CN105690809A

CN105690809A - 预浸料窄带铺放张力自适应调节方法

Info

Publication number: CN105690809A
Application number: CN201610126605.4A
Authority: CN
Inventors: 王跃全; 赵聪; 齐俊伟; 肖军; 文立伟; 王显峰
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2016-03-07
Filing date: 2016-03-07
Publication date: 2016-06-22

Abstract

本发明涉及一种预浸料窄带铺放张力自适应调节方法，属于复合材料自动铺放成型技术领域。该方法和装置主要包括预浸窄带料卷及其支撑结构、制动器、张力位置检测器、张力调节器、辅助导向辊和电气信号处理单元等，若制动器选用气动制动器时，则需增加电气比例转换控制器。本发明提供的复合材料预浸窄带铺放张力调节系统适用于复合材料自动铺丝机，响应速度快，能实现独立的预浸料窄带铺放张力自适应闭环控制，可做模块化设计，不依赖于自动铺丝机的主控制系统，极大减少了自动铺丝机主控制系统的负荷，简化了主控制系统的设计。

Description

预浸料窄带铺放张力自适应调节方法

技术领域

本发明属于复合材料自动铺放成型技术领域，涉及一种预浸料窄带铺放张力自适应调节方法。

背景技术

复合材料自动铺丝技术作为高性能复合材料大型复杂构件的主流制造技术，已经成为大型航空航天器的标配制造技术，广泛应用于飞机机身、翼身融合体、S进气道的自动化铺放成型。自动铺丝技术是采用多束(可达32根)3～25mm宽度预浸窄带分别独立输送、切断，由铺丝头将数根预浸窄带在压辊下集束成为一条宽度可变的预浸带(宽度通过控制预浸窄带根数调整)后铺放在芯模表面，加热软化预浸窄带并压实定型。

铺丝机中的每一束预浸窄带的铺放张力均需自动控制，预浸窄带铺放张力的控制是复合材料自动铺丝机的关键技术之一。在复合材料预浸窄带自动铺放成型过程中，铺放张力的控制要保证预浸窄带铺放平整、不褶皱，铺放张力不宜过高，否则会影响铺丝头的送纱。自动铺丝技术中的预浸窄带铺放张力控制的主要特点包括：（1）每束预浸窄带的张力能独立自动控制；（2）每束预浸窄带的铺放张力较低；（3）每束预浸窄带张力的控制精度要求较低。

张力控制系统在复合材料自动化成型技术中应用较多，典型的方法是通过张力检测器或其它方法得到张力检测值，依据张力检测值与设定值的偏差和预设的自动控制算法（例如PID控制器），调节力矩电机或磁粉制动器等执行元件，使张力检测达到设定的允许范围，这套系统要求控制器的响应快、不震荡、稳态误差小。根据上述自动铺丝技术中铺放张力的特点，自动铺放丝束越多，其控制系统的开销越大，不利于自动铺丝机的主控制系统。

发明内容

本发明提供了一种可用于自动铺丝技术的预浸窄带铺放张力自适应调节方法。

一种预浸料窄带铺放张力自适应调节方法，其特征在于：利用预浸料窄带铺放张力自适应调节系统，该系统包括张力检测机构、第一辅助导向机构、第二辅助导向机构、位置检测器、往复运动机构、电源信号单元、制动器；预浸料窄带从预浸料卷放出，经过所述第一辅助导向机构、张力检测机构、第二辅助导向机构到达铺丝头压辊，由铺丝头压辊将预浸料窄带压紧粘贴到模具表面，完成预浸窄带在模具表面上的铺放动作；铺丝头压辊随铺丝头运动，牵引预浸料窄带从预浸料卷筒上退绕；制动器为预浸料卷提供放卷制动力矩T，从而在预浸窄带上产生铺放张力F；张力检测机构安装于往复运动机构上，在往复运动机构提供的外部作用力P下可进行往复运动，其所处位置由位置检测器获得，并经电源信号单元转换为制动器所需的电源信号；第一辅助导向机构、第二辅助导向机构分别位于张力检测机构的两侧，使作用于张力检测机构上的预浸料窄带铺放张力F与外部作用力P满足P=2F的关系，通过调节外部作用力P的大小来设定预浸窄带的铺放张力F；在不考虑张力检测机构的重力和运动摩擦力时，当2F＜P时，张力检测机构沿P正方向运动，其位置信息由位置检测器获得，并经电源信号单元后直接反馈到制动器，制动器增大制动力矩T，从而增大预浸窄带中的张力F；当2F＞P时，张力检测机构沿P负方向运动，其位置信息由位置检测器获得，并经电源信号单元后直接反馈到制动器，制动器减小制动力矩T，从而减小预浸窄带中的张力F；当2F=P时，张力检测机构保持平衡位置，制动器的制动力矩T保持不变。

