CN104985834B - 一种用于高速纤维铺放中的红外波加热系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高速纤维铺放中的波红外加热系统。该加热系统安装在铺丝头末端，包括安装板件主体、陶瓷金卤灯辐射加热模块、加热区温度检测装置、辐射加热功率调节与模式转换控制模块、基于双金属热变形原理的辐射反射器模块、过热防护模块、以及空气冷却模块，用于加热即将进行铺放作业的复合材料芯模层，目标是将铺放区新铺层与芯模的结合面的温度提高到适宜温度区间（30℃至90℃），以提高后续铺层的质量。

Description

一种用于高速纤维铺放中的红外波加热系统

技术领域

本发明用于复合材料自动铺放成型技术领域，涉及一种用于高速纤维铺放中的红外波加热系统，目标是高速纤维铺放作业提供一种响应迅速，高比能量，高效率的红外加热系统。

背景技术

复合材料以碳纤维增强树脂基复合材料为代表，具有轻质、高强、高模量、耐疲劳、抗腐蚀、结构功能一体化和设计制造一体化、易于成型大型构件等突出优点。大量应用先进复合材料是提高航空航天飞行器、运载工具和武器装备效能的重要途径，其用量业已成为航空航天飞行器先进性的重要标志。先进复合材料以其优异的综合性能在航空航天工业领域得到了广泛的应用，但先进复合材料的成本远高于金属材料，高成本已经成为复合材料扩大应用的主要障碍。

复合材料自动铺放技术是增加复合材料用量、提高制造技术水平与效率、保证产品质量和降低成本的关键技术。

在复合材料自动铺带成形过程中，为保证预浸带铺放成形质量，在预浸带铺叠过程中需要对预浸带铺放速度、铺放温度、铺放压力等成形工艺参数进行协调控制，以使预浸带状态始终处于铺叠成形的工艺窗口内。温度、压力、铺放速度等成形工艺参数对复合材料制品的质量产生了重要的影响。

(1)不同树脂体系预浸带对温度的要求不同：复合材料树脂体系是决定铺放温度的主要因素，这就要求针对不同的树脂体系的预浸带采用相应的温度工艺曲线。

(2)预浸带在不同的铺放速度下的要求温度恒定：国内目前使用的预浸带多为热固性树脂基复合材料，热固性树脂的铺放成形温度可调节范围很小，这给变速工况下的温度控制带来了难题。

(3)压力使预浸带铺层产生了不同的变形效应：受树脂粘弹性的影响，预浸带在受压时，随着温度及时间的变化，会产生不同类型的变形。

在自动铺带成形工艺过程中，温度对复合材料制品质量的影响最大。对于热固性树脂基体的预浸带来说，其成形温度较低，可调节范围较窄，这给温度控制带来了困难。此外，温度的偏差会导致铺放过程无法顺利进行：温度过高，预浸带容易与背衬纸粘结，使预浸带无法铺叠在模具或者上一层表面，甚至导致树脂提前固化：温度过低，预浸带粘性不足、无法与模具顺利贴合、预浸带发生曲皱、树脂流动性差、预浸带中的气泡没有完全赶走，使复合材料制品存在缺陷。另外，为了实现低成本制造，需要提高自动铺带成形速率。这种高速、动态的工况给温度控制带来了许多难题。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种响应迅速，高比能量，高效率，高安全系数的一种用于高速纤维铺放中的红外波加热系统。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种用于高速纤维铺放中的红外波加热系统，其特征在于，安装在铺丝头末端，包括：

安装板件主体：用于安装红外波加热系统并与铺丝头固定；

陶瓷金卤灯辐射加热模块:采用基于传统石英金卤灯改进而来的陶瓷金卤灯。所述加热系统具有三只相同的陶瓷金卤灯管，沿铺放方向呈线性均匀布置。

加热区温度检测装置:采用1×128元热电堆线阵温度传感器及A/D模块，采用无接触的在线检测的方式对铺层工作区域的温度进行实时测量。

辐射加热功率调节与模式转换控制模块:

