CN110775676B - 用于碳纤维预浸带稳定输送的角度式张力控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
用于碳纤维预浸带稳定输送的角度式张力控制方法及装置，包括放卷电机、背衬纸收集辊、摆杆机构、张力缓冲机构、角度检测机构与控制系统；其中，料卷与放卷电机相连，料卷上的碳纤维预浸带由放卷电机主动放出，绕过背衬纸收集辊实现预浸带与背衬纸的分离，然后经摆杆机构进入张力缓冲机构，角度检测机构用于将碳纤维预浸带中张力大小的变化转换为角度大小的变化，并实时反馈给控制系统，实现张力控制。本发明中通过小位移大角度的转化，有利于提高张力控制的快速响应性大大地提高控制的响应性，能够快速地对张力进行调节控制。本发明结构简单，穿绕预浸带方便，工作效率高，同时节约了在纱架中的占用空间。
Description
技术领域
本发明属于纤维自动化铺放技术领域，涉及自动铺丝设备中张力控制的重要模块，具体涉及用于碳纤维预浸带稳定输送的角度式张力控制方法及装置。
背景技术
复合材料是由增强相和基体相组成的多相材料。纤维增强复合材料的增强相为纤维，基体相多为有机聚合物，具有高比模量、高比强度、良好的抗疲劳性与抗腐蚀性以及可设计性强等诸多优点，因此在航空、航天、风电叶片以及汽车等多个领域得到了日益广泛的应用。纤维自动铺丝技术是在纤维缠绕成型技术与纤维自动铺带技术的基础上发展起来的一种自动化程度很高的新型复合材料成型制造技术，并继承了纤维缠绕和自动铺带技术的优点，为加工复杂形体的构件提供可能。
在碳纤维预浸带铺放过程中，预浸带的张力对于提高复合材料构件力学性能、避免加工缺陷、保证重送精度具有重要作用。所以保证预浸带输送张力稳定是预浸带输送系统的重要任务之一。
铺放速度的变化是导致预浸带张力变化的主要原因。当由低速逐渐加速到高速的过程中，张力将会增大，反之将会减小。
在加工封闭型面复合材料构件时，对于凹曲面零件，过大的张力会导致“桥架”现象，无法粘接在构件上一铺层表面；过低的张力则会在铺层表面产生褶皱，导致构件局部树脂含量过高，力学性能降低。
发明内容
为了解决碳纤维预浸带输送张力稳定的控制问题，本发明提出了一种用于碳纤维预浸带稳定输送的角度式张力控制方法及装置。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
用于碳纤维预浸带稳定输送的角度式张力控制装置，包括放卷电机、背衬纸收集辊、摆杆机构、张力缓冲机构、角度检测机构与控制系统；其中，料卷与放卷电机相连，料卷上的碳纤维预浸带由放卷电机主动放出，绕过背衬纸收集辊实现预浸带与背衬纸的分离，然后经摆杆机构进入张力缓冲机构，角度检测机构用于将碳纤维预浸带中张力大小的变化转换为角度大小的变化，并实时反馈给控制系统，实现张力控制。
本发明进一步的改进在于，摆杆机构包括旋转气缸与摆杆；旋转气缸固定在机架上，摆杆与旋转气缸的输出轴一端固定，旋转气缸带动摆杆做往复摆动。
本发明进一步的改进在于，摆杆为U型摆杆。
本发明进一步的改进在于，张力缓冲机构包括张力辊、支撑轴、连接板、直线导轨、滑块、轴向挡圈以及滚轮；其中，支撑轴的一端设置有滚轮，滚轮设置在摆杆内，并能够沿摆杆内表面进行移动；张力辊设置在支撑轴上，支撑轴的另一端设置有连接板，连接板上设置有直线导轨，直线导轨上设置有滑块，并且滑块能够沿直线导轨移动。
本发明进一步的改进在于，还包括角度放大机构，角度放大机构用于将张力辊的小位移转化为大角度，并传递给角度检测机构。
