CN115074887A - 一种碳纤维定宽展纤系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及展纤装置技术领域，尤其涉及一种碳纤维定宽展纤系统及方法，其中，展纤系统按照工序前后，依次设置有恒张力放卷机构、无捻定位机构、宽度检测探头一、展纤装置一、宽度检测探头二、牵拉辊组、位置探头和收绕机构，以及安装于机柜上的工业控制器，本发明区别于传统技术中采用恒定的展纤参数对纱线进行展纤的方式，采用振动电机和偏心轮驱动展纤装置内的振动辊进行展纤，通过改变振动电机的功率即可实现展纤振动频率的调节，展纤频率的动态调节，能够适应宽度值的偏差，使获得的扁平纱沿长度方向前后的宽度一致，提高碳纤维纱线的展纤质量。

Description

一种碳纤维定宽展纤系统及方法

技术领域

本发明涉及展纤装置技术领域，尤其涉及一种碳纤维定宽展纤系统及方法。

背景技术

碳纤维是一种兼具高强度(tensile strength)与高模数(tensile modulus)等特性的复合材料，且碳纤维相较于金属或合金材料具备重量轻的优势，故逐渐广为各产业所采用，例如：运动产业、医疗产业、航太产业、电子产业或民生产业等。

实际应用上，碳纤维纱线需要经过展纤处理来形成宽幅的碳纤维布，从而增加它的使用强度，碳纤维纱线为扁平纱，由于现阶段工艺水平，同一根扁平纱沿自身长度方向存在宽度不一致的问题，宽度上有偏差，且扁平纱的宽度越大，偏差也会越明显，而目前用于碳纤维纱线的展纤装置结构比较单一，采用恒定的参数对展纤装置控制，只会放大宽度值的偏差，使得展纤后的扁平纱沿自身长度方向仍然存在宽度不一致的问题，降低扁平纱的质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种碳纤维定宽展纤系统及方法，通过连续多次采集展纤前扁平纱的宽度值，来针对性的调整展纤参数，从而获得沿自身长度方向宽度一致的扁平纱，提高碳纤维纱线的展纤质量。本发明名称中提到的“定宽”的意思是根据使用需求，可以获得自身要求的扁平纱宽度，比如未展纤前6-7mm宽度范围的12K纱线，本发明中可以通过动态调节展纤装置的使用参数，来获得8±0.5mm的扁平纱，其中0.5mm误差是不可避免的，也是现阶段市场上允许的误差范围，同样的，也可以根据使用需求，将扁平纱展宽到9±0.5mm的扁平纱，获得一个设计的纱线宽度值。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种碳纤维定宽展纤系统，按照工序前后，依次包括：

恒张力放卷机构，对纱筒上的扁平纱进行恒张力退纱；

无捻定位机构，对扁平纱的行进路径进行导向；

宽度检测探头一，用于检测展纤前扁平纱的宽度；

展纤装置一，包括下边框和位于所述下边框上方的上边框，所述上边框上横向等距布设有多个导辊，所述导辊之间设置有多个振动辊，所述导辊和所述振动辊均可绕自身轴线自由旋转，所述振动辊和所述导辊沿扁平纱传送方向交错设置，每个所述振动辊均单独安装于振动基座上，所述振动基座安装于所述下边框上，所述振动基座内部采用振动电机和偏心轮组作为振动发生源，所述振动辊沿扁平纱的宽度方向往复振动；

宽度检测探头二，用于检测经过所述展纤装置一处理后扁平纱的宽度；

牵拉辊组，用于牵拉扁平纱行进；

位置探头，用于检测扁平纱经过的位置；

收绕机构，采用收绕筒对扁平纱进行收绕，内部具有带动所述收绕筒沿扁平纱的宽度方向移动的横向移动组件；

其中，所述恒张力放卷机构、所述宽度检测探头一、所述振动电机、所述宽度检测探头二、所述牵拉辊组、所述位置探头和所述收绕机构均与工业控制器信号连接。

进一步地，所述上边框和所述下边框之间设置有高度调节机构，所述高度调节机构包括伺服电机和丝杆升降机。

进一步地，所述上边框和所述下边框之间还设置有导向机构，所述导向机构包括固定于所述上边框上的多个导向孔座和与所述导向孔座相配合的导向柱，所述导向柱的底部固定于所述下边框上。

