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1、精选优质文档-倾情为你奉上 毕业设计（论文）题 目： 纤维铺放输送控制系统 学 院： 机电工程学院 专业班级： 2008级机械工程及自动化（1）班 指导教师： 屈萍鸽 职称： 讲师 学生姓名： 姜建涛 学 号： 专心-专注-专业摘要树脂基复合材料具有很高的强量重量比，好的抗腐蚀、抗冲击性能等，所以在航空、航天工业等一些尖端技术中，树腊基复合材料已经逐渐被广泛的应用。纤维缠绕增强塑料制品除了具有以上的优点外，还具有可靠性高、生产效率高、材料成本低等更为突出的特点。尽管如此，纤维缠绕工艺也有它的局限性。例如，当芯模表面存在凹面时，纤维就会架空；当芯模上存在较大面积的平面时，如箱零件，在平面部分纤维
2、的压紧力很小或几乎没有，而棱角部分的压紧力却非常大，这就导致部件的不同部分壁厚不均。正是上述纤维缠绕工艺本身不可克服的缺点促使铺放技术的产生。铺放就是通过使用压紧辊按照一定规律把纤维束直接压在芯模表面上。通常铺放头具有送料和剪切的功能，它可以根据需要在适当的地方减少或增加纤维的数量。这样不仅可以沿着弧形的路径铺放，而且可以大大节省原材料。本文分成了三个部分，第一部分是铺放头前端的放纱过程；第二部分是铺放头中的重送过程；第三部分是铺放头中的剪切过程。本文就是研究第一部分铺放头前端的放纱过程，在这个过程中主要是要解决放纱是纤维与背衬纸的分离，也就是放卷和收卷的过程。关键词；纤维铺放，铺放头，放纱过
3、程，磁粉离合器，直流伺服电机ABSTRACTResin matrix composites with high strength to weight ratio, good corrosion resistance, impact resistance, cutting-edge technology, such as in aviation, aerospace industry, tree cured composites have gradually been widely used. Filament-winding reinforced plastics products aside
4、 from the above advantages, also has a high reliability, high production efficiency, low material cost a more prominent feature. Nevertheless, the filament winding technology also has its limitations. For example, when the form when there are concave surface, fiber will be elevated when on form when
5、 there is a large plane, box parts, in the flat part of the fiber of the clamping force is very small or no, and the angular part of the clamping force is very large, this leads to uneven part wall thickness in different parts. Filament winding process itself cannot overcome the shortcomings mention
6、ed above make placement technology. Placement is by using pressure rollers according to a certain rule directly on the form surface fibers. Shop usually has the function of feeding and cutting, and it can in the right place if you want to reduce or increase the amount of fiber. Not only does this pl
