CN101618809B - 低损伤控制放纱装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种低损伤控制放纱装置及方法，涉及到纤维缠绕、拉挤、预浸料制备、编织等复合材料工艺领域。该装置包括：侧板、依次安装于侧板上的放纱机构和导纱机构、以及可编程控制器(11)；上述导纱机构包括：伺服电机(10)、导轨丝杠副、导纱器，其中导纱器包括滑块(1)、摆臂(2)、角度传感器、摆臂导轮(4)、固定导轮(5)等。该装置及方法能实现在整个放纱过程中，消除了纤维丝束的摩擦损伤，提高了复合材料制品的质量。

Description

低损伤控制放纱装置及方法

所属技术领域

本发明涉及到纤维缠绕、拉挤、预浸料制备、编织等复合材料工艺领域，可解决纤维丝束在放纱过程中因过度磨损而导致质量稳定性差的问题。

背景技术

复合材料自动化成型工艺流程中通常采用筒形纱团。在放纱过程中，由于出纱方向与纤维卷绕线型会形成一定夹角，在纤维张力的影响下，当侧向滑移力大于最大静摩擦力时，会使纤维在纱筒上打滑出纱，从而导致纤维间的磨损，夹角越大，如在纱筒末端卷绕角发生突变的一段纤维其磨损程度尤为严重。由此所形成的制品的实际性能将受到很大影响。对于高性能复合材料，如成型工艺中多用的碳纤维，由于其抗磨性较差，纤维更易磨损，所形成的制品质量得不到保障。

通常，在要求不高的场合下，是利用固定导丝头出纱，通过拉开导丝头与纱筒的距离和采用尽可能小的丝束张力的方法来降低损伤，但不能从根本上解决问题，特别是出纱到两端时磨损问题无法消除。

专利ZL 200420013259.1的实用新型介绍了一种无摩擦损伤抽纱装置。它是将旋转编码器与纱筒一端相连。在抽纱过程中，利用编码器测量纱筒的转角，在计算机控制下，导轮能够实现垂直和水平方向的联动，进行无摩擦抽纱，从而消除摩擦导致的丝束损伤。该装置的优点在于能控制导轮和出纱点的横动速度值一致，但不足点在于：1)系统运行前，需人工介入调整出纱方向，否则运行时不能保证其与纱筒的卷绕线型一致；2)系统运行时，出纱方向与卷绕线型产生的误差不能及时消除，误差积累最终会导致纤维磨损；3)抽纱到两端时，纱筒卷绕角突变，开始由一个卷绕线型向另一个卷绕线型的过渡，该实用新型未能解决导轮换向防磨损问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够克服现有技术不足的低损伤控制放纱装置及方法。

一种低损伤控制放纱装置，其特征在于：包括：侧板、依次安装于侧板上的放纱机构和导纱机构、以及可编程控制器；上述放纱机构包括：放纱筒电机、通过联轴器与放纱筒电机相联的纱筒；上述导纱机构包括：与放纱筒电机平行安装的伺服电机、通过联轴器与伺服电机相联的滚珠丝杠、安装于侧板上的导轨，以及安装于滚珠丝杠和导轨上形成导轨丝杠副的导纱器；上述导纱器包括滑块、盒体、摆臂，其中盒体安装于滑块上，角度传感器安装于盒体内，其旋转轴伸出盒体表面，摆臂一端垂直固定安装于角度传感器旋转轴上，定义当摆臂与滚珠丝杠垂直时摆臂偏角为0°；在盒体上位于摆臂固定端后方还安装有一对固定导轮，在摆臂自由端还垂直安装有一对摆臂导轮，固定导轮和摆臂导轮的中心位于摆臂偏角为0°时的摆臂中心线上；所述导纱机构还包括一对限位开关和一对接近开关；在固定导轮后方还设有导向轮。

纤维出纱速度v由系统直接设定或旋转器测得。即在上述导向轮上还通过联轴器连接有用于测量出纱速度的旋转编码器。

一种利用上述低损伤控制放纱装置的低损伤控制放纱的方法，其特征在于：

1)、利用可编程控制器控制放纱筒电机提供阻力距使出纱纤维形成一定的张力，纱线通过摆臂导轮和固定导轮出纱，利用纤维张力侧向分力驱动摆臂偏转，在放纱过程中，摆臂受到力平衡的约束，可近似认为出纱点、摆臂导轮和固定导轮处于同一直线上，该线即为出纱方向；