进一步地，所述振动基座包括基板和滑动座，所述基板和所述滑动座之间设置有直线导轨。

进一步地，所述直线导轨的数量为4个，所述基板的中间开设有供所述振动电机输出轴穿过的第一圆孔，所述直线导轨布设于所述第一圆孔周围。

进一步地，所述导辊的数量为5个，所述振动辊的数量为4个。

进一步地，还包括依次设置的展纤装置二和宽度检测探头三，所述展纤装置二和所述宽度检测探头三安装于所述宽度检测探头二和所述牵拉辊组之间的工位处。

进一步地，所述展纤装置二内具有3个所述导辊和2个所述振动辊。

本发明还公开了一种碳纤维定宽展纤方法，包括以下步骤：

S1：对退绕下来的扁平纱依次进行初始宽度检测、振动展纤操作和二次宽度检测后恒张力收纱；

S2：采集若干组初始宽度值、展纤参数和二次宽度值的历史数据，其中展纤参数至少包括展纤振幅和振动频率，建立历史数据库；

S3：利用历史数据库，建立展纤参数与扁平纱初始宽度的关系式，将关系式作为调节命令，输入到工业控制器内进行执行；

S4：获取扁平纱当前的初始宽度值，自动匹配相应的展纤参数，对振动展纤操作进行控制，获得定宽展纤的扁平纱。

进一步地，所述历史数据库的建立，利用单一变量原则，通过改变展纤参数中每一个变量的数值，同时控制其余变量不变的方式，来获得不同的历史数据。

本发明的有益效果为：针对传统结构比较单一的展纤装置，采用恒定的展纤参数对纱线进行展纤，只会放大宽度值的偏差，本发明提供的展纤系统，采用多个振动辊和导辊交错设置的结构，纱线依次从振动辊和导辊中穿过，振动辊单独安装于振动基座上，振动基座内部采用振动电机和偏心轮组作为振动发生源，从而使振动辊能够沿扁平纱的宽度方向往复振动来将纱线进行展纤，其中振动电机的功率和偏心轮的偏心度均可改变，在振动电机实时运行过程中，通过改变振动电机的功率即可实现展纤振动频率的调节，而在振动电机未开启状态下，通过改变偏心轮的的偏心度即可实现展纤振幅的改变，展纤频率的动态调节，能够适应宽度值的偏差，使获得的扁平纱沿长度方向前后的宽度一致，展纤振幅的调节，可以得到不同展纤后纱线宽度，从而获得沿自身长度方向宽度一致的扁平纱，提高碳纤维纱线的展纤质量。

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为本发明实施例中碳纤维定宽展纤系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中碳纤维定宽展纤系统的主视图；

图3为本发明实施例中展纤装置一的结构示意图；

图4为本发明实施例中展纤装置一的主视图；

图5为本发明实施例中展纤装置一的拆解示意图；

图6为本发明实施例中振动基座和振动辊的装配图；

图7为本发明实施例中展纤装置二的结构示意图。

附图标记：1、恒张力放卷机构；2、无捻定位机构；3、宽度检测探头一；4、展纤装置一；5、下边框；6、上边框；7、导辊；8、振动辊；9、振动基座；10、振动电机；11、偏心轮组；12、宽度检测探头二；13、牵拉辊组；14、位置探头；15、收绕筒；16、横向移动组件；17、工业控制器；18、伺服电机；19、丝杆升降机；20、导向孔座；21、导向柱；22、基板；23、滑动座；24、第一圆孔；25、展纤装置二；26、宽度检测探头三。

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。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一 个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元 件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用 的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目 的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术 领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术 语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的 术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图7所示的碳纤维定宽展纤系统，按照工序前后，依次设置有恒张力放卷机构1、无捻定位机构2、宽度检测探头一3、展纤装置一4、宽度检测探头二12、牵拉辊组13、位置探头14和收绕机构，以及安装于机柜上的工业控制器17。 本发明中用到的恒张力放卷机构1、无捻定位机构2、宽度检测探头一3、宽度检测探头二12、牵拉辊组13、位置探头14和收绕机构均来源于现有技术，其具体结构和原理均可从现有技术中获取，接下来，仅介绍其在本发明中的具体使用方式。

