CN105563859A - 数控纤维缠绕张力施加系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种数控纤维缠绕张力施加系统及方法，包括安装本体、斜置辊轴、平置辊轴、张力检测系统；其中，所述斜置辊轴和所述平置辊轴相邻设置在所述安装本体；所述斜置辊轴的轴线和所述平置辊轴的轴线呈设定角度，从而所述斜置辊轴的一端与所述平置辊轴的一端之间形成第一张口端，所述斜置辊轴的另一端与所述平置辊轴的另一端之间形成第二张口端；所述第一张口端的宽度大于第二张口端的宽度；所述斜置辊轴设置在所述平置辊轴的一侧面，所述张力检测系统设置在所述平置辊轴的另一侧面。本发明可以按需求增大张力，避免纤维纱严重磨损并且不使原纤维卷损坏。

Description

数控纤维缠绕张力施加系统及方法

技术领域

本发明涉及纤维缠绕复合材料成型，具体地，涉及一种数控纤维缠绕张力施加系统及方法，主要适用于纤维缠绕复合材料管状或球状物的成型工艺和应用于数控纤维缠绕机。

背景技术

纤维缠绕复合材料在缠绕过程中需要对纤维施加张紧力，特别是数控纤维缠绕机对张力的检测和控制都有严格要求(JC/T2181-2013)。

通常数控纤维缠绕机的张力施加系统都包含控制器、张力传感器和制动器，其中制动器一般采用伺服电机或磁粉制动器。大多数缠绕机都采用纤维卷放卷轴和制动器同轴的方式，即纤维卷放置在于制动器相连的轴上，使纤维卷与制动器轴同步旋转，制动器输出的扭矩的大小决定纤维张力的大小。缠绕机在工作状态时，纤维纱从放卷轴出纱绕过张力传感器，传感器将张力检测信号传到控制器，控制器将设定目标值与检测实际值作比较后，发出执行信号传递给制动器以调节张紧力，这就是数控缠绕机通常采用的纤维缠绕张力方法。而且，通常纤维缠绕产品的生产过程中需要多股纤维纱同时缠绕，因此一个纱架通常有放置多个纤维卷，纱架的重量和体积也随之增大。包含放置多股纤维卷的纱架通常不放在缠绕机的行走小车上，即放在相对远离缠绕机的固定位置或者放置在与行走小车同步的导轨平台上。

数控纤维缠绕机施加张紧力的通常方法存在两个普遍问题。首先，纤维无法施加较大的张紧力。在张紧力施加到一定的程度时，纤维纱容易陷入纤维卷中对下层的纤维造成破坏。当纤维纱从纤维卷的端部出纱时，容易在大张紧力的作用下导致下层部分的塌陷，导致整卷无法使用。其次，多股纤维纱缠绕纱架部分占用空间太大或同步纱架运动成本高。如果制动器采用磁粉制动器，为了在行走小车往复运动时使张力控制均匀，放置多股纤维卷的纱架往往要尽量远离缠绕机主体部分，这样难免造成占地面积过大的后果。如果制动器采用伺服电机，会增加设备成本并增加系统复杂程度。如果采用纱架放置在同步于小车的导轨上，可以解决张力控制精度的问题，但是会不可避免地提高成本。

本发明可以解决传统缠绕张力施加方法及缠绕机普遍存在的两个问题，既能在不损害纤维卷的情况下施加足够大的纤维张力，又能在保持高的张力控制精度的情况下有效地节省占地面积和成本。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种数控纤维缠绕张力施加系统及方法。本发明主要适用于纤维缠绕复合材料的缠绕工艺过程，是对传统数控缠绕机张力系统的一种改进。本发明可在纤维缠绕复合材料成型过程中，方便地施加足够大小的高精度纤维张力并节省空间和成本。

根据本发明提供的数控纤维缠绕张力施加系统，包括安装本体、斜置辊轴、平置辊轴、张力检测系统；

其中，所述斜置辊轴和所述平置辊轴相邻设置在所述安装本体；所述斜置辊轴的轴线和所述平置辊轴的轴线呈设定角度，从而所述斜置辊轴的一端与所述平置辊轴的一端之间形成第一张口端，所述斜置辊轴的另一端与所述平置辊轴的另一端之间形成第二张口端；所述第一张口端的宽度大于第二张口端的宽度；

