CN109228393A - 一种激光辅助碳纤维预浸料铺层温控装置及方法 - Google Patents

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丁华
过羿丞
王宗程
吴培鸿
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Abstract

本发明公开了一种激光辅助碳纤维预浸料铺层温控装置及方法，包括温控电路、激光器、非接触式高温计以及激光头，所述激光头连接激光器，激光器连接温控电路，所述非接触式高温计连接温控电路，激光头分别朝着靠近压辊部分的预浸料带加热区域以及压紧区域的基板照射进行加热，非接触式高温计采集该区域的温度信息，经过温控电路中的遗传算法处理后获得最优的激光功率P以及离焦量X，并将其传递给激光器，调整激光头的功率与加热区域长度，控制材料处于精准适宜的加工温度，从而保证铺层质量。

Description

一种激光辅助碳纤维预浸料铺层温控装置及方法
技术领域
本发明属于碳纤维生产设备领域，尤其涉及一种激光辅助碳纤维预浸料铺层温控装置及方法。
背景技术
激光辅助碳纤维预浸料是目前应用较为前沿的技术。激光辅助预浸料带铺层可以实现单向纤维增强热塑性材料的高速加工和精确的表面温度控制。激光热源的主要优点是强度高与响应快。该工艺及其系统在多个行业中引起了兴趣，这些行业希望利用单向纤维增强热塑性塑料作为高强度轻质产品的材料，特别是大批量耐用部件的生产，例如压力容器，管道或半结构汽车部件。此外，与注塑成型结合使用，可以制造具有高度几何复杂性的混合热塑性塑料部件。
现阶段，碳纤维预浸料主要采用热气炬加热，但是气体加热不够精确，导致纤维不均匀放置，成品强度降低，成本较高。而激光辅助加工能够精确地对条带进行加热，效率高成本低。通过将复合预浸料带料引导到压紧区域中，用压辊将其压在基板上，并用激光束照射预浸料带和基板的表面进行加热使之粘合。
由于碳纤维材料的各向异性以及预浸料带与基底导热性的不同，对于激光辅助铺层过程中的温度的控制就会成为重点。因此需要一种易于实现的温度控制技术，以解决上述问题。
发明内容
本发明根据现有技术的不足与缺陷，提出了一种激光辅助碳纤维预浸料铺层温控装置及方法，目的在于以激光参数的实时调整保证材料温度的控制。
本发明采用的技术方案如下：
一种激光辅助碳纤维预浸料铺层温控装置，包括温控电路、激光器、非接触式高温计以及激光头，所述激光头连接激光器，激光器连接温控电路，所述非接触式高温计连接温控电路；
所述激光头设有2个，分别朝着靠近压辊部分的预浸料带加热区域以及压紧区域的基板照射；所述非接触式高温计设有2个，分别用于测量靠近压辊部分的预浸料带加热区域的温度以及压紧区域的基板的温度。
进一步，所述温控电路包括电压放大器、模数转换器、处理器依次相连，所述电压放大器连接非接触式温度计，所述处理器连接激光器；
一种激光辅助碳纤维预浸料铺层温控方法，包括以下步骤：
步骤1，开启激光器，对预浸料带加热区域以及压紧区域的基板进行加热；
步骤2，非接触式高温计实时采集预浸料带加热区域以及压紧区域的温度信息；
步骤3，将温度信息处理后输入到处理器，经过温控电路中遗传算法处理后，传输到激光器对激光功率以及离焦量进行调节；
进一步，所述非接触式高温计采集的温度信息经过电压放大器放大后传输给模数转换器，将温度信号转换为数字信号；
进一步，所述遗传算法处理的过程具体步骤为：
S1，对经模电转换器后得到的温度信号T、激光功率P以及离焦量X进行编码，产生初始群体；
S2，个体评价，评价其适应度，判断温度是否在允许的范围内；
S3，如果温度在允许范围内，就将激光功率P以及离焦量X输出，送往激光器，用以控制激光参数；
S4，否则，采用选择运算，对与温度允许范围适应性高的数据进行复制；
S5，交叉处理新数据；
S6，重复上述步骤S2，对产生的新群体再次进行评价，重复上述步骤，使个体适应度不断提高，直至最优的适应度达到给定的阈值，或达到迭代次数时，算法结束，将激光功率P以及离焦量X输出；
进一步，获得初始群体的具体过程为：
S1.1，采用二进制编码，将温度数字信号T、激光功率P以及离焦量X转换成由基因组成的个体；
S1.2，设置计划代数i＝0，设定最大代数I，选择由基因组成的N个个体作为初始群体Q(0)；
进一步，将每一代群体Q(i)中的每个个体所对应的自变量的取值(Ti,Pi,Xi)代入适应度函数，计算得出函数值Fi，i＝1,2，……，I，将Fi与设定的阈值进行比较，评价其适应度。
进一步，所述适应度函数是采用正交实验，测得材料在不同的激光参数以及加热温度下的铺层质量，将实验结果拟合得到经验公式f，表示为：Fi＝f(Ti,Pi,Xi)；
