CN115583539A - 一种用于复合材料丝束铺放的丝束张力控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于复合材料丝束铺放的丝束张力控制装置，包括张力控制机构和减张机构，张力控制机构用于将丝束料卷的衬纸剥离并调节丝束张力后传送至减张机构内进行减张处理；浮动辊通过弹性元件沿导轨滑块进行往复运动，磁粉制动器用于通过模拟量输入进行控制，位置传感器用于将检测到的浮动辊在导轨滑块上的位置模拟量信号输出给控制器；驱动电机驱动传动轴带动摩擦轮运动，气缸用于驱动送进轮机构压紧或离开摩擦轮。本发明还涉及一种丝束张力控制方法。该用于复合材料丝束铺放的丝束张力控制装置及方法的目的是解决现有丝束铺放设备中丝束到达铺丝头压辊时张力大、张力波动引起的丝束架桥、褶皱等铺放质量不佳的问题。

Description

一种用于复合材料丝束铺放的丝束张力控制装置及方法

技术领域

本发明涉及复合材料丝束铺放技术领域，具体涉及一种用于复合材料丝束铺放的丝束张力控制装置及方法。

背景技术

复合材料丝束铺放设备实现丝束铺放的主要功能部件为铺丝头和纱箱。丝束在铺放的过程中会产生一定的张力。目前国内控制丝束张力的方法从原理上主要为以下两种：一、(申请号：202210264037.X)提出方法采用将丝束料卷固定在一个伺服电机上，料卷上的丝束经过导向轮，张力控制机构，减张装置，最终到达铺丝头的压辊。张力控制机构采用浮动辊、导轨和气缸来实现往复动作。张力控制机构安装有超声波传感器，当丝束的张力与往复机构上设定的力的大小不平衡时，丝束带动浮动辊往复运动，此时超声波传感器接受信号并控制伺服电机输出相关的速度，使丝束张力与张力控制机构设定的力大小达到平衡，从而控制丝束的张力，经过张力控制机构的丝束进入以单组摩擦轮，被动摩擦为原理的减张机构中，最后进入铺丝头内进行丝束铺放；二、(申请号：201910784578.3)该装置包括设置在上板顶面上的输送电机和制动器，设置在纱架板地面上的隔离膜收卷机构、输送装置安装板以及料卷机构，输送装置安装板上安装有气缸、张紧机构与输送装置，张紧机构与输送装置相连，制动器与料卷机构相连，预浸丝束从料卷机构送出，经隔离膜收卷机构，再通过张紧机构后进入输送装置。该装置可以将丝束的铺放张力有效减少2N，提高张力控制响应性。

采用上述专利一的方式，张力控制机构位置信号反馈采用超声波传感器等方式，在进行设备加减速铺放过程中，响应速度可能会跟不上丝束张力变化的速度；而通过气缸作为检测张力大小的往复机构，由于结构的限制，能实现的设定张力往往会大于丝束铺放最佳状态时丝束上的张力。除此之外，减张机构采用被动摩擦的方式，一定程度上可以实现丝束张力的释放，平衡丝束上的张力，但是只采用一个减张轮，即使采取大包角，增加丝束与摩擦机构的接触面积，可实现丝束减张的能力有限，当铺放速度在较高加速度下很快达到较高铺放速度或频繁加减速时，减张机构所能产生的丝束送进力大小不可调，所能平衡丝束的张力远小于对该情况下丝束产生的张力大小，从而造成丝束张力过大。

采用上述专利二的方式，一定程度上可以减少丝束的张力，但是面对丝束大加速度铺放引起的张力大的情况，该装置的张力减小能力有限，并且每根丝束都需要配置一套减张机构，每套减张机构配置一台电机，会造成铺丝头整体结构尺寸大且控制方式复杂，同时不能满足每根丝束进入铺丝头前的张力大小一致。

因此，发明人提供了一种用于复合材料丝束铺放设备的丝束张力控制装置。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种用于复合材料丝束铺放设备的丝束张力控制装置，解决了现有丝束铺放设备中丝束到达铺丝头压辊时张力大、张力波动引起的丝束架桥、褶皱等铺放质量不佳的技术问题。

