基于超声阵列的大丝束碳纤维并行多级展纱装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于超声阵列的大丝束碳纤维并行多级展纱装置及方法，属于复合材料制备工艺技术领域，包括超声水槽和超声阵列，超声水槽底部设置有梯形凸台，超声阵列包括若干列超声振子，若干列超声振子分别安装于梯形凸台底部和两侧的谷地位置，在每列超声振子的正上方设置有振动杆，本发明专利技术还包括多通道超声换能器功率控制单元，多通道超声换能器功率控制单元包括相连的超声发生器及功率放大器，功率放大器设置有若干超声功率放大通道。本发明专利技术采用中心对称方式控制超声阵列中不同超声振子的实际功率；通过结合每个超声振子的节点阻抗构成的机械阻抗矩阵，来实现通过调整超声换能器功率来优化施加在展纱面上的拖曳力分布的目的。目的。目的。

【技术实现步骤摘要】
基于超声阵列的大丝束碳纤维并行多级展纱装置及方法


[0001]本专利技术属于复合材料制备工艺
，尤其是涉及一种基于超声阵列的大丝束碳纤维并行多级展纱装置及方法。

技术介绍

[0002]碳纤维复合材料是一种具有质轻、高强高模等优异性能的新一代增强材料。大丝束碳纤维更是碳纤维中最具发展潜力和前景的品种。在实际应用中，需要通过展纤工艺将碳纤维丝束展宽展薄，以得到物理性能偏差小、力学性能更佳的复合材料。
[0003]现有的展纱方法存在以下问题：
[0004](一)现有基于视觉技术的机器人控制技术存在的问题：
[0005]机械展纱方法，碳纤维丝束需要绕过多组可以左右摆动(摆动杆)和上下振动(振动杆)的机械辊，摆动杆提供的横向分离和振动杆施加的垂直方向的拉力来驱使纤维束里的纤维单丝分散。由于纤维丝束与机械辊直接接触，且为了提高分散效率部分机械辊通常会被高温加热，导致接触界面存在较高的摩擦力，造成对纤维表面的磨损，甚至出现断丝。
[0006]气流展纱方法，通过展纱装置气流入口和出口间的压力差，形成内部气流流场，实现碳纤维丝束分散，是目前世界上的主流非接触式展纱技术。但由于气流介质分布的均匀性难以控制，导致展纱过程中纱面极易发生厚度不均和多丝束并行展纱时难以对齐问题。
[0007](二)现有的超声波展纱方案存在的问题：
[0008]超声板或者超声棒一般放置在容腔的侧壁或者底部，通过超声波使容腔内的溶剂产生规律性振动进而使碳纤维展开。该方案中超声不能直接作用在碳纤维幅面上，导致超声展开效率的降低，目前超声波展纱可使12K碳纤维展宽至原丝束的2
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4倍。另外，由于超声板和超声棒的超声传播特性约束，导致丝束间不易对齐等，不利于多丝束并行展开，工程实用性较低。
[0009]因此本专利技术提出一种基于超声阵列的大丝束碳纤维并行多级展纱方法，该方法可以实现对单根大丝束碳纤维的充分展宽和展宽后纱面的定位、对齐及整体幅宽的控制。

