CN116443652A - 一种带重力补偿的热塑性预浸丝束输送张力控制装置 - Google Patents

一种带重力补偿的热塑性预浸丝束输送张力控制装置 Download PDF

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Abstract

一种带重力补偿的热塑性预浸丝束输送张力控制装置，包括控制器和与底座连接的送丝组件、张力控制组件；送丝组件由料卷轴、驱动器、离合器组成，其中料卷轴与驱动器相连，并串联离合器，实现控制驱动器与料卷轴之间的连通与断开，张力控制组件包括导向滚，导向滚安装于底座上，在底座上安装有滑轨，在滑轨上安装有浮动辊，浮动辊通过阻尼器与测力器连接；在底座上安装有倾角传感器，且倾角传感器与滑轨保持平行，测量丝束输送装置相对于大地水平坐标欧拉角，并传输给控制器，实现消除浮动辊自重对张力的影响；本发明实现张力的实时调控，可以自适应消除重力对张力的影响，能够节省空间占用。

Description

一种带重力补偿的热塑性预浸丝束输送张力控制装置
技术领域
本发明涉及复合材料自动铺放设备中丝束输送与张力控制技术领域，具体涉及一种带重力补偿的热塑性预浸丝束输送张力控制装置。
背景技术
先进树脂基复合材料广泛应用于航空航天领域，而自动铺丝技术凭借其自动化程度高、效率高、质量高和适应性强等技术优点，特别适用于机身、机翼、S进气道等大型复合材料构件的制造，已经成为航空航天工业领域中大型复合材料构件主要制造技术。
在纤维铺放工艺中，丝束张力对复合材料制品的强度、抗疲劳性有着非常重要的影响，给予纤维适当的预紧力可以充分发挥复合材料强度高的特点。研究表明，张力过大可能会导致纤维束磨损、断丝、纤维褶皱、架桥等缺陷，从而降低产品质量；张力过小，会使产品的强度不足，抗疲劳性能差。张力选择不当或者张力的不稳定控制，可使铺丝产品的强度损失20％-30％。
目前自动铺放设备中丝束输送与张力控制系统，主要采用气缸作为张力控制元件，中国专利(申请号：202210264037.X，名称为一种铺丝设备中丝束极低张力的分段式控制系统)的张力控制机构采用气缸的往复运动带动浮动辊运动实现，丝束进入张力调控机构，当张力与设定力不一致时，控制系统通过调节调压阀控制气缸运动，同时位移传感器检测浮动辊位移并将信号传输给控制系统，控制电机速度达到调节张力的目的；中国专利(申请号：201110234025.4，名称为一种纤维丝束张力控制装置)的张力辊与向导装置连接，向导装置由摆臂和配重组成，配重可为铁板或者气缸，通过重量或压缩空气对张力辊施压，检测装置将检测到的张力辊位置变化信息反馈给控制器，控制器通过控制电机速度达到调节张力的目的。
以上装置缺点是浮动辊受力时，气缸会产生往复运动，气缸自身所产生的摩擦力是无法消除的，导致张力控制的不稳定影响铺丝质量；且当下自动铺放设备在工作过程中需要同时实现多根丝束的输送，设备体积过大将严重限制可加工零件的尺寸容限，且复杂的机构会造成设备整体重量增大，动态响应性降低，有限的空间造成丝束张力控制装置无法直接使用张力传感器；于此同时，浮动辊的自重也会对张力控制的精确性产生影响。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种带重力补偿的热塑性预浸丝束输送张力控制装置，实现张力的实时调控，可以自适应消除重力对张力的影响，能够节省空间占用。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种带重力补偿的热塑性预浸丝束输送张力控制装置，包括控制器和与底座12连接的送丝组件、张力控制组件；送丝组件由料卷轴1、驱动器2、离合器3组成，其中料卷轴1与驱动器2相连，并串联离合器3，离合器3位于驱动器2与料卷轴1之间，实现控制驱动器2与料卷轴1之间的连通与断开，驱动器2为电机或制动器；
张力控制组件包括导向滚，导向滚4安装于底座12上，在底座12上安装有滑轨6，在滑轨6上安装有浮动辊7，浮动辊7通过阻尼器8与测力器9连接。
在底座12上安装有倾角传感器10，且倾角传感器10与滑轨6保持平行，测量丝束输送装置相对于大地水平坐标欧拉角，并传输给控制器，实现消除浮动辊7自重对张力的影响。
