CN102424306B

CN102424306B - 一种纤维丝束张力控制装置

Info

Publication number: CN102424306B
Application number: CN 201110234025
Authority: CN
Inventors: 王冶铁; 杨建行; 张永刚; 徐敏君; 沃军康
Original assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Current assignee: Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date: 2011-08-16
Filing date: 2011-08-16
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2031-08-16
Also published as: CN102424306A

Abstract

本发明公开了一种纤维丝束张力控制装置，包括第一定位辊、第二定位辊、张力辊、用于对张力辊的运动进行导向的向导装置、用于检测张力辊位置变化的检测装置、控制器和电机调速器；所述的张力辊位于第一定位辊和第二定位辊之间的区域，并且张力辊、第一定位辊和第二定位辊三者的轴线相互平行；所述的张力辊与向导装置连接；检测装置将检测到的张力辊位置变化的信息反馈给控制器，控制器通过控制电机调速器对驱动辊电机的速度进行调整。本发明能够有效地调控碳纤维丝束行走中的张力，可生产出品质均匀一致的碳纤维，适用于大规模工业化生产，具有很好的经济效益，应用前景非常广阔。

Description

一种纤维丝束张力控制装置

技术领域

本发明涉及化学纤维的加工设备技术领域，特别涉及一种纤维丝束张力控制装置。

背景技术

在碳纤维生产过程中，氧碳化及后处理工序是指将高分子纤维经过氧化、碳化及后处理，并在一定的工艺条件下加工成碳纤维的工序。氧碳化及后处理工序具体包括放丝、加湿、氧化、低温碳化、高温碳化、电解、水洗、烘干、上浆、干燥和收丝等工序，分别采用放丝、加湿、氧化、低温碳化、高温碳化、电解、水洗、烘干、上浆、干燥和收丝等设备，以及在各工序中用于牵引和传输纤维丝束的加湿辊、牵伸辊、导丝辊、电解辊、水洗辊、上浆辊和干燥辊等牵引辊和导辊实现。

在氧碳化及后处理工序过程中，碳纤维丝束行走中丝束张力的控制至关重要，张力过大会使丝束中的部分单丝断裂，进而使丝束强度降低；张力过小会使丝束抖动，进而使丝束不匀率增加。这些都直接影响到碳纤维产品的品质。

目前，在氧碳化及后处理工序过程中，碳纤维丝束张力的控制是采用手动办法实现的，即通过人工设定工艺过程中的驱动辊的旋转速度来实现的，具体是指改变丝束前、后的驱动辊的速度差来改变丝束张力。驱动辊就是由驱动机电机通过变速齿轮带动旋转的辊。这些驱动辊包括：加湿辊、牵伸辊、电解辊、水洗辊、上浆辊和干燥辊。但是，该方法存在以下技术问题：1、丝束张力无法长时间确保一致，尽管转速的调整精度可达到万分之一，但是经过一定时间的累积，误差会逐渐增加，丝束行进中的张力会随之变化，或逐渐增加，或逐渐降低；2、不能根据实际需求而设定和控制丝束张力。

在相近的技术领域中，中国专利ZL200820079631.1公开了一种腈纶丝切断机丝束张力自动检测装置，由张力辊、导丝辊、支座、机架、轴承、张力检测器和压力传感器构成，压力传感器与张力表连接，张力表连接PLC模拟输入卡，PLC模拟输入卡与拽引机变频器连接。从而实现了丝束张力的自动检测和自动控制，解决了由于手动控制张力而产生的丝束被拉长或有切不断的问题，张力控制精度达到±3N。然而，该公开的技术方案是针对腈纶丝切断机进行改进的，只能适用于腈纶丝切断机，无法适用在碳纤维丝束张力控制设备的领域，因此，亟需开发一种适用于碳纤维生产过程中的丝束张力控制装置。