7、acement along a curved path, and saving of raw materials. This study area was divided into three parts, the first part is the placement put the yarn in the front of; in the second part is the placement of the sending process; the third part is the placement of the cutting process. First part of this
8、 paper is to study the placement front end yarn, is mainly to solve the yarn in this process is fibers separated from the back end papers, or unwinding and winding process. Keywords： fiber placement, placement, and put yarn process, magnetic clutch, DC servo motor目 录3233诚信说明第1章 绪论11本文研究的目的及意义树脂基复合材料
9、1，由于其较高的比强度、比模量，抗疲劳、耐腐蚀、成形工艺性好以及可设计性强等特点，已经成为航空航天领域与铝合金、钛合金和钢并驾齐驱的四大结构材料之一。目前，虽然复合材料织造自动化技术已经有了发展，但仍然应用有限，尤其是对于那些具有相对复杂的形状的部件。而纤维铺放系统是制造复杂结构纤维增强塑料(FRP)制品的先进制造技术之一。用于制造如圆筒容器、储罐、管、球、锥形体或组合形体等正曲率回转体的制品，更适合用于制造含有负曲率的回转体表面、具有深槽、加强筋的壳体构件等外型相对复杂的FRP制品。这一特性在航空航天以及军事领域中显得尤为重要突出。纤维铺放头是纤维铺放系统中加工外形复杂的FRP构件的关键机构
10、。它是集机、电、气一体的技术。纤维铺放头机构一般安装在五轴纤维缠绕机的绕丝头部分。其运动系统与纤维缠绕机的运动轴耦合，即利用FW系统的原有运动。铺放功能主要由铺放头机构来完成。研制自主产权的纤维铺放成型技术及设备，提高该类产品制造技术水平，将对我国航空航天及国防事业的发展具有重大意义。12 纤维铺放系统它与带铺放机的不同之处在于：它使用一组各自独立的纤维或纱线并列的铺放在芯模的表面上，而不再使用预先成型的预浸带。在铺放机上有一个纱架，架上装有多卷预浸纤维纱线（又称为预浸纱），每股纱线被送往铺放头的速率都是单独控制的。铺放头内有一套装置可以单独控制每一股纱线的铺放，它允许同时送入多股相互平行的纱
11、线，铺放头上的压紧辊（或压紧靴）同时把所有的纱线紧紧的压在模具上形成纤维带。同时，在铺放头内还装有剪切送纱装置，它可以任意剪断或重新输送某一股或多股纤维束。这样，在铺放过程中可以随时增加或减少需要或不需要的纱线。这种可选择的剪断纤维带中的任意一股纱线的能力可以带来许多好处。其一是纤维铺放机可以沿着弓形路径铺放纱线，这是因为每一股纱线的长度是可变的，因此每一股纱线可以比相邻的纱线延长一个不同的长度，从而铺放出一个平顺的纤维带；其二是铺放锥形体时可以在当铺放头到达芯模的小端时剪断多余的纱线以避免不必要的堆积，从而可以节省材料；其三就是可以在芯模的表面上“开窗户”，例如当芯模表面有孔时，在经过这些地
12、方时铺放头可以通过剪断一根或多根纱线以避免覆盖这些地方。纤维铺放技术是在80年代中后期发展起来的。早期的纤维铺放机一般使用压紧辊把纤维束压在模具上。使用压紧辊的好处在于结构简单，便于维护，而且可以以较高的速度铺放而不会损伤纤维束。但其缺点是压紧辊在其整个宽度方向上是不可变形的，所以就不能随模具表面的变化而随之调整，当模具表面曲率较大时，压紧辊两边的纤维就压不实；相反，当模具表面存在凹面的曲率半径小于压紧辊的宽度时，中间的纤维束也不能压实。另一种是采用压紧头代替压紧辊。相对于纤维缠绕和带铺放装置有了很大的改进，但是在某些应用中还是存在缺陷。121纤维铺放的发展简史原子能纤维缠绕3成型工艺技术可追