2)、利用可编程控制器实时采集角度传感器测得的摆臂偏角θ，则出纱方向角 $\mathrm{\β}=\arctan \left(\frac{\sin \mathrm{\θ}}{\frac{d_1}{d_2}+\cos \mathrm{\θ}}\right),$ 其中d₁为固定导轮到角度传感器旋转轴的距离，d₂为摆臂导轮到角度传感器旋转轴的距离；

3)、利用可编程控制器控制伺服电机转速进而实时驱动导纱器运动速度v_导，针对纱筒纤维的卷绕特点采取分区跟随控制策略：

①、纱筒中间区域单层纤维卷绕角α是固定的，出纱点位于该区域时采用导纱器自适应跟随策略：导纱器速度控制方程v_导＝vsinβ，其中纤维出纱速度v由系统直接设定或旋转编码器测得，出纱方向角β通过第2)步所述方法获得；

②、纱筒尾部区域卷绕角α发生突变，由一个卷绕线型向另一个卷绕线型的过渡，即要对导纱器进行换向处理，具体换向过程：通过接近开关检测导纱器位置作为进入该区域的触发信号，此瞬时测得的出纱方向角为β_cr，并设定换向触发角δ＝-β_cr；针对纱筒尾部区域的卷绕特点，出纱点位于该区域时导纱器采取加速跟随控制策略，以下假设β_cr＞0°：

当β∈(-β_cr，β_cr)时，导纱器控制方程式v_导＝kvsin(β+β_cr)；其中 $k=\frac{d_3\tan {\mathrm{\β}}_{\mathrm{cr}}}{d_4-d_3\tan {\mathrm{\β}}_{\mathrm{cr}}},$ d₃为导纱器到出纱点直线的垂直距离，d₄为接近开关到纱筒末端的垂直距离。

当|β|＞|δ|时，出纱点再次进入纱筒中间区域，开始下一个循环，导纱器控制方程式v_导＝vsinβ。

根据该低损伤控制放纱装置的方法，其特征在于：该方法还包括触发角δ的初始化设定，初始触发角δ_st＝初始卷绕角α_st，当检测到|β|＞|δ_st|时，自动启动上述第3)步的分区跟随控制策略。通过可编程控制器设置初始触发角，在系统启动前，无需人工介入来调节出纱方向，能使导纱器自动快速跟随卷绕线型。

本发明的有益效果是：

系统启动前，无需人工介入，通过软件设置初始触发角的方式，自动控制导纱器横动跟随；中间段跟随时，通过控制算法，能将出纱方向与卷绕线型产生的误差及时消除，防止误差积累导致纤维磨损；放纱到末端时，针对卷绕角突变的特点，优化控制算法，使导纱器实时跟随卷绕线型的变化而变化，并通过软件设置反向触发角，快速跟随下一个卷绕线型，防止换向后出现导纱器过度超前导致纤维磨损。从而实现在整个放纱过程中，消除了纤维丝束的摩擦损伤，提高了复合材料制品的质量。

附图说明

图1是本发明的装置结构简图，图1-1为主视图和图1-2为左视图。

图2是出纱方向检测原理图。

图3是纤维放纱速度矢量图。

图4是低损伤放纱跟随示意图。

图5是导纱器换向处理示意图。

图中1.滑块，2.摆臂，3.盒体，4.摆臂导轮，5.固定导轮，6.滚珠丝杠，7.圆形截面导轨，8.纱筒，9.放纱筒电机，10.伺服电机，11.可编程控制器，12.导向轮，13.限位开关，14，感应式接近开关，v₁.放纱筒的线速度，v₂.出纱点的横动速度，v.纤维出纱速度，M.出纱点，α.卷绕角，θ.摆臂偏角，l.摆臂横向偏转位移，β.出纱方向角，θ₁.超前摆臂偏角，β₁.超前出纱方向角，θ₂.滞后摆臂偏角，β₂.滞后出纱方向角。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1，本装置包括侧板、依次安装于侧板上的放纱机构和导纱机构、以及可编程控制器11；上述放纱机构包括：放纱筒电机9、通过联轴器与放纱筒电机9相联的纱筒8；上述导纱机构包括：与放纱筒电机9平行安装的伺服电机10、通过联轴器与伺服电机10相联的滚珠丝杠6、安装于侧板上的导轨7，以及安装于滚珠丝杠6和导轨7上形成导轨丝杠副的导纱器；上述导纱器包括滑块1、盒体3、摆臂2，其中盒体3安装于滑块1上，角度传感器安装于盒体3内，其旋转轴伸出盒体3表面，摆臂2一端垂直固定安装于角度传感器旋转轴上，定义当摆臂2与滚珠丝杠6垂直时摆臂偏角为0°；在盒体3上位于摆臂固定端后方还安装有一对固定导轮5，在摆臂自由端还垂直安装有一对摆臂导轮4，固定导轮和摆臂导轮的中心位于摆臂偏角为0°时的摆臂中心线上；所述导纱机构还包括一对限位开关13和一对接近开关14；在固定导轮5后方还设有导向轮12。导向轮12上还通过联轴器连接有用于测量出纱速度的旋转编码器。