发明内容

本发明提供了一种碳纤维丝束张力控制装置，能够有效地调控碳纤维生产中氧碳化及后处理工序中丝束行走中的张力。

一种纤维丝束张力控制装置，包括第一定位辊、第二定位辊、张力辊、用于对张力辊的运动进行导向的向导装置、用于检测张力辊位置变化的检测装置、控制器和电机调速器；所述的张力辊位于第一定位辊和第二定位辊之间的区域，并且张力辊、第一定位辊和第二定位辊三者的轴线相互平行；所述的张力辊与向导装置连接；检测装置将检测到的张力辊位置变化的信息反馈给控制器，控制器通过控制电机调速器对驱动辊电机的速度进行调整。

本发明中一种向导装置和检测装置的优选结构如下：

所述的向导装置包括固定设置的直线轴、与直线轴滑动配合的直线轴承、固定设置在位于直线轴承两侧的直线轴上的第一上限位块和第一下限位块、以及位于张力辊上部的配重；所述的向导装置为2个，分别通过所述的直线轴承与张力辊的两端连接；

所述的检测装置包括信号板以及设置在信号板两侧的上限位接近开关和下限位接近开关；所述的信号板固定在直线轴承上；所述的上限位接近开关和下限位接近开关均与控制器相连。

本发明中另一种向导装置和检测装置的优选结构如下：

所述的向导装置包括固定设置的摆臂轴、与摆臂轴活动连接的摆臂、固定在摆臂两端的第一配重和第二配重、以及固定设置在摆臂两侧的第二上限位块和第二下限位块；所述的摆臂为2个，分别与张力辊的两端连接；所述的摆臂轴与张力辊的轴线相互平行；

所述的检测装置包括设置在摆臂两侧的上限位接近开关和下限位接近开关，所述的上限位接近开关和下限位接近开关均与控制器相连。

所述的第一定位辊、第二定位辊和张力辊均为被动辊，可通过支撑件支撑辊的两端以放置所述的被动辊。

所述的第一定位辊、第二定位辊和张力辊的尺寸以及相互的距离可根据需要进行设置，针对现有的碳纤维生产过程中氧碳化及后处理工序，所述的第一定位辊和第二定位辊的两辊中心距优选为350～600mm；第一定位辊的辊径优选为150～250mm，辊长优选为1000～1500mm；第二定位辊的辊径优选为150～250mm，辊长优选为1000～1500mm。所述的张力辊的辊径优选为150～250mm，辊长优选为1000～1500mm。

所述的第一定位辊、第二定位辊和张力辊三者的轴心连在一起呈倒三角。

张力辊与第一定位辊的两辊中心距和张力辊与第二定位辊的两辊中心距最好相等。

所述的第一上限位块和第一下限位块用于限制直线轴承在直线轴滑动的位置，所述的第二上限位块和第二下限位块用于限制摆臂移动的位置。

所述的直线轴固定设置，使张力辊通过直线轴承在直线轴上的移动只能沿直线轴的轴向方向，从而通过直线轴和直线轴承实现对张力辊运动方向的导向。所述的直线轴、直线轴的尺寸可根据需要进行设置，针对现有的碳纤维生产过程中氧碳化及后处理工序，所述的直线轴的直径优选为30～80mm，长度优选为300～800mm；所述的直线轴承的长度优选为80～150mm。所述的直线轴承在直线轴上的移动距离优选为50～300mm，通过第一上限位块和第一下限位块的设置来调节。

所述的摆臂轴可设置1根，两端分别与摆臂连接，以节约资源、优化丝束张力控制装置的结构。

所述的摆臂与摆臂轴活动连接，可以摆臂轴为圆心做旋转移动。针对现有的碳纤维生产过程中氧碳化及后处理工序，所述的摆臂的移动距离优选为50～300mm。

所述的配重、第一配重和第二配重一般安装在张力辊附近使得张力辊承重，用于调控丝束张力，分别可选用气缸或若干铁板；选用若干铁板时，若干铁板可设置在张力辊上用于增加张力辊的重量；选用气缸时，可由压缩空气通过气缸向张力辊施压。配重、第一配重和/或第二配重的重量可根据实际的工艺参数和要求设定，针对现有的碳纤维生产过程中氧碳化及后处理工序，可选用重量为50～300公斤的若干铁板；也可以选用气体压力0.2～0.5Mpa的气缸。