本发明进一步的改进在于，角度放大机构包括大齿轮、齿条、大齿轮支撑轴、小齿轮、小齿轮支撑轴与轴套；其中，齿条设置在连接板上，大齿轮设置在大齿轮支撑轴上，大齿轮支撑轴上套装有轴套，小齿轮设置在小齿轮支撑轴上，齿条经大齿轮将转矩传递给小齿轮。
本发明进一步的改进在于，角度检测机构包括角度位移传感器、弹性联轴器、轴承座与传感器支架；其中，角度位移传感器设置在传感器支架上，角度位移传感器与弹性联轴器相连，弹性联轴器与小齿轮相连，轴承座上设置小齿轮支撑轴。
一种基于上述装置的用于碳纤维预浸带稳定输送的角度式张力控制方法，在纤维铺放过程中，预浸带从料卷送出，经过背衬纸收集辊，再绕上张力辊，最后送入铺丝头；当预浸带中的张力发生变化时，张力辊会沿着直线导轨做往复直线运动，同时角度位移传感器的读数也发生变化并反馈给控制系统，控制系统通过改变放卷电机的转速从而对张力进行调节。
本发明进一步的改进在于，根据所需控制张力的大小，选取某一位置为张力辊的平衡位置，此时角度传感器的读数为θ1，将指定大小的气压作用在旋转气缸上，输出恒定的转矩并与预浸带对张力辊的力平衡；若预浸带中张力增大，将带动张力辊往下运动，将张力辊的直线运动转化为大齿轮的旋转运动，并通过小齿轮传递给角度位移传感器，此时角度位移传感器的读数变为θ2并反馈给控制系统，控制系统加快放卷电机的转速使张力辊再次达到平衡位置；反之，当预浸带中张力减小时，放卷电机降低转速，从而实现张力的稳定。
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
本发明通过设置摆杆机构、张力缓冲机构、角度检测机构与控制系统；料卷上的碳纤维预浸带由放卷电机主动放出后绕过背衬纸收集辊实现预浸带与背衬纸的分离，然后经摆杆机构进入张力缓冲机构，角度检测机构用于将碳纤维预浸带中张力大小的变化转换为角度大小的变化，并实时反馈给控制系统，实现张力控制，克服了现有技术中，因张力过大或过小造成的“桥架”现象以及产生褶皱的问题。本发明中通过小位移大角度的转化，有利于提高张力控制的快速响应性能够快速地对张力进行调节控制。本发明在更换料卷重新穿绕预浸带时，穿绕预浸带方便，可大幅减少额外的穿带时间，提升工作效率，同时节约了在纱架中的占用空间。
进一步的，本发明采用旋转气缸，占用空间小，并且张力辊的缓冲距离可随着摆杆长度的增大而增大，更具有调节灵活性。
进一步的，本发明通过齿轮齿条的组合，将张力辊的直线运动转化为齿轮的旋转运动，且结构紧凑，传动可靠。
进一步的，本发明可改变大小齿轮的齿数比从而实现不同程度的角度增益，提高响应速度。
本发明采用旋转气缸以一定的气压带动摆杆，通过摆杆使张力辊保持在一个平衡位置。此时旋转气缸所提供的扭矩与预浸带中张力作用在摆杆上的力矩保持平衡，并且角度位移传感器的读数为θ1。当预浸带中张力发生变化时，会导致张力辊脱离平衡位置，再通过齿轮齿条，可将张力辊的位移转化为小齿轮的旋转，此时角度位移传感器的读数为θ2，并实时反馈给控制系统，再通过调节放卷电机的转速实现预浸带中的张力控制，使摆杆再次回到平衡位置。
附图说明
图1是预浸带输送示意图。
图2是机构传动路线示意图。
图3是张力缓冲调节示意图。
图4是角度放大原理示意图。
图5是角度检测机构剖面示意图。
图中：1为放卷电机；2为料卷；3为张力辊；4为背衬纸收集辊；5为支撑轴；6为摆杆；7为旋转气缸；8为滚轮；9为直线导轨；10为传感器支架；11为轴承座；12为大齿轮；13为弹性联轴器；14为轴套；15为角度位移传感器；16为大齿轮支撑轴；17为滚动轴承；18为齿条；19为连接板；20为滑块；21为小齿轮支撑轴；22为小齿轮；23为半圆头平键。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
