CN117775871A - 一种同轴双锭收卷设备及其收卷张力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及碳纤维生产技术领域，尤其涉及一种同轴双锭收卷设备及其收卷张力控制方法，其中，收卷机构包括收卷轴和沿其轴向依次套设其上的第一卷筒和第二卷筒，收卷机构中的同一收卷轴上设置有两锭卷筒，实现两根碳纤维纱线的同步收卷，提高收卷效率；在直线模组上设置有第一导纱架和第二导纱架且分别与第一卷筒和第二卷筒对应设置，分别实现两卷筒轴向的均匀排纱，张力机构中对应两收卷卷筒设置有第一张力组件和第二张力组件，用于分别调节两根碳纤维纱线的张力，其中，第一张力组件和第二张力组件通过连杆相连，第二张力组件与气缸相连，通过一个气缸实现整体张力机构的调控，维持碳纤维纱线的恒张力收卷过程，确保收卷质量。

Description

一种同轴双锭收卷设备及其收卷张力控制方法

技术领域

本发明涉及碳纤维生产技术领域，尤其涉及一种同轴双锭收卷设备及其收卷张力控制方法。

背景技术

在碳纤维的收卷过程中，要求将纱线均匀缠绕在收卷卷筒上，而收卷过程中纱线的张力变化会影响其在卷筒上的收卷质量；现有的碳纤维收卷机采用单轴单锭的收卷机构，只能实现一根碳纤维的连续收卷，收卷效率较低；当采用同轴双锭收卷机构提高碳纤维的收卷效率时，现有的张力机构无法满足其正常收卷。

发明内容

本发明提供了一种同轴双锭收卷设备及其收卷张力控制方法，可有效解决背景技术中的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种同轴双锭收卷设备，包括安装架和设置其上的导纱机构、张力机构、排纱机构和收卷机构，所述导纱机构和所述张力机构均设置在所述排纱机构上方，所述排纱机构对应所述收卷机构设置在其水平一侧；

所述收卷机构包括收卷轴和沿其轴向依次套设其上的第一卷筒和第二卷筒，所述收卷轴通过动力装置驱动转动；

所述排纱机构包括直线模组和设置其上的第一导纱架和第二导纱架，所述第一导纱架和所述第二导纱架分别与所述第一卷筒和所述第二卷筒对应设置，并通过所述直线模组驱动沿其长度方向移动，所述直线模组与所述收卷轴平行设置；

所述张力机构包括第一张力组件和第二张力组件，所述第一张力组件和所述第二张力组件分别与所述第一导纱架和所述第二导纱架对应设置，并通过连杆相连，所述第二张力组件与气缸相连。

进一步的，所述第一张力组件包括第一支座和设置其上的第一摆杆，所述第一摆杆与所述第一支座转动连接，并在连接处设置有第一导向轮，在所述第一摆杆上位于所述第一导向轮两侧分别设置有第一张力轮和第一配重块；

所述第二张力组件包括第二支座和设置其上的第二摆杆，所述第二摆杆与所述第二支座转动连接，并在连接处设置有第二导向轮，在所述第二摆杆上位于所述第二导向轮两侧分别设置有第二张力轮和第二配重块。

进一步的，所述第一张力组件设置在所述第二张力组件上方，所述连杆两端分别与所述第一摆杆和所述第二摆杆相连，且连接处分别为所述第一张力轮和所述第二张力轮的安装位置；

所述气缸设置在所述第二张力组件下方，且其输出轴与所述第二摆杆相连，所述气缸输出轴与所述第二摆杆的连接处位于所述第二张力轮和所述第二导向轮之间。

进一步的，所述导纱机构包括第一导入轮、第二导入轮和导出轮，所述第一导入轮和所述第二导入轮分别对应所述第一张力轮和所述第二张力轮设置在其斜上方；

所述第二导向轮对应所述第二卷筒的中部位置设置，且位于所述第二导纱架上方，所述导出轮设置在所述第一导向轮远离所述第一张力轮的一侧，所述导出轮对应所述第一卷筒中部位置设置，且位于所述第一导纱架上方。