基于双金属热变形原理的辐射反射器模块:包括反射器部件，通过永磁体吸附的原理与安装板连接，陶瓷金卤灯与温度检测装置通过连接件固接在安装板上，功率与模式控制模块置于上位机中，加热系统通过安装板件上的安装孔及安装螺栓同铺丝头相连接。

过热防护模块:由双金属片及其触点、弹性铜片及其触点、绝缘支架、升降螺栓及调温旋钮组成。所述弹性铜片通过螺栓和连接孔固接在绝缘支架上；所述升降螺栓与绝缘支架通过螺栓螺孔活接，两者之间的相对位置可通过固接在升降螺栓上的调温旋钮进行旋转调节。所述过热防护模块的双金属元件在温度升高至动作温度值产生内应力而迅速动作，闭合触点,接通紧急制动电路，从而起到热保护作用。所述过热防护模块在铺放头重新启动后，当温度降到设定温度时触点自动断开，恢复正常工作状态。所述调温旋钮由工作人员人工调控，可起到升高或者降低动作温度的作用。

空气冷却模块：包括冷空气储气罐、气泵以及冷风出口；冷空气储气罐、气泵以及冷风出口之间通过导气管连接，冷风出口位于红外加热系统与铺丝头之间。

在上述的一种用于高速纤维铺放的中红外波加热系统，所述的辐射加热功率调节与模式转换控制模块分为功率控制模块与工作模式控制模块。功率控制模块分七个档位：其中一档、二档、三档为升温档；四档为保温档；五档、六档、七档为降温档。工作模式分为低速模式、中速模式、高速模式三种模式，可视铺放速度自动调节。

在上述的一种用于高速纤维铺放的中红外波加热系统，所述反射器部件包括内侧为一抛物柱面的反射镜。所述反射器模块通过永磁吸附的原理与安装板连接，且三只反射器与陶瓷金卤灯管一一对应，沿铺放方向呈线性均匀布置。所述反射器模块的反射镜分为内外双层：内层为膨胀系数大的主动层，材料为纳米金镀膜；外层为膨胀系数小的被动层，材料为因瓦合金。所述反射器在温度逐渐升高时，所述抛物柱面的形变使辐射热量向更大的铺放面散射，可对热量集中起到自动反馈调节作用。

在上述的一种用于高速纤维铺放的中红外波加热系统，反射器模块的反射镜内外双层具体为：内层为膨胀系数较大的主动层，厚度为0.5mm，材料为反射率接近0.99的纳米金镀膜(廉价的替代方案为使用在纯铝表面电镀不锈钢防氧化层并抛光)；外层为膨胀系数较小的被动层，厚度为1.5mm，材料为FeNi36因瓦合金。

因此，本发明具有如下优点：响应迅速(最大铺放速度超过1m/s)，高比能量(3.8w/c㎡)，高效率辐射能量吸收率超过0.8)，高安全系数。

附图说明

图1是红外加热系统的总体结构的立体结构示意图。

图2是加热系统与铺丝头的连接示意图。

图3是红外加热系统沿纤维铺放作业进给方向的剖面图。

图4是过载防护装置的局部示意图。

图5是放射器镜面形状直观图。

图6是反射器镜面抛物线形状，与灯管、芯模面位置关系几何示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。图中，安装板件主体1、永磁体磁铁2、陶瓷金卤灯灯管3、双金属辐射反射器4、连接螺栓5、绝缘支架6、弹性铜片7、连接螺栓二8、升降螺栓9、连接螺栓三10、双金属辐射反射器上的触点11、弹性铜片上的触点12、调温旋钮13、连接螺孔四14、连接螺栓五15、铺放头压辊16、碳纤维复合材料丝带17、过载保护装置18、抛物柱面19、双金属辐射反射器内层20、双金属辐射反射器外层21。

实施例：

一、首先介绍本发明的机械机构。

本发明安装在铺丝头末端，可以加热即将进行铺放作业的复合材料芯模层，已达到将铺放区新铺层与芯模的结合面的温度提高到适宜温度的效果(30℃至90℃)，提高后续铺层的质量。