如图1和2所示，缠绕在纱筒上的扁平纱采用恒张力放卷机构1进行恒张力退纱，退绕下来的纱线首先经过无捻定位机构2，无捻定位机构2具体包括间隔设置的两个横杆和位于两个横杆之间的两个竖杆，其中两个竖杆之间形成有竖直的缝隙，扁平纱分别从靠近纱筒的横杆下方、两个竖杆之间和远离纱筒的横杆下方绕过，通过横杆和竖杆的连续限位后，使经过无捻定位机构2的扁平纱保持展平状态且沿着机柜中间的位置行进，利于后期展纤操作，接着，通过宽度检测探头一来检测展纤前扁平纱的宽度值，之后，纱线依次从导辊7的上方和振动辊8的下方绕过，经过振动辊8沿扁平纱的宽度方向振动，实现展纤操作，经过展纤操作后的扁平纱，经过宽度检测探头二12，获得第一次展纤处理后的扁平纱的宽度值，之后纱线经过牵拉辊组13处，牵拉辊组13的设计，是因为展纤需要很大的张力，如果仅仅是单独采用收绕机构进行牵拉，由于纱线在收绕筒15上收绕是沿收绕筒15宽度方向一圈圈缠绕上去的，容易导致张力不稳定，所以，特别的，为了保证张力展纤前后张力恒定，特别设置了牵拉辊组13和恒张力放卷机构1配合的方式，牵拉辊组13对扁平纱提供牵拉力，而恒张力放卷机构1为纱线提供反向作用力，保证位于牵拉辊组13和恒张力放卷机构1之间的扁平纱恒张力，提高展纤效果，最后，扁平纱经过位置探头14检测位置后，收绕到收绕筒15上，位置探头14检测到的位置信息反馈给工业控制器17后，用于控制横向移动组件16进行横向移动，从而保证扁平纱缠绕到收绕筒15上时，相邻圈数之间的扁平纱是紧密接触的。

根据展纤工艺，影响碳纤维展纤宽度的因素有：展纤张力、展纤温度、展纤包角、展纤振幅和振动频率等，在纱线快速展纤过程中，易于调控的为振动频率，基于上述认知，本发明人提供的碳纤维定宽展纤系统具体的使用步骤如下：

首先，根据常识，设计好本系统的展纤张力、展纤温度、展纤包角、展纤振幅和振动频率，启动系统中的设备，扁平纱进行退绕，设计好一个采集时间间隔，比如该时间间隔为0.1s或0.2s等等，每经过一个时间间隔，通过宽度检测探头一3和宽度检测探头二12来采集一次展纤前后的纱线宽度值，并同时采集当前的振动频率和展纤振幅，得到历史数据，可以通过多次试验，比如改变其中的某一个参数，其余参数不变，从而获得该参数对展纤宽度的影响关系，同时也需要测试不同规格的扁平纱，并采集与参数之间的关系数据，建立历史数据库，本发明人发现，在纱线高速展纤过程中，易于改变的参数为振动频率，仅需要改变振动电机10的转速即可实现，转速越快，振动频率越快。通过多次试验发现，振动频率越快，在其余参数不变的情况下，扁平纱展开的宽度值越大，即宽度检测探头一3和宽度检测探头二12采集到的展纤前后的宽度增加量越大，所以，本发明中为了获得前后宽度一致的扁平纱，就需要在同一根纱线展纤过程中时，在保持其余参数不变的情况下，根据扁平纱展纤前宽度，自动匹配振动频率来达到控制展纤宽度，具体来讲，比如在对展纤前6-7mm宽度范围的12K纱线进行展纤时，当宽度检测探头一3检测到纱线的宽度为6mm时，针对此段扁平纱的展纤，将振动频率提高来适应，而当宽度检测探头一3检测到纱线的宽度值变为7mm时，针对此段扁平纱的展纤，将振动频率降低来适应，从而使得获得的扁平纱的宽度为一定宽值，上述调节方式的实现，具体需要工业控制器17来实现，也可以采用其他的控制设备，比如PC终端或者移动终端等，根据前期多次试验获得的历史数据，建立历史数据库，建立展纤参数与扁平纱初始宽度的关系式，将关系式作为调节命令，输入到工业控制器17内进行执行，在实际生产中，对后续扁平纱进行展纤时，需要间隔采集纱线展纤前的宽度值，依据采集到的纱线宽度值和想要达到的宽度值，自动匹配相应的展纤参数，对振动频率进行控制，从而获得前后宽度一致的扁平纱。

