一种海上风电叶片碳纤维自动成型设备及铺放工艺方法技术

本发明专利技术涉及风力发电设备技术领域，具体地说，是一种海上风电叶片碳纤维自动成型设备及铺放工艺方法。使用卧式三自由度并联机构，包括用于纤维铺放的铺放构件，用于实现铺丝机构坐标转换实现多轴运动的三轴可调控制机构。铺丝机构的输送装置采用速度传感器，多压辊控制丝束传输到丝束张力控制装置，通过调高表面高粗糙度，保证丝束不打滑，丝束分别经过再传导机构、通过具有气缸控制的切断装置，在红外辐射灯管加热装置作用下，融化丝束，最后通过冷却装置的加压冷却处理，完成碳纤维的铺放。本发明专利技术通过能实现多轴运动的运动平台，带动纤维铺放头完成碳纤维的铺放工作，完成铺放过程的同时，能够保证铺放的平稳均匀，还能够通过自带的监测装置，实时反馈，监控铺丝过程，提高铺丝质量。

An automatic forming equipment and laying process of carbon fiber for offshore wind turbine blades

【技术实现步骤摘要】
一种海上风电叶片碳纤维自动成型设备及铺放工艺方法
本专利技术涉及风力发电设备
，具体地说，是一种海上风电叶片碳纤维自动成型设备及铺放工艺方法。
技术介绍
高性能热塑性树脂基复合材料具有以下优势:可以实现熔融焊接，焊接点的力学性能高；优良的损伤容限，恶劣环境的适应性强；成型过程可逆，发现缺陷可以在线修复；吸湿性低，降低设计余量；室温下无限期贮存，无需冷藏设备，降低贮存成本。复合材料纤维铺放是在纤维缠绕和自动铺带基础上发展起来的一种新型全自动复合材料构件制造技术，集铺丝工艺、铺丝设备、计算机控制、CAD/CAE/CAM等先进技术于一体。与自动缠绕技术相比，纤维自动铺放技术可以成形凸面、凹面及复杂双曲度曲面。它是将数根预浸纤维束用多轴铺放头按照设计要求所确定的铺层路径和方向，在压辊下集成为一条预浸带后铺放在芯模表面，加热软化预浸纱并压实定型，通过数控编程由计算机协调、控制整个成型过程。热塑性复合材料原位成型技术，是按照数模的要求，通过带有特殊装置的铺丝机进行定位、铺叠、压实和快速固结，在结构件厚度方向上逐层累加，达到设计的厚度时，完成结构件制造的工艺方法[9]。该技术区别于传统的非热压罐成型工艺，适合制备超大、超厚复合材料构件，而且与纤维自动铺放技术相结合，智能化程度高，生产效率高，在航空航天、石油化工等领域具有广阔的应用前景。目前，国内对于自动铺放成型的研究刚刚起步，大多是针对原理样机的研发，而对工艺的研究较少，且多是针对热固性复合材料的。同时国外对我国实行进口限制和技术封锁，努力发展具有自主知识产权的自动碳纤维铺丝技术对于我国复合材料行业的发展有着极其重要的意义。
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种海上风电叶片碳纤维自动成型设备及方法，将其应用于船舶复杂曲面铺放系统中，即可以方便完成纤维铺放，大幅度减少了复合材料的制造工序，提高加工效率。为了实现上述技术目的，本专利技术提供如下技术方案：一种海上风电叶片碳纤维自动成型设备，其特征在于，包括：包括三自由度并联机构机床、多轴连接装置、运动传输装置、丝束张力控制装置、丝束再传导机构、断丝装置、加热装置和冷却装置，且通过监测系统对铺丝过程进行实时监测，所述多轴连接装置使用三轴可调控制机构，一端用于连接运动平台，另一端用于连接铺丝机构，所述丝束张力控制装置通过汽缸控制，所述丝束再传导机也采用气缸控制，所述丝束再传导机构安装有防摩擦导向轮，所述加热装置通过红外灯管辐射加热，所述冷却装置通过冷压辊双压辊冷却成型。本专利技术进一步改进，所述三自由度并联机床安装有XYZ轴刀轨，且连接机床控制柜的动臂，所述动臂连接三自由度铺丝机构，且连接三轴可调控制机构，所述三轴可调控制机构转轴连接设计具有灵活性，且将连接装置的三个轴为DEF轴，所述D轴垂直于E和F，所述D轴的活动范围有±45°，所述E轴和所述F轴均能绕轴心旋转270°。本专利技术进一步改进，所述运动输送装置，由传送丝束的主动辊和辅助压辊，以及导向轮组成，所述辅助压辊与气缸连接，所述主动辊连接电动机，所述气缸通过控制辅助压辊加压接触主动辊，所述辅助压辊表面经过特殊处理，能够增大摩擦，所述导向轮与速度传感器连接，所述速度传感器根据导轮转速，控制电动机转速，且于输送装置下端，连接所述丝束张力控制装置。