13、溯到20世纪40年代二战时期的美国Manhattan工程，该工程部需要重量轻的FRP(Fiber Reinforced Plastic)加强带。Richard EYoung首先考虑以高强度的玻璃钢(FRP)来代替金属，并最先形成了把纤维缠绕在芯模上的缠绕原始概念。同时设计制造了第一台著名的由旧马达和齿轮组成的简易纤维缠绕机，随后缠绕了第一个复合材料火箭动机壳体，以及用于防化学腐蚀的首条玻璃钢管道并投入使用。上世纪50年代，纤维缠绕技术已能生产各种尺寸的火箭发动机壳体，广泛用于火箭、战略导弹等尖端军用产品上。上世纪6070年代，缠绕制品应用领域已从军事部门扩展到化工、污水处理、石油及能系统等重要
14、的民用部门，已可缠绕巨大体积的复合材料产品，如直径为26英尺，长为126英尺的风车叶片；直径10m，容积达1000m3的巨型储罐。该时期的纤维缠绕技术进入了腾飞阶段。上世纪80年代，由于世界性的军备竞赛，虽然纤维缠绕制品仍集中应用于航空、航天和国防项目之中，但应用领域已扩展到民用工业，丰富了民用产品的种类，如用于供水系统的高压管道，用于消防的压力容器及潜水装置等。到目前为止，绝大部分纤维缠绕机是简单的二轴联动缠绕机和三轴联动缠绕机，而且80年代以前的缠绕机都是机械控制的，首台计算机控制的纤维缠绕机诞生于这个时期。计算机控制缠绕机的研制成功使得生产纤维铺设十分精确的复合材料产品成为可能，从而可以
15、生产出高性能、低成本、重量轻的优质缠绕部件。另外扩大了可缠绕部件的种类，从简单的直管到一些形状复杂的部件。在计算机控制系统引入到纤维缠绕技术之前，人们大多靠经验进行模式设计，是一项劳动力密集、周期长的工作。为改善这种局面，人们开始探索用计算机设计缠绕模式，即纤维缠绕CAD技术开始发展。用计算机辅助设计缠绕模式，使得缠绕模式的生成简单容易，从而减少了产品的开发和生产周期。当然，此时的软件工具十分简单，而且只能设计简单部件(如直管等)的缠绕模式。与此同时，生产效率问题已引起缠绕机设计者的重视，开发了多轴缠绕机，可以在一台缠绕机上同时缠绕多个部件。进入90年代后，发展速度明显加快，缠绕技术进入了新的
16、高速发展阶段。提高劳动生产率已置于首要地位，多转轴多运动轴缠绕机已成为标准，进一步扩大商用领域，诸如基础设施、救生设备、汽车以及冷却塔等。缠绕机亦上了一个台阶，研制出了计算机控制的六轴缠绕机，从而结束了用手糊、半用糊生产常用管道配件一弯管和三通T形管的历史。同时，更多运动轴缠绕机的引入使得缠绕形状更为复杂的新产品成为可能，目前国际上已有七轴甚至多达十一轴的计算机控制纤维缠绕机。122纤维铺放的特点1）纤维传输纤维铺放的第一个特点，在纤维铺放的过程中，纤维带从纱架上被绷直，经过3个坐标的腕关节到纤维铺放头上。纤维带必须经过上述路径传递，以便铺放头的操作区域不会受到很大的限制。铺放头的操作，必须保
17、持铺放头的中心线与心轴或模具表面在沿着纤维路径的任何给定点相一致。与铺放头移动的行为密切相关的纱架，限定了纤维传输路径上方向的任意改变。传输一个绷直纱带通过这个方向的最好的方法是，采用安装在纱架和铺放头上的可改变方向的滚轮装置拉直这个纱带。这些变向滚轮必须安装在相同枢轴上，这样它可以自动调整位置而与铺放头相协调。2) 不同的约束进给速度纤维铺放的第二个重要特点是每个束纱都有独立的传输引导系统，因此各个束纱铺放的出纱速度可以不同。每条约束都有自己的一套由纱架到压实的传输引导轮。当铺放头将纤维从纱架上拉出并将其压在制件表面上时，在铺放的宽带范围内的每个纱束都对应着一个唯一的线长度。当铺放头层压一个
18、曲面时，纱带外缘的纱束将会比里面的纱束拉出的长。同样，当铺放头在一个等值面上铺层时，一些纱束铺放长度必须比另一些纱束长。在纤维铺放中，各束纤维铺放的出纱速度有所差别是必需的。3) 纱束的切断夹紧和再启动纤维铺放的第三个特点是，自动的切断和再启动铺放纤维。这对于不停止铺放头的层压运动而单独的切断-夹紧和再启动铺放纱束是必需的。作为脱机软件的一部分，指示切断和重新铺放纱束的指令必须根据铺放制件几何形状的要求进行编程。这个特点允许所有或任何结合在一起的纱束被剔除或添加来改变纱带的宽度，其宽度的变化量等于一束纱束宽度的整数倍。有了这个功能后，就可以通过减少纱带宽度来避免多余的材料浪费。同时在制件边缘切
