碳纤维缠绕张力模块化控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开一种碳纤维缠绕张力模块化控制系统，通过放卷模块实现放卷功能，且在放卷模块与芯模间依次设置单束纤维张力检测模块、主动调速模块、缓冲模块、集束纤维张力检测模块与测速模块，且通过控制台接收单束与集束纤维张力检测模块检测的张力信号，以及测速模块检测的速度信号，进行处理后，对主动调速模块与放卷模块进行控制，使单束与集束纤维张力保持在预设误差范围内。缓冲模块用来在纤维缠绕过程中效减小纤维张力波动。本发明专利技术张力控制精度高，可同时对单束与集束纤维张力进行监测与控制，响应速度高，操作方便。

Carbon fiber winding tension modular control system

The invention discloses a carbon fiber winding tension modular control system by unwinding module unwinding and rewinding functions in the module are arranged between the mandrel and the single fiber bundle tension detection module, control module, active buffer module, detection module and the fiber bundle tension velocity measurement module, and through the tension signal receiving single console beam and bundle fiber tension detection module, speed measurement module and the detection speed of signal processing, the control module and the active unwinding control module, the single bundle and bundle fiber tension in the preset error range. The buffer module is used to reduce the fluctuation of fiber tension in the filament winding process. The invention has the advantages of high precision of tension control, monitoring and controlling the tension of single bundle and bundle fiber simultaneously, high response speed and convenient operation.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机电控制
，涉及一种碳纤维缠绕张力模块化控制系统。
技术介绍
碳纤维缠绕工艺在航空航天、新能源等高新技术产业中有广泛的应用。随着缠绕制品工艺要求的不断提升，需要对现有的缠绕张力控制系统进行改进与创新。碳纤维缠绕过程中，纤维缠绕张力是一个至关重要的工艺参数，关系到纤维在浸胶时的效果以及在芯模上能否充分展开，直接决定了缠绕制品的强度。此外，不同产品缠绕时，纤维张力的要求是不同的，有时差距比较大，传统的张力控制系统控制范围有限，不能兼顾大张力和小张力两种情况，同时存在控制精度低，响应速度慢等问题。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出一种碳纤维缠绕张力模块化控制系统。具有模块化的机械本体以及控制台。其中，机械本体包括放卷模块、单束纤维张力检测模块、主动调速模块、缓冲模块、集束张力检测模块与测速模块。所述放卷模块包括纤维传导轮、放卷线轴与放卷传导辊；放卷线轴、放卷传导辊与纤维传导轮轴线由前至后安装于机架。