在底座12上安装接近开关11，接近开关11实现对浮动辊7极限位置的测量。
在控制器中设定丝束控制张力为Fn，当检测拉力Ft/2大于Fn时，电机即提高转速，带动料卷轴1转动进行放料，制动器即降低其制动力，料卷轴1转速随即增加，相同，拉力过小时，同样调节方法，实现丝束输送过程中张力的控制。
阻尼器8为直线式阻尼器或摆杆式阻尼器；直线式阻尼器包括弹簧、气缸或者拉力平衡器，阻尼器8一端与浮动辊7相连，另一端与测力器9相连，测力器9安装在滑轨6的一端；直线式阻尼器工作过程为：
1)在控制器中设定丝束控制张力为Fn，当末端丝束被向外抽出后，丝束拉动浮动辊7运动，测力器9测出浮动辊7在阻尼器8带动下向丝束施加反作用力，即2倍丝束张力的Ft；
2)Ft/2大于Fn后，当驱动器2为电机时，电机开始带着料卷轴1转动进行放料；当驱动器2为制动器时，制动器的制动力开始降低，料卷轴1转速增加，驱动器2与料卷轴1之间的离合器3为吸合状态；
3)如果驱动器2响应不及时，造成浮动棍7运动到接近开关11，则离合器3松开，丝束带着料卷轴1转动，当浮动辊7在阻尼器8的拉力下脱离接近开关11，则离合器3吸合，继续由驱动器2带动料卷轴1转动。
摆杆式阻尼器包括扭簧803，扭簧803安装在摆杆801与测力器9之间，摆杆801后装有测力器9，测力器9为扭力传感器，摆杆801上开设有槽并安装浮动辊7，在滑轨6的一侧固定位置传感器13，测力器9测出摆杆801受到的实时扭力，位置传感器13测试浮动辊7的实时位置；摆杆式阻尼器工作过程为：
1)在控制器中设定丝束控制张力为Fn，当末端丝束被向外抽出后，丝束拉动浮动辊7运动，测力器9测出摆杆801受到的扭力Mt,位置传感器13测试浮动辊7的实时位置S；
2)控制器计算出浮动辊7受到的实时拉力Ft，
3)当Ft/2大于Fn后，驱动器2开始带着料卷轴1转动进行放料，驱动器2与料卷轴1之间的离合器3为吸合状态；
4)如果驱动器2响应不及时，造成浮动棍7运动到接近开关11，则离合器3松开，丝束带着料卷轴1转动，当浮动辊7在阻尼器8的拉力下脱离接近开关11，则离合器3吸合，继续由驱动器2带动料卷轴1转动。
当张力过大时，直线式阻尼器要求的浮动辊7在滑轨6行程较长，使用摆杆式阻尼器减小行程，以摆杆代替弹簧，将力转化为摆杆的扭矩，减少浮动辊7滑动距离，节省空间占用。
所述位置传感器13为磁栅尺、光栅尺或超声距离传感器。
与现有技术相比较，本发明具有的有益效果：
1)由于本发明采取的驱动器2可以为主动型的电机或被动型的制动器，当检测拉力Ft/2大于Fn时，电机即提高转速，带动料卷轴1转动进行放料，制动器即降低其制动力，料卷轴1转速随即增加，所以具有张力的实时调控的优点。
2)实际使用过程中浮动辊7的姿态会随着铺丝装置的改变而变化，造成自身重力对丝束张力产生影响，由于本发明采取的张力控制组件带重力补偿，所以具有自适应消除重力对张力影响的优点。
3)由于本发明采取的阻尼器可根据实际情况选择，可以为直线式阻尼器和摆杆式阻尼器，摆杆式阻尼器可以有效减少浮动辊滑动距离，所以具有空间适应性和节省空间占用的优点。
附图说明
图1为本发明正面示意图(直线式阻尼器)。
图2为本发明背面示意图(直线式阻尼器)。
图3为本发明正面示意图(摆杆式阻尼器)。
图4为本发明背面示意图(摆杆式阻尼器)。
图5为本发明摆杆式阻尼器示意图。
图6为本发明张力控制装置丝束受力图。
图7为本发明四丝束输送装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
如图1、图2所示，一种带重力补偿的热塑性预浸丝束输送张力控制装置，包括控制器和与底座12连接的送丝组件、张力控制组件；送丝组件由料卷轴1、驱动器2、离合器3组成，其中料卷轴1与驱动器2相连，并串联离合器3，离合器3位于驱动器2与料卷轴1之间，实现控制驱动器2与料卷轴1之间的连通与断开；当离合器3处于吸合状态时，驱动器2开始带着料卷轴1转动进行放料；当离合器3处于则断开状态时，则碳纤维丝束带着料卷轴1转动；驱动器2为电机或制动器。
