（机械制造及其自动化专业论文）多丝束碳纤维预浸辅放系统控制策略研究.pdf

一、研究了多 力调节环节，碳纤 此基础上，建立了 二、研究了系统控制策略。设计前馈滤波型二自由度张力控制器，在系统建 模的基础上进行了仿真，验证了张力控制器的可行性并得到了优化参数；处理了 干扰信号的影响；设计了目标跟随式的同步运动控制器，保证了铺放的高质量。 三、对碳纤维预浸铺放机的控制系统软硬件进行设计和实现，实际结果表明， 采用以上算法后，碳纤维张力达n + i n ；铺放精度达n + 0 1 m m 。研究了触摸屏 与远端监控相结合的双上位控制结构，设计了触摸屏本地人机接口，利用r s - 4 8 5 总线传输，实现了碳纤维预浸铺放机远端监控。 一 预浸布作为一种制作复 生产具有重要的意义。本文 产设备为应用背景，针对多 的特点，开展了对碳纤维预 作： 1 对碳纤维预浸铺放机生产工艺进行了分析，从理论上研究了碳纤维铺放的卷 绕及张力理论，对系统的核心环节：摩擦张力调节环节，碳纤维放卷辊及铺 放辊环节，同步运动环节分别进行了建模，在此基础上，最终建立了基于框 图的整机系统模型，为其后的仿真奠定了理论基础。 2 研究了系统控制策略，设计了微分前馈滤波型二自由度张力控制器，并通过 对信号的滤波处理有效的防止了干扰信号的影响。在系统建模的基础上进行 了s i m u l i n k 环境下的仿真，验证了张力控制器的可行性并得到了优化参数； 设计了目标跟随式的同步运动控制器，保证了铺放的高质量。 3 基于对碳纤维预浸铺放系统控制策略的研究，对碳纤维预浸铺放机的控制系 统软硬件进行全方位的设计，实际结果表明，采用以上算法后，碳纤维张力 达到1 n ；铺放精度达到0 1 m m 。研究了触摸屏与远端监控相结合的双 上位控制结构，设计了触摸屏本地人机接口，利用r s 4 8 5 总线传输，实现 了碳纤维预浸铺放机远端监控。 本套设备已经通过验收。实际结果表明，采用积分前馈滤波型二自由度p i d 控制的碳纤维铺放机系统满足整机高速、高精度的要求，在铺放速度 15 - 3 5 ( m m i n ) 时，张力稳定均匀，达到允许波动1n 的要求；利用目标跟随式 同步运动控制，碳纤维铺放平整，无重叠、间隙现象，铺放精度达到误差0 1 m m 以内的要求；采用触摸屏、远端p c 双上位设计，满足现代化工厂“分散制造， 集中监控”的生产要求。 关键词复合材料，碳纤维，预浸，铺放，p i d ，二自由度 p r e p r e gi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e m a t e r i a l sp r o d u c t i o na sac o m p o s i t r a wm a t e r i a l s h u b e i a e r o s p a c e u n i v e r s i t yt or e s e a r c ht h ec a r b o nf i b e rp r e p r e g m a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t ，w h i c hi sa s t n ea p p l l c a t i o nb a c k g r o u n do ft h i sp a p e r t h ep a p e r l a u n c h e sac a r b o nf i b e rp r e p r e g r o wc l o t hm a c h i n es y s t e mr e s e a r c h s u c ha sc a r b o nf i b e rt e c h n o l o g yw i t h o u tw e r i a b n cp r e p r e gp r o d u c t i o ne q u i p m e n tw h i c hc o m b i n e sp r e p r e gt e c h n o l o 戥t e n s i o n c o n t r o it e c h n o l o g y , s y n c h r o n o u sm o v e m e n to f t e c h n o l o g i e sa n dc a np r o d u c elmw i d e 3 m i o n gh i g h q u a l i t yc a r b o nf i b e rp r e p r e gc l o t h i nt h i sp a p e r , c o m p l e t et h ef o i l o w i n g t h r e ea r e a s ： 。 1 ) e x p l o r ep a i r so fc a r b o nf i b e rp r e p r e gr o wc l o t hm a c h i n ep r o d u c t i o np r o c e s s 。 