进一步的，在所述第一摆杆和所述第二摆杆上均设置有角度传感器，且两所述角度传感器分别位于两摆杆与所述第一支座和所述第二支座的连接处。

进一步的，在所述第一摆杆和所述第二摆杆上分别对应所述第一配重块和所述第二配重块开设有第一安装孔和第二安装孔；

所述第一安装孔和所述第二安装孔分别沿所述第一摆杆和所述第二摆杆的长度方向设置。

一种同轴双锭收卷设备的收卷张力控制方法，采用上述同轴双锭收卷设备，包括以下步骤：

调节第一张力组件和第二张力组件中第一摆杆和第二摆杆分别与第一支座和第二支座的连接位置，再调节两摆杆第一配重块和第二配重块的安装位置；

人工上纱使第一根碳纤维依次绕设通过第一导入轮、第一张力轮、第一导向轮、导入轮和第一导纱架至第一卷筒；

将第二根碳纤维依次绕设通过第二导入轮、第二张力轮、第二导向轮和第二导纱架至第二卷筒；

建立卷筒收卷卷径D与碳纤维张力值F₅间的函数模型，并对应不同卷径区间设定气缸对第二张力组件的拉力F₁；

在对第一卷筒和第二卷筒完成初步人工绕纱后，启动动力装置驱动收卷轴同步收卷两根碳纤维；

通过传感器检测收卷轴上碳纤维绕卷卷径，并反馈至控制中心，通过角度传感器分别检测第一摆杆和第二摆杆的摆动角度，通过控制中心控制气缸拉力。

进一步的，在碳纤维收卷过程中，任一卷径区间均对应设定一个气缸拉力值；

在卷径区间内，通过控制中心控制动力装置调节收卷轴转速，使该卷径区间内收卷轴转速与卷径呈反比设置；

当收卷过渡至下一卷径区间内后，通过控制中心调节气缸拉力值F₁，具体通过如下公式：

F₁＝2F₂L₂/L₁；

F₅＝F₂COSθ；

其中，F₂表示碳纤维作用于在张力轮上的合力，θ为F₂与F₅间的夹角，L₁和L₂分别为气缸拉力和张力轮上合力的力臂。

进一步的，在卷筒收卷卷径D与碳纤维张力值F₅间的函数模型建立过程中：

首先设定张力-卷径函数模型如下：

再分别代入收卷轴上空卷卷筒和满卷卷筒在收卷过程中，碳纤维作用于张力轮上的张力值F_5空卷和F_5满卷，计算得到模型公式系数k和b；

最后得到碳纤维张力值F₅与卷筒收卷卷径D函数模型：

进一步的，当角度传感器检测到第一摆杆或者第二摆杆出现大角度摆动后，通过控制中心触发警报，并停机进行人工处理。

本发明的有益效果为：

在本发明中，收卷机构中的同一收卷轴上设置有两锭卷筒，实现两根碳纤维纱线的同步收卷，提高收卷效率；在直线模组上设置有两个导纱架，分别实现两卷筒轴向的均匀排纱，张力机构中对应两收卷卷筒设置有两个张力组件，用于分别调节两根碳纤维纱线的张力，其中，第一张力组件和第二张力组件通过连杆相连，还与气缸相连，通过一个气缸实现整体张力机构的调控，维持碳纤维纱线的恒张力收卷过程，确保收卷质量。

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为本发明实施例中同轴双锭收卷设备的结构示意图；

图2为本发明实施例中导纱机构和张力机构的结构示意图；

图3为本发明实施例中同轴双锭收卷设备的走纱示意图；

图4为本发明实施例中第一张力组件的受力分析图；

图5为本发明实施例中第二张力组件的受力分析图。

附图标记：1、安装架；2、导纱机构；21、第一导入轮；22、第二导入轮；23、导出轮；3、张力机构；31、第一张力组件；311、第一支座；312、第一摆杆；312a、第一安装孔；313、第一导向轮；314、第一张力轮；315、第一配重块；32、第二张力组件；321、第二支座；322、第二摆杆；322a、第二安装孔；323、第二导向轮；324、第二张力轮；325、第二配重块；33、连杆；34、气缸；4、排纱机构；41、直线模组；42、第一导纱架；43、第二导纱架；5、收卷机构；51、收卷轴；52、第一卷筒；53、第二卷筒；54、动力装置。