本发明中提到的展纤张力、展纤温度、展纤包角、展纤振幅也对展纤效果存在影响，只是对这些参数的调节是在设备开启前进行设定的，所以，这些参数的设定是依据不同规格纱线以及展纤到不同的宽度值，当更换不同规格的纱线时，也需要对这些参数进行相应的设定，具体设定值，可以根据历史数据推算而得。

如图3-5所示，上边框6和下边框5之间设置有高度调节机构，高度调节机构包括伺服电机18和丝杆升降机19，通过高度调节机构的设置，可以调节导辊7与振动辊8之间的高度差，从而调节纱线的包角，伺服电机18和丝杆升降机19均可从现有技术中获取，其中丝杆升降机19主体是安装于下边框5上的，丝杆升降机19中的丝杆顶端是固定于上边框6上的，丝杆升降机19伺服电机18接收工业控制器17的信号控制，驱动丝杆升降机19中的丝杆升降，从而实现导辊7的高度调节，当导辊7向上移动时，会增加与扁平纱的接触面积，从而增大包角，反之亦然，发明人发现，在增大包角后，会导致展纤宽度变大，呈正相关关系。

如图3-5所示，为了对上边框6的移动进行限位，在上边框6和下边框5之间还设置有导向机构，导向机构包括固定于上边框6上的四个导向孔座20和与导向孔座20相配合的导向柱21，导向柱21的底部固定于下边框5上，通过导向机构的设置，保证上边框6竖向移动。

如图6所示，更具体的，振动基座9包括基板22和滑动座23，基板22和滑动座23之间设置有4个直线导轨，基板22的中间开设有供振动电机10输出轴穿过的第一圆孔24，直线导轨布设于第一圆孔24周围，振动辊8通过两侧的轴承转动连接于滑动座23上，滑动座23中间开设有供偏心轮组11容纳的通孔，在使用时，振动电机10通过顶部的输出轴带动偏心轮组11发生偏心运动，偏心轮组11带动滑动座23沿直线导轨的长度方向进行往复运动，从而使振动辊8可沿扁平纱宽度方向往复振动，在需要对振幅调节时，对偏心轮组11内的偏心块重新设定即可实现振幅的改变，易于操控。

作为上述实施例的具体公开，本发明实施例中具体采用的导辊7的数量为5个，振动辊8的数量为4个。

为了进一步提高扁平纱的展纤效果，还包括依次设置的展纤装置二25和宽度检测探头三26，展纤装置二25和宽度检测探头三26安装于宽度检测探头二12和牵拉辊组之间的工位处，展纤装置二25内具有3个导辊7和2个振动辊8，展纤装置二25作为展纤装置一4的进一步补充，从图中可以看出，展纤装置二25仅是导辊7和振动辊8的数量与展纤装置一4中有所不同，其余结构均采用相同部件，且使用方式及实现效果均相同，宽度检测探头二12在检测到扁平纱未达到设计的展纤宽度时，或者仍然存在某一段扁平纱展纤效果不好时，通过提高展纤装置二25的振动频率，从而对不合格的扁平纱进一步展纤操作，展纤参数的设定依据多次试验后总结获得，得到满足设计宽度要求且宽度无偏差的扁平纱。

本发明还公开了一种碳纤维定宽展纤方法，包括以下步骤：

S1：对退绕下来的扁平纱依次进行初始宽度检测、振动展纤操作和二次宽度检测后恒张力收纱；

S2：采集若干组初始宽度值、展纤参数和二次宽度值的历史数据，其中展纤参数至少包括展纤振幅和振动频率，建立历史数据库；

S3：利用历史数据库，建立展纤参数与扁平纱初始宽度的关系式，将关系式作为调节命令，输入到工业控制器内进行执行；

S4：获取扁平纱当前的初始宽度值，自动匹配相应的展纤参数，对振动展纤操作进行控制，获得定宽展纤的扁平纱。

其中，历史数据库的建立，利用单一变量原则，通过改变展纤参数中每一个变量的数值，同时控制其余变量不变的方式，来获得不同的历史数据。

本发明提供的展纤方法的具体实现原理可以参照前述中的展纤系统，其技术效果也等同，在此不再赘述，同时，本发明中的展纤方法不限于前述中的展纤系统，其他能够实现上述方法的系统或装置均落入到本申请的保护范围。