s t u d y 舫mt h et h e o r e t i c a lo fc a r b o nf i b e rc l o t hw i n d i n gr o wa n dt e n s i o nt h e o “a sb t h es y s t e n q sc o r ec o m p o n e n t s ，f r i c t i o na n dt e n s i o n a d j u s t m e n tl i n k s ，c a r b o nf i b e rc l o t h u n w i n d i n gr o l l e ra n dr o l l e rl i n kr o wa n ds y n c h r o n o u sm o v e m e n tl i n k sa r es 印踟t e l y m o d e l e d o nt h i sb a s i s ，ab l o c kd i a g r a mo ft h em a c h i n e b a s e d s y s t e m 弧o d e li s e v e n t u a l l ye s t a b l i s h e d ，l a y i n gat h e o r e t i c a lb a s i sf o rs i m u l a t i o n 2 ) s t u d yt h es y s t e mc o n t r o l s t r a t e g y , d e s i g nf e e d f o r w a r df i l t e rd i 您玳n t i a l t e n s l o n t y p e2 - d o fc o n t r o l l e r , a n dp r e v e n tt h ee f f e c t so f i n t e r f e r i n gs i g n a l st h r o u 曲 s i g n a lf i l t e r i n ge f f e c t i v e l y b a s e do ns y s t e mm o d e l i n gc a 州e do u tas i m u l a t i o n i n s 胁u l i n ke n v i r o n m e n tt o v e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h et e n s i o nc o n t r o l l e ra n dg e t o p t i m i z e dp a r a m e t e r s ；d e s i g nt h et a r g e t c o n t r o l l e r , e n s u r i n gh i g h q u a l i t yl a y o u t s t of o l l o wt h es t y l eo fs y n c h r o n o u sm o t i o n 3 ) s t u d yp a i r so fe p i s t a t i cc o n t r o ls t r u c t u r eo ft h et o u c hs c r e e nc o m b i n i n gw i t h r e m o t em o n i t o t i n g ，d e s i g nt o u c hs c r e e nl o c a l - m a c h i n ei n t e r f a c e ，a n dar e m o t ep c c o n t r o li n t e r f a c ew h i c hi sb a s e do nk i n g v i e wb yu s i n gr s 4 8 5b u s t r a n s m i s s i o n a t n 彻j jy ，t h ec o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ef u l l y d e s i g n e db a s e do nt h e a b o v es t u d i e s t h ea b o v e 。