所述的上限位接近开关和下限位接近开关为由上下两个接近开关组合而成，用于检测张力辊的位置变化，如张力辊移动的高度差或者是张力辊移动的距离，其利用上下两个接近开关的实质就是通过信号板或者摆臂靠近上下两个接近开关使得产生相应的感应信号来检测张力辊位置变化的参数，从而通过控制器和电机调速器对驱动辊电机的速度进行调整。所述的上限位接近开关和下限位接近开关的距离优选为50～350mm。

所述的控制器可以是PLC(可编程逻辑控制器)、DCS(分布式控制系统)或单片机，在输入程序软件后，控制器具备接收上限位接近开关和下限位接近开关的信号、接收通过触摸屏输入的控制信号和向电机调速器发出控制信号的功能。

所述的电机调速器为变频器、伺服控制器或直流调速器。电机调速器根据控制器发出的控制信号来控制驱动辊电机的转速。每个驱动辊电机配置一套电机调速器，电机调速器在氧碳化及后处理工序一共有12～30套。

所述的纤维丝束张力控制装置还包括与控制器相连的用于输入控制信号和显示控制信号的触摸屏。触摸屏是设置各种控制参数和显示各种控制参数的显示屏幕，控制参数包括各电机的开关状态、各电机的速度等参数，具体可配置一套。

针对现有的碳纤维生产过程中氧碳化及后处理工序，本发明纤维丝束张力控制装置在使用过程中可以放置在氧碳化及后处理工序的任意位置，而且可配置多套，但是在工序中任意两套驱动辊之间只能配置一套该碳纤维丝束张力控制装置。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明纤维丝束张力控制装置通过控制氧碳化及后处理工序的丝束行走张力，可以设置不同的张力大小从而可以得到不同品质丝束。由于碳纤维丝束行走张力可以自动调控，使碳纤维丝束在行走过程中张力变化很小，从而保证碳纤维品质的均匀一致。

本发明纤维丝束张力控制装置可以设置在氧碳化及后处理工序中任意的两套驱动辊之间，在不改变原有氧碳化及后处理工序生产线的条件下，通过增设纤维丝束张力控制装置，使得氧碳化及后处理工序的碳纤维丝束行走张力得到很好的控制，使得原有的氧碳化及后处理工序生产线通过较低的改进成本就可生产出品质均匀一致的碳纤维，适用于大规模工业化生产，具有很好的经济效益，应用前景非常广阔。

附图说明

图1为本发明纤维丝束张力控制装置的一种结构示意图；

图2为图1中的A向视图；

图3为本发明纤维丝束张力控制装置的另一种结构示意图。

图4为图3中的B向视图。

具体实施方式

实施例1

如图1和图2所示，为本发明纤维丝束张力控制装置，包括第一定位辊1、第二定位辊2、张力辊3、用于对张力辊3的运动进行导向的向导装置4、用于检测张力辊3位置变化的检测装置5、控制器6和电机调速器7；张力辊3位于第一定位辊1和第二定位辊2之间的区域，并且张力辊3、第一定位辊1和第二定位辊2三者的轴线相互平行，第一定位辊1、第二定位辊2和张力辊3三者的轴心连在一起呈倒三角，张力辊3与第一定位辊1的两辊中心距和张力辊3与第二定位辊2的两辊中心距相等；张力辊3与向导装置4连接；检测装置5将检测到的张力辊3位置变化的信息反馈给控制器6，控制器6通过控制电机调速器7对驱动辊电机的速度进行调整。

第一定位辊1和第二定位辊2均为被动辊，两辊中心之间的距离为350～600mm；第一定位辊1的辊径为150～250mm，辊长为1000～1500mm，采用两端支撑的形式；第二定位辊2的辊径为150～250mm，辊长为1000～1500mm，采用两端支撑的形式。张力辊3是被动辊，辊径为150～250mm，辊长为1000～1500mm，采用两端支撑的形式。

