CN110040578B - 一种纱线缠绕系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及碳纤维展纤技术领域，尤其涉及一种纱线缠绕系统，该系统包括：放卷装置，用于使纱筒上的纱线恒张力放卷；纱线平移装置，用于改变从放卷装置放出的纱线在与其传输方向垂直的方向上的位置；平板收卷装置，用于纱线的缠绕成型；通过在两储纱杆之间挂设一砝码，利用砝码的重量进行储纱的同时保证纱线张力恒定，从而克服了由于芯模为板状导致纱线变速运动造成的纱线张力不恒定的问题，使纱线均匀的缠绕在板式芯模上。同时本发明还涉及一种纱线缠绕控制方法，该控制方法合理设置纱线导向件的移动速度与板式芯模的转动速度，实现了纱线在板式芯模上的均匀无缝隙缠绕，使最终成型的碳纤维产品力学性能好。

Description

一种纱线缠绕系统及控制方法

技术领域

本发明涉及碳纤维展纤技术领域，尤其涉及一种纱线缠绕系统及控制方法。

背景技术

碳纤维缠绕成型是指将碳纤维预浸料按照一定的规律缠绕到芯模上，然后经过固化、脱模获得制品。其中包括湿法缠绕，即碳纤维预浸料在张力控制下直接缠绕到芯模上，缠绕张力使得多余的气泡被挤出，碳纤维缠绕成型能够根据产品受力状况设计缠绕规律，充分发挥纤维的强度，它的成本相对较低并且所生产的产品气密性好，容易实现机械化和自动化生产。

现有技术中，芯模多为圆柱状结构，如公开号为CN203046242U的中国实用新型专利公开的一种碳纤维环成型工装，如图1所示，由于芯模为环形，缠绕在其上的碳纤维(即纱线)的张力控制相对容易，只要控制芯模转速恒定即可。然而当芯模为板状结构时，由于板状芯模与圆柱状芯模的结构差异，缠绕在板状芯模上的纱线的线速度不是匀速运动，纱线的张力很难得到控制。此外，由于纱线在张力的牵拉下其宽度会发生变化，缠绕在金属板上的纱线为螺旋前进的排列方式，要求同一层的两根纱线之间无缝衔接并且不能有重叠，如何让纱线在缠绕过程中排列无缝衔接也成为一个亟待解决的问题。

鉴于上述问题的存在，本设计人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种纱线缠绕系统及控制方法，使其更具有实用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种纱线缠绕系统及控制方法，实现纱线的恒张力缠绕。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一方面本发明提供了一种纱线缠绕系统，该系统包括：

放卷装置，用于使纱筒上的纱线恒张力放卷，放卷装置进一步包括纱筒驱动件、摆杆和储纱杆；所述纱筒驱动件将纱筒固定于其上并带动纱筒匀速转动；所述摆杆的摆臂一端转动设置，摆臂的另一端沿纱筒的轴向设置有转动轴，从纱筒上放出的纱线包绕过转动轴设置；所述储纱杆设置有至少两个并沿纱筒轴向设置，纱线经过两所述储纱杆上方并在两所述储纱杆中间悬挂一砝码，以使纱线存储于两所述储纱杆之间；

纱线平移装置，用于改变从放卷装置放出的纱线在与其传输方向垂直的方向上的位置，纱线平移装置进一步包括平移驱动件和纱线导向件，所述纱线导向件固定在平移驱动件上，在平移驱动件的驱动下做直线往复运动；

平板收卷装置，用于纱线的缠绕成型，平板收卷装置进一步包括板式芯模和芯模驱动件，所述板式芯模与芯模驱动件连接，在芯模驱动件的驱动下匀速转动以将纱线缠绕于板式芯模上。

优选地，所述摆杆还包括阻力杆和弹性件，所述阻力杆固定于摆臂转动的一端并随着摆杆的摆动而转动，所述弹性件一端固定于放卷装置上，另一端与阻力杆连接，用于增加摆杆摆动时对纱线的牵拉力。

