一种碳纤维缠绕机工艺参数调节系统及张力调节方法与流程

本发明属于复合材料成型技术领域，涉及碳纤维缠绕机工艺参数调节系统模块化结构和张力控制方法。

背景技术：

碳纤维复合材料具有优异的力学性能，因此在航空航天等高新技术领域具有广泛的应用。

在航空航天领域，复材构件的成型工艺已经从比较传统的手糊工艺发展为模压、喷射、拉挤、缠绕和铺放等比较先进的成型工艺方法，其中缠绕成型工艺是一种已经获得了广泛应用的树脂基复合材料成型方法。缠绕成型工艺是将浸过树脂胶液的连续纤维(或者布带、预浸纱)按照预先排布好的轨迹路径缠绕到芯模上，然后经过固话、脱模，最终获得复合材料制品。纤维缠绕机就是可以实现缠绕成型的设备。纤维缠绕机结构上主要由机床本体以及工艺参数调节系统两部分组成，其中工艺参数调节系统控制着缠绕成型过程中的张力、温度、含胶量等重要参数，是缠绕机的关键组成部分。

西方发达国家缠绕机设备的设计与研发已经十分成熟，模块化技术的应用使得缠绕机设备的成本进一步降低。而我国高端缠绕机设备的价格仍然十分昂贵，往往是一台缠绕机只能对应加工几种特定的构件。工艺要求改变时，只能对缠绕机进行重新设计，极大的限制了缠绕机的应用范围，也使得复合材料构件的加工成本居高不下。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出一种碳纤维缠绕机工艺参数调节系统模块化结构和张力控制方法，通过模块化的设计方法最终可以实现系统的功能要求。张力控制方法采用分阶段控制的策略，通过参数自整定模糊pid算法实现张力的精确控制。

本发明碳纤维缠绕机工艺参数调节系统，包括由前至后依次设置的放卷模块、张力产生模块、浸胶量调节模块、张力稳定模块以及张力测量模块；

所述放卷模块作用是释放纤维，具有放卷轴与放卷导向辊。其中，放卷轴交错布置，由放卷电机驱动；放卷导向辊组用来稳定的纤维束的。

所述张力产生模块作用是在对纤维张力要求较大的时候产生足够的张力，具有张力产生模块导向辊、制动辊余磁粉制动器。其中，张力产生模块导向辊用于纤维导向；制动辊用于纤维张力调节；磁粉制动器用来控制制动辊的制动转矩。

所述浸胶量调节模块作用是对纤维的浸胶量进行精确控制，具有胶槽、浸胶辊纤维导向辊与交流电机驱动组件。其中，胶槽用于盛放胶液；浸胶辊用于纤维上胶；浸胶量调节模块导向辊用于纤维导向；交流电机驱动组件用来驱动浸胶辊转动。

所述张力稳定模块作用是控制张力并减小纤维传导过程中的张力波动，具有前后两个上下浮动的浮动辊，用于减小纤维张力的波动，对纤维起到缓冲作用；以及用于限位导向的限位导向辊d。

所述张力测量模块作用是实时测量纤维的张力，具有三个张力测量模块导向辊与张力传感器；三个纤维导向辊由前至后设置；其中，位于中间的张力测量模块导向辊通过张力传感器安装于支架上。

本发明碳纤维缠绕机工艺参数调节系统的张力调节方法，通过三个环节最终实现纤维张力的精确控制：

首先，对放卷张力进行控制，由放卷模块中放卷电机对纤维张力进行粗略调节。

其次，使用磁粉制动器进行纤维张力控制；纤维通过磁粉制动器的作用后，张力提升至设定值附近。

最后，通过浸胶辊对纤维张力进行主动控制；由控制系统根据张力传感器、导丝头部分安装的速度传感器信号对交流伺服电机驱动组件中交流伺服电机转速进行闭环控制，通过纤维进给量的微调实现张力的精确控制。闭环控制算法采用参数自整定模糊pid控制算法，采用模糊推理的方法对交流伺服电机为执行机构的碳纤维缠绕机工艺参数调节系统pid参数进行实时调整，pid控制器通过目前纤维张力和缠绕速度值确定交流伺服电机的转速进而改变纤维张力。