向导装置4包括固定设置的直线轴41、与直线轴41滑动配合的直线轴承42、固定设置在位于直线轴承42两侧的直线轴41上的第一上限位块43和第一下限位块44，以及位于张力辊3上部的配重45；向导装置4为2个，分别通过直线轴承42与张力辊3的两端连接。

直线轴41的直径为30～80mm，长度为300～800mm；直线轴承42的长度为80～150mm。

当张力辊3的两端各配置一个直线轴承42时，直线轴41固定在机架上，张力辊3根据丝束张力的改变移动，由于张力辊3与直线轴承42连接，可通过直线轴41限制张力辊3的移动为只能沿直线轴41的轴向方向的移动，移动距离为50～300mm。

第一上限位块43和第一下限位块44可具体选用环形，通过焊接等方式固定套在直线轴41上，配重45为气缸或铁板，可以是由多块铁板组成，安装在张力辊3上面，作用是调控丝束张力，重量为50～300公斤；也可以是气缸，由压缩空气通过气缸向张力辊3施压，气体压力0.2～0.5Mpa。

检测装置5包括固定在直线轴承42上的信号板51以及设置在信号板51两侧的上限位接近开关52和下限位接近开关53，上限位接近开关52和下限位接近开关53均与控制器6相连，信号板51的作用是让上限位接近开关52和下限位接近开关53感应到信号板51的位置的变化，从而得到张力辊3位置变化参数，从而通过控制器6和电机调速器7进行控制，信号板51具体可选用铁板等。上限位接近开关52和下限位接近开关53的距离为50～350mm。上限位接近开关52、下限位接近开关53与信号板51的水平距离(即信号板51与由上限位接近开关52和下限位接近开关53形成的直线的垂直距离)为5～15mm。

纤维丝束张力控制装置还包括与控制器6相连的用于输入控制信号和显示控制信号的触摸屏8，具体可配置一套。

控制器6可以是PLC(可编程逻辑控制器)、DCS(分布式控制系统)或单片机。

电机调速器7为变频器、伺服控制器或直流调速器。每个驱动辊电机配置一套电机调速器7，电机调速器7在氧碳化及后处理工序一共有12～30套。

将本实施例中的纤维丝束张力控制装置应用到碳纤维生产中氧碳化及后处理工序中。将纤维丝束张力控制装置设置在氧碳化及后处理工序中任意的两套驱动辊之间本实施例中，总丝束为100～250束，每束丝规格可以选择1K、3K、6K、12K、24K中的一种或多种，碳纤维丝束行走速度3～15m/min。其具体工作流程如下：

(1)碳纤维丝束经过本发明纤维丝束张力控制装置的第一定位辊1、张力辊3和第二定位辊2后通过，一共100～250束丝束，每束丝的规格可以为1K、3K、6K、12K、24K中的一种或多种；

(2)随着碳纤维丝束张力的增加，张力辊3在丝束的牵引下通过直线轴承42和直线轴41的导向使张力辊3只能沿直线轴41的轴向方向向上移动，从而保持此过程中丝束的张力基本不变，信号板51与张力辊3同时移动；

(3)当信号板51与上限位接近开关52接近时，上限位接近开关52会发出一个信号给控制器6；

(4)控制器6接到上限位接近开关52的信号后，向电机调速器7发出降低速度的指示，程序规定，此次减速只能减少电机调速器7的最小变速单位，并且，此次减速的电机必须是氧碳化及后处理工序中第二定位辊2之后的驱动辊电机，从而使得第二定位辊2之后的驱动辊的速度降低；

(5)当第二定位辊2之后的驱动辊的速度降低后，张力辊3通过直线轴承42和直线轴41之间的滑动配合沿直线轴41的轴向方向向下移动，从而保持此过程中丝束的张力基本不变，信号板51与张力辊3同时移动；