进一步，选择运算具体过程：
从群体Q(i)中选出m个个体作为双亲，对所选双亲进行后代繁殖，繁殖产生的新个体则加入群体Q(i+1)中，将群体Q(i+1)传到下一代。此运算目的是给予适应度更高的个体更多繁殖的机会，使其优点得到遗传。
进一步，交叉运算具体过程：
对于选中的用于繁殖的群体Q(i+1)的个体，选择一个整数n，将双亲的基因码再次交换位置。
本发明的有益效果：
本发明通过高温计测量材料加热区域的温度，经过数据转换后，处理器对温度激光数据进行算法分析，输出最优的激光功率P以及离焦量X，再通过激光器对两个激光光源参数进行控制，从而实现了数字式的高精度智能温度控制，并且在加工过程中可以实时调整激光参数，保证了铺层过程中温度的精确控制，从而提高铺层质量。
附图说明
图1是本发明的装置示意图；
图2是温控系统的原理图；
图3是处理器的算法流程图；
图4是本发明的温度闭环控制系统原理图；
图中：1、激光器，2、非接触式高温计一，3、非接触式高温计二，4、温控电路，5、预浸料带，6、基板，7、压辊，8、激光头A，9、激光头B。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供一种激光辅助碳纤维预浸料铺层温控装置，包括温控电路4、激光器1、非接触式高温计一2、非接触式高温计二3以及激光头A 8和激光头B9，预浸料带5被引导到基板6上，通过压辊7压紧，激光头A 8和激光头B9分别连接激光器1，激光头均采用2000W的功率，激光器1连接温控电路4，所述非接触式高温计一2、非接触式高温计二3分别连接温控电路4；激光头设有激光头A 8和激光头B9分别朝着靠近压辊7部分的预浸料带5加热区域以及压紧区域的基板6照射；非接触式高温计一2用于测量靠近压辊7部分的预浸料带5加热区域的温度，非接触式高温计二3用于测量压紧区域的基板6的温度。
激光头内设有透镜，将光束整形，变为均匀矩形光束，使得射出的光束能量均匀，并且可以根据需要调节光束宽度。
如图2所示，温控电路4包括电压放大器、模数转换器、处理器依次相连，所述电压放大器分别连接非接触式高温计一2、非接触式高温计二3，所述处理器连接激光器1；具体工作中，电压放大器将非接触式高温计一2、非接触式高温计二3所采集的温度信息进行放大后，并将放大后的温度信息传递到模数转换器，模数转换器将放大后的温度信息转换成数字信号，传递到处理器，进行处理。
本发明还提供一种激光辅助碳纤维预浸料铺层温控方法，包括以下步骤：
步骤1，开启激光器，对预浸料带加热区域以及压紧区域的基板进行加热；
步骤2，非接触式高温计实时采集预浸料带加热区域以及压紧区域的温度信息；
步骤3，将温度信息处理后输入到温控电路4，经过温控电路4内置的遗传算法处理后，传输到激光器1对激光功率以及离焦量进行调节；
如图3所示，遗传算法处理的过程具体步骤为：
S1，采用二进制编码，将温度数字信号T、激光功率P以及离焦量X转换成由基因组成的个体；设置计划代数i＝0，设定最大代数I，选择由基因组成的N个个体作为初始群体Q(0)；
S2，个体评价，评价其适应度，判断温度是否在允许的范围内；具体方法为：将每一代群体Q(i)中的每个个体所对应的自变量的取值(Ti,Pi,Xi)代入适应度函数，计算得出函数值Fi，i＝1,2，……，I,与设定的阈值进行比较，评价其适应度；
S3，如果温度在允许范围内，就将激光功率P以及离焦量X输出，送往激光器1，用以控制激光参数；
S4，否则，采用选择运算，对与温度允许范围适应性高的数据进行复制；选择运算具体过程：从群体Q(t)中选出m个个体作为双亲；对所选双亲进行后代繁殖，繁殖产生的新个体则加入群体Q(t+1)中，将群体Q(t+1)传到下一代；此运算目的是给予适应度更高的个体更多繁殖的机会，使其优点得到遗传；
S5，交叉处理新数据；对于选中的用于繁殖的群体Q(t+1)的个体，选择一个整数n，将双亲的基因码再次交换位置；
S6，重复上述步骤S2，对产生的新群体再次进行评价，使个体适应度不断提高，直至最优的适应度达到给定的阈值，或达到迭代次数时，算法结束，将激光功率P以及离焦量X输出。
本发明中所采用的适应度函数是采用正交实验，测得材料在不同的激光参数以及加热温度下的铺层质量，将实验结果拟合得到经验公式f，表示为：Fi＝f(Ti,Pi,Xi)；(Ti,Pi,Xi)的定义域为Ω，Fi为实数，是检测铺层质量的指标，即预浸料剥离力，Ti为代数为i时的温度信息，Pi为代数为i时的功率，Xi为代数为i时的离焦量。