m e n t i o n e dr e s u l t so f t h es t u d ya r ev e r i f i e da n dr e a m e n d e d o nt h ea c t u a ld e v i c e t h i ss e to fe q u i p m e n th a sb e e na p p r o v e d a c t u a lr e s u i t ss h o wt h a t u s i n gt h e f e e d f o r w a r df i l t e ri n t e g r a l - t y p e2 - d o fp i d c o n t r o lo f c a r b o nf i b e r - a r r a n g e dm a c h i n e s y s t e mc a nm e e tt h em a c h i n eh i g h s p e e d ，h i g ha c c u r a c yr e q u i r e m e n t s i nt h er o w c l o t hs p e e d15 - 3 5 ( m m i n ) ，t h es t a b i l i t yo fu n i b r mt e n s i o nr e a c h e st oa l l o w e dt o f l u c t u a t e4 - 1n r e q u i r e m e n t s ；t h eu s eo fg o a l st of o l l o wt h es y n c h r o n o u sm o t i o n c o n t r o lc a nm a k ec a r b o nf i b e rc l o t hr o wf l a t ，n oo v e r l a pa n dg a pp h e n o m e n o n ，r o w c l o t ha c c u r a c ye r r o ro f + 0 1m mw i t h i nt h er e q u i r e m e n t s ；u s et o u c hs c r e e na n dr e m o t e p cp a i r so f u p p e rd e s i g n e dm e e tt h ep r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t so ft h em o d e mf a c t o r i e s i n ”d i s p e r s e dm a n u f a c t u r i n g ，c e n t r a l i z e dm o n i t o r i n g ，” k e y w o r d s ：c o m p o s i t em a t e r i a l s ；c a r b o nf i b e r ；p r e p r e g ，p l a c e m e n t ；p i d ；t w od e g r e e s o ff r e e d o m 目 第一章绪论1 1 1 碳纤维预浸技术概述l 1 1 1 碳纤维的发展及应用l 1 1 2 复合材料预浸技术的现状。2 1 1 3 预浸铺放制造特点3 1 2 复合材料设备控制技术4 1 2 1 复合材料设备控制关键技术5 1 2 2 张力控制策略的研究现状一8 1 3 课题背景意义及研究内容8 第二章多丝束碳纤维预浸铺放工艺及系统1 1 2 1 多丝束碳纤维预浸铺放工艺11 2 2 各部分工艺分析j ：j 1 3 2 2 1 总体结构1 3 2 2 2 放纱和铺放部分1 3 2 2 3 张力反馈部分：15 2 2 4 浸胶部分17 2 2 5 含胶量控制部分：1 7 2 2 6 同步运动部分18 第三章预浸布铺放系统的数学建模1 9 3 1 预浸铺放过程中张力影响环节及其数学模型1 9 3 1 1 碳纤维铺放的张力理论1 9 3 1 2 摩擦张力调节环节2 0 3 1 3 碳纤维放卷辊及铺放辊环节2 2 3 1 4 同步运动环节2 3 3 2 铺放系统模型2 4 3 2 1 对系统的简化2 4 3 2 2 系统模型2 5 3 3 本章小结2 6 第四章多丝束碳纤维张力和铺放控制策略研究与仿真2 7 4 1 碳纤维预浸铺放机张力控制器设计2 7 4 1 1 放卷过程分析2 7 4 1 2p i d 控制原理3 0 4 1 3 基于二自由度p i d 碳纤维预浸铺放张力控制器3 l 4 2 铺放过程中干扰信号的处理3 4 4 3 张力控制器的仿真与实测结果3 6 4 3 1s i m u l i n k 建模方法3 6 4 3 2 二自由度p i d 控制的仿真模型3 7 4 3 3 仿真与实测结果3 9 4 4 铺放系统同步控制与效果4 2 4 5 本章小结4 5 第五章碳纤维预浸铺放系统实现4 7 5 1 控制系统的总体方案及硬件设计4 7 5 1 1 控制系统总体方案4 8 5 1 2 动力系统设计5 0 5 1 3 系统电路设计51 5 2 人机接口设计：5 3 5 3 网络监控接口设计5 5 5 3 14 8 5 总线概述5 6 5 3 2 远端监控接口设计5 8 5 4 本章小结6 0 第六章结论及展望6 3 参考文献6 5 发表论文和参加科研情况说明6 9 致 谢7 1 复合材料是用适当的方法将两种或两种以上不同性质的材料组合在一起而 构成的一种新型材料【l ”。