(6)当信号板51与下限位接近开关53接近时，下限位接近开关53会发出一个信号给控制器6；

(7)控制器6接到下限位接近开关53的信号后，向电机调速器7发出增加速度的指示，程序规定，此次增速只能增加电机调速器7的最小变速单位，并且，此次增速的电机必须是氧碳化及后处理工序中第二定位辊2之后的驱动辊电机，从而使得第二定位辊2之后的驱动辊的速度增加，张力辊3通过直线轴承42和直线轴41之间的滑动配合沿直线轴41的轴向方向向上移动，从而保持此过程中丝束的张力基本不变，信号板51与张力辊3同时移动，如此往复。

实施例2

如图3、图4所示，为本发明另一种结构的纤维丝束张力控制装置，包括第一定位辊1、第二定位辊2、张力辊3、用于对张力辊3的运动进行导向的向导装置4、用于检测张力辊3位置变化的检测装置5、控制器6和电机调速器7；张力辊3位于第一定位辊1和第二定位辊2之间的区域，并且张力辊3、第一定位辊1和第二定位辊2三者的轴线相互平行，第一定位辊1、第二定位辊2和张力辊3三者的轴心连在一起呈倒三角，张力辊3与第一定位辊1的两辊中心距和张力辊3与第二定位辊2的两辊中心距相等；张力辊3与向导装置4连接；检测装置5将检测到的张力辊3位置变化的信息反馈给控制器6，控制器6通过控制电机调速器7对驱动辊电机的速度进行调整。

第一定位辊1和第二定位辊2均为被动辊，两辊中心之间的距离为350～600mm，辊径为150～250mm，辊长为1000～1500mm，采用两端支撑的形式。张力辊是被动辊，辊径为150～250mm，辊长为1000～1500mm，采用两端支撑的形式。

向导装置4包括固定设置的摆臂轴46、与摆臂轴46活动连接的摆臂47、固定在摆臂47两端的第一配重48和第二配重49、以及设置在摆臂47两侧的第二上限位块401和第二下限位块402；摆臂47为2个，分别与张力辊3的两端连接；摆臂轴46与张力辊3的轴线相互平行；当张力辊3的两端连有摆臂47时，可以采用2根摆臂47和1根摆臂轴46的方式，摆臂47以摆臂轴46为圆心做旋转移动，移动距离为50～300mm。第一配重48和第二配重49为气缸或铁板，可以是由多块铁板组成，作用是调控丝束张力，重量为50～300公斤；也可以是气缸，由压缩空气通过气缸向张力辊3施压，气体压力0.2～0.5Mpa。第二上限位块401和第二下限位块402的形状没什么特别的要求，一般可选择圆轴，固定在机架上。

检测装置5包括设置在摆臂47两侧的上限位接近开关52和下限位接近开关53，上限位接近开关52下限位接近开关53均与控制器6相连。上限位接近开关和下限位接近开关的距离为50～350mm。

将本实施例中的纤维丝束张力控制装置应用到碳纤维生产中氧碳化及后处理工序中。将纤维丝束张力控制装置设置在氧碳化及后处理工序中任意的两套驱动辊之间。本实施例中，总丝束为100～250束，每束丝规格可以选择1K、3K、6K、12K、24K中的一种或多种，碳纤维丝束行走速度3～15m/min。其具体工作流程如下：

(1)碳纤维丝束经过本发明纤维丝束张力控制装置的第一定位辊1、张力辊3和第二定位辊2后通过，一共100～250束丝束，每束丝的规格可以为1K、3K、6K、12K、24K一种或多种；

(2)当碳纤维丝束张力略有增加时，张力辊3在丝束的牵引下通过摆臂47以摆臂轴46的导向使张力辊3只能以摆臂轴46为圆心做旋转向上移动，从而保持此过程中丝束的张力基本不变；