本发明的优点在于：

1、本发明碳纤维缠绕机工艺参数调节系统及张力调节方法，将碳纤维缠绕机工艺参数调节系统的结构分解为不同的模块，然后对各个模块进行详细的设计与定型，方便缠绕机后续产品的设计与开发；

2、本发明碳纤维缠绕机工艺参数调节系统及张力调节方法，对纤维张力采用分步的控制策略，通过放卷模块、磁粉制动器、浸胶辊以及浮动辊多重的控制作用后达到一个相对稳定的张力值；

3、本发明碳纤维缠绕机工艺参数调节系统及张力调节方法，对纤维传导路径以及进入传动辊的包角进行了优化，减少了张力的波动以及纤维的损伤；

4、本发明碳纤维缠绕机工艺参数调节系统及张力调节方法，通过浸胶量调节模块对纤维含胶量进行调节，并通过温度调节控制对胶液的温度进行精确的控制，可以实现较高的生产效率。

附图说明

图1为本发明碳纤维缠绕机工艺参数调节系统整体结构示意图；

图2为本发明碳纤维缠绕机工艺参数调节系统中放卷模块示意图；

图3为本发明碳纤维缠绕机工艺参数调节系统中张力产生模块示意图；

图4为本发明碳纤维缠绕机工艺参数调节系统中浸胶量调节模块示意图；

图5为本发明碳纤维缠绕机工艺参数调节系统中张力稳定模块说明图；

图6为本发明碳纤维缠绕机工艺参数调节系统中张力测量模块示意图。

图中：

1-放卷模块2-张力产生模块3-浸胶量调节模块

4-张力稳定模块5-张力测量模块6-纱线导向辊组

101-放卷模块安装台102-放卷模块支架103-送丝塔轮

104-放卷轴105-碳纤维卷106-纤维导向辊组

106a-放卷模块导向辊107-放卷电机201-张力产生模块导向辊

202-制动辊203-磁粉制动器301-胶槽

302-浸胶辊303-交流电机驱动组件304-浸胶量调节模块导向辊

305-精密滑台306-刮胶板401-气缸

402-弹簧403-气缸浮动辊404-弹簧浮动辊

405-张力稳定模块导向辊501-张力测量支架502-张力传感器

503-张力测量模块导向辊

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明碳纤维缠绕机工艺参数调节系统，包括放卷模块1、张力产生模块2、浸胶量调节模块3、张力稳定模块4以及张力测量模块5，如图1所示。

所述放卷模块1包括放卷模块安装台101、放卷模块支架102、送丝塔轮103、放卷轴104、碳纤维卷105、放卷模块导向辊106与放卷电机107，如图2所示。

所述放卷模块支架102具有两块平行的安装板,垂直于水平设置的放卷模块安装台101,并固定于放卷模块安装台101上。两块安装板的外侧面上通过轴承安装有水平设置的多个放卷轴104，放卷轴104上套装有碳纤维卷105。两块安装板上的放卷轴104轴线相互交错布置，由此使各个碳纤维卷105间相互错开，不会造成干涉。上述放卷轴104通过各自对应的放卷电机107驱动转动；放卷电机107设置于两块安装板之间，通过电机架安装于两块安装板内侧面上。同时每个碳纤维卷105对应一套放卷导向辊组106。每套放卷导向辊组106具有两组放卷模块导向辊106a，每组放卷模块导向辊106a为两根，相互平行；且两组放卷模块导向辊106a轴线相互垂直，由此通过两组放卷模块导向辊106a围成矩形通口，用于纤维的穿过，且限制了纤维上下左右的摆动。上述两组放卷模块导向辊106a通过安装架安装于安装板的外侧面上，位于对应的碳纤维卷105前方。两块安装板上还通过支架安装有送丝塔伦103，位于整个放卷模块1最前方。由此，两块安装板上碳纤维卷105的纤维通过各自对应的放卷导向辊组106后，优化纤维传导路径，得到相对稳定的纤维束；最终纤维束分别汇集到两块安装板上的送丝塔轮103，通过送丝塔轮103的进一步约束，得到稳定的纤维。在放卷过程中，放卷电机107始终处于倒拉制动的状态，以保持纤维的张紧状态，同时当纤维断裂之后，还具有自动收纱的功能。