本发明基于模块化设计，主要包括安装板件主体、加热区温度检测装置、陶瓷金卤灯辐射加热模块、辐射加热功率调节与模式转换控制模块、基于双金属热变形原理的辐射反射器模块、过热防护模块、以及空气冷却模块等。上述的模块中，反射器模块通过永磁体吸附的原理与安装板连接，所述陶瓷金卤灯与温度检测装置通过连接件固接在安装板上，所述功率与模式控制模块置于上位机中。

本发明中的安装板件主体，是一个类长方形的结构板，是本系统主要的支撑结构，用于安装其他模块结构，其上设有与铺丝头的快换接口(如图1)。所述安装板件采用绝热耐高温硬质聚氨酯泡沫塑料，加热系统A通过安装板件1上的安装孔14及安装螺栓15同铺丝头B相连接。

陶瓷金卤灯辐射加热模块，热辐射灯管发光原理采用基于传统石英金卤灯改进而来的陶瓷金卤灯。陶瓷金卤灯是一种寿命长，光效高、显色性好的新型节能光源，相对于石英金卤灯灯管温度更高，单位体积比能量高，节能效果更佳。所述加热系统具有三只相同的陶瓷金卤灯管，沿铺放方向呈线性均匀布置。

加热区温度检测装置，其检测原理基于高性能的热电堆红外探测器。基于新型薄膜技术在硅衬底上生产的热电堆红外探测器是具有高灵敏度、高稳定性的器件。本发明采用1×128元热电堆线阵及A/D模块，具有极高的响应速度，可采用无接触测量的在线测量方式对铺层工作区域的温度进行实时测量。。

辐射加热功率调节与模式转换控制模块，是一种基于上位机的实时控制模块。该控制模块分为功率控制模块与工作模式控制模块。功率控制模块分七个档位，可分别迅速调整灯管温度至1200℃、1000℃、800℃、400℃、300℃、200℃、100℃：其中一档、二档、三档为升温档；四档为保温档；五档、六档、七档为降温档。工作模式控制模块分为低速模式、中速模式、高速模式三种模式：铺放头运动速度低于0.3m/s时，所述加热系统自动调节为低速模式，只有一号灯管3-1发光；铺放头运动速度不低于0.3m/s且不高于于0.9m/s时，所述加热系统自动调节为中速模式，一号3-1、二号灯管3-2发光，三号灯光不工作；铺放头运动速度高于0.9m/s时，所述加热系统自动调节为高速模式，一号灯管3-1、二号灯管3-2、三号灯管3-3均发光。

基于双金属热变形原理的辐射反射器，其垂直于芯模表面且平行于铺放作业进给方向的内截面为一抛物线，所述抛物线柱面的焦线恰好与上述陶瓷金卤灯的中心灯轴线重合，由此产生的有益效果是促使辐射束尽可能多的以与沿铺放平面法向的方向射入，提高芯模表面对灯管辐射能量的吸收率。所述反射器模块通过永磁体吸附的原理与安装板连接，且三只反射器与陶瓷金卤灯管一一对应，沿铺放方向呈线性均匀布置。所述反射器模块的反射镜分为内外双层：内层为膨胀系数较大的主动层，厚度为0.5mm，材料为反射率接近0.99的纳米金镀膜(廉价的替代方案为使用在纯铝表面电镀不锈钢防氧化层并抛光)；外层为膨胀系数较小的被动层，厚度为1.5mm，材料为FeNi36因瓦合金。所述反射器在温度逐渐升高时，由于内层材料膨胀速率与变形量较外层大，所述抛物柱面曲率减少，向上拓展，是辐射热量向更大的铺放面散射，可对热量集中起到一定的自动反馈调节作用。