参见图1，本发明的一种用于碳纤维预浸带稳定输送的角度式张力控制装置，包括放卷电机1、背衬纸收集辊4、摆杆机构、张力缓冲机构、角度放大机构以及角度检测机构；其中，料卷2与放卷电机1相连，料卷2上的碳纤维预浸带由放卷电机1主动放出，绕过背衬纸收集辊4实现预浸带与背衬纸的分离，然后经摆杆机构进入张力缓冲机构，实现张力调控。
摆杆机构包括旋转气缸7、摆杆6以及紧定螺钉。旋转气缸7固定在机架上，摆杆6通过紧定螺钉与旋转气缸7的输出轴一端固定，旋转气缸7作为主动原件，通过施加气压，可在一定角度范围内实现转动，从而带动摆杆6做往复摆动。摆杆6为U型摆杆。利用U型摆杆可保证其上下内表面能与滚轮外圈始终保持接触，材质采用轻质高强塑料，具有足够的刚度与强度，而且其密度较小，能够有效的降低摆杆的质量，从而减轻惯性力对张力调控的影响，张力调控缓冲的距离大小可通过改变摆杆的长度来实现，而无需改变其他零部件的位置与结构。
参见图2和图3，张力缓冲机构包括张力辊3、支撑轴5、连接板19、直线导轨9、滑块20、轴向挡圈、滚轮8以及螺母；其中，支撑轴5的一端设置有滚轮8，滚轮8可以为轴承，滚轮8设置在U型摆杆内，并能够沿U型摆杆进行移动。具体的，U型摆杆的上下内表面与固定在支撑轴上的滚轮外圆相切。张力辊3套装在支撑轴5上，滚轮8包括内圈和外圈，外圈沿U型摆杆进行滚动，内圈不转动，内圈与支撑轴5相连，支撑轴5随滚轮8进行移动。支撑轴5另一端设置有连接板19，具体的，支撑轴5另一端设有轴肩和外螺纹，通过螺母与连接板固定。连接板19上设置有齿条18和直线导轨9，直线导轨9上设置有滑块20，并且滑块20能够沿直线导轨9移动。连接板19和齿条18通过螺栓与直线导轨9上的滑块20连接固定，从而将旋转气缸7的圆周运动转化为张力辊3的往复直线运动。
张力辊3采用中空的形式，且其内部两端设有轴肩，用于轴承的轴向定位，轴承通过轴肩与轴向挡圈实现轴向上的定位，从而保证张力辊3能绕支撑轴5旋转且不会沿着轴向移动。滚轮8与摆杆6上下内表面相切，轴向采用轴向挡圈定位，从而将摆杆6的摆动转化为张力辊3的直线移动；直线导轨9固定在连接板19上，滑块20与支撑轴5通过连接板19连接，支撑轴5的轴肩末端攻有螺纹，通过螺母将支撑轴5与连接板19固定。当预浸带中张力波动时，张力辊3会沿着直线导轨9做上下移动，从而调整预浸带中的张力。
张力缓冲机构的行程可根据实际需要，通过调节摆杆6的长度实现不同大小的缓冲距离。摆杆6的材质采用轻质高强塑料，具有足够的刚度与强度，而且其密度较小，能够有效地降低摆杆的质量，从而减轻惯性力对张力调控的影响。摆杆6形状设计为U型，利用形锁合可保证其上下内表面能与滚轮8外圈始终保持接触。
角度放大机构包括大齿轮12、齿条18、大齿轮支撑轴16、小齿轮22、小齿轮支撑轴21、滚动轴承17与轴套14；其中，齿条18设置在连接板19上，大齿轮12设置在大齿轮支撑轴16上，具体的，大齿轮支撑轴16上设置有滚动轴承17，大齿轮12设置在滚动轴承17上，大齿轮支撑轴16上还套装有轴套，用于大齿轮12在大齿轮支撑轴16上的轴向定位，小齿轮22设置在小齿轮支撑轴21上，齿条18经大齿轮12将转矩传递给小齿轮22。
通过大齿轮12、小齿轮与齿条18可将张力辊3的直线运动转化为大齿轮12与小齿轮的旋转运动，且相比于其他机构而言节约了空间尺寸，排布紧凑。另外大齿轮12与小齿轮的传动效率可达99％，有利于提高控制的可靠性。大齿轮12与小齿轮的齿数比可根据实际需要进行调整，从而实现不同程度的增益效果。
角度放大机构除了采用齿轮齿条，还可以采用铰链四杆机构，凸轮机构等其它形式。