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5所示的一种同轴双锭收卷设备，包括安装架1和设置其上的导纱机构2、张力机构3、排纱机构4和收卷机构5，导纱机构2和张力机构3均设置在排纱机构4上方，排纱机构4对应收卷机构5设置在其水平一侧。

具体的，收卷机构5包括收卷轴51和沿其轴向依次套设其上的第一卷筒52和第二卷筒53，收卷轴51通过动力装置54驱动转动；排纱机构4包括直线模组41和设置其上的第一导纱架42和第二导纱架43，第一导纱架42和第二导纱架43分别与第一卷筒52和第二卷筒53对应设置，并通过直线模组41驱动沿其长度方向移动，直线模组41与收卷轴51平行设置；张力机构3包括第一张力组件31和第二张力组件32，第一张力组件31和第二张力组件32分别与第一导纱架42和第二导纱架43对应设置，并通过连杆33相连，第二张力组件32与气缸34相连。

在本发明中，收卷机构5中的同一收卷轴51上设置有两锭卷筒，实现两根碳纤维纱线的同步收卷，提高收卷效率；在直线模组41上设置有两个导纱架，分别实现两卷筒轴向的均匀排纱，张力机构3中对应两收卷卷筒设置有两个张力组件，用于分别调节两根碳纤维纱线的张力，其中，第一张力组件31和第二张力组件32通过连杆33相连，还与气缸34相连，通过一个气缸34实现整体张力机构3的调控，维持碳纤维纱线的恒张力收卷过程，确保收卷质量。

作为本发明的优选实施例，如图2所示的张力机构3具体结构，其中第一张力组件31和第二张力组件32采用相同的张紧结构，具体的，第一张力组件31包括第一支座311和设置其上的第一摆杆312，第一摆杆312与第一支座311转动连接，并在连接处设置有第一导向轮313，在第一摆杆312上位于第一导向轮313两侧分别设置有第一张力轮314和第一配重块315；第二张力组件32包括第二支座321和设置其上的第二摆杆322，第二摆杆322与第二支座321转动连接，并在连接处设置有第二导向轮323，在第二摆杆322上位于第二导向轮323两侧分别设置有第二张力轮324和第二配重块325。

在第一张力组件31和第二张力组件32的张紧结构中，通过配重块平衡摆杆另一端的张力轮重力所产生的力矩，使气缸34对绕设通过张力轮上的碳纤维纱线张力值控制更精确。

通过在摆杆上位于其与支座的连接位置设置导向轮，使绕设通过张力轮的碳纤维纱线在张力轮两侧的导入以及导出位置固定，降低碳纤维纱线往复收卷过程中对张力值造成的影响。

进一步的，第一张力组件31设置在第二张力组件32上方，连杆33两端分别与第一摆杆312和第二摆杆322相连，且连接处分别为第一张力轮314和第二张力轮324的安装位置；气缸34设置在第二张力组件32下方，且其输出轴与第二摆杆322相连，气缸34输出轴与第二摆杆322的连接处位于第二张力轮324和第二导向轮323之间。

导纱机构2包括第一导入轮21、第二导入轮22和导出轮23，第一导入轮21和第二导入轮22分别对应第一张力轮314和第二张力轮324设置在其斜上方；第二导向轮323对应第二卷筒53的中部位置设置，且位于第二导纱架43上方，导出轮23设置在第一导向轮313远离第一张力轮314的一侧，导出轮23对应第一卷筒52中部位置设置，且位于第一导纱架42上方。

