[发明专利]一种碳纤维缠绕机工艺参数调节系统及张力调节方法

说明书

技术领域

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。

发明内容

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