技术实现思路

[0010]本专利技术要解决的问题是提供一种基于超声阵列的大丝束碳纤维并行多级展纱装置及方法。
[0011]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于超声阵列的大丝束碳纤维并行多级展纱装置，包括超声水槽和超声阵列，所述超声阵列安装于超声水槽底部，所述超声水槽底部设置有至少一个梯形凸台，所述超声阵列包括若干列超声振子，所述若干列超声振子分别安装于梯形凸台底部和梯形凸台底部两侧的谷地位置，列与列的超声振子对应设置，在每列超声振子的正上方，沿着超声振子排列的方向水平设置有振动杆，所述超声水槽输入端设置有多丝束碳纤维并行传送装置，将丝束从碳纤维卷轴上拉出并牵引到超声水槽中，所述超声水槽输出端依次设置有展纱输出压辊组、烘干工作台和幅面收卷装置，
通过多级振动杆由超声水槽输出侧的展纱输出压辊组将展开后的幅面传送到烘干工作台上。
[0012]所述多丝束碳纤维并行传送装置包括分纱杆和展纱输入压辊组，所述分纱杆将多丝束碳纤维定位分割，避免丝束间相互干涉；所述烘干工作台上安装有超声波振板烘干装置和幅面质量检测装置。
[0013]所述超声振子包括超声换能器和变幅杆。
[0014]所述幅面质量检测装置为CMOS激光位移传感器，所述CMOS激光位移传感器与计算机连接，通过激光测距返回展纱幅面上不同点位处距离激光光源的距离的变化，对展宽后碳纤维幅面进行扫描以判断幅面质量。
[0015]本专利技术还包括多通道超声换能器功率控制单元，所述多通道超声换能器功率控制单元包括相连的超声发生器及功率放大器，所述功率放大器设置有若干超声功率放大通道。所述多通道超声换能器功率控制单元采用中心对称方式控制超声阵列中不同超声振子的实际功率；在使用过程中结合每个超声振子的节点阻抗构成的机械阻抗矩阵，来实现通过调整超声换能器功率来优化施加在展纱面上的拖曳力分布的目的。
[0016]本专利技术还提供一种基于超声阵列的大丝束碳纤维并行多级展纱方法，包括以下步骤：
[0017]S1、超声振子的排布：采用中心对称阵列排布方式在超声水槽底部安装超声振子，形成超声阵列，梯形凸台底部安装偶数列的超声振子，谷地位置底部安装奇数列的超声振子；
[0018]S2、超声振子的驱动：将需要展纱的多条碳纤维绕行在振动杆的表面，将超声振子与多通道超声换能器功率控制单元的超声功率放大通道相连，实现超声振子的驱动；
[0019]具体地，所述超声振子通过超声发生器及功率放大器控制，所述超声发生器及功率放大器的第一通道控制幅面最外侧的两组超声振子，第二通道控制的是幅面稍偏中心的两组超声振子，以此类推，第N
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1通道控制的是幅面中心两侧的两组超声振子，第N通道控制的是幅面中心的一组超声振子。
[0020]S3、对展纱幅面表面存在的问题进行判断：通过工控机控制幅面质量检测装置沿展纱幅面的幅宽方向扫描得到幅面到激光光源间的一系列距离值S，同时通过工控机获取该距离并在计算机中显示，S为变化值，其反映展纱幅面表面的高低变化趋势；
[0021]具体地，若展纱幅面表面存在丝束间隙，CMOS激光位移传感器在该处返回的距离测量值会急剧增大，甚至会超过CMOS激光位移传感器检测量程，判断该部分为丝束间隙；若展纱幅面表面存在纱线束重叠，CMOS激光位移传感器在该处返回的距离测量值会有减小，判断该部分为纱线束重叠。
[0022]S4、根据幅面质量检测装置获取的实际展纱后展纱幅面上丝束间的平行度以及丝束间隙的分布情况，确定需要调整展纱拖曳力的部位，通过多通道超声换能器功率控制单元对称地调整每个振动杆下方的超声振子的功率，实现对展纱面不同位置上拖曳力大小的调整和控制。
[0023]在步骤S4中，实现对展纱面不同位置上拖曳力大小的调整和控制的具体方法为：
[0024]S41、计算每个超声振子节点上的机械阻抗，单个振动杆构成的振动系统中包括激振力f
Z
、弹性力f
K
、阻尼力f
R
、惯性力f
M
四种力，满足方程：
[0025]f
Z
＝f
M
+f
R
+f
K (1)