该方法不需要复杂的控制系统，独立于铺丝机的主控制系统，不需要检测料卷半径，便于进行模块化设计，自动铺放丝束的多少对铺丝机的主控制系统没有影响。

所述的预浸料窄带铺放张力自适应调节方法，其特征在于：所述张力检测机构的往复运动为线性运动方式。

所述的预浸料窄带铺放张力自适应调节方法，其特征在于：所述线性运动方式通过以下运动机构实现：该运动机构包括滑块、直线导轨、气缸、连接块；其中滑块安装于线性导轨上，气缸与直线导轨平行，张力检测机构通过连接块安装于滑块上，气缸的活塞杆与连接块相连；位置检测器的检测杆与连接块相连。

所述的预浸料窄带铺放张力自适应调节方法，其特征在于：所述张力检测机构的往复运动为摆动旋转方式。

所述的浸料窄带铺放张力自适应调节方法，其特征在于：所述摆动旋转方式是通过以下运动机构实现：该运动机构包括转轴、安装于转轴上的摆臂，张力检测机构安装于摆臂的自由端，还包括气缸，气缸的活塞杆与摆臂中间相连；位置检测器的出轴通过联轴器与转轴相连。

所述的预浸料窄带铺放张力自适应调节方法，其特征在于：所述制动器为气动制动器，在电源信号单元与气动制动器之间还设置有电气比例转换控制器。

所述的预浸料窄带铺放张力自适应调节方法，其特征在于：所述往复运动机构为气缸式结构或弹簧式结构。

所述的预浸料窄带铺放张力自适应调节方法，其特征在于：上述第一辅助导向机构为导向辊结构或导向轮机构；或直接为预浸窄带覆膜回绕卷轴；或直接由预浸料卷轴代替，预浸窄带覆膜由其它方式收集；上述张力检测机构为导向辊结构或导向轮机构；上述第二辅助导向机构为导向辊结构或导向轮机构。

所述的预浸料窄带铺放张力自适应调节方法，其特征在于：所述第一辅助导向机构、张力检测机构、第二辅助导向机构为导向轮结构时，从预浸料卷到铺丝头压辊的方向，预浸窄带在进入第一个导向轮处扭转90度。

附图说明

图1预浸料窄带铺放张力自适应调节方法原理图；

图2第二辅助导向机构为导向轮结构的布置方法示意图；

图3直线往复运动方式的张力检测机构示意图；

图4摆动往复运动方式的张力检测机构示意图；

图中标号名称：10张力检测机构，11摆臂滑块，12直线导轨，13滑块，14连接块，15支撑结构，16转轴，17轴承座，18轴承，19联轴器，20往复运动机构，21气缸，30位置检测器，40电源信号单元，50制动器，100-1第一辅助导向机构，100-2第二辅助导向机构，101导向轮，200预浸料卷，210预浸料窄带，300铺丝头压辊，400模具表面。

具体实施方式

预浸窄带210张力F的自适应调节方式分为两种：一是张力检测辊10在外力P作用下的直线往复运动；二是张力检测辊10在外力P作用下绕固定轴的摆动往复运动。

对于直线往复运动方式，张力检测辊10通过转接块14与滑块13连接在一起，可沿直线导轨12往复运动，气缸21的活塞杆与转接块14相连，提供外部作用力P，外部作用力P的方向与预浸窄带210张力F的方向相反，外部作用力P的大小可通过气缸的供气压力调节，位置检测器30的检测杆与转接块14相连，从而获得张力检测辊10的位置信息，气缸21、直线导轨13和位置检测器30均固定在支撑结构15上。

对于摆动往复运动方式，张力检测辊10安装于摆臂11的自由端，摆臂11可随转轴16转动，位置检测器30的出轴通过联轴器19与转轴16相连，从而获得张力检测辊10的位置信息，转轴16通过轴承18和轴承座17支撑，气缸21的活塞杆与摆臂11的中间位置相连，提供外部作用力P，外部作用力P的方向与预浸窄带210张力F的方向相反，外部作用力P的大小可通过气缸的供气压力调节，气缸21和轴承座17固定在支撑结构15上。