张力控制组件由导向滚4、防撞垫5、滑轨6、浮动辊7、阻尼器8、测力器9、倾角传感器10、接近开关11组成，导向滚4安装于底座12上，在底座12上安装有滑轨6，在滑轨6上安装有浮动辊7，浮动辊7可以在滑轨6上左右滑动，滑轨6的一端安装有测力器9，测力器9通过阻尼器8与浮动辊7连接，当绕在浮动辊7上的碳纤维丝束受力后，浮动辊7可以在滑轨6上运动，同时测力器9测出浮动辊7所受的力；
在底座12上安装接近开关11，接近开关11实现对浮动辊7极限位置的测量；如果驱动器2响应不及时，造成浮动棍7运动到接近开关11，则离合器3松开，丝束带着料卷轴1转动，保护结构免受损伤；当浮动辊7在阻尼器8的拉力下脱离接近开关11，则离合器3吸合，继续由驱动器2带动料卷轴1转动。
如图1，2所示，当阻尼器8为直线式阻尼器，阻尼器8为弹簧结构形式，阻尼器8一端与浮动辊7相连，另一端与测力器9相连，测力器9安装在滑轨6的一端，且该端的滑轨6安装有防撞垫5，在张力控制装置失灵的情况下，防止浮动辊7滑出滑轨6而破坏其他机器结构，其具体工作过程为：1)在控制器中设定丝束控制张力为Fn，当末端丝束被向外抽出后，丝束拉动浮动辊7运动，测力器9测出浮动辊7在阻尼器8带动下向丝束施加反作用力，即2倍丝束张力的Ft；2)Ft/2大于Fn后，当驱动器2为电机时，电机开始带着料卷轴1转动进行放料；当驱动器2为制动器时，制动器的制动力开始降低，料卷轴1转速增加，驱动器2与料卷轴1之间的离合器3为吸合状态；3)如果驱动器2响应不及时，造成浮动棍7运动到接近开关11，则离合器3松开，丝束带着料卷轴1转动，保护结构免受损伤；当浮动辊7在阻尼器8的拉力下脱离接近开关11，则离合器3吸合，继续由驱动器2带动料卷轴1转动。
在底座12上安装有倾角传感器10，且倾角传感器10与滑轨6保持平行，可测量丝束输送装置相对于大地水平坐标欧拉角，并传输给控制器，实现消除浮动辊7自重对张力的影响；具体包括以下步骤：
1)在设计过程中，以倾角传感器10中心为原点，确定滑轨6两端坐标分别为(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)；
2)当铺放装置姿态发生改变后，倾角传感器10获得欧拉角(α,β,γ)并传输到控制器；
3)控制器根据所得到的欧拉角对滑轨6原始位置坐标进行坐标转换得到(x3,y3,z3)和(x4,y4,z4),公式为：
4)控制器计算得出滑轨6与水平面夹角θ的实时数据：
5)根据夹角θ，控制器对系统丝束的实时张力值修正为：
如图3、图4、图5所示，当阻尼器8为摆杆式阻尼器时，摆杆801后装有测力器9，测力器9为扭力传感器，扭簧803安装在摆杆801与测力器9之间，摆杆801上开设有槽并安装浮动辊7，在滑轨6的一侧固定位置传感器13，测力器9测出摆杆801受到的实时扭力，位置传感器13测试浮动辊7的实时位置。其具体工作过程为：(1)在控制器中设定丝束控制张力为Fn，当末端丝束被向外抽出后，丝束拉动浮动辊7运动，测力器9测出此时摆杆801受到的扭力Mt,位置传感器13测试浮动辊7的实时位置S。(2)控制器计算出浮动辊7受到的实时拉力Ft，(3)当Ft/2大于Fn后，驱动器2开始带着料卷轴1转动进行放料，驱动器2与料卷轴1之间的离合器3为吸合状态。(4)如果驱动器2响应不及时，造成浮动棍7运动到接近开关11，则离合器3松开，丝束带着料卷轴1转动，保护结构免受损伤，当浮动辊7在阻尼器8的拉力下脱离接近开关11，则离合器3吸合，继续由驱动器2带动料卷轴1转动。
如图6所示，当浮动辊7与测力器9连接的阻尼器8为直线式阻尼器，对浮动辊7进行受力分析，忽略导向滚4、浮动辊7与纤维之间的摩擦，在控制系统中设定丝束控制张力为Fn，即导向滚4末端处纤维张力为Fn，当末端丝束被向外抽出后，绕过浮动辊7的丝束会拉动浮动辊7运动，浮动辊7在阻尼器8的带动下向丝束是施加反作用力-Fn，即2倍丝束张力的Ft，Ft＝2Fn,实时的张力值，由测力器9测出，根据测力器9的具体数据传输给控制器，控制器根据实时张力控制驱动器2运动。
如图7所示，使用过程中，可以根据空间分配需求调整张力控制组件位置，在不改变张力控制组件结构形式，可增加一组或者多组张力控制组件，替换方便，实现无论是单丝铺放还是多丝铺放情况下，张力的实时控制。