参见图4和图5，角度检测机构包括角度位移传感器15、弹性联轴器13、小齿轮支撑轴21、轴承座11、半圆头平键23与传感器支架10；其中，角度位移传感器15设置在传感器支架10上，角度位移传感器15的作用轴与弹性联轴器13相连，弹性联轴器13与小齿轮支撑轴21相连，小齿轮22一侧设置有轴承座11，小齿轮支撑轴21设置在轴承座11上，轴承座11用于限定小齿轮22的轴向位移，并为小齿轮支撑轴21提供旋转支撑。小齿轮支撑轴21上设置有小齿轮22，小齿轮22通过半圆头平键23与小齿轮支撑轴21之间传递转矩，大齿轮12与小齿轮22相啮合，并且大齿轮12与齿条18相配合。
本发明中旋转气缸7还可采用双轴型，一端与摆杆6相固定，另一端通过联轴器直接与角度位移传感器15连接，可以直接读取旋转气缸7变化的角度。
当旋转气缸7所提供的转矩与预浸带作用在张力辊3上的力平衡时，此时角度位移传感器15数值为θ1，当张力发生突变时，张力辊3会沿着直线导轨9做直线运动，脱离平衡位置，此时角度位移传感器15数值变为θ2，并反馈到控制系统，通过调整放卷电机1的速度，来实现摆杆6再次到达平衡位置。
角度检测机构可以将预浸带中张力大小的变化转换为角度大小的变化，并实时反馈给控制系统，从而实现对预浸带中的张力控制；即角度放大机构可实现将张力辊3的小位移转化为大角度，并传递给角度检测机构，实现对张力变化的快速响应，有利于碳纤维预浸带的张力控制。
本发明采用旋转气缸7作为主要控制元件，包括角度位移传感器13、张力辊3、齿轮齿条等零部件。旋转气缸7固定在机架上，一端通过紧定螺钉与摆杆6相连，摆杆6采用U型，上下内表面与固定在支撑轴5上的滚轮8外圆相切。支撑轴5末端设有轴肩和外螺纹，通过螺母与连接板19固定。连接板19和齿条18通过螺栓与直线导轨9上的滑块20连接固定，从而将旋转气缸7的圆周运动转化为支撑轴5的往复直线运动。
根据所需控制张力的大小，可选取某一位置为张力辊3的平衡位置，此时角度传感器15的读数为θ1，将指定大小的气压作用在旋转气缸7上，输出恒定的转矩并与预浸带对张力辊3的力平衡。若预浸带中张力增大，将会带动张力辊3往下运动。齿轮齿条将张力辊3的直线运动转化为大齿轮12的旋转运动，并通过小齿轮传递给角度位移传感器15，此时角度位移传感器15的读数变为θ2并反馈给控制系统，此时控制系统会加快放卷电机1的转速使张力辊3再次达到平衡位置。反之，当张力减小时，放卷电机1会降低转速，从而实现张力的稳定。
相比于采用角度传感器直接读取旋转气缸的旋转角度而言，通过改变大小齿轮的传动比能够实现将张力辊3的小位移转化为大角度，大大地提高控制的响应性，能够快速地对张力进行调节控制。
本发明的用于碳纤维预浸带稳定输送的角度式张力控制方法为：在纤维铺放过程中，预浸带从料卷2送出，经过背衬纸收集辊4，再绕上张力辊3，最后送入铺丝头。旋转气缸7为主要控制原件，通过施加指定大小的气压从而输出恒定的转矩，并通过摆杆6与张力辊3上的滚轮8相连。当预浸带中的张力发生变化时，张力辊3会沿着直线导轨9做往复直线运动，同时角度位移传感器15的读数也发生变化并反馈给控制系统。控制系统通过改变放卷电机1的转速从而对张力进行调节，克服了现有技术中，因张力过大或过小造成的“桥架”现象以及产生褶皱的问题。
本发明在更换料卷重新穿绕预浸带时，可大幅减少额外的穿带时间，提升工作效率。
本发明中采用旋转气缸为主动原件，将张力辊的直线运动转换为传感器角度的变化，并通过齿轮齿条的形式，可实现小位移大角度，有利于提高张力控制的快速响应性。
本发明结构简单，调节响应性高，穿绕预浸带方便，同时节约了在纱架中的占用空间。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，在不脱离本发明构思的前提下，所做出简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (4)
