CN120841308A - 一种纤维缠绕机的收放卷装置及全自动张力调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维缠绕机的收放卷装置及全自动张力调节方法，属于复合材料缠绕技术领域。收放卷装置包括放卷装置和收卷装置，收卷装置包括缠绕工件；放卷装置包括放卷框架、放卷机构、张力调节机构和测长机构；放卷机构包括用于放置外纱筒的外抽纱放卷组件和用于放置内纱筒的内抽纱放卷组件，张力调节机构包括张紧组件和张力组件；内纱筒或外纱筒上的纱线依次经过张紧组件、张力组件、测长机构，缠绕在收卷装置的缠绕工件上，张紧组件用于为纱线提供初始张紧力，张力组件用于调节纱线张力，测长机构用于测量纱线的放卷长度。本发明可实现内抽纱、外抽纱两种纱筒的缠绕以及纱线张力的自动调节，提高了绕纱效率和绕纱质量。

Description

一种纤维缠绕机的收放卷装置及全自动张力调节方法

技术领域

本发明涉及复合材料缠绕技术领域，具体涉及一种纤维缠绕机的收放卷装置及全自动张力调节方法。

背景技术

缠绕机(Winding Machine)是复合材料成型工艺中用于将纤维(如玻璃纤维、碳纤维)或预浸纱按照特定路径缠绕到芯模(模具)上的专用设备，其性能直接影响构件的力学性能和生产效率。如中国专利CN119041108A公开了一种连续化刺缝预制体的制备方法及装置，包括：放卷、放纱机构、刺缝机构、下样收卷机构；刺缝机构设置于放卷、放纱机构与下样收卷机构之间；其中，托板与放纱架用螺栓连接，磁粉张控制器用螺栓固定在托板上，磁粉张力控制器通过两个轴承座与两个气胀轴连接；放纱板焊接在放纱架的上层位置；放纱板按规则开孔形成临缝齿，放纱座按照规律焊接在放纱板上；四个轴承座由螺栓固定在放纱架上，两个气胀轴的两端通过轴承连接轴承座。CN110948912A公开了一种热塑性连续碳纤维单向带的生产设备，包括依序设置的纤维放卷装置、展纱机构、浸渍装置、压平机构、冷却板、裁边装置、牵引辊、两个废边收卷机、横向裁切机和收卷装置。纤维放卷装置包括机架、两组纱筒芯轴、两组导纱辊、两组导纱瓷眼、两组过渡纱辊和四个移动轮；展纱机构包括依序设置的第一导向辊、筘门、分纱牵引机、展纱过渡辊、震动辊、两个张力主动辊、两个张力浮动辊和第二导向辊。

现有缠绕机的收放卷装置存在以下问题：

1、放卷装置采用气胀轴固定纱筒，气胀轴无内部夹持结构，无法提供内抽纱所需的固定力，内抽纱常用于需从纱筒内部引出纤维的特殊工艺(如某些预浸纱包装或特殊编织结构)，气胀轴设计无法满足此类需求，因此只适用于外抽纱纱筒的缠绕，无法适用于内抽纱纱筒的缠绕。

2、现有放卷装置通过气胀轴为纱筒提供预张紧力，该方式无法用于内抽纱；并且，当气胀轴电机与收卷电机配合不当时，纱线张紧力的控制较为困难，容易产生断纱或出现叠纱、松弛褶皱。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种纤维缠绕机的收放卷装置及全自动张力调节方法。

本发明采用的技术方案是：

一种缠绕机的收放卷装置，包括放卷装置和收卷装置，收卷装置包括收卷框架和安装在收卷框架上的缠绕工件；放卷装置包括放卷框架及安装在放卷框架上的放卷机构、张力调节机构和测长机构；放卷机构包括用于放置外纱筒的外抽纱放卷组件和用于放置内纱筒的内抽纱放卷组件，张力调节机构包括张紧组件和张力组件；内纱筒或外纱筒上的纱线依次经过张紧组件、张力组件、测长机构，缠绕在收卷装置的缠绕工件上，张紧组件用于为纱线提供初始张紧力，张力组件用于调节纱线张力，测长机构用于测量纱线的放卷长度。