Claims (8)

1.一种带重力补偿的热塑性预浸丝束输送张力控制装置，其特征在于：包括控制器和与底座(12)连接的送丝组件、张力控制组件；送丝组件由料卷轴(1)、驱动器(2)、离合器(3)组成，其中料卷轴(1)与驱动器(2)相连，并串联离合器(3)，离合器(3)位于驱动器(2)与料卷轴(1)之间，实现控制驱动器(2)与料卷轴(1)之间的连通与断开，驱动器(2)为电机或制动器；
张力控制组件包括导向滚(4)，导向滚(4)安装于底座(12)上，在底座(12)上安装有滑轨(6)，在滑轨(6)上安装有浮动辊(7)，浮动辊(7)通过阻尼器(8)与测力器(9)连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：在底座(12)上安装有倾角传感器(10)，且倾角传感器(10)与滑轨(6)保持平行，测量丝束输送装置相对于大地水平坐标欧拉角，并传输给控制器，实现消除浮动辊(7)自重对张力的影响。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：在底座(12)上安装接近开关(11)，接近开关(11)实现对浮动辊(7)极限位置的测量。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：在控制器中设定丝束控制张力为Fn，当检测拉力Ft/2大于Fn时，电机即提高转速，带动料卷轴(1)转动进行放料，制动器即降低其制动力，料卷轴(1)转速随即增加，拉力过小时，同样调节方法，实现丝束输送过程中张力的控制。
5.根据权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于：阻尼器(8)为直线式阻尼器或摆杆式阻尼器；直线式阻尼器包括弹簧、气缸或者拉力平衡器，阻尼器(8)一端与浮动辊(7)相连，另一端与测力器(9)相连，测力器(9)安装在滑轨(6)的一端；
直线式阻尼器工作过程为：1)在控制器中设定丝束控制张力为Fn，当末端丝束被向外抽出后，丝束拉动浮动辊(7)运动，测力器(9)测出浮动辊(7)在阻尼器(8)带动下向丝束施加反作用力，即2倍丝束张力的Ft；
2)Ft/2大于Fn后，当驱动器(2)为电机时，电机开始带着料卷轴(1)转动进行放料；当驱动器(2)为制动器时，制动器的制动力开始降低，料卷轴(1)转速增加，驱动器(2)与料卷轴(1)之间的离合器(3)为吸合状态；
3)如果驱动器(2)响应不及时，造成浮动棍(7)运动到接近开关(11)，则离合器(3)松开，丝束带着料卷轴(1)转动，当浮动辊(7)在阻尼器(8)的拉力下脱离接近开关(11)，则离合器(3)吸合，继续由驱动器(2)带动料卷轴(1)转动。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，摆杆式阻尼器包括扭簧(803)，扭簧(803)安装在摆杆(801)与测力器(9)之间，摆杆(801)后装有测力器(9)，测力器(9)为扭力传感器，摆杆(801)上安装浮动辊(7)，在滑轨(6)的一侧固定位置传感器(13)，测力器(9)测出摆杆(801)受到的实时扭力，位置传感器(13)测试浮动辊(7)的实时位置；
摆杆式阻尼器工作过程为：1)在控制器中设定丝束控制张力为Fn，当末端丝束被向外抽出后，丝束拉动浮动辊(7)运动，测力器(9)测出摆杆(801)受到的扭力Mt,位置传感器(13)测试浮动辊7的实时位置S；
2)控制器计算出浮动辊(7)受到的实时拉力Ft，
3)当Ft/2大于Fn后，驱动器(2)开始带着料卷轴(1)转动进行放料，驱动器(2)与料卷轴(1)之间的离合器(3)为吸合状态；
4)如果驱动器(2)响应不及时，造成浮动棍(7)运动到接近开关(11)，则离合器(3)松开，丝束带着料卷轴(1)转动，当浮动辊(7)在阻尼器(8)的拉力下脱离接近开关(11)，则离合器(3)吸合，继续由驱动器(2)带动料卷轴(1)转动。
7.根据权利要求6或5所述的装置，其特征在于，当张力大时，直线式阻尼器要求的浮动辊(7)在滑轨(6)行程长，使用摆杆式阻尼器减小行程，将力转化为摆杆的扭矩，减少浮动辊(7)滑动距离。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述位置传感器(13)为磁栅尺、光栅尺或超声距离传感器。
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