将第一张力组件31对应第二张力组件32设置在其上方，且连杆33连接两摆杆设有张力轮的一端，使连杆33竖直设置，作用于第一张力轮314上的拉力沿竖直方向传递，最终实现气缸34施加于第二摆杆322上的拉力力矩为碳纤维纱线作用于张力轮上合力力矩的两倍，便于气缸34对两张力组件的精确把控。

在本实施例中，在第一摆杆312和第二摆杆322上均设置有角度传感器，且两角度传感器分别位于两摆杆与第一支座311和第二支座321的连接处。通过角度传感器检测摆杆的摆动角度，识别碳纤维纱线张力出现较大波动的情况。

在本实施例中，在第一摆杆312和第二摆杆322上分别对应第一配重块315和第二配重块325开设有第一安装孔312a和第二安装孔322a；第一安装孔312a和第二安装孔322a分别沿第一摆杆312和第二摆杆322的长度方向设置。通过调整配重块在安装孔中的位置调节其与支座的距离，改变配重块力矩，实现配重块重力与张力轮重力力矩的平衡。

本发明还进一步公开了一种同轴双锭收卷设备的收卷张力控制方法，采用上述同轴双锭收卷设备，包括以下步骤：

调节第一张力组件31和第二张力组件32中第一摆杆312和第二摆杆322分别与第一支座311和第二支座321的连接位置，再调节两摆杆第一配重块315和第二配重块325的安装位置；

人工上纱使第一根碳纤维依次绕设通过第一导入轮21、第一张力轮314、第一导向轮313、导入轮和第一导纱架42至第一卷筒52；

将第二根碳纤维依次绕设通过第二导入轮22、第二张力轮324、第二导向轮323和第二导纱架43至第二卷筒53；

建立卷筒收卷卷径D与碳纤维张力值F₅间的函数模型，并对应不同卷径区间设定气缸对第二张力组件的拉力F₁；

在对第一卷筒和第二卷筒完成初步人工绕纱后，启动动力装置驱动收卷轴同步收卷两根碳纤维；

通过传感器检测收卷轴上碳纤维绕卷卷径，并反馈至控制中心，通过角度传感器分别检测第一摆杆和第二摆杆的摆动角度，通过控制中心控制气缸拉力。

其中，在碳纤维收卷过程中，任一卷径区间均对应设定一个气缸拉力值；

在卷径区间内，通过控制中心控制动力装置调节收卷轴转速，使该卷径区间内收卷轴转速与卷径呈反比设置；

当收卷过渡至下一卷径区间内后，通过控制中心调节气缸拉力值F₁，具体通过如下公式：

F₁＝2F₂L₂/L₁；

F₅＝F₂COSθ；

其中，F₂表示碳纤维作用于在张力轮上的合力，θ为F₂与F₅间的夹角，L₁和L₂分别为气缸拉力和张力轮上合力的力臂，在通过张力轮调节碳纤维纱线张力值过程中，角度θ增大，对应的F2增大、L2增大、L1减小。

如图4和图5所示，其中分别可知第一张力组件和第二张力组件的受力分析示意图，其中，单根碳纤维纱线的张力为F₅，单根碳纤维纱线对张力轮合力为F₂，力臂为L₂；F₂与F₅的夹角为θ，配重块的重力为F₃，力臂为L₃；张力轮的重力为F₄，力臂为L₄；气缸拉力为F₁，力臂为L₁；连杆分别作用于第一张力组件和第二张力组件上的平衡力分别为F₆和F₇，力臂为L₆和L₇。

