CN102152474A - 一种非回转体复合材料构件纤维缠绕恒张力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非回转体复合材料构件纤维缠绕恒张力控制方法。芯模为非回转体，预浸料缠绕在其上，首先收卷部分伺服电机通过变角速度控制芯模旋转，在不同角度处有不同角速度，实现预浸料稳速进给，保持其张力恒定。其次放卷张力闭环控制部分由张力传感器、退绕轴、磁粉制动器与预浸料盘组成，用于稳定退绕张力。整个系统由缠绕变角速度开环控制和放卷张力闭环控制组成，缠绕变角速度开环控制系统控制主动收卷，张力闭环控制系统控制放卷。二者结合保证复合材料带材非回转体缠绕张力恒定。克服了由于非回转体芯模导致的复合材料带材张力的大幅波动及当由矩形截面的一个角点过渡另一个角点时预浸料带材张力跳动现象。

Description

一种非回转体复合材料构件纤维缠绕恒张力控制方法

技术领域

本发明涉及非回转体复合材料构件纤维缠绕、铺层恒张力控制与实施技术。

背景技术

复合材料具有优良性能，广泛地应用于军事科技、航天航空等领域。在复合材料制品中，纤维缠绕是树脂基复合材料的主要成型工艺之一，是通过缠绕机来实现的，而对纤维张力的稳定控制是保证复合材料制品质量的关键技术之一。缠绕成型的优点是能充分发挥纤维的强度，制得高比强度的产品。纤维缠绕成型工艺是采用连续纤维浸渍树脂粘结剂后，在张力的作用下按照一定的线型有规律地排列在芯模上，然后经过加热使粘结剂固化而制成一定形状制品的工艺方法。

制品的力学性能与纤维缠绕的线型、缠绕温度、缠绕张力的控制等有密切的关系。适当和平稳的张力可增强纤维构件的力学性能，提高其抗疲劳特性。目前纤维缠绕研究基本上集中在回转体缠绕上。近几年来，纤维缠绕制品向复杂化、异型化的方向发展，如机翼、叶片等，与圆形截面的卷绕控制系统相比较，非圆截面构件缠绕控制系统的难度大得多。由于纤维缠绕时纱线总是处于运动控制中，而且要求张力恒定，因此，缠绕机张力控制系统要求在动态，尤其是加、减速过程中能有效控制张力，这就要求系统能够准确补偿由于加、减速及摩擦所带来的动态力矩。缠绕张力制定得合理与否取决于设计计算，而合理的张力值能否得以准确和稳定地实现，则取决于张力控制系统。张力系统的性能对保证缠绕质量显然是十分重要。

专利CN1528586公开了一种纤维缠绕复合材料压力容器梯度张力施加方法，其缠绕层由内向外以缠绕张力梯度递减的方式进行缠绕，其中，每一缠绕层的缠绕张力，在综合考虑压力容器成型过程中的多种因素，通过式一进行精确计算得到纤维缠绕的梯度张力，并通过张力控制系统来控制缠绕过程中的缠绕张力，使压力容器从内到外的全部纤维层具有相同的初应力，克服了现有方法中纤维层松紧不一的缺陷，从而提高了容器的强度和抗疲劳性。专利CN1911632复合材料的面片缠绕成型方法，解决在异型件缠绕过程中经常会出现架空或滑线现象的问题。本发明首先确定出芯模上纤维架空存在的位置，应用CAD构建数据芯模，并以IEGES格式输出芯模数据文件，得到其表面的详细信息，对存在的架空点进行检测与寻优控制；增大缠绕角即增大点B1与点B2处的半径夹角，消除纤维架空，消除纤维滑线。

非回转体复合材料构件纤维缠绕有其特殊性，以矩形截面构件为例，模具随缠绕轴旋转中缠绕带材，要求预浸料带材张力在规定范围内。首先若缠绕轴的角速度恒定，则缠绕点的线速度在每一转中起伏很大，导致了预浸料带材张力的大幅波动。其次在缠绕过程中，当由矩形截面的一个角点过渡另一个角点时，预浸料带材张力还存在跳动现象。

目前，缠绕成型制备复合材料构件主要是回转体构件，还未见用缠绕成型法制备非回转体复合材料构件纤维缠绕铺层恒张力控制方法的相关报道。

发明内容

针对现有技术非回转体复合材料构件纤维缠绕过程中预浸料张力大幅波动和跳动的一种非回转体复合材料构件纤维缠绕恒张力控制方法开环控制系统和放卷张力闭环控制系统组成。缠绕变角速度开环控制系统控制主动收卷，张力闭环控制系统控制放卷。二者结合保证复合材料缠绕张力恒定。