进一步地，张紧组件包括张紧轮固定板、自上而下地呈S形垂直固定在张紧轮固定板上的若干张紧轮、固定在张紧轮下方的第一穿线板。

利用张紧轮的摩擦力为纱线提供初始张力，使得进入张力组件的纱线为张紧状态，从而实现内、外抽纱纱筒的放卷。

进一步地，张紧轮由黄铜棒制成，通过腰型孔位置可调地固定在张紧轮固定板上；第一穿线板的孔眼中粘贴有氧化钛陶瓷眼。

通过腰型孔可调节纱线初始张力的大小；黄铜具有良好的力学性能和耐磨性，且易于加工和抛光，可大大改善纱线摩擦起毛刺的问题。氧化钛陶瓷眼可减小对纱线的摩擦损伤。

进一步地，张力组件包括张力杆组件、电磁阻尼器、第二穿线板、张力传感器、张力控制器和过线轮，纱线穿过第二穿线板的陶瓷眼孔眼，依次缠绕过线轮、电磁阻尼器、张力传感器，最后从张力杆组件的张力杆过线轮绕出；张力传感器与电磁阻尼器通过张力控制器闭环控制，用于调节纱线张力。

陶瓷眼孔用于减少纱线摩擦损伤，过线轮引导纱线方向，避免干涉并优化张力分布。张力杆组件导向纱线，其过线轮可辅助微调张力。电磁阻尼器可根据信号调整阻尼力，动态改变纱线张力。通过张力组件的设置，可实现收放卷过程中纱线的恒定张力控制，防止纱线断头或松弛。

进一步地，电磁阻尼器的输出轴上套装有阻尼轮，阻尼轮材质为耐磨聚氨酯胶。使纱线在阻尼轮上不打滑，提高传动效率。

进一步地，测长机构包括测长安装板和安装在测长安装板上的计米器和井字形导纱架；计米器用于检测纱线的收放卷长度，包括计米轮、编码器和控制器；井字形导纱架位于计米器的两侧，用于引导纱线从计米轮经过；井字形导纱架由交叉为井字形的4根可转动筒组成。

计米轮由纱线带动转动，从而带动编码器内部的码盘旋转，编码器随计米轮旋转时，输出一系列电脉冲信号，控制器实时采集这些脉冲信号，根据计米轮的周长和编码器的脉冲当量，将脉冲数转换为纱线移动的实际长度，即纱线的收放卷长度，从而精确测量纱线长度。井字形导纱架的设置，可引导纱线平稳通过计米轮，避免纱线跑偏或摩擦损伤。

进一步地，外抽纱放卷组件包括悬臂式气胀轴，悬臂式气胀轴可自由转动地安装在放卷框架的外侧；内抽纱放卷组件包括纱筒固定板，纱筒固定板水平安装在放卷框架内。

解决气胀轴电机与收卷电机配合不当时，纱线张紧力的控制较为困难，容易产生断纱或出现叠纱、松弛褶皱的问题。

进一步地，放卷框架为铝型材框架，其底部安装有万向轮。相较于老式的焊接框架更轻便、经济、便于装置的移动。

进一步地，收卷装置包括收卷框架及安装在收卷框架上的主轴组件、缠绕工件、顶针组件及触摸屏，主轴组件内置三爪卡盘，用于装夹并驱动缠绕工件转动缠绕纱线，顶针组件用于辅助主轴组件装夹缠绕工件，触摸屏内设有控制系统，控制系统与张力调节机构的张力控制器、测长机构的编码器及主轴组件的主轴伺服电机连接。

顶针与三爪卡盘同轴安装，从另一端顶住缠绕工件中心孔，防止缠绕工件在高速旋转时轴向移动或松动，辅助夹紧非圆形或端面不平整的工件(如锥形管)。计米器实时反馈放卷长度，触摸屏显示进度，张力传感器检测实际张力，与设定值比较，张力控制器调整电磁阻尼器电流维持张力稳定。

