CN116331949A - 一种复合材料自动铺丝的丝束低张力装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合材料自动铺丝的丝束低张力装置，包括沿丝束运动方向依次分布的丝束低张力控制机构、减张控制机构、丝束送进机构和运动控制器；丝束低张力控制机构包括放料伺服电机、收料伺服电机、直线位移传感器、弹簧元件、放料辊、浮动辊及收料辊，放料伺服电机用于驱动放料辊转动以实现丝束的移动，收料伺服电机用于驱动收料辊进行转动，弹簧元件的自由端与浮动辊弹性连接且用于驱动其进行往复运动，直线位移传感器用于实时检测并反馈浮动辊的位置至运动控制器；运动控制器用于分别控制放料伺服电机、收料伺服电机。该复合材料自动铺丝的丝束低张力装置的目的是解决由于丝束张力调整难度大而导致铺放成型质量较低的问题。

Description

一种复合材料自动铺丝的丝束低张力装置

技术领域

本发明涉及复合材料成型技术领域，具体涉及一种复合材料自动铺丝的丝束低张力装置。

背景技术

复合材料预浸丝束在成型过程中，各个丝束是独立传输的，经历了送丝、铺放、裁切等过程。丝束的传输路径是先人工穿好丝束，丝束和衬纸一起缠绕着衬纸回收辊，衬纸回收辊负责剥离回收衬纸，剥离衬纸后的丝束通过导向辊，到达送丝轮和压紧轮，这就完成了丝束的手动穿丝。铺放开始时，由放料电机驱动丝束卷送料，衬纸回收电机输出恒定的扭矩以回收衬纸，压紧轮由气缸驱动，以一定的压力压紧丝束贴近送丝轮，丝束在送丝轮的滚动摩擦力和丝束的张力作用下传输到压辊轮上，压辊压住丝束铺放在铺放层上，完成复合材料预浸丝束的铺放成型。

张力的过大或者过小都会对送丝准确性、铺丝头终端丝束的铺放产生影响，造成铺丝质量的不稳定。目前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)提出的丝束低张力控制机构采用浮动辊、导轨和气缸来实现往复动作。丝束低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，使丝束张力与丝束低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，经过丝束低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，丝束低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，但是只采用一个导向轮，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，发明人提供了一种复合材料自动铺丝的丝束低张力装置。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种复合材料自动铺丝的丝束低张力装置，解决了由于丝束张力调整难度大而导致铺放成型质量较低的技术问题。

(2)技术方案

本发明提供了一种复合材料自动铺丝的丝束低张力装置，包括沿丝束运动方向依次分布的丝束低张力控制机构、减张控制机构、丝束送进机构和运动控制器；其中，

所述丝束低张力控制机构包括放料伺服电机、收料伺服电机、直线位移传感器、弹簧元件、放料辊、浮动辊及收料辊，所述放料伺服电机用于驱动所述放料辊转动以实现丝束的移动，所述收料伺服电机用于驱动所述收料辊进行转动，所述弹簧元件的自由端与所述浮动辊弹性连接且用于驱动所述浮动辊沿其弹性形变方向进行往复运动，所述直线位移传感器用于实时检测并反馈所述浮动辊的位置至所述运动控制器；

所述减张控制机构用于对丝束进行减张处理；

所述运动控制器用于根据接收到的信号分别控制所述放料伺服电机、所述收料伺服电机。

进一步地，所述减张控制机构包括第一导向轮、第二导向轮及摩擦轮，所述第一导向轮、所述第二导向轮均贴合设置于丝束的第一侧表面，所述摩擦轮贴合设置于丝束的第二侧表面。

进一步地，所述摩擦轮与丝束之间的包络角范围为95°～140°。

进一步地，所述丝束送进机构包括送丝辊、压紧轮、气缸及铺放速度反馈编码器，所述送丝辊、所述压紧轮分别贴合设置于丝束的相对两侧的表面，所述气缸用于调节所述压紧轮对丝束的压力，所述铺放速度反馈编码器用于检测并反馈丝束的铺放速度至所述运动控制器。