1)变角速度缠绕控制

在图1中，要保持预浸料的张力恒定，关键是伺服电机通过变角速度ω控制缠绕机构(即芯模)旋转，实现预浸料的稳速(线速度)进给，预浸料的稳速进给保持预浸料的张力恒定。因此缠绕机构在不同的转角处有不同的角速度，缠绕机构角速度的数学模型为：

如图1，假设缠绕机构已缠绕n圈，则旋转角度为2nπ+θ，设预浸料厚度为t，r1为没有缠绕时斜衬套园半径，则缠绕n圈斜衬套园半径为r1+nt。其余各参数含义见图3。预浸料牵拉缠绕长度定义为GH之间的距离，他由三部分组成：两切点之间预浸料距离a、放料轮角度α对应的弧长、斜衬套角度β对应的弧长。在此角度θ上旋转一个微量的增量Δθ，预浸料牵拉缠绕长度为G′H′，则有如下关系：

Δθ＝ω(θ)·Δt

$v=\frac{\mathrm{\Δl}}{\mathrm{\Δt}}=\frac{G^{\′}{H}^{\′}-\mathrm{GH}}{\mathrm{\Δt}}$

式中v为预浸料的线速度。缠绕机构角速度ω为：

$\mathrm{\ω}\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{\mathrm{\Δ\θ}\→0}{\lim }\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{\mathrm{\Δt}}=\underset{\mathrm{\Δ\θ}\→0}{\lim }\frac{\mathrm{\Δ\θ}\·v}{G^{\′}{H}^{\′}-\mathrm{GH}}$

为了求出GH的长度，需要做出一些辅助线，限于篇幅这里不详述。在缠绕过程中，角度α的变化不大，故可以忽略。进行整理得伺服电机通过变角速度ω：

$\mathrm{\ω}\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{\mathrm{\Δ\θ}\→0}{\lim }\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{\mathrm{\Δt}}=\underset{\mathrm{\Δ\θ}\→0}{\lim }\frac{\mathrm{\Δ\θ}\·v}{G^{\′}{H}^{\′}-\mathrm{GH}}$

$=v\·{\{\frac{1}{2}{(\frac{D}{4}-R^2)}^{\frac{3}{2}}\·d_1{d}_2\sin \mathrm{\θ}+(r_1+\mathrm{nt})\·(\frac{2R{d}_1{d}_2\sin \mathrm{\θ}}{D\sqrt{D-R^2}}-\frac{4{d_2}^2-{d_1}^2}{D})\}}^{-1}$

其中：

$\mathrm{\β}=\mathrm{\θ}+\arccos \frac{2d_2-d_1\cos \mathrm{\θ}}{\sqrt{d_1^2+4d_2^2-4d_1{d}_2\cos \mathrm{\θ}}}+\arcsin \frac{2(r_1+\mathrm{nt}+r_2)}{\sqrt{d_1^2+4d_2^2-4d_1{d}_2\cos \mathrm{\θ}}}$

D＝d₁ ²+4d₂ ²-4d₁d₂cosθ

R＝r₁+nt

2)缠绕放卷张力闭环控制

按照以上数学模型控制伺服电机的转速可以保证预浸料的稳速进给，为了保证恒定的张力，在实际控制中，除了按照上述模型进行收卷控制外，在放卷部分由张力传感器形成负反馈，组成了闭环控制系统。放卷张力闭环控制部分由退绕轴、磁粉制动器、张力传感器、PLC组成。

附图说明

图1本发明的非回转体复合材料构件纤维缠绕变角速度示意图；

图2本发明的非回转体复合材料构件纤维缠绕系统结构图；

具体实施方式

本发明提供一种传输距离远，传输功率大，调节方便的无线电能传输实验系统。该系统为进一步研究电能的无线传输提供了设备基础。下面结合实施例和附图对本发明的无线电能传输实验系统做出详细说明。

对于如图2所示的非回转体构件缠绕部分，当非回转体模具旋转到水平位置时，复合材料与非回转体模具接触点处即缠绕点处的线速度为v1；当非回转体模具旋转到垂直位置时，复合材料与非回转体模具即缠绕点处的线速度为v2。

v₁＝ω·(a/2)

v₂＝ω·(b/2)