与传统会属材料相比，复合材料具有许多突出优点， 如高比强度、良好的化学物理稳定性( 耐酸、耐碱、阻燃等) 、减震、防磁等。因 而它被首先应用于航空航天等高技术领域，并逐渐向民用工业发展。但是，复合 材料的发展必须依赖于机械制造业为其提供先进的工业装备，传统的机械设备已 不能满足新材料、新工艺的发展要求，因此研制适合复合材料生产的先进、高性 能的设备和与之配套的计算机控制系统是科学技术发展的必然要求。随着复合材 料应用的大力发展，复合材料预浸料【8 9 】技术这些年发展迅速，这其中，常温预 浸技术的发展是近年预浸技术发展的一个亮点。 如何提高复合材料的强度一直是科技工作者努力探索的方向。在复合材料大 家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点【l m l l 】。自玻璃纤维与有机树脂复合 的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功， 性能不断得到改进，使复合材料领域呈现出一派勃勃生机。碳纤维主要是由碳元j 素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在9 0 以上。碳纤维是 由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳 化处理及石墨化等工艺制成的。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、j 耐 磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各 向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比 重小，因此有很高的比强度。碳纤维是继玻璃纤维之后出现的第二代纤维增强塑 料。在纤维增强材料中碳纤维是发展最迅速、应用范围很广、适于不同领域要求 的纤维材料。 1 1 碳纤维预浸技术概述 1 1 1 碳纤维的发展及应用 碳纤维一般以力学性能和制造原材料进行分类旧14 1 ，按力学性能分为：通用 型g p 碳纤维、高性能型h p 碳纤维、高强度h s 碳纤维、高模量h m 碳纤维、 超高强度u h s 碳纤维和超高模量u h m 碳纤维；按原材料分为：聚丙烯腈p a n 碳纤维、沥青碳纤维和粘胶碳纤维。大丝束和小丝束碳纤维之间并无严格的界限 r 人津i ：业人学硕卜学位论文 和定义。一般把1 k 、3 k 、6 k 碳纤维叫做小丝束，1 2 k 及以上的碳纤维叫做大 丝束。 1 9 6 1 年同本大阪工业研究所进藤博士用美国聚丙烯腈奥纶为原料研究开发 p a n 基碳纤维，只本群马大学大谷教授在1 9 6 3 年利用煤焦、石油炼制的副产品 沥青研究开发成功沥青碳纤维。1 9 6 5 年1 9 6 7 年美国的u c c 公司曾以粘胶纤维 为原料研究开发了粘胶纤维基碳纤维，但未推广。碳纤维的生产始于6 0 年代木 7 0 年代初，当时以粘胶纤维为原料，经预氧化、碳化、石墨化制成碳纤维，主 要在火箭喷嘴防止热气流传导使用。在7 0 年代末，英国c o u r t a u l d s 公司进行了 大丝束碳纤维的研究，1 9 8 5 年开发了4 8 k 以上大丝束碳纤维，其性能可达n d , 丝束碳纤维的水平，但原丝价格仅为6 k 小丝束碳纤维的一半，大幅度降低了通 用级碳纤维的成本，为其进入一般工业领域成为可能。目前碳纤维9 3 主要用于 复合材料。其性能如表1 1 【1 5 】： 表1 一l 碳纤维性能特点 1 1 2 复合材料预浸技术的现状 预浸料是用控制量的树脂( 热固性或热塑性) 浸渍纤维或织物后形成的中间 材料。浸渍技术有溶剂浸渍、热熔体浸渍、粉术浸渍等。预浸料可以“b 阶”状 态或部分固化后储存。预浸带或预浸前j 用于手糊、自动铺带、自动铀纤或某些缠 绕成型工艺中。单向预浸带( 所有纤维平行) 是最常见的预浸料形式，它们提供单 向增强。机织布及其他平面织物预浸料提供二维增强，它们一般成卷销售。还有 用纤维预成型体和编织物制成的预浸料，它们提供三维增强。 预浸料市场在近年来经历了很大的发展。由于预浸料被广泛接受和面临一些 新的市场机遇，目前预浸料行业在整体上颇具i 吸引力，其利润幅度高于平均水平。 这一形势已吸引了投资商和用户的很大关注。世界上各大顸浸料生产商也密切注 视市场竞争动态，力图占有尽可能多的市场份额。而如何有效地满足用户要求则 是决定能否长期成功的关键。预浸料的主要物理性能指标包括粘性、横截面积、 挥发份含量等【1 6 j 。 第一章绪论 ( 1 ) 粘性， 预浸纱的粘性直接影响到自动铺丝机能否j 。e 常工作，通过对预浸纱存放和使 用环境的综合分析，理想的自动铺丝预浸纱应该在较低温度下保持低粘性，而在 一定的温度下具有高粘性。 ( 2 ) 横截面积 在预浸布织造过程中有溶液浸渍过程，预浸纱的铺层质量主要决定于宽度和 厚度两个方面。控制预浸布的横截面积就显的十分重要。横截面积就是指控制预 浸布的截面面积以达到要求。在铺放机的工艺中主要就是指铺放无重叠，无i 、日j 隙 的紧密排列。 ( 3 ) 其它物理性能指标 1 ) 树脂基体和增强体的匹配性好。即增强体表面经过处理和树脂基体相容， 以使复合材料有优良的层问强度。 2 ) 挥发份含量尽可能小。般在2 以下，以降低复合材料中的孔隙含量， 提高复合材料的力学性能。在航空航天领域中，应用于飞行器主要承力构件的预 浸纱挥发份含量要求控制在o 8 以下。 一 3 ) 纤维体积含量的稳定性是影响复合材料构件性能的重要因素。纤维体积含 量要求保持在v f - - 6 0 - j ：2 ，以满足层铺工艺要求，保证产品的力学性能。 当前常温存储的预浸料技术发展迅速。一般热固性的树脂预浸料具有较短的 粘性储存期，一般室温储存期1 个月左右，给储存、运输和使用带来很大困难。 为了延长储存期，不得不采取低温( 一般为1 8 。0 ) 储存和运输，随之增加了工艺困 难，也大大提高了复合材料的制造成本。为此，提高预浸料的储存期一直是树脂、 项浸科研究开发的主要方向。文献【1 7 】讲述了现代常温预浸料技术的发展情况。 1 1 3 预浸铺放制造特点 如图1 1 所示为一种溶液法织物预浸机协2 2 1 ，这种预浸机的特点是将复合材 料经过预浸、烘干、收卷后存放。适用于单颗纱或者复合材料带。 图1 1 一种溶液法织物单丝预浸机 1 送布辊；2 浸胶槽；3 烘干炉；4 收卷辊；5 送薄膜辊 3 天津l ：业人学硕 ：学位论文 图1 2 所示的是一种多丝热熔脱模法制造连续预浸布的复合材料设备2 3 1 ，其 特点是连续制造，适合大规模生产，但预浸均匀度难以把握，斫j 面平整度较差。 图1 2 碳纤维热熔法预浸机 溶液浸渍法是制造预浸湿法复合材料预浸布的方法，由于复合材料树脂技术 的发展，常温下可用的树脂已经开始得到应用。 采用预浸湿法铺放技术制造碳纤维预浸料的特点如下： 1 ) 采用常温树脂，省去了加热环节，节省了成本，从资源利用的角度看，节 约了资源，并使机械结构得到简化。 2 ) 由于没有热源，在纤维铺放过程中不会产生因为热而导致的应力问题，大 大提高了预浸料的成品质量。 3 ) 常温预浸相对于采用热熔法的工艺，树脂的挥发相对更少，提高树脂利用 率的同时，使得树脂溶液的成分相对稳定。 一 4 ) 采用单丝铺放技术能够精确地控制预浸料的表面平整程度，实际上，只要 采用合理的控制策略，采用铺放技术生产的预浸料可以具有相当好的单层预浸料 表面平整度 5 ) 采用单丝铺放技术生产的预浸料在浸胶的均匀程度上能得到更好的控制， 浸胶更加均匀。 当然，采用铺放技术生产预浸料有其固有的不足，比如，铺放没有连续性， 对于大件的生产往往不能达到要求，所以主要应用于中小型碳纤维件的生产。其 次，采用铺放技术生产碳纤维预浸料的生产效率较低，对于批量的、连续的生产 不能满足。 1 2 复合材料设备控制技术 在复合材料的相关设备中，自动控制技术也是一个不可缺少的重要组成部分 1 2 4 】。在本套碳纤维预浸铺放机的设计中，其核心控制即为运动控制。以图1 3 为 例，其为直升飞机尾桨叶梁组件缠绕原理图。叶梁模具1 绕其中心旋转，将预浸 第一章绪论 料2 缠绕在尾桨叶梁模具l 的斜套上，芯模l 由伺服电机驱动，控制单元控制伺 服电机以一定的变角速度旋转，实现对预浸料2 张力的恒定。通过在：笛模旋转过 程中，预浸料被缠绕在芯模两端的两个圆柱之间。缠绕完成后将预浸料从芯模上 取下进行热压成型。运动过程中，张力传感器3 在缠绕过程中动态检查预浸料的 张力，将检测到的张力信号传递给控制单元。放卷轮4 由力矩电机控制，保持预 定的放卷张力。图1 4 为其控制系统简副2 5 j 。 布一 4 放卷轮 图1 3 直升飞机尾桨叶梁组件缠绕原理图 图l - 4 叶梁缠绕机控制系统简图 1 2 1 复合材料设备控制关键技术 现代复合材料设备的控制系统主要以运动控制为基础，复合材料设备控制技 术的核心是其对运动控制的好坏f 2 6 】。其包括t 耄j l 械工程、电子工程、控制工程、 计算机科学以及智能仪表技术的相互交叉和融合的技术，图1 5 所示的足一般运 动控制系统的构成结构图。 天津l ：业人学硕 ：学位论文 图1 5 运动控制系统的构成结构 文献 2 7 介绍了一种使用p l c 对预浸布生产线进行多辊速度控制、干燥塔温 度控制、收卷纠偏控制；采用变频器对电机速度进行调节；使用触屏作为人机接 口，进行参数设置和监控，达到了满意的控制效果。图1 - 6 显示的是一般形式的 运动控制系统方框图。 图1 6 一般形式的运动控制系统方框图 复合材料设备的运动控制技术是在传统技术的基础上，与一些新兴技术相结 合而发展起来的，涉及到机械技术、电子技术、控制技术、计算机软硬件技术以 及信息技术等。