(2)技术方案

本发明提供了一种用于复合材料丝束铺放的丝束张力控制装置，包括张力控制机构和减张机构，所述张力控制机构用于将丝束料卷的衬纸剥离并调节丝束张力后传送至所述减张机构内进行减张处理；其中，

所述张力控制机构包括弹性元件、浮动辊、导轨滑块、磁粉制动器、丝束料卷轴、位置传感器及衬纸回收轴，所述浮动辊通过所述弹性元件沿所述导轨滑块进行往复运动，所述磁粉制动器用于通过模拟量输入进行控制，所述丝束料卷轴用于安装所述丝束料卷，所述位置传感器用于将检测到的所述浮动辊在所述导轨滑块上的位置模拟量信号输出给控制器，所述衬纸回收轴用于回收丝束保护衬层；

所述减张机构包括传动轴、摩擦轮、气缸、送进轮机构及驱动电机，所述驱动电机的输出端与所述传动轴连接，所述摩擦轮安装于所述传动轴且同步运动，所述气缸用于驱动所述送进轮机构压紧或离开所述摩擦轮。

进一步地，所述弹性元件为弹簧，其一端固定，另一端与所述浮动辊连接，所述弹簧产生的最大张力大小为铺放过程中丝束允许的最大张力值。

进一步地，所述浮动辊的表面采用防粘处理。

进一步地，所述丝束料卷轴为低阻力轴承。

进一步地，所述位置传感器的长度与所述弹性元件被拉伸的长度相关。

进一步地，所述衬纸回收轴为低阻力轴承。

进一步地，所述摩擦轮的表面采用滚花和/或喷砂处理。

进一步地，所述送进轮机构的送进轮采用防粘材料制备。

进一步地，所述减张机构还包括摩擦轮冷却装置，所述摩擦轮冷却装置用于为所述摩擦轮进行冷却。

本发明还提供了一种利用上述的用于复合材料丝束铺放的丝束张力控制装置的丝束张力控制方法，包括以下步骤：

带有衬纸的丝束经过衬纸回收轴，将衬纸缠绕至衬纸回收轴上，被剥离衬纸的丝束依次通过浮动辊、减张机构最终进入铺丝头处；

当在铺放过程中，丝束产生张力并带动浮动辊向远离弹性元件拉力为零的位置运动；

当浮动辊被拉动至位置传感器检测的最大位置且经设定延迟时间未离开最大位置时，启动减张机构，气缸驱动送进轮机构压紧摩擦轮，带动丝束向前送进；

当浮动辊经过减张机构作用离开位置传感器检测的最大位置时，气缸驱动送进轮机构远离摩擦轮，停止减张机构。

(3)有益效果

综上，本发明通过采用主动自适应的方式减少丝束进入铺丝头前的张力，相比于现有主动减张的技术，结构简单，维护性好，各丝束张力减小效果一致；通过布置驱动轴的数量使进入铺丝头前丝束的张力在满足要求的较小的张力大小范围之内，并且保证到达铺丝头压辊处的丝束的压力大小满足良好状态下铺丝的要求，一定程度上保证了复合材料丝束在丝束铺放中丝束的质量，避免出现了因丝束张力过大导致的铺丝过程出现搭桥、皱褶等现象。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明实施例提供的一种用于复合材料丝束铺放的丝束张力控制装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种用于复合材料丝束铺放的丝束张力控制装置中的张力控制机构的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种用于复合材料丝束铺放的丝束张力控制装置中的减张机构的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种用于复合材料丝束铺放的丝束张力控制方法的流程示意图。

图中：

100-张力控制机构；101-弹性元件；102-浮动辊；103-导轨滑块；104-磁粉制动器；105-丝束料卷轴；106-位置传感器；107-衬纸回收轴；200-减张机构；201-传动轴；202-摩擦轮；203-气缸；204-送进轮机构；205-驱动电机；206-摩擦轮冷却装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1是本发明实施例提供的一种用于复合材料丝束铺放设备的丝束张力控制装置的结构示意图，该装置可以包括张力控制机构100和减张机构200，张力控制机构100用于将丝束料卷的衬纸剥离并调节丝束张力后传送至减张机构200内进行减张处理；其中，