上述收放卷装置的全自动张力调节方法，包括依次连接的以下步骤：

(1)将外抽纱筒或内抽纱筒安装在放卷机构上，使纱线从抽纱筒中抽出；

(2)纱筒上的纱线进入张紧组件，张紧组件为纱线提供初始张力，使进入张力组件的纱线为张紧状态；

(3)纱线进入张力组件，张力控制器设置一个合适的初始输出力矩，使纱线保持一定的张力，并将输出力矩反馈给控制系统；

(4)纱线进入测长机构，测长机构检测纱线的放卷长度并将检测值反馈给控制系统；

(5)纱线进入收卷装置，缠绕在缠绕工件上；

(6)根据工艺要求在控制系统中设定相应的缠绕速度、缠绕张力，收放卷装置即可自动运行。

本发明的有益效果：

1、通过内抽纱放卷组件、外抽纱放卷组件、张紧组件和张力组件的协同配合，可实现内抽纱、外抽纱两种纱筒的缠绕以及纱线张力的调节。

2、通过放卷机构、张力调节机构、测长机构和收卷机构的协同配合，可实现纱线缠绕过程中的收放卷自动化及纱线张力的自动调节，解决了内抽纱、外抽纱两种纱筒的适配性问题、纱线张力的可调节性问题，提高绕纱效率和绕纱质量。

附图说明

图1为本发明的收放卷装置结构示意图。

图2为张紧组件的立体结构图。

图3为张紧组件的主视图。

图4为张紧组件的侧视图。

图5为张力组件结构示意图。

图6为测长机构的立体结构图。

图7为测长机构的主视图。

图8为测长机构的俯视图。

图中，1-铝型材框架；2-万向轮；3-铝板；4-铝板组件；5-悬臂式气胀轴；6-主轴安装板；7-主轴组件；8-缠绕工件；9-顶针组件；10-触摸屏；11-触摸屏安装板；20-张紧组件；21-张紧轮固定板；22-张紧轮；23-第一穿线板；30-张力组件；31-张力杆组件；32-电磁阻尼器；33-张力器固定轴；34-第二穿线板；35-张力器固定块；36-张力传感器；37-过线轮；38-张力组件固定板；40-测长机构；41-测长安装板；42-计米轮；43-编码器；44-井字形导纱架；45-计米器安装支架。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及优选的实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

参阅图1-图8，收放卷装置包括放卷装置和收卷装置。放卷装置包括铝型材框架1及安装在铝型材框架1上的放卷机构、张力调节机构和测长机构；整体结构轻便美观。

铝型材框架1主要由立柱及设置在立柱上的上横梁和下横梁组成，立柱底部安装万向轮2，方便整个机构移动。

放卷机构包括内抽纱放卷组件和外抽纱放卷组件。

内抽纱放卷组件包括铝板3，即纱筒固定板；铝板3水平安装在铝型材框架下横梁的左侧。内抽纱放卷纱筒垂直放置于铝板3上。

外抽纱放卷组件包括悬臂式气胀轴5和铝板组件4，悬臂式气胀轴5的一端装有轴承，轴承与轴承座配合，轴承座安装在铝板组件4上，铝板组件4安装在铝型材框架1的立柱外侧，且靠近内抽纱放卷组件。外抽纱放卷纱筒水平固定套装在悬臂式气胀轴5上。

张力调节机构包括张紧组件20和张力组件30。

张紧组件20主要由张紧轮22、第一穿线板23、氧化钛陶瓷眼(图中未示出)和张紧轮固定板21组成。

张紧轮固定板21竖直固定安装在铝型材框架1上端外侧，且位于悬臂式气胀轴5的上方。张紧轮22有若干只，如在本实施例中，三只张紧轮自上而下地呈S形垂直固定在张紧轮固定板21上，张紧轮22由黄铜棒制成，黄铜具有良好的力学性能和耐磨性，且易于加工和抛光，可大大改善纱线摩擦起毛刺的问题。三只张紧轮均通过腰型孔位置可调地安装在张紧轮固定板21上，中间张紧轮可通过水平腰型孔调节其左右安装位置，上下两只张紧轮可通过竖直腰型孔调节其竖直安装位置，通过腰型孔调节各张紧轮的安装位置，可提供纱线初始张力，使得进入张力组件的纱线为张紧状态，防止进入张力组件的纱线出现卡线。