处理器内置遗传算法，其工作原理是：高温计采集材料加热区域的温度数据，当高温计所测温度过高时，高温计传递的数字信号高于适宜温度，处理器计算后发出降低激光功率的信号，传递信号给激光器，降低激光头功率。如此反复之后，使得加热区域的温度接近最优值，并保持稳定。在处理数据时，以遗传算法为依据，实时响应温度数据，进行有效处理，保证了加工过程中的温度精度。
如图4本发明的温度闭环控制系统实例流程图，
非接触式高温计2测量的靠近压辊7部分的预浸料带5加热区域的温度T5与高温计3测量的压紧区域的基板6的温度T6转换为数字信号T5C与T6C，将信号T5C与T6C输入到温控电路后，经过遗传算法计算出最佳的激光功率Plaser及离焦量Xlaser，进而改变激光功率以及离焦量，继续加热过程，重复上述步骤，保持最佳加工温度。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光辅助碳纤维预浸料铺层温控装置,其特征在于，包括温控电路(4)、激光器(1)、非接触式高温计以及激光头，所述激光头连接激光器(1)，激光器(1)连接温控电路(4)，所述非接触式高温计连接温控电路(4)；所述激光头设有2个，分别朝着预浸料带(5)的加热区域、位于压紧区域的基板(6)照射；所述非接触式高温计设有2个，分别用于测量预浸料带(5)的加热区域温度以及位于压紧区域的基板(6)温度。
2.根据权利要求1所述的一种激光辅助碳纤维预浸料铺层温控装置，其特征在于，所述温控电路(4)包括电压放大器、模数转换器、处理器依次相连，所述电压放大器连接非接触式温度计，所述处理器连接激光器(1)。
3.一种如权利要求1所述的激光辅助碳纤维预浸料铺层温控装置的温控方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，开启激光器(1)，对预浸料带(5)的加热区域以及位于压紧区域的基板(6)进行加热；
步骤2，非接触式高温计实时采集预浸料带(5)的加热区域以及位于压紧区域基板(6)的温度信息；
步骤3，将温度信息处理后输入到温控电路(4)，经过温控电路(4)中遗传算法处理后，传输到激光器(1)对激光功率以及离焦量进行调节。
4.根据权利要求3所述的一种激光辅助碳纤维预浸料铺层温控方法，其特征在于，所述非接触式高温计采集的温度信息经过电压放大器放大后传输给模数转换器，模数转换器将温度信号转换为数字信号。
5.根据权利要求3所述的一种激光辅助碳纤维预浸料铺层温控方法，其特征在于，所述遗传算法处理的过程具体步骤为：
S1，对经模数转换器后得到的温度信号T、激光功率P以及离焦量X进行编码，产生初始群体；
S2，进行个体评价，评价其适应度，判断温度是否在允许的范围内；
S3，如果温度在允许范围内，就将激光功率P以及离焦量X输出，送往激光器(1)，用以控制激光参数；
S4，否则，采用选择运算，对与温度允许范围适应性高的数据进行复制；
S5，交叉处理新数据；
S6，重复上述步骤S2，对产生的新群体再次进行评价，使个体适应度不断提高，直至最优的适应度达到给定的阈值，或达到迭代次数时，算法结束，将激光功率P以及离焦量X输出。
6.根据权利要求5所述的一种激光辅助碳纤维预浸料铺层温控方法，其特征在于，所述S1中获得初始群体的具体过程为：
S1.1，采用二进制编码，将温度数字信号T、激光功率P以及离焦量X转换成由基因组成的个体；
S1.2，设置计划代数i＝0，设定最大代数I，选择由基因组成的N个个体作为初始群体Q(0)。
7.根据权利要求5所述的一种激光辅助碳纤维预浸料铺层温控方法，其特征在于，所述S2中个体评价的方法为：将每一代群体Q(i)中的每个个体所对应的自变量的取值(Ti,Pi,Xi)代入适应度函数，计算得出函数值Fi，i＝1,2，……，I，将Fi与设定的阈值进行比较，评价其适应度。
8.根据权利要求7所述的一种激光辅助碳纤维预浸料铺层温控方法，其特征在于，所述适应度函数是采用正交实验，测得材料在不同的激光参数以及加热温度下的铺层质量，将实验结果拟合得到经验公式f，表示为：Fi＝f(Ti,Pi,Xi)。
9.根据权利要求5所述的一种激光辅助碳纤维预浸料铺层温控方法，其特征在于，所述S4中选择运算具体过程：
从群体Q(i)中选出m个个体作为双亲，对所选双亲进行后代繁殖，繁殖产生的新个体则加入群体Q(i+1)中，将群体Q(i+1)传到下一代。此运算目的是给予适应度更高的个体更多繁殖的机会，使其优点得到遗传。
10.根据权利要求5所述的一种激光辅助碳纤维预浸料铺层温控方法，其特征在于，所述S5交叉运算具体过程：对于选中的用于繁殖的群体Q(i+1)的个体，选择一个整数n，将双亲的基因码再次交换位置。
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