所述张力产生模块2位于放卷模块后方，包括张力产生模块导向辊201、制动辊202与磁粉制动器203，如图3所示。其中，张力产生模块导向辊201为两个，与制动辊202轴线平行，均安装于支架上，位于制动辊202两侧；且两个张力产生模块导向辊201轴线位于同一水平面上，竖直位置高于制动辊202。制动辊202由聚氨酯橡胶制成，增加摩擦力。放卷过程中纤维束通过张力产生模块导向辊201的作用，与制动辊203紧密接触，保证二者之间不产生相对的滑动。磁粉制动器203与制动辊203端部同轴相连，用来控制制动辊203的制动转矩。磁粉制动器203的输出转矩与通入电流成线性关系，调节电流的大小就可以调节制动转矩的大小，从而使纤维束的张力达到设定值。

所述浸胶量调节模块3位于张力产生模块2后方，包括胶槽301、浸胶辊302、交流电机驱动组件303、浸胶量调节模块导向辊304、精密滑台305与刮胶板306，如图4所示。其中，胶槽301内盛装有胶液，胶液的温度有胶槽301中的温度传感器实时检测。胶槽301下方还安装有升降台，通过升降台调节胶槽301的高度，方便向胶槽301内添加胶液，以及胶槽301的清洗。胶槽301两侧设计有支架，支架间安装有浸胶辊302；通过交流电机驱动组件303采用同步带驱动浸胶辊302的转动，将胶液粘附在浸胶辊302表面；且通过交流电机驱动组件303以及浸胶辊302可以主动调节纤维的进给速度，从而调节纤维的张力。浸胶辊302前方、后方与上方还安装有浸胶量调节模块导向辊304；其中，前方与后方的浸胶量调节模块导向辊304两端与胶槽301两侧相连；上方的浸胶量调节模块导向辊304两侧分别与胶槽301两侧安装的支柱间通过套接件相连。纤维依次绕过前方、上方与后方的浸胶量调节模块导向辊304，由浸胶量调节模块导向辊304导向，通过浸胶量调节模块导向辊304使纤维与浸胶辊302表面紧密接触，使纤维与浸胶辊302表面胶液充分浸润。上述胶槽301前方安装有支撑台，支撑台上安装有精密滑台305，精密滑台305上安装有刮胶板306，刮胶板306水平设置，通过精密滑台305可控制刮胶板306前后移动，进而调节刮胶板306的刮胶侧与浸胶辊302表面间的距离，从而调节浸胶辊302表面胶液薄膜的厚度，实现纤维含胶量的调节。本发明中浸胶量调节模块3中，胶槽301的下部安装电加热板，由电加热板为胶槽301中的胶液加热。浸胶辊302内部均具有电加热器，用来保持浸胶辊302表面的胶液温度。同时浸胶量调节模块导向辊304内具有电加热器，结合浸胶辊302一同用于保持纤维上胶液的温度。浸胶辊302与浸胶量调节模块导向辊304的温度由各自对应的红外传感器实时采集，连同温度传感器采集到的胶液温度反馈回控制系统中，形成温度控制的闭环。上述电加热板、电加热器与红外传感器共同构成了本发明中的温度调节模块。

所述张力稳定模块4包括气缸401、弹簧402、气缸浮动辊403、弹簧浮动辊404与张力稳定模块导向辊405，如图5所示。其中，气缸401安装于安装架的气缸支架上，输出端端部固定安装有u型架，u型架两侧壁间安装有气缸浮动辊403，气缸浮动辊403可通过气缸调节上下运动。弹簧402安装于安装架的弹簧支架上，该弹簧支架具有竖直的滑道，弹簧套于滑道上，下端与弹簧支架底部固定。弹簧浮动辊404末端具有滑块，通过滑块与滑道配合实现弹簧浮动辊的安装，且滑块与弹簧402上端接触。纤维通过浸胶量调节模块3之后，首先通过气缸浮动辊403，随后通过弹簧浮动辊404，气缸浮动辊403与弹簧浮动辊404在纤维张力波动的时候，会上下浮动，一方面可以减小纤维张力的波动，另一方面可以对纤维起到一个缓冲的作用，保持纤维的张力相对稳定，减少断纱现象的发生。上述安装架上还安装有三个张力稳定模块导向辊405，其中两个分别位于气缸浮动辊403两侧，另一个位于弹簧浮动辊404后方，依次使纤维在气缸浮动辊403与弹簧浮动辊404上的包角一定。

