热塑性复合材料热压成型输送装备的研制

摘要

环境恶化、资源短缺和能源危机使得绿色环保材料在国内外受到越来越广泛的关注和重视。连续纤维增强热塑性复合材料以轻质高强、抗冲击韧性高、耐疲劳损伤性能高、可设计性强、耐热性好、耐化学腐蚀性和耐水性好、生产效率高、易于储存并可焊接、循环利用等一系列优势，已经成功应用于航空航天、交通运输、海洋工程、医疗卫生、体育用品等领域。目前，采用具有成型效率高、环境污染小、自动化程度高等特点的热压成型工艺来制备连续纤维增强热塑性复合材料部件已成为国际研究热点。制备高效率生产的热塑性复合材料部件的关键难点之一是研制适合于热压成型工艺输送装备。
　　本文主要针对国内热压成型热塑性复合材料规模化量产需求，研制了集复合材料板材的输送、预热、热压成型等工序为一体的热塑性复合材料热压成型输送装备，将极大促进热塑性复合材料在军、民用领域的应用。
　　本论文主要工作如下：
　　1、深入分析热塑性复合材料热压成型工艺流程和输送装备应具备的功能及各功能间复杂逻辑关系，明确各个工位的布局，确定输送装备的总体设计方案。
　　2、根据各个机构的功能要求，确定了各个机构的设计框架；运用模块化的设计思想，设计了搬运机械手的机械结构；结合机械手的结构特点及动作要求，设计了机械手的气动控制回路。
　　3、为实现各个工序的连续化、自动化，完成了输送装备的电气控制系统设计。设计了由触摸屏、可编程控制器、伺服驱动系统、各类传感器以及电磁阀组成的电气控制系统。采用 PLC与触摸屏联合控制，伺服电机与气压驱动相结合的控制系统实现了复合材料板的快速平稳搬运。
　　4、为保证复合材料板材受热均匀，提高加热效率。合理设计了输送设备的温度场结构，并应用先进温度控制原理设计了由温度控制器、周波控制器、固态继电器及热电偶组成的温度控制系统。通过板材对辐射能的吸收过程分析，结合板材的温升实验的研究，对温度控制的参数进行合理设置，达到板材的快速均匀加热效果。
　　5、为了验证成型装备系统设计可行性，装备在经过分析和设计之后，需要进行机械及控制系统的集成与调试。通过系统的调试确定了，装备运行的最佳参数。能够实现连续纤维热塑性复合材料部件的自动化制备。
　　通过上述工作为热塑性复合材料热压成型工艺提供了性能稳定的、高性价比的输送装备设计方案，对推动热塑性复合材料制品的高效率规模化制造具有一定的指导作用。

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1绪论

1.1纤维增强树脂基复合材料

1.2纤维增强热塑性树脂基复合材料

1.3热塑性树脂基复合材料主要成型工艺

1.4热塑性复合材料成型装备的现状

1.5本文研究的目的和意义

1.6本文的研究内容

2输送装备总体结构设计

2.1热压工艺流程及工艺要求

2.2系统的设计原则和目标

2.3机械结构和控制系统框架设计

2.4本章小结

3输送装备机械结构设计与实现

3.1机械手的总体结构设计

3.2气动回路构成及原理

3.3传动系统设计

3.4本章小结

4电气控制系统设计

4.1控制系统构成

4.2控制系统电路设计

4.3伺服控制系统的实现

4.4检测机构选型

4.5 PLC硬件设计

4.6 PLC控制程序设计

4.7人机交互界面的设计

4.8本章小结

5温度控制系统设计

5.1输送装备温度场结构

5.2温度场加热方式

5.3温度控制原理

5.4板材对辐射能的吸收过程分析

5.5材料加热的温度参数选择

5.6本章小结

6热压成型输送装备的集成及调试

6.1装备系统集成

6.2系统的调试和验证

6.3本章小结

7总结与展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

在学研究成果

致谢