构，输送装置设置于隔离膜收卷机构和张力机构之间；输送装置连接有输送电机，输送装置包括主输送辊和辅助输送辊，输送电机与主输送辊和辅助输送辊相连；制动器将丝束从送料装置的料卷送出，然后绕过隔离膜收卷机构，在制动器作用下丝束张力带动隔离膜收卷机构同步转动，隔离膜收卷机构将隔离膜剥离收集，然后丝束通过输送装置与张力机构，进入铺丝头内；丝束路径绕过主输送辊和辅助输送辊表面的总包角不小于400°。

本发明进一步的改进在于，纱架板顶面上设置有制动器安装板，制动器设置在制动器安装板上。

本发明进一步的改进在于，制动器为磁粉制动器、磁滞制动器或力矩电机。

本发明进一步的改进在于，输送装置竖直设置时，输送装置包括竖置主输送辊和竖置辅助输送辊，竖置主输送辊和竖置辅助输送辊之间留有间隙，竖置主输送辊与输送电机相连，竖置辅助输送辊通过圆柱齿轮副与竖置主输送辊相连，丝束路径绕过竖置主输送辊和竖置辅助输送辊表面的总包角不小于400°。

本发明进一步的改进在于，竖置主输送辊和竖置辅助输送辊的材质为钢、铝合金或者工程塑料；

竖置主输送辊和竖置辅助输送辊表面包裹有摩擦材料，该摩擦材料与丝束之间的摩擦系数不小于0.5。

本发明进一步的改进在于，摩擦材料为橡胶。

本发明进一步的改进在于，输送装置水平设置时，输送装置包括横置主输送辊和横置辅助输送辊，横置主输送辊和横置辅助输送辊之间留有间隙；输送电机输出轴通过联轴器与锥齿轮副相连，锥齿轮副相连与横置主输送辊相连，输送电机还与圆柱齿轮副相连，圆柱齿轮副与横置辅助输送辊相连。

本发明进一步的改进在于，横置辅助输送辊一侧设置有导向梳杆；横置主输送辊和横置辅助输送辊的材质为钢、铝合金或者工程塑料；横置主输送辊和横置辅助输送辊表面包裹有摩擦材料，该摩擦材料与丝束之间的摩擦系数不小于0.5。

本发明进一步的改进在于，丝束路径绕过横置主输送辊和横置辅助输送辊表面的总包角不小于400°。

一种如上述的基于大包角和高摩擦系数纤维丝束低张力输送装置的输送方法，输送装置克服制动器的制动力矩将丝束从送料装置抽出，制动器的制动力矩作用于料卷，并将丝束从送料装置的料卷送出，然后绕过隔离膜收卷机构，在制动器1作用下丝束张力带动隔离膜收卷机构同步转动，隔离膜收卷机构将隔离膜剥离收集，然后丝束通过输送装置与张力机构，进入铺丝头内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明将原本连续的丝束张力分隔为送料段张力和输送段张力，通过设置制动器和输送电机，输送电机通过传输装置与主输送辊和辅助输送辊相连；制动器将丝束从送料装置的料卷送出，然后绕过隔离膜收卷机构，在制动器作用下丝束张力带动隔离膜收卷机构同步转动，隔离膜收卷机构将隔离膜剥离收集，然后丝束通过输送装置与张力机构，进入铺丝头内；装置能够同时实现隔离膜收卷的大张力控制以及铺放过程的小张力控制。

2)由于丝束路径绕过主输送辊和辅助输送辊表面的总包角不小于400°，所以输送装置通过大包角实现抽料输送，当丝束张力过小时，丝束与主输送辊和辅助输送辊表面压紧力不足以产生足够大的摩擦力将料抽出从而有效避免了送料冗余。

3)本发明使用输送电机控制主输送辊和辅助输送辊转速，主输送辊和辅助输送辊直径不会发生变化，输送速度避免了估算，控制精度提高；制动器制动力矩控制需要对料卷直径进行估算，但送料段张力精度要求不高，估算误差影响不大，克服了现有控制方法通过控制料卷电机转速调节送料量，需要根据预浸料使用量估算料卷半径，估算误差大，控制精度低的问题。本发明将原本连续的丝束张力分隔为从料卷送出到进入输送装置过程的送料段张力和丝束从输送装置送出时的输送段张力，能够同时满足隔离膜收卷的大张力控制以及铺放过程的小张力控制。