如图2所示，张力控制机构100包括弹性元件101、浮动辊102、导轨滑块103、磁粉制动器104、丝束料卷轴105、位置传感器106及衬纸回收轴107，浮动辊102通过弹性元件101沿导轨滑块103进行往复运动，磁粉制动器104用于通过模拟量输入进行控制，丝束料卷轴105用于安装丝束料卷，位置传感器106用于将检测到的浮动辊102在导轨滑块103上的位置模拟量信号输出给控制器，衬纸回收轴107用于回收丝束保护衬层；

如图3所示，减张机构200包括传动轴201、摩擦轮202、气缸203、送进轮机构204及驱动电机205，驱动电机205的输出端与传动轴201连接，摩擦轮202安装于传动轴201且同步运动，气缸203用于驱动送进轮机构204压紧或离开摩擦轮202。

在上述实施方式中，采用检测+主动减张的方法，减张机构的产生于丝束上的送进力大小由压力比例阀控制气缸输出压力，气缸驱动送进轮机构与摩擦轮主动送进，从而控制丝束被送进力的大小。该方式相比于现有技术减张控制方法中采用的通过丝束自身张力的大小作为正压力，与相应摩擦轮机构进行摩擦从而进行减张的被动减张方式，优势在于用于丝束减张的送进力大小可调且范围大，避免了当铺放速度在较高加速度下很快达到较高铺放速度或频繁加减速时，减张机构所能产生的丝束送进力大小不可调，从而在该情况下丝束减张效果差的问题。

该丝束张力控制装置中的减张机构采用单个电机控制多条丝束减张功能的结构，相比于现有专利中每条丝束采用一个电机进行减张的方法，可以使设备的结构更加紧凑，控制更加简单。同时，弹性元件+位置传感器的张力检测机构相比于现有技术采用超声传感器+气缸的位置检测方法，响应时间更快，结构更简单。

特别的，一定程度上解决了丝束长距离传送可能会出现的因各丝束张力大小不同导致的出丝长度不均匀的现象，尤其是适用于铺丝头与纱架为分离结构的丝束铺放设备。

其中，气缸203为双作用气缸，用于驱动送进轮机构204来实现压紧或离开摩擦轮202，从而实现丝束的送进减张功能。

作为一种可选的实施方式，弹性元件101为弹簧，其一端固定，另一端与浮动辊102连接，弹簧产生的最大张力大小为铺放过程中丝束允许的最大张力值。

具体地，如图3所示，弹簧为一种拉簧，用于实现浮动辊102在丝束张力拉动的作用下在导轨滑块103上进行往复运动，弹簧在张力控制机构上所能产生的最大张力大小为铺放过程中丝束允许的最大张力值。

作为一种可选的实施方式，浮动辊102的表面采用防粘处理。其中，浮动辊102由可通过自身安装轴、轴承或其他方式实现自身低阻力转动，且浮动辊102的表面进行防粘处理，在丝束传输过程中与丝束不发生粘连。

作为一种可选的实施方式，丝束料卷轴105为低阻力轴承。其中，丝束料卷轴105用于安装丝束料卷，丝束料卷轴105固定丝束料卷的方式采用气动夹紧或机械夹紧等方式实现丝束料卷固在丝束料卷轴105上，丝束料卷轴105采用低阻力轴承，可灵活的自身转动。

作为一种可选的实施方式，位置传感器106的长度与弹性元件101被拉伸的长度相关。

具体地，位置传感器106选用光学检测开关、磁性检测开关或同类型检测精度高、响应速度快的位置检测开关，位置传感器106通过检测浮动轴102在弹性元件101与丝束张力作用下，在导轨滑块103的上相应的位置，输出模拟量信号给控制器，控制器将信号处理后输入给磁粉制动器104，从而使磁粉制动器104输出不同大小的扭矩；位置传感器104的长度与弹性元件101被拉伸的长度相关，必须能够完全检测到弹性元件101拉伸后的长度。

作为一种可选的实施方式，衬纸回收轴107为低阻力轴承。其中，衬纸回收轴107采用低阻力轴承，可灵活的自身转动，用于实现丝束保护衬层的回收。

作为一种可选的实施方式，摩擦轮202的表面采用滚花和/或喷砂处理。其中，摩擦轮202通过螺纹或键的方式安装于传动轴201，摩擦轮202表面采用滚花、喷砂或其他方式增大摩擦力。摩擦轮202转动的线速度与铺放速度实时一致。