所述斜置辊轴设置在所述平置辊轴的一侧面，所述张力检测系统设置在所述平置辊轴的另一侧面。

优选地，还包括第一制动器以及第二制动器；

其中，所述第一制动器连接所述斜置辊轴；所述第二制动器连接所述平置辊轴。

优选地，所述张力检测系统包括第一过线轮、第二过线轮、第三过线轮、第四过线轮、第五过线轮以及第六过线轮；

其中，第一过线轮、第二过线轮、第三过线轮、第四过线轮、第五过线轮以及第六过线轮依次排列；第一过线轮与平置辊轴相邻设置；

第一过线轮的下侧面低于所述平置辊轴的上侧面；第二过线轮的上侧面、第三过线轮的上侧面高于所述第一过线轮的下侧面；

第四过线轮、第五过线轮设置在第三过线轮的下侧；所述第六过线轮的上侧面高于第四过线轮的下侧面和第五过线轮的下侧面。

优选地，所述张力检测系统还包括传感器连接件和扭矩传感器；

所述传感器连接件连接所述扭矩传感器的检测端；所述传感器连接件一端连接第三过线轮，另一端连接第四过线轮。

优选地，还包括数字控制器；

所述数字控制器电连接所述张力检测系统的扭矩传感器、第一制动器以及第二制动器。

本发明提供的数控纤维缠绕张力施加方法，采用所述的数控纤维缠绕张力施加系统，包括如下步骤：

步骤1：将纤维纱从第一张口端开始置纱，具体为，纤维纱与斜置辊轴接触后，使纤维纱绕平置辊轴半圈，再绕回斜置辊轴，再绕至平置辊轴，直至第二张口端后通过所述张力检测系统穿出；

步骤2：所述数控纤维缠绕张力施加系统中的第一制动器、第二制动器使斜置辊轴和平置辊轴同步，从而将制动扭矩传递至斜置辊轴和平置辊轴上；当制动扭矩传递到斜置辊轴和平置辊轴上时，纤维纱与斜置辊轴、平置辊轴之间会因为有相对运动趋势而产生静摩擦力，进而纤维纱产生张力；

步骤3：所述张力检测系统检测出张力信号，所述张力检测系统的扭矩传感器会将张力信号传递给所述的数控纤维缠绕张力施加系统的数字控制器，数字控制器将扭矩传感器的张力值与输入的设定张力值作比较，按PID算法进行运算，运算生成输出信号，进而根据所述输出信号控制第一制动器、第二制动器调节扭矩改变摩擦力，最终改变纤维纱的张力。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、施加张力更大，本发明可以按需求增大张力，避免纤维纱严重磨损并且不使原纤维卷损坏；

2、张力控制精确，本发明因纤维纱的入口处纤维纱的张力总是零，并且速度恒定，此发明的缠绕纤维张力不会因纤维纱摆动导致张紧力的较大稳态误差；

3、本发明简化缠绕机复杂程度、节省占地面积和成本，因为此发明可以采用磁粉制动器精确控制张力，所以可以不需采用伺服电机、节省远置纱架的占地面积或同步导轨系统。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中数控纤维缠绕张力施加系统的一个方面的结构示意图；

图2为本发明中数控纤维缠绕张力施加系统的另一个方面的结构示意图。

图中：

1为纤维纱；

2为斜置辊轴；

3为第二制动器；

4为张力检测系统；

5为平置辊轴；

6为第一制动器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本实施例中，本发明提供的数控纤维缠绕张力施加系统，包括安装本体、斜置辊轴、平置辊轴、张力检测系统；

其中，所述斜置辊轴和所述平置辊轴相邻设置在所述安装本体；所述斜置辊轴的轴线和所述平置辊轴的轴线呈设定角度，从而所述斜置辊轴的一端与所述平置辊轴的一端之间形成第一张口端，所述斜置辊轴的另一端与所述平置辊轴的另一端之间形成第二张口端；所述第一张口端的宽度大于第二张口端的宽度；