运动控制中的关键技术可以归纳为6 个方面：，伺服传动技术、精 密机械技术、检测传感技术、自动控制技术、计算机与信息处理技术及系统总体 技术的多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。 ( 1 ) 伺服传动技术 伺服传动技术是直接执行操作的技术，伺服系统是实现电信号到机械动作的 转换装置或部件，对系统的动态性能、控制质量和功能具有决定性的影响。常见 的伺服驱动方式有直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机等。 ( 2 ) 精密机械技术 机械技术是复合材料设备的基础。机械技术的着眼点在于如何与运动控制的 技术相适应。与一般的同类型机械相比，运动控制系统中机械部分的精度要求更 r 第一章绪论 高，要有更好的可靠性与可维护性，同时要有更新颖的结构，要求零部件模块化、 标准化、规格化等。也就是说，在运动控制系统的产品中，对机械本体和机械技 术本身都提出了新的要求，这种要求的核心就是精密机械技术，要求机械结构减 轻质量、缩小体积、调高刚性、提高精度、改善性能、提高可靠性。 ( 3 ) 检测传感技术 传感与检测装置是系统的感受器官。它与信息系统的输入端相连，并将检测 到的信号输送到信息处理部分。检测传感器是实现自动控制、自动调节的关键环 节，它的功能越强，系统的自动化程度就越高。另外，为提高产品的性能、扩展 能力，通常需要对机械进行实时控制、监视、安全检查等，以提高其自动化的程 度，这些都要通过检测传感手段来实现。因此，检测传感技术是运动控制系统安 全运行与提高产品质量的有力保证，检测传感的关键元件是传感器，它相当于人 的感觉器官，是将被测量变换成系统可识别的、与被测量有确定对应关系的有用 电信号的一种装置。 ( 4 ) 自动控制技术 自动控制技术范围很广，主要包括：基本控制理论，在此理论指导下，对具 体被控装置或控制系统进行分析、综合与控制器设计：通过系统仿真来调节控制 器参数，以达到所要求的系统运行的性能指标。 ( 5 ) 计算机与信息处理技术 信息处理技术包括信息的输入、交换、存取、运算、判断决策和输出等技术， 它包括计算机及外围设备、微机处理、运动控制板或可编程控制器( p l c ) 、接口 技术。因此信息处理技术与计算机技术是密切相关的。计算机技术包括计算机的 软件和硬件技术，网络与通信技术，数据技术等。接口技术是系统总体技术中的 一个重要方面，它是实现系统各部分有机连接的保证。接口包括电气接口、机械 接口、人一机接口。电气接口实现系统问电信号连接；机械接口贝0 完成机械与机 械部分、机械与电气装置部分的连接；人一机接l j 提供了人与系统间的交换界面。 ( 6 ) 系统总体技术 运动控制技术不是技术的简单叠加，而是通过系统总体设计设它们形成一个 有机整体。系统总体技术就是以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度 和系统目标出发，将总体技术分解成相互有机联系的若干功能单元，找出能完成 各个功能的技术方案，再将各个功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价、 优选的综合应用技术。总体技术包括机电一体化机械的优化设计、c a d c a m 技 术、研究和解决各种组成部件之问功能上的协调，可靠型设计及价值工程等。显 然，即使各个部分技术都已掌握，其性能、可靠性都很好，如果整个系统不能很 好的协调，它也仍然不能f 常、可靠性地运行，可见系统总体技术的重要性。 大津+ l ：业人学硕十学位论文 1 2 2 张力控制策略的研究现状 张力控制是复合材料设备控制系统中很重要的一个环节。随着生产的发展， 张力控制系统的发展大致经历了三个发展时蝌2 8 2 们，即机械式张力控制器，电控 式张力控制器，计算机式张力控制器。 ( 1 ) 机械式张力控制器 机械式张力控制器是通过机械结构来实现张力控制的。如早期的 “c t c ”( c o m p e n s a t i v et e n s i o nc o n t r o l l e r ) ，它是一种平衡式自动补偿张力控制器， 其制动力矩是靠刹车带与制动轮之间的摩擦产生，制动阻力矩的调节由调节刹车 弹簧的变形量来实现。机械式张力控制器的主要特点是：结构简单，制造容易。 但是张力值不能自动设置，而且控制精度低。 ( 2 ) 电控式张力控制器 电控式张力控制器是由电子元件组成的模拟电子控制系统，这类张力控制器 通常使用应变传感器实时检测丝束张力，然后反馈给控制器，控制器将张力设定 值与反馈值比较、校正后，输出控制信号，经放大后驱动电机或电磁离合器，使 张力保持在一定的范围内。这种张力控制器的控制能力比较强，控制精度比机械 式张力控制器有所提高，但由于外界环境对模拟电路的干扰，张力容易产生波动。 ( 3 ) 计算机式张力控制器 计算机式张力控制器采用计算机和数字电路控制器具有传统控制无法比拟 的优点，微处理器成为控制系统的核心，减少了电子控制系统的大量硬件电路， 使系统大大简化，可靠性更高，同时也可以采用各种先进的控制算法，控制器更 趋向于智能化。