[0026]设定K为振动系统的弹性系数s的倒数，即K＝1/s，x为振动杆相对平衡位置的偏离，v为声波的线速度，则公式(1)可写为：
[0027][0028]式中，M为振动杆的质量；R为振动杆的机械阻尼系数；t为时间变量；τ为微分时间变量；
[0029]振动系统的激振力可用正弦函数表示：
[0030]f
Z
＝F
Z sin(ωt) (3)
[0031]式中，F
Z
为幅值，ω为振动频率；
[0032]将式(3)代入式(2)，则激振力可以采用复数式形式改写为：
[0033][0034]式中，F
Z
为激振力的复数式；V为振动杆速度响本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超声阵列的大丝束碳纤维并行多级展纱装置，其特征在于：包括超声水槽和超声阵列，所述超声阵列安装于超声水槽底部，所述超声水槽底部设置有至少一个梯形凸台，所述超声阵列包括若干列超声振子，所述若干列超声振子分别安装于梯形凸台底部和梯形凸台底部两侧的谷地位置，列与列的超声振子对应设置，在每列超声振子的正上方，沿着超声振子排列的方向水平设置有振动杆。2.根据权利要求1所述的基于超声阵列的大丝束碳纤维并行多级展纱装置，其特征在于：所述超声水槽输入端设置有多丝束碳纤维并行传送装置，所述超声水槽输出端依次设置有展纱输出压辊组、烘干工作台和幅面收卷装置。3.根据权利要求2所述的基于超声阵列的大丝束碳纤维并行多级展纱装置，其特征在于：所述多丝束碳纤维并行传送装置包括分纱杆和展纱输入压辊组，所述烘干工作台上安装有超声波振板烘干装置和幅面质量检测装置。4.根据权利要求3所述的基于超声阵列的大丝束碳纤维并行多级展纱装置，其特征在于：所述幅面质量检测装置为CMOS激光位移传感器，所述CMOS激光位移传感器与计算机连接。5.根据权利要求1所述的基于超声阵列的大丝束碳纤维并行多级展纱装置，其特征在于：所述超声振子包括超声换能器和变幅杆。6.根据权利要求5所述的基于超声阵列的大丝束碳纤维并行多级展纱装置，其特征在于：还包括多通道超声换能器功率控制单元，所述多通道超声换能器功率控制单元包括相连的超声发生器及功率放大器，所述功率放大器设置有若干超声功率放大通道，所述多通道超声换能器功率控制单元采用中心对称方式控制超声阵列中不同超声振子的实际功率。7.一种基于超声阵列的大丝束碳纤维并行多级展纱方法，基于权利要求1至6任一项所述的基于超声阵列的大丝束碳纤维并行多级展纱装置实现，其特征在于：包括以下步骤：S1、超声振子的排布：采用中心对称阵列排布方式在超声水槽底部安装超声振子，形成超声阵列，梯形凸台底部安装偶数列的超声振子，谷地位置底部安装奇数列的超声振子；S2、超声振子的驱动：将需要展纱的多条碳纤维绕行在振动杆的表面，将超声振子与多通道超声换能器功率控制单元的超声功率放大通道相连，实现超声振子的驱动；S3、对展纱幅面表面存在的问题进行判断：通过工控机控制幅面质量检测装置沿展纱幅面的幅宽方向扫描得到幅面到激光光源间的一系列距离值S，同时通过工控机获取该距离并在计算机中显示，S为变化值，其反映展纱幅面表面的高低变化趋势；S4、根据幅面质量检测装置获取的实际展纱后展纱幅面上丝束间的平行度以及丝束间隙的分布情况，确定需要调整展纱拖曳力的部位，通过多通道超声换能器功率控制单元对称地调整每个振动杆下方的超声振子的功率，实现对展纱面不同位置上拖曳力大小的调整和控制。8.根据权利要求7所述的基于超声阵列的大丝束碳纤维并行多级展纱方法，其特征在于：在步骤S2中，所述超声振子通过超声发生器及功率放大器控制，所述超声发生器及功率放大器的第一通道控制幅面最外侧的两组超声振子，第二通道控制的是幅面稍偏中心的两组超声振子，以此类推，第N
‑
1通道控制的是幅面中心两侧的两组超声振子，第N通道控制的是幅面中心的一组超声振子。9.根据权利要求7所述的基于超声阵列的大丝束碳纤维并行多级展纱方法，其特征在
于：在步骤S3中，若展纱幅面表面存在丝束间隙，...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛雪娟，王天琪，陈清海，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：