ω为非回转体模具缠绕角速度，α是非回转体模具长边的长度，b是非回转体模具短边的长度。

线速度V1是线速度V2的(α/b)倍，线速度的这种大幅度变化造成复合材料张力的波动，这种波动是周期性的。在模具旋转水平位置，复合材料与模具的接触点在瞬间发生跳变，这种跳变也造成了复合材料张力的波动。针对这种现象，必须使缠绕轴的角速度按特殊规律变化，以便稳定复合材料的张力。

根据上述特点，整个控制系统以PLC为核心，如图2所示。构件缠绕控制系统设计为由预浸料变角速度控制系统和预浸料退绕张力控制系统组成，模具由伺服电机驱动，控制单元控制伺服电机以一定的变角速度旋转，变角速度实现对预浸料缠绕线速度的稳速进给。运动过程中，张力传感器在缠绕过程中动态检测预浸料的张力，将检测到的张力信号传递给控制单元。放卷轮由磁粉制动器控制，保持预定的预浸料张力。

1)周期性变角速度缠绕控制：为了稳定复合材料的张力，采用变角速度缠绕控制。在系统的机械部分确定后，以如图2所示中由编码器1对非回转体构件角位置进行检测，根据非回转体构件角位置的不同，经CPU单元的计算，模拟量输出单元输出相应的控制信号，经交流伺服驱动器去控制伺服电机的角速度，即稳定线速度，又削弱矩形截面非回转体构件角点对复合材料张力的扰动。如图1，周期性变角速度为：

$\mathrm{\ω}\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{\mathrm{\Δ\θ}\→0}{\lim }\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{\mathrm{\Δt}}=\underset{\mathrm{\Δ\θ}\→0}{\lim }\frac{\mathrm{\Δ\θ}\·v}{G^{\′}{H}^{\′}-\mathrm{GH}}$

$=v\·{\{\frac{1}{2}{(\frac{D}{4}-R^2)}^{\frac{3}{2}}\·d_1{d}_2\sin \mathrm{\θ}+(r_1+\mathrm{nt})\·(\frac{2R{d}_1{d}_2\sin \mathrm{\θ}}{D\sqrt{D-R^2}}-\frac{4{d_2}^2-{d_1}^2}{D})\}}^{-1}$

2)缠绕放卷张力闭环控制：放卷张力闭环控制部分如图2所示。除了按照上述模型进行收卷控制外，在放卷部分由张力传感器形成负反馈，组成了闭环控制系统。放卷张力闭环控制部分由退绕轴、磁粉制动器、张力传感器、PLC组成。张力控制系统处于闭环情况下，采用高精度张力传感器进行张力实时检测获得反馈信号，实现张力的闭环控制。张力检测部分包括张力传感器、放大滤波器等几部分。为了产生张力，必须有施力装置产生牵引力矩施加于缠绕部分上，该施力装置就是张力控制系统中的张力执行元件。执行元件是控制系统最基本的组成部分，它应该具备快速响应的动态特性、良好的静特性及控制可靠等特点。

3)缠绕厚度补偿控制：随着缠绕层数的增加，缠绕点的线速度也随之增大，为了稳定线速度需要对缠绕厚度进行补偿控制，其属于信号自适应控制。以如图4所示中编码器1每转产生一个Z脉冲(零点信号)，对Z脉冲进行计数即得到缠绕层数数据。CPU单元根据缠绕层数的增加，自动的修改控制信号，消除缠绕层厚度对线速度的影响。

Claims (3)

1.一种非回转体复合材料构件纤维缠绕恒张力控制方法，其特征在于整个系统由纤维缠绕变角速度开环控制系统和纤维放卷张力闭环控制系统组成，缠绕变角速度开环控制系统控制主动收卷，张力闭环控制系统控制放卷，二者结合保证复合材料缠绕张力恒定。

2.按照权利要求1所述缠绕变角速度开环控制，其特征在芯模为非回转体，预浸料缠绕在其上，首先收卷部分伺服电机通过变角速度控制非回转体芯模旋转，在不同角度处有不同的角速度，实现复合材料带材的稳速进给，复合材料带材的稳速进给保持其张力恒定。

3.按照权利要求1所述的放卷张力闭环控制包括退绕轴、磁粉制动器、张力传感器、控制器组成，采用放卷张力闭环控制，用于稳定退绕张力。

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