微机式张力控制器既可以单独工作，又可设计成上、下位机的形 式，而且张力可以被记录、显示和自动设定，因而，这种控制方案得到了广泛的 应用。 碳纤维预浸铺放机是一个典型的时变、强祸合、多干扰的非线性卷绕系统， 而且在系统运行过程中要求高精度的同步控制以及较高的运行速度，具有许多不 可预测的因素，因此给张力控制带来了很大的难度。p i d 控制由于具有很强的鲁 棒性，且易于实现，因而广泛应用于工业实际上。然而，面对这样一个时变非线 性的多变量系统，要想获得高精度的控制，便出现了二自由度p i d 算法【3 0 。3 1 ， 积分分离的p i d 算法，变结构的p i d 算法，p i d 加前馈算法等变形式。 1 3 课题背景意义及研究内容 碳纤维是应用于高精尖领域的重要新材料，其预浸料主要应用在军工和宇 航，经过4 0 多年的发展，其应用领域不断扩大，已经进入到民用产品的很多领 8 第一章绪论 域，在民用航空、汽车电子、体育用具、清洁能源等领域有着广阔的应用前景。 随着我国高新技术产业的快速发展，对碳纤维需求量大幅度增加。由于世界各国 对新能源、新材料等领域的重视，碳纤维及其预浸技术近些年发展迅速，我国科 研人员也较早的在碳纤维及其预浸技术领域展开了卓有成效的研究，但和国际上 发达国家的技术相比，还有一定的差距。在国外技术封锁的情况下，对于我国这 么大的市场而言，走自主创新是一条必由之路。 本课题是中航湖北航宇救生装备研究所投标项目。航宇救生装备研究所是专 门从事丌发、生产航空航天方面安全装备的研究所。由于现代设备发展的需要， 航宇救生装备研究所需要在碳纤维制品的生产方面开展研究以及生产碳纤维制 品。本套设备就是主要为其提供碳纤维预浸料的生产设备，其主要的应用方向为 碳纤维制品的研发。 本课题主要从碳纤维预浸料的铺放工艺出发，对设备工艺结构进行了分析， 研究并开发设备的控制系统，包括控制系统的体系架构、硬件的选配、硬件的电 路设计、控制方式的选择、控制算法的研究以及软件设计。通过对国内外碳纤维 预浸技术的研究，完成了碳纤维预浸铺放机整机丌发，通过了航宇救生装备研究 所的验收，在实际碳纤维预浸布的生产上表现出比较好的效果，能够为其提供高 质量的预浸布，在碳纤维预浸料以及碳纤维制品的研发方面，有较高的实际应用 价值。 大津i3 1 k 人学硕十学位论文 1 0 第二：章多丝束碳纤维预浸铺放i ：艺及系统 第二章多丝束碳纤维预浸铺放工艺及系统 碳纤维预浸铺放机是实现碳纤维预浸布制备工艺的基础，也是控制系统设计 的基础。本章介绍t n 备预浸布的一般工艺。对多丝束碳纤维预浸铺放系统的工 艺进行了分析，同时，根据系统的工艺组成对相应部分进行了独立的分析。 2 1 多丝束碳纤维预浸铺放工艺 铺放技术实际上是一种无纬布制造技术，实际是将经过浸胶碳纤维丝束紧密 排列缠绕，形成一层碳纤维无纬布圈，然后将布圈从中间划开，形成一层的碳纤 维预浸无纬布，是一种非连续的单层碳纤维预浸料制造技术。碳纤维无纬布制造 技术主要适用于小批量，中小尺寸的碳纤维件的预浸布制造。 图2 - 1 碳纤维制品i ：艺过程图 图2 1 为碳纤维制品的工艺过程图，由图中可以看出碳纤维制品的一般制造 工艺流程。首先根据不同的复合材料基体及其应用的不同，对基体胶液进行合理 的配制及调制，将配置好的树脂胶液放入纤维经过的路径上的胶槽，其位置一般 根据相关的设计要求定，在本套设备中，根掘制备要求，胶槽的位置放置在张力 传感器之后，这样既能满足预浸料浸胶的要求，又使得张力传感器能更好的工作 在于纤维部分。碳纤维丝束经过胶槽浸胶，经过缠绕滚缠绕铺放形成预浸布，这 个过程中要保证碳纤维丝束在运动中张力均匀，这是控制中的要点，也是在铺放 机在较高速运行的情况下，在速度与张力有着强耦合的条件下，控制中最难以把 握的一个环节。最后经过铺放将形成将环形预浸布，再从中间截丌形成单层预浸 天泮i ：业人学硕十学位论文 布，形成的预浸布能够保存一定的时间，当需要时，在经过铺放、同化、脱模、 修整、后固化、最终形成产品。在整个工艺过 罕中，预浸布将生产从时i 、u j 与空问 上划分开来，提高了生产效率。 在碳纤维预浸佰制备技术中，最关键的是制备系统的搭建，因此预浸铺放机 是技术方案中的核心设备，控制工艺、预浸料的制备和性能参数的表征都是在制 备设备的基础上展开的。其缠绕铺放的基础是当铺放伺服电机带动铺放辊每转一 周时，同步伺服电机带动丝杠要使纤维在铺放辊表面运行一个纤维宽度。采用多 筒纤维对张力的均匀控制提出了更高的要求，此处采用了伺服电机通过蜗轮减速 机构摔制的同步刹车结构。3 k 丝束的碳纤维纱线仅仅只有l m m 宽，在纱线运动 过程中会产生纱线丝束断裂，所以避免纱线的毛刺以致断裂就是必须考虑的问 题，也是对预浸料质量影响较为严重的问题。为了避免纱线断纱，应尽量缩短纱 线缠绕行程以及采用全滚动传送，只有这样才能达到减少纤维毛刺甚至断裂的目 的。