进一步地，所述压紧轮用于以恒定压力压紧丝束以使其贴近所述送丝辊。

进一步地，所述丝束低张力装置还包括第一伺服驱动器及第二伺服驱动器，所述运动控制器通过所述第一伺服驱动器、所述第二伺服驱动器分别与对应的所述放料伺服电机、所述收料伺服电机电控连接。

进一步地，所述放料伺服电机采用速度控制模式。

进一步地，所述收料伺服电机采用力矩控制模式。

进一步地，所述丝束低张力装置还包括信号处理模块，所述直线位移传感器通过所述信号处理模块与所述运动控制器连接。

进一步地，所述丝束低张力装置还包括压辊及铺放模具，所述压辊用于将经所述丝束送进机构送进的丝束压实并铺放在所述铺放模具。

(3)有益效果

综上，本发明通过两个伺服电机来直接驱动放料辊和收料辊，由运动控制器实现对伺服电机的位置环、速度环、电流环控制，实现放料辊和收料辊的运动线速度与铺放速度相匹配；在铺放过程中，当铺放速度发生突变时，这时弹簧元件的位置会发生变化，测量出浮动辊的位置偏差量，通过模拟量模块将位移信号转换为数字信号，由运动控制器运算出相应的调整量，从而调整放料伺服电机、收料伺服电机的转速，实现对丝束低张力的恒定控制。

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复合材料自动铺丝的丝束低张力装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种复合材料自动铺丝的丝束低张力装置的丝束低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复合材料自动铺丝的丝束低张力装置的减张控制机构的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种复合材料自动铺丝的丝束低张力装置的丝束送进机构的结构示意图。

图中：

100-丝束低张力控制机构；101-放料伺服电机；102-收料伺服电机；103-直线位移传感器；104-弹簧元件；105-放料辊；106-浮动辊；107-收料辊；200-减张控制装置；201-第一导向轮；202-第二导向轮；203-摩擦轮；300-丝束送进机构；301-送丝辊；302-压紧轮；303-气缸；304-铺放速度反馈编码器；401-压辊；402-铺放模具；500-运动控制器；601-第一伺服驱动器；602-第二伺服驱动器；700-信号处理模块。

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复合材料自动铺丝的丝束低张力装置的结构示意图，如图1-2所示，该装置可以包括沿丝束运动方向依次分布的丝束低张力控制机构100、减张控制机构200、丝束送进机构300和运动控制器500；丝束低张力控制机构100包括放料伺服电机101、收料伺服电机102、直线位移传感器103、弹簧元件104、放料辊105、浮动辊106及收料辊107，放料伺服电机101用于驱动放料辊105转动以实现丝束的移动，收料伺服电机102用于驱动收料辊107进行转动，弹簧元件104的自由端与浮动辊106弹性连接且用于驱动浮动辊106沿其弹性形变方向进行往复运动，直线位移传感器103用于实时检测并反馈浮动辊106的位置至运动控制器500；减张控制机构200用于对丝束进行减张处理；运动控制器500用于根据接收到的信号分别控制放料伺服电机101、收料伺服电机102。

在上述实施方式中，铺放开始时，在丝束低张力控制机构100中，由放料伺服电机101驱动放料辊105送料，收料伺服电机102输出恒定的扭矩驱动收料辊107进行衬纸回收。浮动辊106连接着一个弹簧元件104在滑动导轨上进行直线移动，直线位移传感器103可实时反馈浮动辊106的位置。丝束经过浮动辊106后到达减张控制机构200。