其中，放卷线轴上套有纤维纱卷，纤维依次绕过放卷传导辊-纤维传导轮，并绕过位于放卷传导辊后方，安装于机架上的纤维传导辊后，经过导丝头缠绕到芯模上；放卷模块与芯模之间由前至后依次设置单束纤维张力检测模块、主动调速模块、缓冲模块、集束张力检测模块与测速模块。其中，单束纤维张力检测模块包括单束张力检测器、单束张力检测轮与两个传导辊A。单束张力检测器位于两个传导辊A之间；单束张力检测轮设置于单束张力检测器上方；纤维依次经位于前部的传导辊A下方-单束张力检测轮上方-位于后部的传导辊A下方绕过。主动调速模块包括主动调速辊与两根传导辊B；主动调速辊位于两个传导辊B之间，且使两个传导辊B竖直位置低于主动调速辊顶部；纤维依次经位于前部的传导辊B下方-主动调速辊上方-后部的传导辊B下方绕过。缓冲模块包括气缸缓冲模块与弹簧缓冲模块；其中气缸缓冲模块由缓冲气缸、大张力浮辊与两根传导辊C构成。弹簧缓冲模块由小张力浮辊、缓冲弹簧、导向轴与两根传导辊D构成。上述气缸缓冲模块中，大张力浮辊位于两根传导辊D之间，竖直位置低于两根传导辊C。缓冲气缸固定安装于缓冲气缸安装架上，缓冲气缸的活塞杆输出端安装大张力浮辊。纤维依次经位于前部的传导辊C上方-大张力浮辊下方-位于后部的传导辊C上方绕过。在大张力的情况下，通过缓冲气缸调整大张力浮辊的竖直位置；弹簧缓冲模块中，小张力浮辊位于两根传导辊D之间，竖直位置高于两个传导辊D。纤维依次经位于前部的传导辊D下方-小张力浮辊上方-位于后部的传导辊D下方绕过。在小张力情况下，通过缓冲弹簧调整小张力浮辊的上下位置。集束张力检测模块包括集束张力检测辊、集束张力检测器与两根传导辊E。其中，集束张力检测辊位于两根传导辊E之间，竖直位置高于两根传导辊E；集束张力检测辊两端端部设置有技术张力检测器。纤维依次经位于前部的传导辊E下方-集束张力检测辊上方-位于后部的传导辊E下方绕过。所述测速模块包括测速辊、测速编码器与两根传导辊F。其中，测速辊位于两个传导辊F之间，且竖直位置低于传导辊F；测速编码器与测速辊相连。所述控制台包括单束张力放大器、集束张力放大器、数据采集卡、PC机与PLC控制器。其中，单束张力放大器与集束张力放大器分别用来对单束张力检测器与集束张力检测器发送的电压信号进行放大；经放大后的电压信号均传输至数据采集卡中，并由数据采集卡传输给PC机进行后续处理。上述碳纤维缠绕张力模块化控制系统的控制方法，通过下述步骤完成：步骤一：在PC碳纤维缠绕张力模块化控制系统中预置纤维，随后启动碳纤维缠绕张力模块化控制系统。步骤二：单束张力检测模块和集束张力检测模块将检测到的张力值传送至PC机；同时PC机将集束张力检测模块检测到的张力值传送至PLC控制器；此时张力值为纤维初始张力值。步骤三：测速编码器将采集速度信号传送至PLC控制器。步骤四：PC机将单束张力检测模块检测的张力值与步骤一中初始张力值进行比较；若单束张力检测模块检测的张力值与初始张力值的偏差过大，则进行步骤四；否则进行步骤五。步骤四：碳纤维缠绕张力模块化控制系统自动停机，纤维缠绕停止。步骤五：PC机根据单束张力检测模块检测的张力值与预设的单束纤维张力值，通过内置的PID算法得出直驱旋转电机的速度改变量；同时，由PLC控制器根据测速编码器检测到的测速辊转速信号，将测速辊转速信号转化为主动调速辊的转速，作为基准速度；并计算得到集束纤维检测器检测的张力值与预设集束张力值的偏差，通过内置PID算法得出速度改变量，对基准速度进行修正。步骤六：PC机将直驱旋转电机的速度改变量作为控制信号传递给直驱旋转电机的电机驱动器，改变直驱旋转电机的转速；同时PLC控制器将修正后的速度信号作为控制信号传递给伺服电机的电机驱动器，控制伺服电机旋转。步骤七：PC机实时获取单束张力检测模块和集束张力检测模块将检测到的张力值，并将集束张力检测模块检测到的张力值发送至PLC控制器；此时张力值为纤维实际张力值。步骤八：PC机将单束纤维张力检测模块检测的张力值与PC机中预设的单束纤维张力值进行比较；若单束纤维张力检测模块检测的张力值大于预设的单束纤维张力值，则通过电机驱动器控制直驱旋转电机增加转速；否则通过电机驱动器控制直驱旋转电机减小转速；同时，PLC根据集束纤维张力检测模块检测的张力值与PLC中预设的单束纤维张力值进行比较；若集束纤维张力检测模块检测的张力值大于预设的集束纤维张力值，则通过电机驱动器控制伺服电机增加转速；步骤九：判断纤维是否缠绕完毕；若纤维缠绕完毕，控制碳纤维缠绕张力模块化控制系统停机；若纤维处于缠绕中，则继续执行步骤七与步骤八，由此使单束纤维张力与集束纤维张力保持在预设误差范围内。