自动铺丝的铺放温度和张力控制技术研究

摘要

自动铺丝技术是实现先进复合材料低成本制造的关键技术之一,为保证自动铺丝成形时的铺放质量和自动铺丝机的高效率铺放,需对碳纤维单向预浸料自动化铺丝成形时的铺放工艺进行精确控制,为此,本文开展了关于自动铺丝成形中铺放温度和铺放张力工艺参数控制的研究,提出了相关的控制方案,旨在实现铺放温度及铺放张力的精确控制和最终的工程应用。
　　首先,提出一种自动铺丝的预浸料粘性控制方案——自动铺丝的红外加热系统。系统通过调节铺放温度改变预浸料的铺放粘性,可实现铺放速度与加热灯辐射强度的动态匹配,保证铺放时预浸料的铺放温度始终在最佳铺放窗口以内;分析加热灯与铺放表面间的热量传递过程,推导出动态温度控制方程,建立自动铺放速度与加热灯辐射强度的匹配关系;基于自动铺丝机的硬件结构,搭建了以自动铺丝机的铺放速度为变量、预浸窄带表面温度为控制量、以可编程控制器作控制单元的红外加热系统。
　　其次,提出一种自动铺丝的预浸窄带张力控制方案——以伺服电机和气缸为动作机构、采用伺服电机速度模式的积分分离式PID张力控制系统。分析自动铺丝的张力控制特点,得出自动铺丝机对张力系统实现预浸窄带小张力、快速回纱响应的控制要求;选定以速度控制模式的伺服电机与摆动辊联动的控制方式、以摆角检测与伺服电机转速构成闭环控制的张力控制方案;为实现稳态的、可高速铺放的张力控制,提出了引入电机转速补偿和基于闭环速度控制模式的积分分离式PID控制方法。
　　实验结果表明,理论推导的动态温度控制方程与实际情况相吻合;搭建的自动铺丝的红外加热系统能够大幅提高自动铺丝成形的铺放质量,不同铺放速度下,均能实现铺层与模具以及铺层与铺层间的有效粘结,经红外加热后的铺层表面平整、无翘曲、层间贴合密实;进一步检测发现,加热对预浸料的性能影响很小,不影响铺放成形构件的性能。自动铺丝的张力系统能够满足自动铺放的低速、中速、高速下的张力控制要求,经检测发现受控的预浸窄带张力小、回纱响应快、实验中无跳辊现象;该张力控制系统可用于自动铺丝机独立纱箱的搭建。

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缩略词

第一章 绪论

1.1 先进复合材料及其低成本制造技术

1.2 自动铺放技术

1.3 课题研究背景及研究内容

第二章 自动铺丝的动态温度控制理论

2.1 自动铺丝的粘性控制方案

2.2 热辐射传递过程

2.3 动态温度控制方程

2.4 本章小结

第三章 加热系统的铺放工艺研究

3.1 加热系统的组建

3.2 实验分析

3.3 本章小结

第四章 自动铺丝的张力控制方案

4.1 自动铺丝的张力控制分析

4.2 张力控制理论

4.3 张力系统设计

4.4 自动铺丝的张力控制方案

4.5 本章小结

第五章 张力系统的程序开发及实验研究

5.1 自动铺丝机张力控制平台建立

5.2 张力系统的PLC控制程序开发

5.3 张力系统的实验测试与分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 后续工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文