放料辊105和收料辊107均是由伺服电机直接驱动，控制系统具有响应快、控制精度高等特点，保证了在高速铺放过程中保持恒力的低张力。

丝束低张力控制机构100不仅可以测量丝束铺放过程中的张力，同时浮动辊106的行程可起到丝束传输过程中的缓冲作用。

由于控制系统启动跟随会存在一定的延时滞后，浮动辊106的位置会偏移设定的位置值，这时需要通过建立浮动辊106的控制系统模型，通过确定控制系统的控制传递函数，来调节运动控制器的PID(Proportional IntegralDerivative，比例积分微分)参数微调整放料伺服电机101的速度，实现对浮动辊106位置的自适应恒定控制，也就是实现了对丝束的自适应恒张力控制。在这里通过对丝束铺放速度的读取来对放料辊105的前馈控制，保证了调节浮动辊106的实时性。另外，通过读取浮动辊106的位置模拟量，通过设置不同位置，可实现不同张力的控制。

作为一种可选的实施方式，如图3所示，减张控制机构200包括第一导向轮201、第二导向轮202及摩擦轮203，第一导向轮201、第二导向轮202均贴合设置于丝束的第一侧表面，摩擦轮203贴合设置于丝束的第二侧表面。

具体地，丝束在压紧轮203的作用下，与第一导向轮201、第二导向轮202充分接触，丝束与摩擦轮203之间形成一定的包络角，利用摩擦传动原理实现丝束铺放过程中低张力向前送丝，过程中减张轮组(即第一导向轮201和第二导向轮202)起到抵消阻力，实现实时力平衡。这时候，丝束从减张控制装置出来后，张力保持恒定且<1N。

作为一种可选的实施方式，如图3所示，摩擦轮203与丝束之间的包络角范围为95°～140°。其中，这样的设置方式能够增加摩擦轮203与丝束之间的摩擦力，以实现向前送丝。

作为一种可选的实施方式，如图4所示，丝束送进机构300包括送丝辊301、压紧轮302、气缸303及铺放速度反馈编码器304，送丝辊301、压紧轮302分别贴合设置于丝束的相对两侧的表面，气缸303用于调节压紧轮302对丝束的压力，铺放速度反馈编码器304用于检测并反馈丝束的铺放速度至运动控制器500。

具体地，压紧轮302以恒定的压力压紧丝束贴近送丝辊301，丝束在送丝辊301的滚动摩擦力和丝束的张力作用下传输到压辊401上，这时候的丝束张力状态基本上保持恒定。

作为一种可选的实施方式，如图1所示，丝束低张力装置还包括第一伺服驱动器601及第二伺服驱动器602，运动控制器500通过第一伺服驱动器601、第二伺服驱动器602分别与对应的放料伺服电机101、收料伺服电机102电控连接。

具体地，第一伺服驱动器601通过速度方式控制放料伺服电机101，第二伺服驱动器602通过力矩方式控制收料伺服电机102，从而实现运动控制器500对放料伺服电机101、收料伺服电机102的精准控制。

作为一种可选的实施方式，放料伺服电机101采用速度控制模式，收料伺服电机102采用力矩控制模式。

在上述实施方式中，两种伺服电机采用两种不同的控制方式，以满足料辊在不同工况下的控制特性。

其中，放料辊105的线速度要求与铺放线速度相匹配，故采用铺放速度的反馈信号进行速度跟随，通过弹簧元件104的位置来精确控制放料辊105的线速度与铺放线速度的一致性，放料伺服电机101采用速度控制模式，通过铺放速度反馈编码器304反馈的丝束铺放速度，来驱动放料伺服电机101运动，运动控制器500根据铺放速度和实时检测放料辊105的直径来调节放料伺服电机101的旋转速度。

其中，收料辊107随着收料的逐渐增多，收料伺服电机102的转动力矩会逐渐增大，在相同电机转速下收料的线速度也会逐渐增大。故对收料辊107的控制方式要求是采用力矩控制方式，通过对收料伺服电机102的输出扭矩进行控制，实现电机转速和收料辊力矩的平衡。