本专利技术进一步改进，所述丝束张力控制装置的气缸通过螺栓固定在支架上，所述气缸的下端连接引导纤维传输的运动导轮，所述导轮贴有具有磨粒的材料，且可用于定期更换，所述丝束张力控制装置的另一端通过轴固定于支撑架上，且设置凹槽，且与另一端导轮相配合。本专利技术进一步改进，所述丝束再传导装置，由主动轮、辅助轮、气缸以及再传导支架组成，所述辅助轮连接气缸，且辅助轮通过传动轴与轴承固定在再传导支架上，所述再传导支架通过螺栓连接气缸，所述主动轮上方设有一一对应的轮槽，所述再传导装置的下端，安装切断装置。本专利技术进一步改进，所述断丝装置通过气缸连接固定轴，且螺栓固定在轴上的切刀，所述切刀另一侧，通过螺栓连接将切刀板固定在侧板上，所述断丝装置的下端，装有加热装置。本专利技术进一步改进，所述加热装置，包括红外热光源、热源托盘、温度传感器、温度控制器以及电源组成，所述红外热光源通过所述热源托盘，采用螺栓连接固定到支撑架上，所述红外灯热光源的前端安装所述温度传感器，所述热感应器与温度控制器连接，并与电源连接。本专利技术进一步改进，所述冷却装置，包括冷压辊与压力监测系统，采用双压辊冷却加压，所述冷压辊轴穿过压辊轮，通过两个轴承固定在压辊架上，所述压辊架与气缸连接，所述双冷压辊采用前后排列的设计，所述压力监测装置用来监控铺放过程中压力变化。本专利技术进一步改进，所述监测系统，主要有三部分组成，分别是速度监测系统、温度监测系统、和压力监测系统，分别与运动传输装置、加热装置和冷却装置协同作用，实现对铺放过程的实时监控。本专利技术进一步改进，一种海上风电叶片碳纤维自动成型设备的铺放工艺方法，其特征在于，该设备的传送装置，需保证预浸纱被准确送至铺放辊下方，送纱主动辊与传送丝束的协调运动由摩擦力产生，通过计算获取送纱长度，对送纱长度进行实时检测，避免发生打滑现象。本专利技术进一步改进，加热工艺研究包括以下步骤：(1)通过选取加热灯功率，根据公式计算灯丝的温度，通过斯忒藩·玻尔兹曼定律获得红外灯丝的辐射强度：Ea＝εσTa式中Ea为灯丝辐射强度；ε为灯丝发射率；σ为玻尔兹曼常数，其值为5.7×10-8W/(m2·K4)；Ta为灯丝温度；(2)通过(1)实验获取数据，确定安放位置，将红外灯管放在红外辐射射区内；(3)通过分析选用管式红外加热灯，选用长波红外加热管YC-4025-355，灯管能够直接辐射铺放纤维或者通过材料反射到铺层上，存储热能，熔融纤维。本专利技术进一步改进，研究海上风电叶片碳纤维自动成型方法，需要通过相关的工艺试验或者建立公益模型选取最优影响因素：(1)从热量传递方向考虑，可建立一维、二维或三维的热传递模型，研究不同时刻、温度在纤维束中不同位置的分布情况以及时间、温度、位置三者之间的关系；(2)建立温度场动态恒温模型，根据能量守恒定律确定热辐射对铺放材料影响效果和温度的关系；(3)确定温度场的影响效果后，根据获取到的实验数据，对整个加热过程进行实时监测，监测主要包括以下几个步骤：1)温度传感器会检测到温度变化，将信号传输到温度控制器2)温度控制器根据信号，调节加热装置功率3)温度到达正常数值后，温度传感器不再传输信号。整个过程温度传感器能实时检测到热源的温度变化，并实时的调节温度。本专利技术进一步改进，压力检测装置，通过实验获取加压最有数值，将压力值控制在一定的范围，当压辊对铺丝的压力产生变化时，压力传感器输出信号，压力控制器控制气缸运动，完成对压辊压力的控制。本专利技术的有益效果：采用卧式三自由度并联机构，用于纤维铺放的铺放构件，用于实现铺丝机构坐标转换实现多轴运动的三轴可调控制机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海上风电叶片碳纤维自动成型设备，其特征在于，包括：包括三自由度并联机构机床、多轴连接装置、运动传输装置、丝束张力控制装置、丝束再传导机构、断丝装置、加热装置和冷却装置，且通过监测系统对铺丝过程进行实时监测，所述多轴连接装置使用三轴可调控制机构，一端用于连接运动平台，另一端用于连接铺丝机构，所述丝束张力控制装置通过汽缸控制，所述丝束再传导机也采用气缸控制，所述丝束再传导机构安装有防摩擦导向轮，所述加热装置通过红外灯管辐射加热，所述冷却装置通过冷压辊双压辊冷却成型。/n

