CN103009614A

CN103009614A - 四轴联动异型纤维缠绕机

Info

Publication number: CN103009614A
Application number: CN2012105360574A
Authority: CN
Inventors: 贠今天; 姜安彦; 杨世明; 潘梁; 刘娇龙; 桑宏强; 杨向红; 耿冬寒
Original assignee: Tianjin Polytechnic University
Current assignee: Tianjin Polytechnic University
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明公开了一种带有张力反馈及控制的四轴联动纤维缠绕机，它主要包含以下部分：主轴箱、芯模转轴、缠绕行走小车、导丝头伸缩机构、导丝头回转机构、纤维张力检测机构、纤维张力施加机构。主轴箱和芯模转轴通过万向联轴器相连；缠绕行走小车安装在小车支架上，且沿主轴轴线方向做往复运动；导丝头伸缩机构安装在缠绕行走小车上；导丝头回转机构安装在导丝头伸缩机构上；纤维张力检测机构将采集的张力信号实时传输回控制主机；张力施加机构可实时对纤维缠绕张力进行调节。本发明动力部分采用伺服电机，并采用闭环控制，能满足方管等异型构建的缠绕要求，并进一步提高了缠绕制品的性能和质量。

Description

四轴联动异型纤维缠绕机

技术领域

本发明涉及纤维缠绕机技术与张力检测及反馈装置，尤其涉及方形玻璃钢制品缠绕中张力的实时检测及控制算法中的补偿和多轴联动控制。

背景技术

20世纪40年代中期，国际上正式提出了纤维缠绕技术的概念。60年代初期，出现第一代机械式纤维缠绕机，其控制系统是由皮带、齿轮、滑轮和链条等组成的机械系统。1973年Entec公司开发了第一台微处理器控制的纤维缠绕机。1976年第一个商业化标准的缠绕机型号McCleanAnderson60型投放市场。80～90年代，更多的计算机技术投入到缠绕机的开发当中，新一代微机控制纤维缠绕机开始研制。我国对纤维缠绕技术的研究始于20世纪60年代初。随着微机和自动化技术的发展，目前国内大部分纤维缠绕设备实现了微机控制，中低档的两轴、三轴微机控制纤维缠绕机制造技术和缠绕工艺已经基本成熟，并在管道、储罐以及各种压力容器的缠绕成型方面发挥了重要作用。但在中高档缠绕成型技术领域由于受到进口限制，发展水平相对落后。特别是在对于一些特殊场合需要的非回转体玻璃钢制品生产时，缠绕线型、恒定张力控制度等还比较落后。

发明内容

为了解决现有技术不能满足在缠绕过程中对缠绕张力实时监控和精确控制，本发明提供了一种带有张力检测和控制的四轴联动纤维缠绕机。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

四轴联动缠绕机主要包含以下部分：主轴箱、芯模转轴、缠绕行走小车、导丝头伸缩机构、导丝头回转机构、纤维张力检测机构、纤维张力施加机构(包括机械式和电气式)。其中，芯模转轴架在主轴支架上，芯模回转运动的回转轴心线和缠绕行走小车的直线运动方向平行；行走小车安装在小车支架上，沿主轴轴线方向做直线往复运动；纤维张力施加机构安装在小车上，同时纤维张力检测机构安装在张力施加机构的前方、导丝头的后方，以便实时检测缠绕过程之中纤维的张力反馈张力信号；导丝头伸缩机构安装在小车上，做沿主轴径向的往复运动；导丝头回转机构安装在导丝头伸缩机构上。为主轴提供动力的变频电机和减速机以及检测主轴旋转位置的编码器安装在主轴箱内；为小车提供动力的伺服电机1通过法兰盘安装在减速机1-1上，减速机固接在小车支架内部。导丝头伸缩运动控制伺服电机2通过法兰盘2-1和联轴器2-2与线性模组相连接，线性模组固接在小车上；导丝头回转机构通过连接架2-3联接在线性模组上，导丝头回转伺服电机3联接在减速机3-1上通过传动轴3-2带动导丝头转动部分3-3转动。本发明运动速度快，运行平稳，由于运用微机控制所以缠绕线型精度高，缠绕过程实时采集张力信息并进行反馈，根据反馈信号可进行张力大小的调，它能够满足非回转体以及一些异型构件的精确缠绕，提高了非回转体缠绕的精度，取代了手糊、办手糊，提高了生产效率。