1.用于碳纤维预浸带稳定输送的角度式张力控制装置，其特征在于，包括放卷电机（1）、背衬纸收集辊（4）、摆杆机构、张力缓冲机构、角度检测机构与控制系统；其中，料卷（2）与放卷电机（1）相连，料卷（2）上的碳纤维预浸带由放卷电机（1）主动放出，绕过背衬纸收集辊（4）实现预浸带与背衬纸的分离，然后经摆杆机构进入张力缓冲机构，角度检测机构用于将碳纤维预浸带中张力大小的变化转换为角度大小的变化，并实时反馈给控制系统，实现张力控制；
摆杆机构包括旋转气缸（7）与摆杆（6）；旋转气缸（7）固定在机架上，摆杆（6）与旋转气缸（7）的输出轴一端固定，旋转气缸（7）带动摆杆（6）做往复摆动；
还包括角度放大机构，角度放大机构用于将张力辊（3）的小位移转化为大角度，并传递给角度检测机构；
角度检测机构包括角度位移传感器（15）、弹性联轴器（13）、轴承座（11）与传感器支架（10）；其中，角度位移传感器（15）设置在传感器支架（10）上，角度位移传感器（15）与弹性联轴器（13）相连，弹性联轴器（13）与小齿轮（22）相连，轴承座（11）上设置小齿轮支撑轴（21）；
张力缓冲机构包括张力辊（3）、支撑轴（5）、连接板（19）、直线导轨（9）、滑块（20）、轴向挡圈以及滚轮（8）；其中，支撑轴（5）的一端设置有滚轮（8），滚轮（8）设置在摆杆（6）内，并能够沿摆杆（6）内表面进行移动；张力辊（3）设置在支撑轴（5）上，支撑轴（5）的另一端设置有连接板（19），连接板（19）上设置有直线导轨（9），直线导轨（9）上设置有滑块（20），并且滑块（20）能够沿直线导轨（9）移动；
角度放大机构包括大齿轮（12）、齿条（18）、大齿轮支撑轴（16）、小齿轮（22）、小齿轮支撑轴（21）与轴套（14）；其中，齿条（18）设置在连接板（19）上，大齿轮（12）设置在大齿轮支撑轴（16）上，大齿轮支撑轴（16）上套装有轴套（14），小齿轮（22）设置在小齿轮支撑轴（21）上，齿条（18）经大齿轮（12）将转矩传递给小齿轮（22）。
2.根据权利要求1所述的用于碳纤维预浸带稳定输送的角度式张力控制装置，其特征在于，摆杆（6）为U型摆杆。
3.一种基于权利要求1所述的装置的用于碳纤维预浸带稳定输送的角度式张力控制方法，其特征在于，在纤维铺放过程中，预浸带从料卷（2）送出，经过背衬纸收集辊（4），再绕上张力辊（3），最后送入铺丝头；当预浸带中的张力发生变化时，张力辊（3）会沿着直线导轨（9）做往复直线运动，同时角度位移传感器（15）的读数也发生变化并反馈给控制系统，控制系统通过改变放卷电机（1）的转速从而对张力进行调节。
4.一种根据权利要求3所述的用于碳纤维预浸带稳定输送的角度式张力控制方法，其特征在于，根据所需控制张力的大小，选取某一位置为张力辊（3）的平衡位置，此时角度传感器（15）的读数为，将指定大小的气压作用在旋转气缸（7）上，输出恒定的转矩并与预浸带对张力辊（3）的力平衡；若预浸带中张力增大，将带动张力辊（3）往下运动，将张力辊（3）的直线运动转化为大齿轮（12）的旋转运动，并通过小齿轮（22）传递给角度位移传感器（15），此时角度位移传感器（15）的读数变为/>并反馈给控制系统，控制系统加快放卷电机（1）的转速使张力辊（3）再次达到平衡位置；反之，当预浸带中张力减小时，放卷电机（1）降低转速，从而实现张力的稳定。
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