所述斜置辊轴设置在所述平置辊轴的一侧面，所述张力检测系统设置在所述平置辊轴的另一侧面。

本发明提供的数控纤维缠绕张力施加系统，还包括第一制动器以及第二制动器；其中，所述第一制动器连接所述斜置辊轴；所述第二制动器连接所述平置辊轴。

所述第一制动器和所述第二制动器采用粉制动器。

所述张力检测系统包括第一过线轮、第二过线轮、第三过线轮、第四过线轮、第五过线轮以及第六过线轮；

其中，第一过线轮、第二过线轮、第三过线轮、第四过线轮、第五过线轮以及第六过线轮依次排列；第一过线轮与平置辊轴相邻设置；

第一过线轮的下侧面低于所述平置辊轴的上侧面；第二过线轮的上侧面、第三过线轮的上侧面高于所述第一过线轮的下侧面；

第四过线轮、第五过线轮设置在第三过线轮的下侧；所述第六过线轮的上侧面高于第四过线轮的下侧面和第五过线轮的下侧面。

所述张力检测系统还包括传感器连接件和扭矩传感器；

所述传感器连接件连接所述扭矩传感器的检测端；所述传感器连接件一端连接第三过线轮，另一端连接第四过线轮。

本发明提供的数控纤维缠绕张力施加系统，还包括数字控制器；所述数字控制器电连接所述张力检测系统的扭矩传感器、第一制动器以及第二制动器。数字控制器具有PID自整定功能。

本发明提供的数控纤维缠绕张力施加系统，还包括行走车；所述安装本体、斜置辊轴、平置辊轴、张力检测系统设置在所述行走车上。

本发明提供的数控纤维缠绕张力施加系统的工作原理为：

张力施加方法，具体为因斜置辊轴、平置辊轴呈一定夹角放置，将纤维纱从两辊轴的大张口端，即第一张口端开始置纱，即与斜置辊轴接触后，使纱绕平置辊轴半圈，之后导回斜置辊轴绕半圈。绕线逐步往小张口端，即第二开口端绕，如同以上步骤使斜置辊轴、平置辊轴交替绕半圈置纱，最终绕到最小端口为止。大张口端设定一个入纱位置，小张口端设定一个出纱位置。当两个导线辊转动时，已绕好的纤维纱会逐渐从大张口端运动到小张口端，完成一个连续不断的进出纱过程。采用制动器与辊轴连接，制动器的制动扭矩会传递到辊轴上。采用2个制动器或采用一个制动器配合机械传动使斜置辊轴、平置辊轴同步，都会使扭矩传递到两个辊轴，并且一般要使传递到2个辊轴大小相同。在纤维缠绕过程中，纤维纱会一直往制品的方向运动，而当制动扭矩传递到辊轴上时，纤维纱和辊轴之间会因为有相对运动趋势而产生静摩擦力，即在纤维纱与辊轴接触的表面存在摩擦力。此摩擦力从纤维入口的大张口端到纤维出口的小张口端逐渐递增。纤维纱的张紧力从纤维入口的零因摩擦力矩而增大到纤维出口的最大值。

张力数字化控制方法，当数控纤维缠绕机的缠绕制品在旋转时，纤维纱会从纱架不断往制品方向运动，张力检测系统会检测出纤维纱张力大小。张力检测系统的扭矩传感器会将张力信号实时传递给数字控制器，数字控制器将扭矩传感器的信号张力值与输入的设定张力值作比较，按PID控制算法进行运算，运算后将输出信号传递给磁粉制动器，磁粉制动器通过调节制动扭矩改变摩擦力，最终改变纤维张紧力，整个过程为闭环控制，以实现纤维张紧力的实时高精度调控。

本发明提供的数控纤维缠绕张力施加方法，采用所述的数控纤维缠绕张力施加系统，包括如下步骤：

步骤1：将纤维纱从第一张口端开始置纱，具体为，纤维纱与斜置辊轴接触后，使纤维纱绕平置辊轴半圈，再绕回斜置辊轴，再绕至平置辊轴，直至第二张口端后通过所述张力检测系统穿出；

步骤2：所述数控纤维缠绕张力施加系统中的第一制动器、第二制动器使斜置辊轴和平置辊轴同步，从而将制动扭矩传递至斜置辊轴和平置辊轴上；当制动扭矩传递到斜置辊轴和平置辊轴上时，纤维纱与斜置辊轴、平置辊轴之间会因为有相对运动趋势而产生静摩擦力，进而纤维纱产生张力；

步骤3：所述张力检测系统会检测出张力信号，所述张力检测系统的扭矩传感器会将张力信号传递给所述的数控纤维缠绕张力施加系统的数字控制器，数字控制器将扭矩传感器的张力值与输入的设定张力值作比较，按PID算法进行运算，运算生成输出信号，进而根据所述输出信号控制第一制动器、第二制动器调节扭矩改变摩擦力，最终改变纤维纱的张力。