过热防护模块，其结构由双金属片及其触点、弹性铜片及其触点、绝缘支架、升降螺栓及调温旋钮组成。所述过热防护模块采用双金属片将温度量转化为热变形量的原理，当温度升高至动作温度值时，双金属元件受热产生内应力而迅速动作，闭合触点,接通紧急制动电路，从而起到热保护作用。重新启动后，当温度降到设定温度时触点自动断开，恢复正常工作状态。如图，所述双金属片的触点与弹性铜片的触点温度警戒线线下常闭，过热保护时弹开。所述绝缘支架开有螺纹孔，升降螺栓与该螺纹孔呈螺栓螺孔连接。所述调温旋钮与升降螺栓固接，当调温旋钮旋转时，所述升降螺栓可以升高或者降低，进而减少或者增加所述弹性铜片的变形量，使弹性铜片的触点位置升高或者降低，进而起到升高或者降低动作温度。所述调温旋钮由工作人员人工调控。所述双金属片采用上述辐射反射器的双金属片。所述过热防护模块仅在一号灯管(3-1)上方有安装。

空气冷却模块，其冷风出口位于红外加热系统与铺丝头之间，其有益之效果在于减少或者抑制灯管辐射热量对铺丝头的加热作用，保证铺丝头内丝束温度适宜，防止堵塞出丝口。

二、工作时，本发明分为：正常工作阶段、高速铺放阶段以及铺丝头急停与过热防护阶段。

1.正常工作阶段。

纤维铺放作业开始后，控制模块控制一号灯管发光，功率控制在一档(稳态灯管温度为1200℃)，二号、三号灯管待命，芯模表面开始升温，当加热区温度检测装置中的热电堆红外探测器检测到芯模表面温度超过30℃时，芯模开始升温，铺丝头开始铺放作业，速度控制在低速段(＜0.3m/s)，当热电堆红外探测器检测到芯模表面温度超过50℃时，控制系统根据升温速率自动调节功率档位：当温升速率不超过1.0℃/s时，自动调整为五档；当温升速率高于1.0℃/s且不超过2.5℃/s时，自动调整为六档；当温升速率超过2.5℃/s时，自动调整为七档。芯模开始降温，当热电堆红外探测器检测到芯模表面温度低于30℃时，控制系统根据升温速率自动调节功率档位：当降温速率不超过1.0℃/s时，自动调整为三档；当降温速率超过1.0℃/s且不超过2.5℃/s时，自动调整为六档；当降温速率超过2.5℃/s时，自动调整为一档。特别的，当温度在33℃到37℃之间时，且温度变化梯度低于0.1℃/s时，自动调整为四档，芯模处于保温模式(芯模最佳工作温度为35.3摄氏度)。

下表是单灯管(仅一号灯管工作时)以0.85m/s每秒的速度进行铺放作业时，铺放工作点前后75mm芯模区域温度特征表(实验数据)：

2.高速铺放阶段。

为了适应高速铺放作业，本发明将工作模式控制模块分为低速模式、中速模式、高速模式三种模式。具体实施方式为：当铺放头运动速度低于0.3m/s时，所述加热系统自动调节为低速模式，只有一号灯管发光；铺放头运动速度不低于0.3m/s且不高于于0.9m/s时，所述加热系统自动调节为中速模式，一号、二号灯管发光，三号灯光不工作；铺放头运动速度高于0.9m/s时，所述加热系统自动调节为高速模式，一号灯管、二号灯管、三号灯管均发光。

3.铺丝头急停与过热防护阶段：

在铺放过程之中，驱动铺丝头运动的运动机器人或者龙门架由于机械或者电气故障急停，热量将在短时间之内在铺放加热区域集聚，使加热区域温度超过93℃，该区域的复合材料强度将大大弱化。为了解决由于铺丝头急停等异常原因引起的过热问题，本发明增设了过热防护模块。

过热防护模块采用双金属片将温度量转化为热变形量的原理，当温度升高至动作温度值时，双金属元件受热产生内应力而迅速动作，闭合触点,接通紧急制动电路，从而起到热保护作用。重新启动后，当温度降到设定温度时触点自动断开，恢复正常工作状态。改双金属分内外双层：内层为膨胀系数较大的主动层，厚度为0.5mm，材料为反射率接近0.99的纳米金镀膜(廉价的替代方案为使用在纯铝表面电镀不锈钢防氧化层并抛光)；外层为膨胀系数较小的被动层，厚度为1.5mm，材料为FeNi36因瓦合金。