本专利技术的优点在于：1、本专利技术碳纤维缠绕张力模块化控制系统，张力控制精度高，能够同时对单束纤维和集束纤维的张力信号进行实时监控；2、本专利技术碳纤维缠绕张力模块化控制系统，可以根据不同的工艺要求设定不同的张力值，可以同时适应大张力和小张力的工艺要求；3、本专利技术碳纤维缠绕张力模块化控制系统，分两步对纤维张力进行施加与控制，可以根据实际工艺要求调整每一步张力的设定值，使纤维的磨损降到最低，发挥其最佳性能；4、本专利技术碳纤维缠绕张力模块化控制系统，张力的设定、监控以及调节操作简单，可以实现自动化。附图说明图1为本专利技术碳纤维缠绕张力模块化控制系统整体示意图；图2为本专利技术碳纤维缠绕张力模块化控制系统中单束张力检测模块结构示意图；图3为本专利技术碳纤维缠绕张力模块化控制系统中张力检测轮结构示意图；图4为本专利技术碳纤维缠绕张力模块化控制系统中集束张力检测模块结构示意图；图5为本专利技术碳纤维缠绕张力模块化控制系统中纤维角度示意图；图6为本专利技术碳纤维缠绕张力模块化控制系统的控制方法流程图。图中1-传导模块 2-单束纤维张力检测模块 3-主动调速模块4-缓冲模块 5-集束张力检测模块 6-测速模块7-控制台 8-芯模 101-直驱旋转电机102-纤维传导轮 103-防卷线轴 104-放卷传导辊105-纤维传导辊 201-单束张力检测器 202-单束张力检测轮203-本文档来自技高网...

【技术保护点】
碳纤维缠绕张力模块化控制系统，具有模块化的机械本体以及控制台；其特征在于：机械本体包括放卷模块、单束纤维张力检测模块、主动调速模块、缓冲模块、集束张力检测模块与测速模块；所述放卷模块包括纤维传导轮、放卷线轴与放卷传导辊；放卷线轴、放卷传导辊与纤维传导轮轴线由前至后安装于机架；其中，放卷线轴上套有纤维纱卷，纤维依次绕过放卷传导辊‑纤维传导轮，并绕过位于放卷传导辊后方，安装于机架上的纤维传导辊后，经过导丝头缠绕到芯模上；放卷模块与芯模之间由前至后依次设置单束纤维张力检测模块、主动调速模块、缓冲模块、集束张力检测模块与测速模块；其中，单束纤维张力检测模块包括单束张力检测器、单束张力检测轮与两个传导辊A；单束张力检测器位于两个传导辊A之间；单束张力检测轮设置于单束张力检测器上方；纤维依次经位于前部的传导辊A下方‑单束张力检测轮上方‑位于后部的传导辊A下方绕过；主动调速模块包括主动调速辊与两根传导辊B；主动调速辊位于两个传导辊B之间，且使两个传导辊B竖直位置低于主动调速辊顶部；纤维依次经位于前部的传导辊B下方‑主动调速辊上方‑后部的传导辊B下方绕过；缓冲模块包括气缸缓冲模块与弹簧缓冲模块；其中气缸缓冲模块由缓冲气缸、大张力浮辊与两根传导辊C构成；弹簧缓冲模块由小张力浮辊、缓冲弹簧、导向轴与两根传导辊D构成；上述气缸缓冲模块中，大张力浮辊位于两根传导辊D之间，竖直位置低于两根传导辊C；缓冲气缸固定安装于缓冲气缸安装架上，缓冲气缸的活塞杆输出端安装大张力浮辊；纤维依次经位于前部的传导辊C上方‑大张力浮辊下方‑位于后部的传导辊C上方绕过；在大张力的情况下，通过缓冲气缸调整大张力浮辊的竖直位置；弹簧缓冲模块中，小张力浮辊位于两根传导辊D之间，竖直位置高于两个传导辊D；纤维依次经位于前部的传导辊D下方‑小张力浮辊上方‑位于后部的传导辊D下方绕过；在小张力情况下，通过缓冲弹簧调整小张力浮辊的上下位置；集束张力检测模块包括集束张力检测辊、集束张力检测器与两根传导辊E； 其中，集束张力检测辊位于两根传导辊E之间，竖直位置高于两根传导辊E；集束张力检测辊两端端部设置有技术张力检测器；纤维依次经位于前部的传导辊E下方‑集束张力检测辊上方‑位于后部的传导辊E下方绕过；所述测速模块包括测速辊、测速编码器与两根传导辊F；其中，测速辊位于两个传导辊F之间，且竖直位置低于传导辊F；测速编码器与测速辊相连；所述控制台包括单束张力放大器、集束张力放大器、数据采集卡、PC机与PLC控制器；其中，单束张力放大器与集束张力放大器分别用来对单束张力检测器与集束张力检测器发送的电压信号进行放大；经放大后的电压信号均传输至数据采集卡中，并由数据采集卡传输给PC机进行后续处理。...