工作原理：在缠绕过程中，主轴带动芯模的转动、小车沿芯模轴向的来回移动构成了纤维缠绕的两个基本运动坐标，在一定的绕速比的条件下，纤维以一定的螺旋线方式均匀的铺放在芯模的表面；当芯模的封头或筒身段由复杂的曲面构成时，丝头的伸缩运动可以减小小车的运动距离，丝头的旋转可使纤维均铺在芯模表面，缠绕过程中可以通过张力传感器采集的信号实时掌握张力的变化情况，同时通过增减中间缠绕辊的个数以及调节磁粉制动器来对张力进行控制，从而保证缠绕过程平稳，提高缠绕质量。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中小车传动局部示意图；

图3是本发明中张力检测及控制机构的示意图；

图4是本发明中导丝头伸缩部分结构示意图；

图5是本发明中导丝头旋转机构结构示意图；

具体实施方式

实施方式一：如图1所示为本发明的总体结构示意图，图中所示主轴采用变频电机，利用带传动和主轴减速机相连，在减速机的端部装有编码器，采集主轴旋转的信号并将其反馈到控制主机中。主轴采用万向联轴器与减速机相连，以避免偏心。主轴采用经过调质处理，保证在机器运转过程中不会变形。

如图2所示，是本发明中小车传动局部示意图。在图中所示，小车在链传动的配合下沿主轴轴向进行直线往复运动；小车传动伺服电机1通过法兰盘与减速机1-1相连接；减速机1-1则通过螺栓安装在小车架1-14上；提供小车动力的链轮1-2装在小车伺服电机1-1的输出轴上，与后面的链轮1-3构成一个完整的链传动结构；链条通过连接板1-4、链条连接块儿1-5与小车相连在一起。

如图3所示，是本发明中张力检测及控制装置示意图。在本发明中，如图1中所示纤维浸胶槽设置在张力导辊的下方，使纤维通过时构成一定的包角，来提供一定的张力。此外，提供张力的磁粉制动器1-6装在导辊1-7的转轴上，在需要增大张力时可调节磁粉制动器，为导辊1-7提供一个制动力矩，从而为缠绕其上的纤维提供一个阻力矩，以此来增加张力。同时，压辊1-8通过两个带导槽的轴承UCT204以及导向块儿1-9和连接架1-10固定在立板上，通过连接架上的螺栓可以使两个轴承UCT204沿导向块儿1-9上下移动，从而带动压辊1-8上下滑动，在缠绕过程中可以通过调节压辊1-8和导辊1-7之间的间距来辅助调节纤维中胶的含量。沿垂直于主轴轴线的方向，在导辊1-7之前设置有导辊1-11，在导辊1-11之前设置有张力传感器1-12，张力传感器通过螺栓固定在立板上，张力传感器1-12可实时测得缠绕其上的纤维的张力的大小，并将采集的信号值通过传输电路传输给控制主机。在张力传感器之前也设置一导辊1-13。在此处说明的导辊1-7、1-11、1-13采用直线式排布都为给缠绕过程中的纤维提供张力，可根据生产过程中的张力大小来调节纤维通过的导辊数，同时配合磁粉制动器来调节张力的大小。

如图4所示，是本发明中导丝头伸缩部分示意图。导丝头伸缩运动控制伺服电机2通过法兰盘2-1和联轴器2-2与线性模组2-4相连接，线性模组2-4通过螺栓固定在小车上所焊接的支架上，线型线性模组由丝杠螺母结构组成，伺服电机2带动丝杠转动，从而丝杠带动其螺母结构沿垂直于主轴轴线的方向来回运动。导丝头回转机构通过连接架2-3联接在线性模组2-4上，从而完成垂直主轴轴线的伸缩运动。