作为一种可选的实施方式，送进轮机构204的送进轮采用防粘材料制备。其中，送进轮机构204用于实现丝束的导向与送进功能。送进轮带有挡边，用于防止送进轮运动时，丝束跳离导向的轨迹。送进轮采用例如特氟龙等防粘的材料制成，防止丝束在送进减张过程中与送进轮粘连。

作为一种可选的实施方式，减张机构200还包括摩擦轮冷却装置206，摩擦轮冷却装置206用于为摩擦轮202进行冷却。

具体地，加入了摩擦轮冷却装置206，一定程度上减少了因摩擦轮202的温度高导致丝束表面粘性大造成的丝束粘附在摩擦轮202上的问题。

图4是本发明实施例提供的一种丝束张力控制方法的流程示意图，该方法可以包括以下步骤：

S100、带有衬纸的丝束经过衬纸回收轴，将衬纸缠绕至衬纸回收轴上，被剥离衬纸的丝束依次通过浮动辊、减张机构最终进入铺丝头处；

S200、当在铺放过程中，丝束产生张力并带动浮动辊向远离弹性元件拉力为零的位置运动；

S300、当浮动辊被拉动至位置传感器检测的最大位置且经设定延迟时间未离开最大位置时，启动减张机构，气缸驱动送进轮机构压紧摩擦轮，带动丝束向前送进；

S400、当浮动辊经过减张机构作用离开位置传感器检测的最大位置时，气缸驱动送进轮机构远离摩擦轮，停止减张机构。

在上述实施方式中，丝束料卷安装于张力控制机构上，按照图3所示的缠绕方式进行安装。带有衬纸的丝束经过衬纸回收轴，将衬纸缠绕至衬纸回收轴上，被剥离衬纸的丝束依次通过浮动辊，减张机构最终进入铺丝头处。

浮动辊被拉伸出的距离与磁粉制动器输出扭矩的大小呈线性反比例关系，即浮动辊被拉伸的越远，磁粉制动器输出的扭矩约小，浮动辊的位置用于反应丝束张力的大小。

减张机构中气缸输出压力由压力比例阀控制，气缸输出压力大小决定摩擦轮与送进轮机构产生的送进力大小，即可实现送进力大小的控制。一般情况下，送进力的大小应大于整个张力控制环节机构自身阻力的大小与丝束料卷启动惯旋转的惯性矩大小之和。

摩擦轮机构被驱动的线速度与铺放速度实时一致，送进的方向为丝束向铺丝头送进的方向，从而减小经过减张机构后丝束的张力。

在初始情况下，丝束上没有张力，磁粉制动器的扭矩值最大，弹簧不受力，浮动辊在弹簧拉力为零的位置；减张机构中的气缸缩回，送进轮机构与摩擦轮不发生送进动作。

当在铺放过程中，丝束产生张力并带动张力控制机构中的浮动辊向远离弹簧拉力为零的位置运动，丝束张力越大，浮动辊拉伸弹簧的长度越长。此时位置传感器检测浮动辊的位置，通过控制器输出信号控制磁粉制动器减小输出的扭矩值。若经过上述控制方法，丝束张力大小所引起的浮动辊的被拉伸的位置在位置传感器检测的最大位置之内时，即可以保证丝束张力大小在预定的张力大小范围内，满足铺放时丝束张力大小的要求，此时减张机构不启动。

当浮动辊被拉动至位置传感器检测的最大位置，且经过一定时间延迟浮动辊未离开最大位置，此时减张机构启动，气缸驱动送进轮机构压紧摩擦轮，带动丝束向前送进。当浮动辊经过减张机构作用离开位置传感器检测的最大位置时，气缸驱动送进轮机构远离摩擦轮，减张机构停止送进减张功能。