第一穿线板23的孔眼中粘接有氧化钛陶瓷眼，第一穿线板23固定在张紧轮22的正下方，从放卷机构来的纱线穿过氧化钛陶瓷眼，依次绕过各张紧轮，进入张力组件30。

张力组件30用于调节纱线张力，主要由张力杆组件31、电磁阻尼器32、张力器固定轴33、第二穿线板34、张力器固定块35、张力传感器36、过线轮37和张力组件固定板38组成。

张力器固定块35固定在铝型材框架1左侧的上横梁上，且位于张紧组件20的上方。张力器固定轴33竖直固定在张力器固定块35上，张力组件固定板38竖直固定在张力器固定轴33的上端，张力器固定块35、张力器固定轴33和张力组件固定板38组成张力组件的安装架。张力组件30通过安装支架固定在铝型材框架1上。

张力杆组件31安装在张力组件固定板38的右上端，张力杆组件31的张力杆斜向上伸出，张力杆上端的过线轮朝向测长机构40；张力杆与弹簧配合起到缓冲调节的作用。张力杆组件31为现有技术，其结构和工作原理不做赘述。

电磁阻尼器32安装在张力杆组件31的左侧，电磁阻尼器32的输出轴上套装有阻尼轮。阻尼轮材质为耐磨聚氨酯胶，以提供稳定的摩擦阻力。

过线轮37安装在电磁阻尼器32的下方。

张力传感器36安装在张力组件固定板38的下端，在本实施例中，张力传感器36为三滑张力轮传感器。

张力传感器36与电磁阻尼器闭环控制。张力传感器36实时检测纱线张力，张力值反馈给张力控制器，张力控制器根据反馈值控制电磁阻尼器的输出力矩，控制放卷速度。

第二穿线板34固定在张力器固定块35上，穿线板孔眼中粘接有陶瓷眼。第二穿线板34的设置便于从张紧组件20中引入纱线，且为过线轮37提供合适的包角。

从张紧组件20来的纱线穿过第二穿线板34的陶瓷眼，依次缠绕过线轮37、电磁阻尼器、张力传感器36，最后从张力杆过线轮绕出。张力调节机构可采用PID调节(现有技术)，保证绕纱过程中张力稳定，提高绕纱质量。

测长机构40包括测长安装板41、计米器、井字形导纱架44和计米器安装支架45。测长机构40通过其测长安装板41固定安装在铝型材框架右侧的上横梁上，用于测量纱线的放卷长度。

计米器包括计米轮42和编码器43及控制器，编码器43安装在计米器安装支架45上，计米轮42固定在编码器轴上，由纱线带动转动，从而带动编码器内部的码盘旋转，编码器随计米轮旋转时，会输出一系列电脉冲信号，控制器实时采集这些脉冲信号，根据计米轮的周长和编码器的脉冲当量，将将脉冲数转换为纱线移动的实际长度，即纱线的收放卷长度。测长安装板41为铝合金材质，轻质美观。井字形导纱架44由4根辊筒及辊筒支架组成，呈井字排列，固定在测长安装板41的两侧，计米器位于2个井字形导纱架44的中间。计米轮42的中心线与2个井字形导纱架44的中心线共线。

在纱线放卷过程中，摩擦力必然存在，采用井字形导纱架结构，可将滑动摩擦改进为滚动摩擦，减少了摩擦力对纱线张力控制的影响。

收卷装置包括铝型材框架及安装在铝型材框架上的收卷机构，收卷机构包括主轴安装板6、主轴组件7、缠绕工件8、顶针组件9、触摸屏10及触摸屏安装板11。铝型材框架的底部安装万向轮，方便移动。主轴安装板6和触摸屏安装板11分别安装在铝型材框架顶部两侧，主轴组件7安装在主轴安装板6上，缠绕工件8固定安装主轴组件7的三爪卡盘内，顶针组件9安装在缠绕工件8的对面。触摸屏10安装在触摸屏安装板11上，触摸屏10内设置有控制系统，控制系统与张力控制器、编码器43、主轴伺服电机连接。