所述张力测量模块5包括张力测量支架501、张力传感器502以及张力测量模块导向辊503，如图6所示。其中，张力测量模块导向辊503为三个，内部具有电加热器，用来保持纤维上胶液的温度。中部张力测量模块导向辊503安装于中部辊架上，中部辊架通过张力传感器502安装于张力测量支架501中部；前部与后部两个张力测量模块导向辊503分别安装于前后侧架上，通过前后侧架安装于张力测量支架501前后两侧；且前部与后部两个张力测量模块导向辊503轴线位于同一水平面上，竖直位置低于中部张力测量模块导向辊503。由此，纤维依次绕过前部、中部与后部的张力测量模块导向辊503，通过三个张力测量模块导向辊503的作用，使纤维对张力传感器502施加一个竖直向下的力，进而通过测量该力大小以及纤维的张开角度，便可算出纤维的张力，同时将该张力信息反馈给控制系统，此时由控制系统控制交流电机的转速便可以控制浸胶辊的转速；当纤维张力小于设定值时，交流电机速度减小，大于设定值时，速度增加，这样就形成了张力控制的闭环。

通过上述各个不同的功能模块，最终形成了本发明碳纤维缠绕机工艺参数调节系统。本发明中在张力产生模块2前方以及张力测量模块5后方分别设置有纱线导辊组6，用来形成正确的纱线路径。纱线导向辊组6由平行设置的两根纱线导向辊601构成，两个纱线导向辊601由安装架支撑，纤维可由两根纱线导向辊601间通过，如图1所示。

本发明碳纤维缠绕机工艺参数调节系统的张力控制方法为分阶段纤维张力控制方法，通过三个环节最终实现纤维张力的精确控制，具体如下：

首先，对放卷张力进行控制，由放卷模块1中放卷电机107对纤维张力进行粗略调节，放卷电机107采用直流力矩电机，其驱动电流和输出扭矩近似成线性关系，因此对放卷电机107进行开环控制。在放卷过程中，碳纤维卷105的半径会逐渐变小，为了保持张力不变需要根据半径变化逐渐减小放卷阻力矩。

其次，使用磁粉制动器203进行张力控制。磁粉制动器203输出转矩与电流成正比，通过设定电流值可以获得较高的开环力矩控制精度。纤维通过磁粉制动器203的作用后，张力提升至设定值附近。

最后，通过浸胶辊302对纤维张力进行主动控制。交流电机驱动组件303的浸胶辊转速控制是保证缠绕张力控制精度的关键，控制系统根据张力传感器、导丝头部分安装的速度传感器(编码器)信号对交流伺服电机驱动组件303中交流伺服电机转速进行闭环控制，通过纤维进给量的微调实现张力的精确控制。本发明中的闭环控制算法采用参数自整定模糊pid控制算法，采用模糊推理的方法对交流伺服电机为执行机构的碳纤维缠绕机工艺参数调节系统pid参数进行实时调整，pid控制器通过目前纤维张力和缠绕速度值确定交流伺服电机的转速进而改变纤维张力。

通过上述三个不同阶段的调节，纤维张力就会相对稳定，最终达到参数调节系统的功能要求。

综上，本发明的碳纤维缠绕机工艺参数调节系统分解为不同的功能模块，通过摆放这些功能模块的位置，可以实现对碳纤维缠绕过程中的工艺参数的精确控制。结构设计过程中应用模块化思想，为后续产品的开发和设计提供了极大的便利，并且通过模块的增减以及变异可以扩大碳纤维缠绕机的应用范围。面对不同复合材料的工艺要求可以只改变其中几个模块而不需要对整体进行设计，这样减少了复材构件的加工成本。同时配合模块化的结构提出了分阶段张力控制方法，实现了张力的稳定控制。