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 (10)

1.一种碳纤维定宽展纤系统，其特征在于，按照工序前后，依次包括：

恒张力放卷机构，对纱筒上的扁平纱进行恒张力退纱；

无捻定位机构，对扁平纱的行进路径进行导向；

宽度检测探头一，用于检测展纤前扁平纱的宽度；

展纤装置一，包括下边框和位于所述下边框上方的上边框，所述上边框上横向等距布设有多个导辊，所述导辊之间设置有多个振动辊，所述导辊和所述振动辊均可绕自身轴线自由旋转，所述振动辊和所述导辊沿扁平纱传送方向交错设置，每个所述振动辊均单独安装于振动基座上，所述振动基座安装于所述下边框上，所述振动基座内部采用振动电机和偏心轮组作为振动发生源，所述振动辊沿扁平纱的宽度方向往复振动；

宽度检测探头二，用于检测经过所述展纤装置一处理后扁平纱的宽度；

牵拉辊组，用于牵拉扁平纱行进；

位置探头，用于检测扁平纱经过的位置；

收绕机构，采用收绕筒对扁平纱进行收绕，内部具有带动所述收绕筒沿扁平纱的宽度方向移动的横向移动组件；

其中，所述恒张力放卷机构、所述宽度检测探头一、所述振动电机、所述宽度检测探头二、所述牵拉辊组、所述位置探头和所述收绕机构均与工业控制器信号连接。

2.根据权利要求1所述的碳纤维定宽展纤系统，其特征在于，所述上边框和所述下边框之间设置有高度调节机构，所述高度调节机构包括伺服电机和丝杆升降机。

3.根据权利要求2所述的碳纤维定宽展纤系统，其特征在于，所述上边框和所述下边框之间还设置有导向机构，所述导向机构包括固定于所述上边框上的多个导向孔座和与所述导向孔座相配合的导向柱，所述导向柱的底部固定于所述下边框上。

4.根据权利要求1所述的碳纤维定宽展纤系统，其特征在于，所述振动基座包括基板和滑动座，所述基板和所述滑动座之间设置有直线导轨。

5.根据权利要求4所述的碳纤维定宽展纤系统，其特征在于，所述直线导轨的数量为4个，所述基板的中间开设有供所述振动电机输出轴穿过的第一圆孔，所述直线导轨布设于所述第一圆孔周围。

6.根据权利要求1所述的碳纤维定宽展纤系统，其特征在于，所述导辊的数量为5个，所述振动辊的数量为4个。

7.根据权利要求1所述的碳纤维定宽展纤系统，其特征在于，还包括依次设置的展纤装置二和宽度检测探头三，所述展纤装置二和所述宽度检测探头三安装于所述宽度检测探头二和所述牵拉辊组之间的工位处。

8.根据权利要求7所述的碳纤维定宽展纤系统，其特征在于，所述展纤装置二内具有3个所述导辊和2个所述振动辊。

9.一种碳纤维定宽展纤方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对退绕下来的扁平纱依次进行初始宽度检测、振动展纤操作和二次宽度检测后恒张力收纱；

S2：采集若干组初始宽度值、展纤参数和二次宽度值的历史数据，其中展纤参数至少包括展纤振幅和振动频率，建立历史数据库；

S3：利用历史数据库，建立展纤参数与扁平纱初始宽度的关系式，将关系式作为调节命令，输入到工业控制器内进行执行；

S4：获取扁平纱当前的初始宽度值，自动匹配相应的展纤参数，对振动展纤操作进行控制，获得定宽展纤的扁平纱。

10.根据权利要求9所述的碳纤维定宽展纤方法，其特征在于，所述历史数据库的建立，利用单一变量原则，通过改变展纤参数中每一个变量的数值，同时控制其余变量不变的方式，来获得不同的历史数据。

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