Claims

1.一种预浸料窄带铺放张力自适应调节方法，其特征在于：

利用预浸料窄带铺放张力自适应调节系统，该系统包括张力检测机构（10）、第一辅助导向机构（100-1）、第二辅助导向机构（100-2）、位置检测器（30）、往复运动机构（20）、电源信号单元（40）、制动器（50）；

预浸料窄带（210）从预浸料卷（200）放出，经过所述第一辅助导向机构（100-1）、张力检测机构（10）、第二辅助导向机构（100-2）到达铺丝头压辊（300），由铺丝头压辊（300）将预浸料窄带（210）压紧粘贴到模具表面（400），完成预浸窄带在模具表面上的铺放动作；

铺丝头压辊（300）随铺丝头运动，牵引预浸料窄带（210）从预浸料卷筒(200)上退绕；制动器（50）为预浸料卷（200）提供放卷制动力矩T，从而在预浸窄带上产生铺放张力F；

张力检测机构（10）安装于往复运动机构（20）上，在往复运动机构（20）提供的外部作用力P下可进行往复运动，其所处位置由位置检测器（30）获得，并经电源信号单元（40）转换为制动器（50）所需的电源信号；

第一辅助导向机构（100-1）、第二辅助导向机构（100-2）分别位于张力检测机构（10）的两侧，使作用于张力检测机构（10）上的预浸料窄带（210）铺放张力F与外部作用力P满足P=2F的关系，通过调节外部作用力P的大小来设定预浸窄带（210）的铺放张力F；

在不考虑张力检测机构（10）的重力和运动摩擦力时，

当2F＜P时，张力检测机构（10）沿P正方向运动，其位置信息由位置检测器（30）获得，并经电源信号单元（40）后直接反馈到制动器（50），制动器（50）增大制动力矩T，从而增大预浸窄带中的张力F；

当2F＞P时，张力检测机构（10）沿P负方向运动，其位置信息由位置检测器（30）获得，并经电源信号单元（40）后直接反馈到制动器（50），制动器（50）减小制动力矩T，从而减小预浸窄带中的张力F；

当2F=P时，张力检测机构（10）保持平衡位置，制动器（50）的制动力矩T保持不变。

2.根据权利要求1所述的预浸料窄带铺放张力自适应调节方法，其特征在于：所述张力检测机构（10）的往复运动为线性运动方式。

3.根据权利要求2所述的预浸料窄带铺放张力自适应调节方法，其特征在于：所述线性运动方式通过以下运动机构实现：

该运动机构包括滑块（13）、直线导轨（12）、气缸（21）、连接块（14）；其中滑块（13）安装于线性导轨（12）上，气缸（21）与直线导轨（12）平行，张力检测机构（10）通过连接块（14）安装于滑块（13）上，气缸（21）的活塞杆与连接块（14）相连；位置检测器（30）的检测杆与连接块（14）相连。

4.根据权利要求1所述的预浸料窄带铺放张力自适应调节方法，其特征在于：所述张力检测机构（10）的往复运动为摆动旋转方式。

5.根据权利要求4所述的浸料窄带铺放张力自适应调节方法，其特征在于：

所述摆动旋转方式是通过以下运动机构实现：

该运动机构包括转轴（16）、安装于转轴（16）上的摆臂（11），张力检测机构（10）安装于摆臂（11）的自由端，还包括气缸（21），气缸的活塞杆与摆臂中间相连；位置检测器（30）的出轴通过联轴器（19）与转轴（16）相连。

6.根据权利要求1所述的预浸料窄带铺放张力自适应调节方法，其特征在于：

所述制动器（50）为气动制动器，在电源信号单元（40）与气动制动器之间还设置有电气比例转换控制器。

7.根据权利要求1所述的预浸料窄带铺放张力自适应调节方法，其特征在于：

所述往复运动机构（20）为气缸式结构或弹簧式结构。

8.根据权利要求1所述的预浸料窄带铺放张力自适应调节方法，其特征在于：

上述第一辅助导向机构（100-1）为导向辊结构或导向轮机构；或直接为预浸窄带覆膜回绕卷轴；或直接由预浸料卷轴（200）代替，预浸窄带覆膜由其它方式收集；

上述张力检测机构（10）为导向辊结构或导向轮机构；

上述第二辅助导向机构（100-2）为导向辊结构或导向轮机构。

9.根据权利要求8所述的预浸料窄带铺放张力自适应调节方法，其特征在于：

所述第一辅助导向机构（100-1）、张力检测机构（10）、第二辅助导向机构（100-2）为导向轮结构时，从预浸料卷（200）到铺丝头压辊（300）的方向，预浸窄带（210）在进入第一个导向轮处扭转90度。