优选地，所述平移驱动件为电缸，所述纱线导向件与电缸的移动方向垂直，所述导向件的两端均设置有两竖直的导纱杆，纱线从两所述导纱杆中间穿过。

优选地，还包括重力传感器，所述重力传感器固定于所述纱线导向件上，所述重力传感器上固定有展纤辊，所述展纤辊被纱线包绕过以测量纱线上的张力。

优选地，还包括张力调节辊，所述张力调节辊设置于所述纱线导向件上，且在与导纱杆的方向垂直，所述纱线导向件上还设置有若干与导纱杆方向相同且交错布置的展纱辊，所述张力调节辊设置于展纱辊之间，在竖直方向上可移动设置，通过张力调节辊的移动改变纱线的张力。

优选地，所述板式芯模可拆卸地固定在芯模驱动件上。

另一方面，本发明提供了一种纱线缠绕控制方法，以实现纱线在缠绕过程中排列无缝衔接，该方法包括以下步骤：

将纱筒上的纱线依次穿过摆杆、两储纱杆、纱线导向件后最终缠绕在板式芯模上；

在两储纱杆上悬挂一砝码，然后存储一部分纱线在两储纱杆之间；

驱动纱筒与板式芯模匀速转动；

随着板式芯模的转动，驱动纱线导向件沿板式芯模轴向移动，使纱线无缝隙的缠绕在板式芯模上；

一层缠绕完成后，纱线导向件反向移动，使纱线在第一层的基础上继续缠绕，纱线导向件抵达端部时，继续反向运动，重复上述运动直至达到设定的层数，停止纱筒与板式芯模的转动和纱线导向件的移动。

优选地，所述板式芯模转动一周时纱线导向件移动的距离为纱线的宽度。

优选地，所述纱线导向件由导向件驱动电机驱动，所述板式芯模由芯模驱动电机驱动，所述导向件驱动电机与芯模驱动电机的转速关系为：

其中

为电子齿轮比；L为芯模驱动电机输出一个脉冲对应的纱线导向件的位移；P为纱线导向件的移动导程；R为导向件驱动电机的减速比；G为平移电机的编码分辨率；

且X＝L×Y；

其中X为板式芯模旋转一周时纱线导向件的位移；Y为板式芯模旋转一周芯模驱动电机的输出脉冲数；

则

由公式

来进行导向件驱动电机与芯模驱动电机的转速匹配，从而实现纱线在板式芯模上的均匀无缝隙缠绕。

优选地，在纱线导向件反向运动时，板式芯模旋转的第一圈电子齿轮比为原来的1.5倍，使新的一层纱线覆盖于前一层的两纱线缝隙处。

本发明的有益效果为：通过在两储纱杆之间挂设一砝码，利用砝码的重量进行储纱的同时保证纱线张力恒定，从而克服了由于芯模为板状导致纱线变速运动造成的纱线张力不恒定的问题，使纱线均匀的缠绕在板式芯模上。

同时，合理设置纱线导向件的移动速度与板式芯模的转动速度，实现了纱线在板式芯模上的均匀无缝隙缠绕，使最终成型的碳纤维产品力学性能好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为背景技术中纱线缠绕芯模的结构示意图；

图2为本发明实施例中纱线缠绕系统的主视图；

图3图2的俯视图；

图4为本发明实施例中摆杆的结构示意图；

图5为本发明实施例中纱线平移装置结构示意图；

图6为本发明实施例中平板收卷装置的结构示意图；

图7为本发明实施例中纱线缠绕控制方法的流程图。

附图标记：1-放卷装置、2-纱线平移装置、3-平板收卷装置、11-纱筒驱动件、12-摆杆、13-储纱杆、21-平移驱动件、22-导向件、31-板式芯模、32-芯模驱动件、121-阻力杆、122-弹性件、221-导纱杆、222-重力传感器、223-张力调节辊、224-展纱辊。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图2-3所示的纱线缠绕系统，该系统包括：

放卷装置1，用于使纱筒上的纱线恒张力放卷，放卷装置1进一步包括纱筒驱动件11、摆杆12和储纱杆13；纱筒驱动件11将纱筒固定于其上并带动纱筒匀速转动；摆杆12的摆臂一端转动设置，摆臂的另一端沿纱筒的轴向设置有转动轴，从纱筒上放出的纱线包绕过转动轴设置；储纱杆13设置有至少两个并沿纱筒轴向设置，纱线经过两储纱杆13上方并在两储纱杆13中间悬挂一砝码，以使纱线存储于两储纱杆13之间；