【技术特征摘要】
1.碳纤维缠绕张力模块化控制系统，具有模块化的机械本体以及控制台；其特征在于：机械本体包括放卷模块、单束纤维张力检测模块、主动调速模块、缓冲模块、集束张力检测模块与测速模块；所述放卷模块包括纤维传导轮、放卷线轴与放卷传导辊；放卷线轴、放卷传导辊与纤维传导轮轴线由前至后安装于机架；其中，放卷线轴上套有纤维纱卷，纤维依次绕过放卷传导辊-纤维传导轮，并绕过位于放卷传导辊后方，安装于机架上的纤维传导辊后，经过导丝头缠绕到芯模上；放卷模块与芯模之间由前至后依次设置单束纤维张力检测模块、主动调速模块、缓冲模块、集束张力检测模块与测速模块；其中，单束纤维张力检测模块包括单束张力检测器、单束张力检测轮与两个传导辊A；单束张力检测器位于两个传导辊A之间；单束张力检测轮设置于单束张力检测器上方；纤维依次经位于前部的传导辊A下方-单束张力检测轮上方-位于后部的传导辊A下方绕过；主动调速模块包括主动调速辊与两根传导辊B；主动调速辊位于两个传导辊B之间，且使两个传导辊B竖直位置低于主动调速辊顶部；纤维依次经位于前部的传导辊B下方-主动调速辊上方-后部的传导辊B下方绕过；缓冲模块包括气缸缓冲模块与弹簧缓冲模块；其中气缸缓冲模块由缓冲气缸、大张力浮辊与两根传导辊C构成；弹簧缓冲模块由小张力浮辊、缓冲弹簧、导向轴与两根传导辊D构成；上述气缸缓冲模块中，大张力浮辊位于两根传导辊D之间，竖直位置低于两根传导辊C；缓冲气缸固定安装于缓冲气缸安装架上，缓冲气缸的活塞杆输出端安装大张力浮辊；纤维依次经位于前部的传导辊C上方-大张力浮辊下方-位于后部的传导辊C上方绕过；在大张力的情况下，通过缓冲气缸调整大张力浮辊的竖直位置；弹簧缓冲模块中，小张力浮辊位于两根传导辊D之间，竖直位置高于两个传导辊D；纤维依次经位于前部的传导辊D下方-小张力浮辊上方-位于后部的传导辊D下方绕过；在小张力情况下，通过缓冲弹簧调整小张力浮辊的上下位置；集束张力检测模块包括集束张力检测辊、集束张力检测器与两根传导辊E； 其中，集束张力检测辊位于两根传导辊E之间，竖直位置高于两根传导辊E；集束张力检测辊两端端部设置有技术张力检测器；纤维依次经位于前部的传导辊E下方-集束张力检测辊上方-位于后部的传导辊E下方绕过；所述测速模块包括测速辊、测速编码器与两根传导辊F；其中，测速辊位于两个传导辊F之间，且竖直位置低于传导辊F；测速编码器与测速辊相连；所述控制台包括单束张力放大器、集束张力放大器、数据采集卡、PC机与PLC控制器；其中，单束张力放大器与集束张力放大器分别用来对单束张力检测器与集束张力检测器发送的电压信号进行放大；经放大后的电压信号均传输至数据采集卡中，并由数据采集卡传输给PC机进行后续处理。2.如权利要求1所述一种碳纤维缠绕张力模块化控制系统，其特征在于：放卷模块的数量大于1时，各个放卷模块中的放卷传导轮空间交错设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁希仑，张沛，张武翔，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11