主轴组件7主要由伺服电机、减速器、缠绕箱、连接件和三爪卡盘组成。三爪卡盘为缠绕工件8的固定件，带动缠绕工件随着缠绕电机转动。伺服电机连接减速器，减速器输出端轴通过联轴器与旋转主轴相连接；缠绕箱壁上装有轴承座，固定旋转主轴；旋转主轴另一端通过连接盘与三爪卡盘连接。顶针组件9为缠绕工件8的辅助安装机构，缠绕工件长度方向较大时，另一端使用顶针组件辅助装夹。

控制系统为现有技术，采用PLC+人机界面集中编程控制，张力、转速、长度等主要参数实时监控。触摸屏可实时操作，设置张力大小和收卷速度，并实时监控，显示张力数据、显示放卷长度等。另外，控制系统还具有远程控制功能，可远程调试、排查故障。

本发明的使用方法为：

(1)首先将外抽纱筒或内抽纱筒安装在放卷机构上，使纱线从抽纱筒中抽出。

(2)纱筒上的纱线依次穿过张力调节机构的张紧组件和张力组件，纱线先从进线端1进入张紧组件，从第一穿线板23的氧化钛陶瓷眼穿出，呈S形依次穿过3根黄铜棒张紧轮，从出线端1穿出张紧组件。先通过调节3根黄铜棒张紧轮22在张紧轮固定板21的相对位置，为纱线提供初始张力，使得进入张力组件的纱线为张紧状态。

(3)纱线从进线端2进入张力组件，从第二穿线板34的氧化钛陶瓷眼穿出，依次经过过线轮37、阻尼轮32、呈S形穿过三滑轮传感器、张力杆过线轮，从出线端2穿出张力组件进入测长机构40，张力控制器设置一个合适的初始输出力矩，使纱线保持一定的张力。

(4)纱线从测长机构40的进线端3进入，从第1个井字形导纱架的井字中间穿过，依次穿过计米器的计米轮42、第2个井字形导纱架，从出线端3穿出测长机构40，进入收卷机构，缠绕在缠绕工件8上。

(5)穿线完成后，根据工艺要求在控制系统中设定相应的缠绕速度、缠绕张力等各项参数，启动设备后即可自动运行。

在运行过程中，纱线的张力会发生变化，纱线张力太小，纱线在同一时间拉出过多，会严重影响机构的运行，影响纱筒缠绕纱线的效果，纱线张力太大，纱线会被损伤。张力组件30在纱线进入收卷装置前对纱线的张力进行实时检测，检测的数值传输到控制系统，控制系统内部进行PID调节，控制电磁阻尼器32的输出力矩，控制纱线的放卷速度，从而控制纱线张力。

另外，张力杆组件、过线轮37等组件也在机械结构上起到张力微调的缓冲作用，纱线张力过大时，张力杆受到更大的下压力，经过传递，会拉动张力弹簧，张力弹簧将提供反向拉力防止力发生更大的变化，从而稳定张力。

本发明简单有效地解决了绕纱过程中纱线张力的控制问题，提高了纱线缠绕质量。同时，本发明还可以根据需求定制缠绕工件实现环形纱线缠绕功能；根据需求，在收放卷装置中间配合排纱机构使用，定制缠绕工件实现单向板缠绕功能；根据需求可配合浸胶机构使用，定制缠绕工件实现浸胶纱缠绕功能、环形纱线缠绕功能等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种缠绕机的收放卷装置，包括放卷装置和收卷装置，其特征在于，收卷装置包括收卷框架和安装在收卷框架上的缠绕工件(8)；放卷装置包括放卷框架及安装在放卷框架上的放卷机构、张力调节机构和测长机构；放卷机构包括用于放置外纱筒的外抽纱放卷组件和用于放置内纱筒的内抽纱放卷组件，张力调节机构包括张紧组件(20)和张力组件(30)；内纱筒或外纱筒上的纱线依次经过张紧组件(20)、张力组件(30)、测长机构，缠绕在收卷装置的缠绕工件(8)上，张紧组件(20)用于为纱线提供初始张紧力，张力组件(30)用于调节纱线张力，测长机构用于测量纱线的放卷长度。