进一步的，摩擦材料与丝束之间的摩擦系数不小于0.5，由于高摩擦系数，当丝束张力过大时，丝束与输送辊表面的压紧力会瞬间产生足够大的摩擦力将丝束快速抽出实现减张。

附图说明

图1是输送装置竖置时基于大包角和高摩擦系数的纤维丝束低张力输送装置三维示意图。

图2是输送装置竖置时输送装置的三维示意图。

图3是输送装置横置时基于大包角和高摩擦系数的纤维丝束低张力输送装置的三维示意图。

图4是输送装置横置时输送装置的三维示意图。

图5是输送过程的示意图。

图中：1为制动器；2为制动器安装板；3为料卷机构；4为隔离膜收卷机构；5为输送装置；6为纱架板；7为输送电机；8为横置输送电机安装板；9为竖置圆柱齿轮副；10为竖置主输送辊；11为竖置辅助输送辊；12为竖置输送装置安装板；13为张力机构；14为竖置输送电机安装板；15为联轴器；16为锥齿轮副；17为横置圆柱齿轮副；18为导向梳杆；19为横置主输送辊，20为横置辅助输送辊，21为横置输送装置安装板，22为料卷，23为丝束。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

如图1所示，本发明的一种基于大包角和高摩擦系数的纤维丝束低张力输送装置，包括安装在自动铺丝设备的纱架板6顶面的制动器1与安装在自动铺丝设备的纱架板6底面的料卷机构3、隔离膜收卷机构4和输送装置5，制动器1与料卷机构3通过轴相连；纱架板6顶面上设置有制动器安装板2，制动器1设置在制动器安装板2上。制动器1与料卷机构3轴联动，持续输出扭矩，将制动力矩有效地作用于料卷机构3，料卷机构3受制动器1扭矩作用，为丝束提供持续的张力。输送装置5一侧设置有张力机构13，输送装置5设置于隔离膜收卷机构4和张力机构13之间。隔离膜收卷机构4在丝束带动下进行隔离膜剥离和收卷，并将丝束引导进入输送装置5内。

本发明中隔离膜收卷机构4用于剥离收卷隔离膜以及起到导向的作用。输送装置5连接有输送电机7，并且输送装置5由输送电机7驱动，克服制动器1阻力将丝束从料卷机构3抽出并送入到铺丝头中。输送电机7根据铺放速度调节转速与张力结构起到缓冲及检测丝束张力的作用。

制动器1为输出扭矩的设备并且能实时进行调节，可以是磁粉制动器，也可以是磁滞制动器或力矩电机等。

输送装置5包括主输送辊和辅助输送辊，输送电机7通过传输装置与主输送辊和辅助输送辊相连。具体的，输送装置5有两种设置方式，一种为竖直设置，另一种为水平设置。

如图2所示，输送装置5竖直设置时，纱架板6上安装有竖置输送装置安装板12，输送装置5设置在竖置输送装置安装板12上。输送装置5设置在竖置输送装置安装板12上，输送装置5包括竖置主输送辊10和竖置辅助输送辊11，竖置主输送辊10和竖置辅助输送辊11之间留有一定的间隙，竖置主输送辊10与输送电机7相连并直接由输送电机7驱动，竖置辅助输送辊11通过竖置圆柱齿轮副9与竖置主输送辊10相连，实现联动，确保有相同的线速度。竖置主输送辊10和竖置辅助输送辊11互不接触，仅仅依靠张力与丝束贴合，丝束路径绕过竖置主输送辊10和竖置辅助输送辊11表面的总包角不小于400°。

输送电机7安装在竖置输送电机安装板14上。

竖置主输送辊10和竖置辅助输送辊11的本体可以用钢、铝合金或者工程塑料，竖置主输送辊10和竖置辅助输送辊11表面包裹有柔性防粘、高摩擦系数材料，该材料与丝束之间的摩擦系数不小于0.5，如橡胶等。