这里纱筒驱动件11为一伺服电机，伺服电机连接一气胀轴，当纱筒套设图气胀轴内时，气胀轴膨胀，从而与纱筒的内壁紧紧贴合，从而固定纱筒，在伺服电机的驱动下，纱筒匀速转动，从而将纱筒上的碳纤维丝束放出，此时的碳纤维丝束为原丝，还未经牵拉，纱线在缠绕时，经过牵拉会使碳纤维丝束的宽度发生变化，在恒定张力的拉动下纱线的展开宽度会恒定。

纱线平移装置2，用于改变从放卷装置1放出的纱线在与其传输方向垂直的方向上的位置，纱线平移装置2进一步包括平移驱动件21和纱线导向件22，纱线导向件22固定在平移驱动件21上，在平移驱动件21的驱动下做直线往复运动；

这里纱线平移装置2的作用在于移动纱线的位置，从而使纱线在芯模上按照层铺的规律排列，使最终成型的碳纤维产品厚度均匀，强度均匀。

平板收卷装置3，用于纱线的缠绕成型，平板收卷装置3进一步包括板式芯模31和芯模驱动件32，板式芯模31与芯模驱动件32连接，在芯模驱动件32的驱动下匀速转动以将纱线缠绕于板式芯模31上。

这里芯模驱动件32同样适用伺服电机来驱动，伺服电机与板式芯模31连接带动板式芯模31的转动，使纱线缠绕在板式芯模31上。

在本实施例中，通过在两储纱杆13之间挂设一砝码，利用砝码的重量进行储纱的同时保证纱线张力恒定，从而克服了由于芯模为板状导致纱线变速运动造成的纱线张力不恒定的问题，使纱线均匀的缠绕在板式芯模上。由于纱线平移装置匀速移动，并不会改变纱线的张力。

作为上述实施例的优选，如图4所示，摆杆12还包括阻力杆121和弹性件122，阻力杆121固定于摆臂转动的一端并随着摆杆12的摆动而转动，弹性件122一端固定于放卷装置1上，另一端与阻力杆121连接，用于增加摆杆12摆动时对纱线的牵拉力。由于摆杆12的作用同样在于储存纱线，防止由于板式芯模31的转动导致纱线速度突变，然而为了保证恒张力，如果仅仅依靠摆杆12的重量，很容易出现摆杆12摆动到极限位置处时由于储纱量不够导致的纱线张力变化，为此，设置了弹性件122拉动摆杆12，使摆杆12在转动时受力的作用不会容易到达极限位置，从而使储纱杆13之间的砝码上升，减少两储纱杆13之间的储纱量来保证张力恒定。

作为上述实施例的优选，如图5所示，平移驱动件21为电缸，纱线导向件22与电缸的移动方向垂直，导向件22的两端均设置有两竖直的导纱杆221，纱线从两导纱杆221中间穿过。电缸为现有技术，在市场上既可以买到，其内部结构为伺服电机加丝杆，伺服电机驱动丝杆转动从而使丝杆上的螺纹移动件移动，其详细结构这里不再赘述。本实施例中，纱线导向件22固定在螺纹移动件上，从而实现纱线导向件22的移动。

继续参照图5，还包括重力传感器222，重力传感器222固定于纱线导向件22上，重力传感器222上固定有展纤辊，展纤辊被纱线包绕过以测量纱线上的张力。这里重力传感器222与展纤辊固定，且展纤辊与纱线包饶接触，从而将展纤辊上的受到的作用力传递到重力传感器222上，重力传感器222通过展纤辊上传递的力经过转化得出纱线上的张力值。

继续参照图5，还包括张力调节辊223，张力调节辊223设置于纱线导向件22上，且在与导纱杆221的方向垂直，纱线导向件22上还设置有若干与导纱杆221方向相同且交错布置的展纱辊224，张力调节辊223设置于展纱辊224之间，在竖直方向上可移动设置，通过张力调节辊223的移动改变纱线的张力。当重力传感器222上的张力值略有改变时，张力调节辊223就会产生移动，从而压紧从各个展纱辊224上依次经过的纱线，从而使纱线的张力值调整，达到预设的张力值时，张力调节辊223停止动作。