下表是调节螺栓向下旋转n个螺距P(本发明采用P＝0.4mm的粗牙m2螺纹)时，相应的过载动作温度：

旋转的螺距数目	0	1	2	3	4	5	6	7	8
										动作温度(℃)	101.9	99.1	97.0	95.2	94.0	93.1	92.6	92.3	92.2

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种用于高速纤维铺放中的红外波加热系统，其特征在于，安装在铺丝头(B)末端，包括：

安装板件主体：用于安装红外波加热系统(A)并与铺丝头固定；

陶瓷金卤灯辐射加热模块:采用基于传统石英金卤灯改进而来的陶瓷金卤灯；所述加热系统具有三只相同的陶瓷金卤灯管，沿铺放方向呈线性均匀布置；

加热区温度检测装置:采用1×128元热电堆线阵温度传感器及A/D模块，采用无接触的在线检测的方式对铺层工作区域的温度进行实时测量；

辐射加热功率调节与模式转换控制模块；

基于双金属热变形原理的辐射反射器模块:包括反射器部件(4)，通过永磁体吸附的原理与安装板件(1)连接，陶瓷金卤灯管(3)与温度检测装置通过连接件固接在安装板件(1)上，辐射加热功率调节与模式转换控制模块置于上位机中，加热系统(A)通过安装板件(1)上的安装孔(14)及安装螺栓(15)同铺丝头(B)相连接；

过热防护模块:由双金属片及其触点(11)、弹性铜片(7)及其触点(12)、绝缘支架(6)、升降螺栓(9)及调温旋钮(13)组成；所述弹性铜片(7)通过螺栓和连接孔固接在绝缘支架(6)上；所述升降螺栓与绝缘支架通过螺栓螺孔活接，两者之间的相对位置可通过固接在升降螺栓上的调温旋钮进行旋转调节；所述过热防护模块的双金属元件在温度升高至动作温度值产生内应力而迅速动作，闭合触点,接通紧急制动电路，从而起到热保护作用；所述过热防护模块在铺放头重新启动后，当温度降到设定温度时触点自动断开，恢复正常工作状态；所述调温旋钮由工作人员人工调控，可起到升高或者降低动作温度的作用；

空气冷却模块：包括冷空气储气罐、气泵以及冷风出口；冷空气储气罐、气泵以及冷风出口之间通过导气管连接，冷风出口位于红外加热系统与铺丝头之间。

2.根据权利要求1所述的一种用于高速纤维铺放中的红外波加热系统，其特征在于，辐射加热功率调节与模式转换控制模块分为功率控制模块与工作模式控制模块；功率控制模块分七个档位：其中一档、二档、三档为升温档；四档为保温档；五档、六档、七档为降温档；工作模式分为低速模式、中速模式、高速模式三种模式，可视铺放速度自动调节。

3.根据权利要求1所述的一种用于高速纤维铺放中的红外波加热系统，其特征在于，所述反射器部件(4)包括内侧为一抛物柱面(19)的反射镜；所述反射器部件(4)通过永磁体吸附的原理与安装板件(1)连接，且三只反射器与陶瓷金卤灯管一一对应，沿铺放方向呈线性均匀布置；所述反射器模块的反射镜分为内外双层：内层为膨胀系数大的主动层，材料为纳米金镀膜；外层(21)为膨胀系数小的被动层，材料为因瓦合金；所述反射器在温度逐渐升高时，所述抛物柱面的形变使辐射热量向更大的铺放面散射，可对热量集中起到自动反馈调节作用。

4.根据权利要求1所述的一种用于高速纤维铺放中的红外波加热系统，其特征在于，反射器模块的反射镜内外双层具体为：内层为膨胀系数较大的主动层，厚度为0.5mm，材料为反射率接近0.99的纳米金镀膜；外层为膨胀系数较小的被动层，厚度为1.5mm，材料为FeNi36因瓦合金。