当使用本发明提供的数控纤维缠绕张力施加系统时，将纤维纱1从两个辊轴的大张口端逐步绕到小张口端，即纤维纱1绕过斜置辊轴2右端和平置辊轴3右端后，再从下部穿过平置辊轴3绕到斜置辊轴2，之后纤维纱1交替绕过2个辊轴。其中倾斜辊轴2与制动器6连接，平置辊轴5与第二制动器3连接。绕纱的最后位置要大体与张力检测系统4的入口共平面。

将纤维纱1绕过张力检测系统4，以便检测出纤维纱的张紧力大小。工艺如果采用湿法缠绕，纤维纱1要绕过缠绕机的浸胶槽系统才能绕向制品。工艺如果采用干法缠绕，则不需经过浸胶槽系统，将纤维纱1绕向制品的芯模上。

缠绕机主轴开始旋转后，即纤维纱不断缠绕到芯模上，形成纤维缠绕制品。待纤维纱1排线趋于稳定之后，在控制器中使张力逐渐增加到设定值。因数字控制器按设定的张力值输出相应的信号传递给第一制动器、第二制动器；所以给第一制动器、第二制动器会输出相应的制动力矩使纤维纱产生张力。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种数控纤维缠绕张力施加系统，其特征在于，包括安装本体、斜置辊轴、平置辊轴、张力检测系统；

其中，所述斜置辊轴和所述平置辊轴相邻设置在所述安装本体；所述斜置辊轴的轴线和所述平置辊轴的轴线呈设定角度，从而所述斜置辊轴的一端与所述平置辊轴的一端之间形成第一张口端，所述斜置辊轴的另一端与所述平置辊轴的另一端之间形成第二张口端；所述第一张口端的宽度大于第二张口端的宽度；

所述斜置辊轴设置在所述平置辊轴的一侧面，所述张力检测系统设置在所述平置辊轴的另一侧面。

2.根据权利要求1所述的数控纤维缠绕张力施加系统，其特征在于，还包括第一制动器以及第二制动器；

其中，所述第一制动器连接所述斜置辊轴；所述第二制动器连接所述平置辊轴。

3.根据权利要求1所述的数控纤维缠绕张力施加系统，其特征在于，所述张力检测系统包括第一过线轮、第二过线轮、第三过线轮、第四过线轮、第五过线轮以及第六过线轮；

其中，第一过线轮、第二过线轮、第三过线轮、第四过线轮、第五过线轮以及第六过线轮依次排列；第一过线轮与平置辊轴相邻设置；

第一过线轮的下侧面低于所述平置辊轴的上侧面；第二过线轮的上侧面、第三过线轮的上侧面高于所述第一过线轮的下侧面；

第四过线轮、第五过线轮设置在第三过线轮的下侧；所述第六过线轮的上侧面高于第四过线轮的下侧面和第五过线轮的下侧面。

4.根据权利要求3所述的数控纤维缠绕张力施加系统，其特征在于，所述张力检测系统还包括传感器连接件和扭矩传感器；

所述传感器连接件连接所述扭矩传感器的检测端；所述传感器连接件一端连接第三过线轮，另一端连接第四过线轮。

5.根据权利要求2所述的数控纤维缠绕张力施加系统，其特征在于，还包括数字控制器；

所述数字控制器电连接所述张力检测系统的扭矩传感器、第一制动器以及第二制动器。

6.一种数控纤维缠绕张力施加方法，其特征在于，采用权利要求1至5任一项所述的数控纤维缠绕张力施加系统，包括如下步骤：

步骤1：将纤维纱从第一张口端开始置纱，具体为，纤维纱与斜置辊轴接触后，使纤维纱绕平置辊轴半圈，再绕回斜置辊轴，再绕至平置辊轴，直至第二张口端后通过所述张力检测系统穿出；

步骤2：所述数控纤维缠绕张力施加系统中的第一制动器、第二制动器使斜置辊轴和平置辊轴同步，从而将制动扭矩传递至斜置辊轴和平置辊轴上；当制动扭矩传递到斜置辊轴和平置辊轴上时，纤维纱与斜置辊轴、平置辊轴之间会因为有相对运动趋势而产生静摩擦力，进而纤维纱产生张力；

步骤3：所述张力检测系统检测出张力信号，所述张力检测系统的扭矩传感器会将张力信号传递给所述的数控纤维缠绕张力施加系统的数字控制器，数字控制器将扭矩传感器的张力值与输入的设定张力值作比较，按PID算法进行运算，运算生成输出信号，进而根据所述输出信号控制第一制动器、第二制动器调节扭矩改变摩擦力，最终改变纤维纱的张力。