具体的，纤维丝束进入输送装置5，绕过两根输送辊(竖置主输送辊10和竖置辅助输送辊11)的总包角大小为450°，通过摩擦力将丝束送出，输送过程预浸丝束的输送速度等于竖置主动输送辊10的线速度。制动器1持续提供制动力矩，用以实现隔过两根输送辊(竖置主输送辊10和竖置辅助输送辊11)的总包角大小为450°，通过摩擦力将丝束送出，输送过离膜的剥离收卷以及料卷机构的急停，稳定丝束轨迹，使丝束23始终保持拉直状态，同时制动器会根据料卷22使用量改变扭矩，确保纤维丝束有一个基本稳定的大张力值。

铺放过程中，控制程序读取自动铺丝设备的铺放速度，再根据张力机构13浮动轮的位移量对速度进行pid补偿。将补偿后得到的速度竖置主输送辊10与竖置辅助输送辊11的周长以及传动比换算为输送电机7的转速，通过对送料速度控制调节输送段张力；通过编码器测得料卷转动圈数用于计算预浸料的使用量从而估算得到料卷当前直径，同时按送料段制动力设定值根据料卷机构3的估算直径控制制动器1制动力矩，保证送料段张力基本上一致。

如图3和图4所示，输送装置5水平设置时，纱架板6上安装有横置输送装置安装板21，输送装置5设置在横置输送装置安装板21上。输送装置5包括横置主输送辊19和横置辅助输送辊20，横置主输送辊19和横置辅助输送辊20两者之间留有20mm间隙便于穿丝，防止夹手。输送电机7输出轴通过联轴器15与锥齿轮副16相连并联动，将转速由竖直方向转换为水平方向传递到横置主输送辊19，输送电机7与横置圆柱齿轮副17相连，横置圆柱齿轮副17与横置辅助输送辊20相连，并通过横置圆柱齿轮副17驱动横置辅助输送辊20同步转动，确保有相同的线速度。横置辅助输送辊20一侧设置有导向梳杆18，导向梳杆18约束纤维丝束随料卷出料位置的上下摆动，稳定丝束路径，使丝束与横置辅助输送辊20的切入角基本不变。

丝束路径绕过横置主输送辊19和横置辅助输送辊20表面的总包角不小于400°。

输送电机7安装在横置输送电机安装板8上。

横置主输送辊19和横置辅助输送辊20的材质为钢、铝合金或者工程塑料；横置主输送辊19和横置辅助输送辊20表面包裹有摩擦材料，该摩擦材料与丝束之间的摩擦系数不小于0.5，优选的，摩擦材料为橡胶。

铺放过程中，控制程序读取自动铺丝设备的铺放速度，再根据张力机构13的浮动轮的位移量对速度进行pid补偿。将补偿后得到的速度按横置主输送辊19与横置辅助输送辊20的周长以及传动比换算为输送电机7的转速，通过对送料速度控制调节输送段张力；通过编码器测得料卷转动圈数用于计算预浸料的使用量从而估算得到料卷当前直径，同时按送料段制动力设定值根据料卷机构3的估算直径控制制动器1制动力矩，保证送料段张力基本上一致。

如图5所示，本发明的工作过程为：输送装置5克服制动器1的制动力矩将丝束从送料装置3抽出，制动力矩作用于料卷提供丝束从料卷送出时的张力。丝束送出料卷后绕过隔离膜收卷机构4，在制动器1作用下该阶段丝束张力能带动隔离膜收卷机构4同步转动将隔离膜剥离收集。丝束通过输送装置5后经过张力机构13，最后送进铺丝头内用于铺放作业。输送装置5根据张力机构13位移量对输送速度进行pid补偿，通过控制送料速度调节丝束从输送装置5送出后的张力，当送料速度大于铺放速度时张力减小，当送料速度小于铺放速度是张力增大。

本发明中制动器为料卷机构提供扭矩，隔离膜收卷机构进行隔离膜的收集及丝束导向，输送装置在输送电机控制下将丝束抽入与送出。在铺放过程中，输送装置将丝束张力分隔为送料段和输送段，控制系统根据反馈信号控制输送电机转速调节输送速度实现控制输送段张力；制动器根据料卷使用量提供扭矩为送料段提供基本稳定的张力。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，在不脱离本发明构思的前提下，所做出简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。