为了保证碳纤维纱线的张力稳定，张力轮在摆动轨迹的每个点上，需要保持力矩平衡，由此可以得到第一张力组件的力矩平衡公式，如下所示：

F₃L₃+F₆L₆＝F₂L₂+F₄L₄；

其中，张力轮与配重块产生的力矩基本相等，即F₃*L₃≈F₄*L₄，因此可知：F₆L₆＝F₂L₂，得到连杆拉力：F₆＝F₂L₂/L₆。

如图5所示的第二张力组件，同上所述，得到第二张力组件的力矩平衡公式，如下所示：

F₂L₂+F₇L₇＝F₁L₁；

其中，由于F₆与F₇是作用力与反作用力，大小相等，方向相反，可知F₆＝F₇，L₆＝L₇。

综上所述，可求得：

F₂L₂+(F₂L₂/L₆)*L₇＝F₁L₁；

即可得：

2F₂L₂＝F₁L₁；

单根碳纤维纱线对张力轮合力为：

F₂＝F₁L₁/2L₂；

单根碳纤维纱线张力为：

F₅＝F₂COSθ；

得到：

F₂＝F₅/COSθ。

控制中心通过函数模型根据实时收卷卷径计算得到对应碳纤维纱线张力值，在卷筒收卷卷径D与碳纤维张力值F₅间的函数模型建立过程中：

首先设定张力-卷径函数模型如下：

再分别代入收卷轴上空卷卷筒和满卷卷筒在收卷过程中，碳纤维作用于张力轮上的张力值F_5空卷和F_5满卷，计算得到模型公式系数k和b；

最后得到碳纤维张力值F₅与卷筒收卷卷径D函数模型：

当角度传感器检测到第一摆杆或者第二摆杆出现大角度摆动后，通过控制中心触发警报，并停机进行人工处理。当一路纱断开后，碳纤维纱线张力会有较大波动，通过角度传感器反馈，在卷绕过程中摆杆波动超过设定安全角度，则判断断纱。

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)

1.一种同轴双锭收卷设备，其特征在于，包括安装架(1)和设置其上的导纱机构(2)、张力机构(3)、排纱机构(4)和收卷机构(5)，所述导纱机构(2)和所述张力机构(3)均设置在所述排纱机构(4)上方，所述排纱机构(4)对应所述收卷机构(5)设置在其水平一侧；

所述收卷机构(5)包括收卷轴(51)和沿其轴向依次套设其上的第一卷筒(52)和第二卷筒(53)，所述收卷轴(51)通过动力装置(54)驱动转动；

所述排纱机构(4)包括直线模组(41)和设置其上的第一导纱架(42)和第二导纱架(43)，所述第一导纱架(42)和所述第二导纱架(43)分别与所述第一卷筒(52)和所述第二卷筒(53)对应设置，并通过所述直线模组(41)驱动沿其长度方向移动，所述直线模组(41)与所述收卷轴(51)平行设置；

所述张力机构(3)包括第一张力组件(31)和第二张力组件(32)，所述第一张力组件(31)和所述第二张力组件(32)分别与所述第一导纱架(42)和所述第二导纱架(43)对应设置，并通过连杆(33)相连，所述第二张力组件(32)与气缸(34)相连。

2.根据权利要求1所述的同轴双锭收卷设备，其特征在于，所述第一张力组件(31)包括第一支座(311)和设置其上的第一摆杆(312)，所述第一摆杆(312)与所述第一支座(311)转动连接，并在连接处设置有第一导向轮(313)，在所述第一摆杆(312)上位于所述第一导向轮(313)两侧分别设置有第一张力轮(314)和第一配重块(315)；

所述第二张力组件(32)包括第二支座(321)和设置其上的第二摆杆(322)，所述第二摆杆(322)与所述第二支座(321)转动连接，并在连接处设置有第二导向轮(323)，在所述第二摆杆(322)上位于所述第二导向轮(323)两侧分别设置有第二张力轮(324)和第二配重块(325)。

3.根据权利要求2所述的同轴双锭收卷设备，其特征在于，所述第一张力组件(31)设置在所述第二张力组件(32)上方，所述连杆(33)两端分别与所述第一摆杆(312)和所述第二摆杆(322)相连，且连接处分别为所述第一张力轮(314)和所述第二张力轮(324)的安装位置；

所述气缸(34)设置在所述第二张力组件(32)下方，且其输出轴与所述第二摆杆(322)相连，所述气缸(34)输出轴与所述第二摆杆(322)的连接处位于所述第二张力轮(324)和所述第二导向轮(323)之间。