导纱器由滚珠丝杠6驱动可以沿导轨7实现水平方向的运动，滚珠丝杠由伺服电机10驱动。

系统运行时，利用可编程控制器11控制放纱筒电机10提供阻力矩使出纱纤维形成一定张力。纤维丝束通过摆臂导轮4和固定导轮5，再由导向轮12出纱。

如图2，在放纱过程中，利用纤维张力侧向分力驱动摆臂2偏转，摆臂2受到力平衡的约束，近似认为出纱点、摆臂导轮4和固定导轮5处于同一直线上，该线即为出纱方向；设摆臂偏角为θ，固定导轮到角度传感器旋转轴的距离为d₁，摆臂导轮到角度传感器旋转轴的距离为d₂；出纱方向角为β；θ通过角度传感器测得，利用可编程控制器11对其实时采集刷新。由正弦公式 $\frac{\sin \mathrm{\β}}{d_1}=\frac{\sin (\mathrm{\θ}-\mathrm{\β})}{d_2},$ 得 $\mathrm{\β}=\arctan \left(\frac{\sin \mathrm{\θ}}{\frac{d_1}{d_2}+\cos \mathrm{\θ}}\right),$ 特别地，当d₁＝d₂时， $\mathrm{\β}=\frac{1}{2}\mathrm{\θ}.$

如图3，通过分析纱筒的放纱运动，可得出关系式

v₂＝vsinα＝v₁tanα    (I)

其中α为卷绕角，v₁为放纱筒的线速度，v₂为出纱点的横动速度，v为纤维出纱速度。

为实现低损伤放纱跟随，即要控制导纱器横动速度v_导＝v₂，保证出纱方向角β＝α。

采用出纱方向角β替代卷绕角α的控制思想，利用可编程控制器11实时采集出纱方向角β，经程序运算控制伺服电机10转速进而实时驱动导纱器运动速度v_导，针对纱筒纤维的卷绕特点对导纱器采取分区跟随控制策略：

①、纱筒中间区域单层纤维卷绕角α是固定的，出纱点位于该区域时采用导纱器自适应跟随策略：由上述关系式(I)推出导纱器速度控制方程v_导＝vsinβ(II)，其中纤维出纱速度v利用与导向轮12相连的旋转编码器测得，出纱方向角β由角度传感器获得。如图4，具体跟随控制过程：当出纱方向角β＝α，导纱器横动速度v_导即为出纱点横动速度v₂，导纱器处于中间的理想位置；当检测到β＞α，导纱器处于右边的滞后位置，经控制方程式(II)算出的导纱器速度v_导大于出纱点横动速度v₂，导纱器自动加速跟随；当β＜α，导纱器处于左边的超前位置，经控制方程式(II)算出的导纱器速度v_导小于出纱点横动速度v₂，导纱器自动减速跟随。在放纱过程中，通过摆臂偏角θ的变化自动纠正出纱延长点的位置来调节出纱方向，即对导纱器位置进行实时调整，保证出纱方向与纤维卷绕线型基本保持一致，从而达到低损伤放纱的目的。

②、纱筒尾部区域卷绕线型发生突变，卷绕角由α变化到-α，即要对导纱器进行换向处理，具体换向过程：通过接近开关14检测导纱器位置作为进入该区域的触发信号，此瞬时测得的出纱方向角为β_cr，并通过软件设置换向触发角δ＝-β_cr；针对纱筒尾部区域的卷绕特点，出纱点位于该区域时导纱器采取加速跟随控制策略，以下假设β_cr＞0°：

如图5，在该区域内β∈(-β_cr，β_cr)，导纱器控制方程式v_导＝kvsin(β+β_cr)；其中 $k=\frac{h_1}{h_2},$ h₁＝d₃tanβ_cr，h₂＝d₄-h₁，则 $k=\frac{d_3\tan {\mathrm{\β}}_{\mathrm{cr}}}{d_4-d_3\tan {\mathrm{\β}}_{\mathrm{cr}}},$ d₃为导纱器到出纱点直线的垂直距离，d₄为接近开关到纱筒末端的垂直距离。