如图5所示，是本发明中导丝头旋转机构结构示意图。如上所述，导丝头回转机构通过连接架2-3联接在线性模组2-4上。如图所示，导丝头机构上部转动部分3-3通过转动轴3-2与导丝头减速机3-1相联接，为导丝头提供转动力的伺服电机3通过减速机3-1的法兰盘直接于减速机相连。

本发明的控制系统采用的是工业控制计算机和NI PCI-7344运动控制卡及NI PCI-6221数据采集卡，也可采用PMAC作为伺服运动控制器；加上相应的外围设备，如伺服放大器、电源、伺服驱动器、变频器等构成一个完整的计算机控制系统，从而实现各个运动坐标轴的联动控制。

实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于，将小车的传动机构由链传动改为相应的丝传动，即将实施方式一中的链轮换做相应的丝轮，把链条换做钢丝；纤维张力检测及控制机构中，几个导辊如1-7、1-11、1-13的数量以及它们的安装位置可以有相应的调整；张力传感器和磁粉制动器的位置都可作相应的调整，其它组成和联接与实施方式一相同。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的传动、张力检测和控制装置、驱动装置以及连接方式与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.四轴联动异型纤维缠绕机主要包含以下部分：主轴箱、芯模转轴、缠绕行走小车、导丝头伸缩机构、导丝头回转机构、纤维张力检测机构、纤维张力施加机构，其特点在于：芯模转轴安装在主轴支架上，芯模回转运动的回转轴心线和缠绕行走小车的直线运动方向平行；行走小车安装在小车支架上，沿主轴轴线方向做直线往复运动；纤维张力施加机构安装在小车上，同时纤维张力检测机构安装在张力施加机构的前方、导丝头的后方，以便实时检测缠绕过程之中纤维的张力反馈张力信号；导丝头伸缩机构安装在小车上，做沿主轴径向的往复运动；导丝头回转机构安装在导丝头伸缩机构上。

2.按照权利要求1所述的四轴联动异型纤维缠绕机，其特征在于：提供张力的磁粉制动器[1-6]装在纤维导辊[1-7]的转轴上，在需要增大张力时可调节磁粉制动器，为导辊[1-7]提供一个制动力矩，从而为缠绕其上的纤维提供一个阻力矩，以此来增加张力。同时，压辊[1-8]通过两个带导槽的轴承UCT204以及导向块儿[1-9]和连接架[1-10]固定在立板上，通过连接架上的螺栓可以使两个轴承UCT204沿导向块儿[1-9]上下移动，从而带动压辊1-8上下滑动，在缠绕过程中可以通过调节压辊[1-8]和导辊[1-7]之间的间距来辅助调节纤维中胶的含量。沿垂直于主轴轴线的方向，在导辊[1-7]之前设置有导辊[1-11]，在导辊[1-11]之前设置有张力传感器[1-12]，张力传感器通过螺栓固定在立板上，张力传感器[1-12]可实时测得缠绕其上的纤维张力的大小，并将采集的信号值通过传输电路传输给控制主机；在张力传感器之前，另设置一个导辊[1-13]，此处所述导辊[1-7]、[1-11]、[1-13]采用直线式排布都为给缠绕过程中的纤维提供张力，可根据生产过程中的张力大小来调节纤维通过的导辊数，同时配合磁粉制动器来调节张力的大小。

3.按照权利要求1所述的四轴联动异型纤维缠绕机，其特征在于：浸胶槽安装在导辊装置下方的一定距离，方便缠绕过程中添加胶液，同时在纤维通过胶槽与上方的导辊时形成一定的包角，增大张力。

4.按照权利要求1所述的四轴联动异型纤维缠绕机，其特征在于：导丝头沿垂直于主轴轴线方向做伸缩运动，由导丝头机构通过连接架[2-3]安装在线性模组上实现。