作为一种可选的实施方式，丝束低张力装置还包括信号处理模块700，直线位移传感器103通过信号处理模块700与运动控制器500连接。

具体地，信号处理模块700用于将直线位移传感器103反馈出的浮动辊106的位置信息处理后发送至运动控制器500。

作为一种可选的实施方式，如图1所示，丝束低张力装置还包括压辊401及铺放模具402，压辊401用于将经丝束送进机构300送进的丝束压实并铺放在铺放模具402。

具体地，压辊401压住丝束铺放在铺放模具402上，由于铺放模具形状复杂多变，尤其是旋转模具上会存在小R角区域，铺放速度会发生急速变化。在这种极端工况下，由于运动控制器500有铺放速度的前馈、浮动辊有一定的缓冲量且实时反馈位置、减张控制装置的恒张力控制，这几大优点能够保证丝束的低张力铺放，提高丝束的铺放成型质量。

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)

1.一种复合材料自动铺丝的丝束低张力装置，其特征在于，包括沿丝束运动方向依次分布的丝束低张力控制机构(100)、减张控制机构(200)、丝束送进机构(300)和运动控制器(500)；其中，

所述丝束低张力控制机构(100)包括放料伺服电机(101)、收料伺服电机(102)、直线位移传感器(103)、弹簧元件(104)、放料辊(105)、浮动辊(106)及收料辊(107)，所述放料伺服电机(101)用于驱动所述放料辊(105)转动以实现丝束的移动，所述收料伺服电机(102)用于驱动所述收料辊(107)进行转动，所述弹簧元件(104)的自由端与所述浮动辊(106)弹性连接且用于驱动所述浮动辊(106)沿其弹性形变方向进行往复运动，所述直线位移传感器(103)用于实时检测并反馈所述浮动辊(106)的位置至所述运动控制器(500)；

所述减张控制机构(200)用于对丝束进行减张处理；

所述运动控制器(500)用于根据接收到的信号分别控制所述放料伺服电机(101)、所述收料伺服电机(102)。

2.根据权利要求1所述的复合材料自动铺丝的丝束低张力装置，其特征在于，所述减张控制机构(200)包括第一导向轮(201)、第二导向轮(202)及摩擦轮(203)，所述第一导向轮(201)、所述第二导向轮(202)均贴合设置于丝束的第一侧表面，所述摩擦轮(203)贴合设置于丝束的第二侧表面。

3.根据权利要求2所述的复合材料自动铺丝的丝束低张力装置，其特征在于，所述摩擦轮(203)与丝束之间的包络角范围为95°～140°。

4.根据权利要求1所述的复合材料自动铺丝的丝束低张力装置，其特征在于，所述丝束送进机构(300)包括送丝辊(301)、压紧轮(302)、气缸(303)及铺放速度反馈编码器(304)，所述送丝辊(301)、所述压紧轮(302)分别贴合设置于丝束的相对两侧的表面，所述气缸(303)用于调节所述压紧轮(302)对丝束的压力，所述铺放速度反馈编码器(304)用于检测并反馈丝束的铺放速度至所述运动控制器(500)。

5.根据权利要求4所述的复合材料自动铺丝的丝束低张力装置，其特征在于，所述压紧轮(302)用于以恒定压力压紧丝束以使其贴近所述送丝辊(301)。

6.根据权利要求1所述的复合材料自动铺丝的丝束低张力装置，其特征在于，还包括第一伺服驱动器(601)及第二伺服驱动器(602)，所述运动控制器(500)通过所述第一伺服驱动器(601)、所述第二伺服驱动器(602)分别与对应的所述放料伺服电机(101)、所述收料伺服电机(102)电控连接。

7.根据权利要求1所述的复合材料自动铺丝的丝束低张力装置，其特征在于，所述放料伺服电机(101)采用速度控制模式。

8.根据权利要求1所述的复合材料自动铺丝的丝束低张力装置，其特征在于，所述收料伺服电机(102)采用力矩控制模式。

9.根据权利要求1所述的复合材料自动铺丝的丝束低张力装置，其特征在于，还包括信号处理模块(700)，所述直线位移传感器(103)通过所述信号处理模块(700)与所述运动控制器(500)连接。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的复合材料自动铺丝的丝束低张力装置，其特征在于，还包括压辊(401)及铺放模具(402)，所述压辊(401)用于将经所述丝束送进机构(300)送进的丝束压实并铺放在所述铺放模具(402)。

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