如图2 2 为多丝束碳纤维预浸铺放系统的示意图，图中将整个工艺分成几个 核心的部分：a ：张力调节机构部分；b ：多丝束放纱部分；c ：同步运动部分； d ：张力反馈部分；e ：浸胶部分；f ：含胶量控制部分；g ：铺放辊部分。 广 ；。 ! h 图2 2 多丝束碳纤维预浸铺放系统 由于碳纤维丝束( 1 2 k 以下) 的单丝非常的细，极其容易因为刮擦断裂，再 设计上就有其特点。在铺放机的设计中，全部的过辊都采用了滚动方式，并且在 设计中考虑到了使用最少的滚动接触方式实现系统功能。 如图2 3 所示，是经过简化的碳纤维铺放过程原理示意图。双点划线即为碳 纤维丝束，从图中可以看出，碳纤维筒纱固定于旋转活动支架上，碳纤维丝束经 过张力三辊测量铺放张力，浸胶槽进行浸胶，再经过挤胶辊将过多的胶体挤出， 然后 纤维 图2 3 碳纤维预浸铺放机铺放过程示意图 2 2 各部分工艺分析 2 2 1 总体结构 根据碳纤维铺放机的工艺要求，可以将系统分成以下几个部分，图2 4 是碳 纤维预浸布铺放机控制及工艺原理图。 图2 4 多丝- 束碳纤维预浸铺放系统i ：艺组成 2 2 2 放纱和铺放部分 2 2 2 1 纱筒的安装 天津j ：业人学硕卜学位论文 图2 5 足张力调节摩擦减速机构及纱筒安装结构的示意图，在铺放机的机械 结构设计中，考虑到铺放效率的提高j 、u j 题，采用了多纱筒同步铺放结构的没计。 在实际生产过程中，根据要求的不| 一j ，多简纱的设计方式可以替代传统的单筒纱 设计，当仅需要单丝缠绕铺放的时候，多筒纱的设计方式能够在换纱时提高效率。 多筒纱设计的难点就在于：1 、张力调节的同步性控制；2 、多丝缠绕的排列特性 的控制。有关这两方面的设计问题会在下文讨论。 减速轮 机架纱筒芯轴 图2 5 张力调节摩擦减速机构及纱筒安装结构 在纱筒的固定问题上，采用一种简便易行的方案，即采用胶圈摩擦的方式来 进行固定，这样的固定方式节约了成本，外观简化，在运转过程中还能达到减小 噪音的效果，达到了使用要求。采用这种方式固定的缺点就是其能够固定的纱筒 结构，尺寸都比较固定( 其尺寸为直径3 英寸) ，不能自由多变，然而在本套机 器使用的碳纤维纱筒的尺寸以及形状都已形成了标准，并且由于本套系统所使用 的3 k 碳纤维所需要的张力都是比较小的，一般在8 k g 以下，所以所需要提供的 摩擦力是相对小的，为了方便拆卸又简化结构，因而采用尺寸为直径7 6 3 m m 的 橡胶摩擦圈既保证了使用要求，又经济美观。图2 - 6 为摩擦调节原理图，由于碳 纤维丝束的导电特性，为了防止机器运行过程中发生的碳纤维飞毛j 或者在纱筒 张紧轮 张紧带 调节杆 图2 - 6 摩擦调节原理图 i d 横粱 第二章多丝束碳纤维预浸铺放j i ：艺及系统 丝束将用完时难免产生的飞毛现象影响到其他电器或电源设备，在碳纤维纱筒的 部分，设计了有机玻璃仓进行隔离。 2 2 2 2 张力减速调节部分的设计以及调节原理 多筒纱在张力调节问题上必须考虑多颗纱的张力同步调节i 、u j 题，在张力的同 步调节问题上，采用了同轴拉力张紧调节的方式，既保证了张力调节的同步，同 时由于这部分的结构是在运动平台上的，结构上的简化，既能保证平台运动的负 载合理，又减小了电机功率，达到了节能效果。为了满足快速精确地张力调节的 目的，张力调节原动机构采用伺服电机带动蜗轮蜗杆同轴调节，实现张力的快速 可调。如图2 - 6 所示，由伺服电机通过蜗轮减速器带动连杆同步的使三个纱筒摩 擦制动机构同时运动，达到同时调节张力的效果。同时，在每个制动调节机构的 下面，都有一个可调节的调节螺栓，同步的张力调节要求每个纱筒具有近似的制 动力，调节螺栓的伸长，便可调节每个纱筒，最终使其制动力相同。在使用单筒 铺放时，调节螺栓拨到适量系统便可以自动满足要求。 铺放辊是碳纤维预浸料成型的最终机构，铺放辊的速度对张力的影响是最大 的，图2 7 为铺放辊结构，此设备采用直径l m 的铺放辊，其轴向长度1 2 m ，可 以生产长3 1 4 m ，宽l m 的单层以及多层碳纤维预浸料。 2 2 3 张力反馈部分 图2 7 铺放辊结构图 闭环控制中，检测是必不可少的一部分，在张力反馈系统中，实时张力的采 集是必不可少的一个环节。张力传感器的安装方面采用传统的张力三辊结构，保 证了张力测量的准确性。采用中航的悬臂梁式张力传感器。s u p 系列是专为张力 测控设计的传感器，采用了应变片测力原理，单点式双平面固定，具有测量精度 高，响应速度快等特点。图2 8 为张力三辊结构组成及张力放大器的结构原理示 意图。 检测原理：该传感器是通过检测辊来施加压力负载，使传感器梁产生的微小 天津i ：业人学硕十学化论文 位移，通常住+ 1 2 0 9 m 以内，然后通过差接变压器米感测出张力变化信号。图2 8 为张力传感器的检测过程示意图。 图2 - 8 张力传感器安装结构及检测原理示意图 张力传感器调零原理如图2 - 9 所示，若传感器水平安装，导向辊与检测辊成 的左、右角度相等。 t t 图2 - 9 张力传感器受力图 晕 再没丝束经过