实施例1

在某型短传纱集成式自动铺丝机头中，丝束料卷按照如图3所示的方式在张力控制机构100中进行安装缠绕，从张力控制机构100中出来的丝束经过相关的导向机构进入减张机构200中，经过减张机构200的丝束通过导向机构进入到铺丝头内。在进行丝束铺放时，由于铺放速度的变化，导致丝束的上张力的变化，导致张力控制机构100中的浮动辊产生摆动，浮动辊位置变动经过位置传感器的检测，位置传感器输出相应的型号调节磁粉制动器的输出扭矩大小，进而调节丝束上的张力。当丝束张力过大时，启动减张机构200进行主动减张，通过调节气缸的输出压力匹配此时丝束上产生张力的大小，通过其产生在丝束上的送进力，从而减小丝束上的张力。丝束料卷经过丝束张力控制装置中的张力控制机构100、减张机构200的协同控制，最终实现丝束张力的控制，可实现丝束张力大小控制在0～1N的范围内。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种用于复合材料丝束铺放的丝束张力控制装置，其特征在于，包括张力控制机构(100)和减张机构(200)，所述张力控制机构(100)用于将丝束料卷的衬纸剥离并调节丝束张力后传送至所述减张机构(200)内进行减张处理；其中，

所述张力控制机构(100)包括弹性元件(101)、浮动辊(102)、导轨滑块(103)、磁粉制动器(104)、丝束料卷轴(105)、位置传感器(106)及衬纸回收轴(107)，所述浮动辊(102)通过所述弹性元件(101)沿所述导轨滑块(103)进行往复运动，所述磁粉制动器(104)用于通过模拟量输入进行控制，所述丝束料卷轴(105)用于安装所述丝束料卷，所述位置传感器(106)用于将检测到的所述浮动辊(102)在所述导轨滑块(103)上的位置模拟量信号输出给控制器，所述衬纸回收轴(107)用于回收丝束保护衬层；

所述减张机构(200)包括传动轴(201)、摩擦轮(202)、气缸(203)、送进轮机构(204)及驱动电机(205)，所述驱动电机(205)的输出端与所述传动轴(201)连接，所述摩擦轮(202)安装于所述传动轴(201)且同步运动，所述气缸(203)用于驱动所述送进轮机构(204)压紧或离开所述摩擦轮(202)。

2.根据权利要求1所述的用于复合材料丝束铺放的丝束张力控制装置，其特征在于，所述弹性元件(101)为弹簧，其一端固定，另一端与所述浮动辊(102)连接，所述弹簧产生的最大张力大小为铺放过程中丝束允许的最大张力值。

3.根据权利要求1所述的用于复合材料丝束铺放的丝束张力控制装置，其特征在于，所述浮动辊(102)的表面采用防粘处理。

4.根据权利要求1所述的用于复合材料丝束铺放的丝束张力控制装置，其特征在于，所述丝束料卷轴(105)为低阻力轴承。

5.根据权利要求1所述的用于复合材料丝束铺放的丝束张力控制装置，其特征在于，所述位置传感器(106)的长度与所述弹性元件(101)被拉伸的长度相关。

6.根据权利要求1所述的用于复合材料丝束铺放的丝束张力控制装置，其特征在于，所述衬纸回收轴(107)为低阻力轴承。

7.根据权利要求1所述的用于复合材料丝束铺放的丝束张力控制装置，其特征在于，所述摩擦轮(202)的表面采用滚花和/或喷砂处理。

8.根据权利要求1所述的用于复合材料丝束铺放的丝束张力控制装置，其特征在于，所述送进轮机构(204)的送进轮采用防粘材料制备。

9.根据权利要求1所述的用于复合材料丝束铺放的丝束张力控制装置，其特征在于，所述减张机构(200)还包括摩擦轮冷却装置(206)，所述摩擦轮冷却装置(206)用于为所述摩擦轮(202)进行冷却。

10.一种利用如权利要求1-9中任一项所述的用于复合材料丝束铺放的丝束张力控制装置的丝束张力控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

带有衬纸的丝束经过衬纸回收轴，将衬纸缠绕至衬纸回收轴上，被剥离衬纸的丝束依次通过浮动辊、减张机构最终进入铺丝头处；

当在铺放过程中，丝束产生张力并带动浮动辊向远离弹性元件拉力为零的位置运动；

当浮动辊被拉动至位置传感器检测的最大位置且经设定延迟时间未离开最大位置时，启动减张机构，气缸驱动送进轮机构压紧摩擦轮，带动丝束向前送进；

当浮动辊经过减张机构作用离开位置传感器检测的最大位置时，气缸驱动送进轮机构远离摩擦轮，停止减张机构。

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