4.根据权利要求3所述的同轴双锭收卷设备，其特征在于，所述导纱机构(2)包括第一导入轮(21)、第二导入轮(22)和导出轮(23)，所述第一导入轮(21)和所述第二导入轮(22)分别对应所述第一张力轮(314)和所述第二张力轮(324)设置在其斜上方；

所述第二导向轮(323)对应所述第二卷筒(53)的中部位置设置，且位于所述第二导纱架(43)上方，所述导出轮(23)设置在所述第一导向轮(313)远离所述第一张力轮(314)的一侧，所述导出轮(23)对应所述第一卷筒(52)中部位置设置，且位于所述第一导纱架(42)上方。

5.根据权利要求2所述的同轴双锭收卷设备，其特征在于，在所述第一摆杆(312)和所述第二摆杆(322)上均设置有角度传感器，且两所述角度传感器分别位于两摆杆与所述第一支座(311)和所述第二支座(321)的连接处。

6.根据权利要求2所述的同轴双锭收卷设备，其特征在于，在所述第一摆杆(312)和所述第二摆杆(322)上分别对应所述第一配重块(315)和所述第二配重块(325)开设有第一安装孔(312a)和第二安装孔(322a)；

所述第一安装孔(312a)和所述第二安装孔(322a)分别沿所述第一摆杆(312)和所述第二摆杆(322)的长度方向设置。

7.一种同轴双锭收卷设备的收卷张力控制方法，其特征在于，采用上述权利要求1～6任一项所述的同轴双锭收卷设备，包括以下步骤：

调节第一张力组件和第二张力组件中第一摆杆和第二摆杆分别与第一支座和第二支座的连接位置，再调节两摆杆第一配重块和第二配重块的安装位置；

人工上纱使第一根碳纤维依次绕设通过第一导入轮、第一张力轮、第一导向轮、导入轮和第一导纱架至第一卷筒；

将第二根碳纤维依次绕设通过第二导入轮、第二张力轮、第二导向轮和第二导纱架至第二卷筒；

建立卷筒收卷卷径D与碳纤维张力值F₅间的函数模型，并对应不同卷径区间设定气缸对第二张力组件的拉力F₁；

在对第一卷筒和第二卷筒完成初步人工绕纱后，启动动力装置驱动收卷轴同步收卷两根碳纤维；

通过传感器检测收卷轴上碳纤维绕卷卷径，并反馈至控制中心，通过角度传感器分别检测第一摆杆和第二摆杆的摆动角度，通过控制中心控制气缸拉力。

8.根据权利要求7所述的同轴双锭收卷设备的收卷张力控制方法，其特征在于，在碳纤维收卷过程中，任一卷径区间均对应设定一个气缸拉力值；

在卷径区间内，通过控制中心控制动力装置调节收卷轴转速，使该卷径区间内收卷轴转速与卷径呈反比设置；

当收卷过渡至下一卷径区间内后，通过控制中心调节气缸拉力值F₁，具体通过如下公式：

F₁＝2F₂L₂/L₁；

F₅＝F₂COSθ；

其中，F₂表示碳纤维作用于在张力轮上的合力，θ为F₂与F₅间的夹角，L₁和L₂分别为气缸拉力和张力轮上合力的力臂。

9.根据权利要求7所述的同轴双锭收卷设备的收卷张力控制方法，其特征在于，在卷筒收卷卷径D与碳纤维张力值F₅间的函数模型建立过程中：

首先设定张力-卷径函数模型如下：

再分别代入收卷轴上空卷卷筒和满卷卷筒在收卷过程中，碳纤维作用于张力轮上的张力值F_5空卷和F_5满卷，计算得到模型公式系数k和b；

最后得到碳纤维张力值F₅与卷筒收卷卷径D函数模型：

10.根据权利要求7所述的同轴双锭收卷设备的收卷张力控制方法，其特征在于，当角度传感器检测到第一摆杆或者第二摆杆出现大角度摆动后，通过控制中心触发警报，并停机进行人工处理。