2.根据权利要求1所述的一种缠绕机的收放卷装置，其特征在于，张紧组件(20)包括张紧轮固定板(21)、自上而下地呈S形垂直固定在张紧轮固定板(21)上的若干张紧轮(22)、固定在张紧轮(22)下方的第一穿线板(23)。

3.根据权利要求2所述的一种缠绕机的收放卷装置，其特征在于，张紧轮(22)由黄铜棒制成，通过腰型孔位置可调地固定在张紧轮固定板(21)上；第一穿线板(23)的孔眼中粘贴有氧化钛陶瓷眼。

4.根据权利要求1所述的一种缠绕机的收放卷装置，其特征在于，张力组件(30)包括张力杆组件(31)、电磁阻尼器(32)、第二穿线板(34)、张力传感器(36)、张力控制器和过线轮(37)，纱线穿过第二穿线板(34)的陶瓷眼孔眼，依次缠绕过线轮(37)、电磁阻尼器(32)、张力传感器(36)，最后从张力杆组件(31)的张力杆过线轮绕出；张力传感器(36)与电磁阻尼器(32)通过张力控制器闭环控制，用于调节纱线张力。

5.根据权利要求4所述的一种缠绕机的收放卷装置，其特征在于，电磁阻尼器(32)的输出轴上套装有阻尼轮，阻尼轮材质为耐磨聚氨酯胶。

6.根据权利要求1所述的一种缠绕机的收放卷装置，其特征在于，测长机构包括测长安装板(41)和安装在测长安装板(41)上的计米器和井字形导纱架(44)；计米器用于检测纱线的收放卷长度，包括计米轮(42)、编码器(43)和控制器；井字形导纱架(44)位于计米器的两侧，用于引导纱线从计米轮(42)经过；井字形导纱架(44)由交叉为井字形的4根可转动筒组成。

7.根据权利要求1所述的一种缠绕机的收放卷装置，其特征在于，外抽纱放卷组件包括悬臂式气胀轴(5)，悬臂式气胀轴(5)可自由转动地安装在放卷框架的外侧；内抽纱放卷组件包括纱筒固定板，纱筒固定板水平安装在放卷框架内。

8.根据权利要求1所述的一种缠绕机的收放卷装置，其特征在于，放卷框架为铝型材框架，其底部安装有万向轮。

9.根据权利要求1所述的一种缠绕机的收放卷装置，其特征在于，收卷装置包括收卷框架及安装在收卷框架上的主轴组件(7)、缠绕工件(8)、顶针组件(9)及触摸屏(10)，主轴组件(7)内置三爪卡盘，用于装夹并驱动缠绕工件(8)转动缠绕纱线，顶针组件(9)用于辅助主轴组件(7)装夹缠绕工件(8)，触摸屏(10)内设有控制系统，控制系统与张力调节机构的张力控制器、测长机构的编码器(43)及主轴组件(7)的主轴伺服电机连接。

10.权利要求9所述收放卷装置的全自动张力调节方法，其特征在于，包括依次连接的以下步骤：

(1)将外抽纱筒或内抽纱筒安装在放卷机构上，使纱线从抽纱筒中抽出；

(2)纱筒上的纱线进入张紧组件，张紧组件为纱线提供初始张力，使进入张力组件的纱线为张紧状态；

(3)纱线进入张力组件，张力控制器设置一个合适的初始输出力矩，使纱线保持一定的张力，并将输出力矩反馈给控制系统；

(4)纱线进入测长机构，测长机构检测纱线的放卷长度并将检测值反馈给控制系统；

(5)纱线进入收卷装置，缠绕在缠绕工件上；

(6)根据工艺要求在控制系统中设定相应的缠绕速度、缠绕张力，收放卷装置即可自动运行。