【技术特征摘要】
1.一种海上风电叶片碳纤维自动成型设备，其特征在于，包括：包括三自由度并联机构机床、多轴连接装置、运动传输装置、丝束张力控制装置、丝束再传导机构、断丝装置、加热装置和冷却装置，且通过监测系统对铺丝过程进行实时监测，所述多轴连接装置使用三轴可调控制机构，一端用于连接运动平台，另一端用于连接铺丝机构，所述丝束张力控制装置通过汽缸控制，所述丝束再传导机也采用气缸控制，所述丝束再传导机构安装有防摩擦导向轮，所述加热装置通过红外灯管辐射加热，所述冷却装置通过冷压辊双压辊冷却成型。


2.根据权利要求1所述的海上风电叶片碳纤维自动成型设备，其特征在于，所述三自由度并联机床安装有XYZ轴刀轨，且连接机床控制柜的动臂，所述动臂连接三自由度铺丝机构，且连接三轴可调控制机构，所述三轴可调控制机构转轴连接设计具有灵活性，且将连接装置的三个轴为DEF轴，所述D轴垂直于E和F，所述D轴的活动范围有±45°，所述E轴和所述F轴均能绕轴心旋转270°。


3.根据权利要求1所述的海上风电叶片碳纤维自动成型设备，其特征在于，所述运动输送装置，由传送丝束的主动辊和辅助压辊，以及导向轮组成，所述辅助压辊与气缸连接，所述主动辊连接电动机，所述气缸通过控制辅助压辊加压接触主动辊，所述辅助压辊表面经过特殊处理，能够增大摩擦，所述导向轮与速度传感器连接，所述速度传感器根据导轮转速，控制电动机转速，且于输送装置下端，连接所述丝束张力控制装置。


4.根据权利要求3所述的海上风电叶片碳纤维自动成型设备，其特征在于，所述丝束张力控制装置的气缸通过螺栓固定在支架上，所述气缸的下端连接引导纤维传输的运动导轮，所述导轮贴有具有磨粒的材料，且可用于定期更换，所述丝束张力控制装置的另一端通过轴固定于支撑架上，且设置凹槽，且与另一端导轮相配合。


5.根据权利要求1所述的海上风电叶片碳纤维自动成型设备，其特征在于，所述丝束再传导装置，由主动轮、辅助轮、气缸以及再传导支架组成，所述辅助轮连接气缸，且辅助轮通过传动轴与轴承固定在再传导支架上，所述再传导支架通过螺栓连接气缸，所述主动轮上方设有一一对应的轮槽，所述再传导装置的下端，安装切断装置。


6.根据权利要求1所述的海上风电叶片碳纤维自动成型设备，其特征在于，所述断丝装置通过气...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志强，麻志浩，顾献安，张家俊，梁玉瑶，徐江敏，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32