(3)当摆臂47与上限位接近开关52接近时，上限位接近开关52会发出一个信号给控制器6；

(5)当第二定位辊2之后的驱动辊的速度降低后，碳纤维丝束的张力会略有减小，张力辊3通过摆臂47以摆臂轴46为圆心做旋转向下移动，从而保持此过程中丝束的张力基本不变；

(6)当摆臂47与下限位接近开关53接近时，下限位接近开关53会发出一个信号给控制器6；

(7)控制器6接到下限位接近开关53的信号后，向电机调速器7发出增加速度的指示，程序规定，此次增速只能增加电机调速器7的最小变速单位，程序规定，此次增速的电机必须是氧碳化及后处理工序中第二定位辊2之后的驱动辊电机，从而使得第二定位辊2之后的驱动辊的速度增加，张力辊3通过摆臂47以摆臂轴46为圆心做旋转向上移动，从而保持此过程中丝束的张力基本不变，如此往复。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是该实施例仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种纤维丝束张力控制装置，其特征在于，包括第一定位辊（1）、第二定位辊（2）、张力辊（3）、用于对张力辊（3）的运动进行导向的向导装置（4）、用于检测张力辊（3）位置变化的检测装置（5）、控制器（6）和电机调速器（7）；所述的张力辊（3）位于第一定位辊（1）和第二定位辊（2）之间的区域，并且张力辊（3）、第一定位辊（1）和第二定位辊（2）三者的轴线相互平行；所述的张力辊（3）与向导装置（4）连接；检测装置（5）将检测到的张力辊（3）位置变化的信息反馈给控制器（6），控制器（6）通过控制电机调速器（7）对驱动辊电机的速度进行调整；

所述的向导装置和检测装置的一种结构：

所述的向导装置（4）包括固定设置的直线轴（41）、与直线轴（41）滑动配合的直线轴承（42）、固定设置在位于直线轴承（42）两侧的直线轴（41）上的第一上限位块（43）和第一下限位块（44）、以及位于张力辊（3）上部的配重（45）；所述的向导装置（4）为2个，分别通过所述的直线轴承（42）与张力辊（3）的两端连接；

所述的检测装置（5）包括信号板（51）以及设置在信号板（51）两侧的上限位接近开关（52）和下限位接近开关（53）；所述的信号板（51）固定在直线轴承（42）上；所述的上限位接近开关（52）和下限位接近开关（53）均与控制器（6）相连；

所述的向导装置和检测装置的另一种结构：

所述的向导装置（4）包括固定设置的摆臂轴（46）、与摆臂轴（46）活动连接的摆臂（47）、固定在摆臂（47）两端的第一配重（48）和第二配重（49）、以及固定设置在摆臂（47）两侧的第二上限位块（401）和第二下限位块（402）；所述的摆臂（47）为2个，分别与张力辊（3）的两端连接；所述的摆臂轴（46）与张力辊（3）的轴线相互平行；

所述的检测装置（5）包括设置在摆臂（47）两侧的上限位接近开关（52）和下限位接近开关（53），所述的上限位接近开关（52）和下限位接近开关（53）均与控制器（6）相连。

2.根据权利要求1所述的纤维丝束张力控制装置，其特征在于，所述的纤维丝束张力控制装置还包括与控制器（6）相连的用于输入控制信号和显示控制信号的触摸屏（8）。

3.根据权利要求1所述的纤维丝束张力控制装置，其特征在于，所述的第一定位辊（1）、第二定位辊（2）和张力辊（3）三者的轴心连在一起呈倒三角。

4.根据权利要求1所述的纤维丝束张力控制装置，其特征在于，张力辊（3）与第一定位辊（1）的两辊中心距和张力辊（3）与第二定位辊（2）的两辊中心距相等。

5.根据权利要求1所述的纤维丝束张力控制装置，其特征在于，所述的第一定位辊（1）、第二定位辊（2）和张力辊（3）均为被动辊。

6.根据权利要求1所述的纤维丝束张力控制装置，其特征在于，所述的电机调速器（7）为变频器、伺服控制器或者直流调速器。