当|β|＞|δ|时，出纱点再次进入纱筒中间区域，开始下一个循环，导纱器控制方程式v_导＝vsinβ。

系统开始运行时，为使导纱器快速跟随卷绕线型，需通过可编程控制器设置初始触发角δ_st，当检测到|β|＞|δ_st|时，程序才开始启动分区跟随控制策略。δ_st由给定纱筒参数确定，利用公式 $\tan \mathrm{\α}=\frac{m}{\mathrm{\πD}},$ 可算出卷绕角α的变化范围，取δ_st＝初始卷绕角α_st，即刚开始放纱时对应的卷绕角。其中m为纱筒螺距，即纤维在纱筒上卷绕一周后在行进的距离，D为纱筒直径。

Claims (5)

1.一种低损伤控制放纱装置，其特征在于：

包括：侧板、依次安装于侧板上的放纱机构和导纱机构、以及可编程控制器(11)；

上述放纱机构包括：放纱筒电机(9)、通过联轴器与放纱筒电机(9)相联的纱筒(8)；

上述导纱机构包括：与放纱筒电机(9)平行安装的伺服电机(10)、通过联轴器与伺服电机(10)相联的滚珠丝杠(6)、安装于侧板上的导轨(7)，以及安装于上述滚珠丝杠(6)和导轨(7)上形成导轨丝杠副的导纱器；上述导纱器包括滑块(1)、盒体(3)、摆臂(2)，其中盒体(3)安装于滑块(1)上，角度传感器安装于盒体(3)内，其旋转轴伸出盒体(3)表面，摆臂(2)一端垂直固定安装于角度传感器旋转轴上，定义当摆臂(2)与滚珠丝杠(6)垂直时摆臂偏角为0°；在盒体(3)上位于摆臂固定端后方还安装有一对固定导轮(5)，在摆臂自由端还垂直安装有一对摆臂导轮(4)，固定导轮和摆臂导轮的中心位于摆臂偏角为0°时的摆臂中心线上；所述导纱机构还包括一对限位开关(13)和一对接近开关(14)；

在固定导轮(5)后方还设有导向轮(12)。

2.根据权利要求1所述的低损伤控制放纱装置，其特征在于：上述导向轮(12)上还通过联轴器连接有用于测量出纱速度的旋转编码器。

3.一种利用权利要求1所述的低损伤控制放纱装置的低损伤控制放纱的方法，其特征在于：

1)、利用可编程控制器(11)控制放纱筒电机(9)提供阻力距使出纱纤维形成一定的张力，纱线通过摆臂导轮(4)和固定导轮(5)出纱，利用纤维张力侧向分力驱动摆臂偏转，在放纱过程中，摆臂受到力平衡的约束，可近似认为出纱点、摆臂导轮和固定导轮处于同一直线上，该线即为出纱方向；

2)、利用可编程控制器(11)实时采集角度传感器测得的摆臂偏角θ，则出 纱方向角 其中d₁为固定导轮到角度传感器旋转轴的距离，d₂为摆臂导轮到角度传感器旋转轴的距离；

3)、利用可编程控制器(11)控制伺服电机(10)转速进而实时驱动导纱器运动速度v_导，针对纱筒纤维的卷绕特点采取分区跟随控制策略：

①、纱筒中间区域单层纤维卷绕角α是固定的，出纱点位于该区域时采用导纱器自适应跟随策略：导纱器速度控制方程v_导＝vsinβ，其中纤维出纱速度v由系统直接设定或旋转编码器测得，出纱方向角β通过第2)步所述方法获得；

②、纱筒尾部区域卷绕角α发生突变，由一个卷绕线型向另一个卷绕线型的过渡，即要对导纱器进行换向处理，具体换向过程：通过接近开关(14)检测导纱器位置作为进入该区域的触发信号，此瞬时测得的出纱方向角为β_cr，并设定换向触发角δ＝-β_cr；针对纱筒尾部区域的卷绕特点，出纱点位于该区域时导纱器采取加速跟随控制策略，以下假设β_cr＞0°：

当β∈(-β_cr，β_cr)时，导纱器控制方程式v_导＝kvsin(β+β_cr)；其中 

d₃为导纱器到出纱点直线的垂直距离，d₄为接近开关到纱筒末端的垂直距离，

当|β|＞|δ|时，出纱点再次进入纱筒中间区域，开始下一个循环，导纱器控制方程式v_导＝vsinβ。

4.根据权利要求3所述方法，其特征在于：该方法还包括触发角δ的初始化设定，初始触发角δ_st＝初始卷绕角α_st，系统开始运行时，无需人工介入，当检测到|β|＞|δ|时，自动启动上述第3)步的分区跟随控制策略。

5.根据权利要求3所述方法，其特征在于：所述d1＝d2，出纱方向角 

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