如图6所示，板式芯模31可拆卸地固定在芯模驱动件32上，当纱线缠绕结束时，需要将板式芯模31取下，故设置了可拆卸的安装方式。

本发明实施例还提供了一种纱线缠绕控制方法，如图7所示该方法包括以下步骤：

步骤S201：将纱筒上的纱线依次穿过摆杆12、两储纱杆13、纱线导向件22后最终缠绕在板式芯模31上；

步骤S202：在两储纱杆13上悬挂一砝码，然后存储一部分纱线在两储纱杆之间；砝码的悬空设置，且与纱线之间发生滑动摩擦，在整个纱线缠绕过程中，保证砝码在一恒定范围内上下移动，从而适应板式芯模31的转动造成的纱线速度变化。

步骤S203：驱动纱筒与板式芯模31匀速转动；当两储纱杆13间的储纱量足够适应板式芯模31转动带来的变化时，开始转动纱筒与板式芯模31.

步骤S204：随着板式芯模的转动，驱动纱线导向件沿板式芯模轴向移动，使纱线无缝隙的缠绕在板式芯模上；为了保证纱线缠绕无缝隙，板式芯模31转动一周时纱线导向件22移动的距离为纱线的宽度。这里纱线的宽度指的是纱线缠绕在板式芯模31上的宽度。

步骤S205：一层缠绕完成后，纱线导向件22反向移动，使纱线在第一层的基础上继续缠绕，纱线导向件22抵达端部时，继续反向运动，重复上述运动直至达到设定的层数，停止纱筒与板式芯模31的转动和纱线导向件22的移动。

在上述实施例中，合理设置纱线导向件的移动速度与板式芯模的转动速度，实现了纱线在板式芯模上的均匀无缝隙缠绕，使最终成型的碳纤维产品力学性能好。

具体的，纱线导向件22由导向件驱动电机驱动，板式芯模31由芯模驱动电机驱动，导向件驱动电机与芯模驱动电机的转速关系为：

其中

为电子齿轮比；L为芯模驱动电机输出一个脉冲对应的纱线导向件的位移；P为纱线导向件的移动导程；R为导向件驱动电机的减速比；G为平移电机的编码分辨率；

且X＝L×Y；

其中X为板式芯模旋转一周时纱线导向件的位移；Y为板式芯模旋转一周芯模驱动电机的输出脉冲数；

则

由公式

来进行导向件驱动电机与芯模驱动电机的转速匹配，从而实现纱线在板式芯模31上的均匀无缝隙缠绕。

这里由于各参数均可以从伺服电机上得到，直接在PLC上设定电机的转速比就可以实现纱线的无缝隙缠绕。

然而在纱线缠绕一圈需要铺设下一层时，为了是碳纤维产品的强度更好，需要第二层的纱线覆盖在前一层两纱线之间，在纱线导向件22反向运动时，板式芯模31旋转的第一圈电子齿轮比为原来的1.5倍，电子齿轮比调整后，纱线导向件22的移动距离增加，从而使新的一层纱线覆盖于前一层的两纱线缝隙处。通过在反向时对电机电子齿轮比的调整，实现了纱线层与层之间的交错铺设，大大增强了碳纤维产品的强度。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种纱线缠绕系统，其特征在于，该系统包括： 放卷装置(1)，用于使纱筒上的纱线恒张力放卷，放卷装置(1)进一步包括纱筒驱动件(11)、摆杆(12)和储纱杆(13)；所述纱筒驱动件(11)将纱筒固定于其上并带动纱筒匀速转动；所述摆杆(12)的摆臂一端转动设置，摆臂的另一端沿纱筒的轴向设置有转动轴，从纱筒上放出的纱线包绕过转动轴设置；所述储纱杆(13)设置有至少两个并沿纱筒轴向设置，纱线经过两所述储纱杆(13)上方并在两所述储纱杆(13)中间悬挂一砝码，以使纱线存储于两所述储纱杆(13)之间； 纱线平移装置(2)，用于改变从放卷装置(1)放出的纱线在与其传输方向垂直的方向上的位置，纱线平移装置(2)进一步包括平移驱动件(21)和纱线导向件(22)，所述纱线导向件(22)固定在平移驱动件(21)上，在平移驱动件(21)的驱动下做直线往复运动；还包括重力传感器(222)，所 述重力传感器(222)固定于所述纱线导向件(22)上，所述重力传感器(222)上固定有展纤 辊，所述展纤辊被纱线包绕过以测量纱线上的张力； 平板收卷装置(3)，用于纱线的缠绕成型，平板收卷装置(3)进一步包括板式芯模(31)和芯模驱动件(32)，所述板式芯模(31)与芯模驱动件(32)连接，在芯模驱动件(32)的驱动下匀速转动以将纱线缠绕于板式芯模(31)上。

2.根据权利要求1所述的纱线缠绕系统，其特征在于，所述摆杆(12)还包括阻力杆(121)和弹性件(122)，所述阻力杆(121)固定于摆臂转动的一端并随着摆杆(12)的摆动而转动，所述弹性件(122)一端固定于放卷装置(1)上，另一端与阻力杆(121)连接，用于增加摆杆(12)摆动时对纱线的牵拉力。

3.根据权利要求1所述的纱线缠绕系统，其特征在于，所述平移驱动件(21)为电缸，所述纱线导向件(22)与电缸的移动方向垂直，所述导向件(22)的两端均设置有两竖直的导纱杆(221)，纱线从两所述导纱杆(221)中间穿过。

4.根据权利要求3所述的纱线缠绕系统，其特征在于，还包括张力调节辊(223)，所述张力调节辊(223)设置于所述纱线导向件(22)上，且在与导纱杆(221)的方向垂直，所述纱线导向件(22)上还设置有若干与导纱杆(221)方向相同且交错布置的展纱辊(224)，所述张力调节辊(223)设置于展纱辊(224)之间，在竖直方向上可移动设置，通过张力调节辊(223)的移动改变纱线的张力。

5.根据权利要求1所述的纱线缠绕系统，其特征在于，所述板式芯模(31)可拆卸地固定在芯模驱动件(32)上。

6.一种纱线缠绕控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： 将纱筒上的纱线依次穿过摆杆、两储纱杆、纱线导向件后最终缠绕在板式芯模上； 在两储纱杆上悬挂一砝码，然后存储一部分纱线在两储纱杆之间； 驱动纱筒与板式芯模匀速转动； 随着板式芯模的转动，驱动纱线导向件沿板式芯模轴向移动，使纱线无缝隙的缠绕在板式芯模上； 一层缠绕完成后，纱线导向件反向移动，使纱线在第一层的基础上继续缠绕，纱线导向件抵达端部时，继续反向运动，如此重复直至达到设定的层数，停止纱筒与板式芯模的转动和纱线导向件的移动；

在纱线导向件反向运动时，板式芯模旋转的第一圈电子齿轮比为原来的1.5倍，使新的 一层纱线覆盖于前一层的两纱线缝隙处。

7.根据权利要求6所述的纱线缠绕控制方法，其特征在于，所述板式芯模转动一周时纱线导向件移动的距离为纱线的宽度。

8.根据权利要求7所述的纱线缠绕控制方法，其特征在于，所述纱线导向件由导向件驱动电机驱动，所述板式芯模由芯模驱动电机驱动，所述导向件驱动电机与芯模驱动电机的转速关系为：

其中

为电子齿轮比；L为芯模驱动电机输出一个脉冲对应的纱线导向件的位移；P为纱线导向件的移动导程；R为导向件驱动电机的减速比；G为平移电机的编码分辨率； 且X＝L×Y 其中X为板式芯模旋转一周时纱线导向件的位移；Y为板式芯模旋转一周芯模驱动电机的输出脉冲数； 则

由公式

来进行导向件驱动电机与芯模驱动电机的转速匹配，从而实现纱线在板式芯模上的均匀无缝隙缠绕。

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