19、断所有的纱束来节省返回面积上材料的浪费。4) 压实纤维铺放工艺的最后一个特点就是使用一个机械压实装置将预浸纱束层压到模具或制件表面。压实是一个讲纱束压到制件或模具表面来排除空气的行为，同时里面纱带宽度方向上的间隙也可以被消除。在大多数情况下，在压实轮的压紧区域必须加热以减少纱束中树脂的粘度。在工艺中这部分叫作粘性加强。热量引起树脂流动，使压实辊轮能够容易地去除纱束之间的空隙。增加粘性也使铺放的纤维能与模具或前一铺层快速的粘住并且保持结合。13国内外纤维铺放技术13.1国外纤维铺放技术的发展目前国外采用的纤维铺放系统是制造复杂FRP制品的先进制造技术之一。纤维铺放技术在西方少数发达国家于90年代
20、开始研究开发，并不断推广应用，目前已应用于工业化生产。FP应用的实例有：F，A一18EF进气道，后中心滑动板蒙皮；c一17风扇罩，起落架吊窗；BA609前机身；v一22后机身，滑动板蒙皮等。纤维铺放技术最早是作为缠绕技术的改革(新型缠绕技术)提出的，用于复合材料机身机构制造，必须针对复合材料缠绕技术的几个弱点进行创新，技术核心是多丝束铺放头的设计研制和相应材料体系开发。最早研制的有Boeing公司、Cincinnati Milacron公司、Hercules公司(Alliant Techsystems的前身)，1982年开始设备设计、工艺与材料研制等诸项工作。Boeing公司的机械工程师提出了
21、“AVSD铺放头”(Automated Variable Sttraind Dispensing Head)设想，解决纤维束的压实、切断和重送的问题。1985年Hercules公司研制出第一台原理样机，1989年Cincinnati Milacron公司设计出第一台纤维铺放机并于1990年投入使用；1995年Ingersoll公司研制出其第一台纤维铺放成型机。经过20年的发展，国外的纤维铺放成型技术装备已经基本成熟，成型设备总自由度达到7个、丝束数目最大可达24根，最大成型构件长达15米、最大横向尺寸达4米，尺寸精度可达01毫米；还可以完成加筋、局部混杂等特殊功能，全自动微机程序控制。成型装备
22、及技术(如控制与设计软件、预浸丝束技术)已经实现商品化，目前全世界已经有20多台纤维铺放设备在运转，预计到2010年世界上将有60多台纤维铺放机投入使用。13.2国内纤维铺放技术的发展纤维铺放技术目前在我国尚属空白，这类FRP制品在国内一般采用手工或者半手工操作制造，其生产效率低，制品质量不稳定，制约了我国FRP空间构件制造技术的发展和水平的提高。FRP在航空、航天方面的应用越来越广泛，如运载火箭发动机壳体、喷管、鼻锥、航天器FRP构件、飞机机翼、尾翼、旋翼及舰艇的FRP构件等。因而为了满足我国航空、航天工业对FRP构件制造的需求，研究开发具有我国自主知识产权的铺放系统已成为亟待解决的课题。1
23、3 .3纤维铺放技术的应用复合材料2纤维铺放成型技术(Fiber placement，FP)是自动铺丝束成型技术(Automated tow placement，AXP)和自动窄带铺放成型技术(Automated tap placementAXP)的统称，是在已有缠绕和自动铺放技术基础上发展起来的一种全自动卷4造技术。目前，纤维铺放技术主要用于飞机机构的制造。Alliant Techsystems公司的前身是Hercules公司，最早开发研制纤维铺放技术，研制出多种复合材料构件：F22压翼轴采用纤维铺放技术制造，工时由728小时降到163小时，废料由97磅降到7磅，零件数由221个降到5个。直
24、接内加筋风扇机匣，大大降低了材料成本、制造成本和制造时间并提高了损伤容限。另外还研制了BellBA-609倾转旋翼机机身壁板、Atlas5型运载火箭等。Northrop Grumman公司在80年代术90年代初与Hercules和McDonnell Douglas合作最早开发纤维铺放技术，用于FtA-18EF部件，包括进气道唇D、机身蒙皮和水平安定面蒙皮以及GE90的风扇叶片等。用纤维铺放成型技术制造出C-17的混杂纤维复合材料发动机短舱门替代原有蜂窝机构的短舱门，构件抗冲击强度提高4-6倍，废料率由50降低到7，制造周期由30天缩短到2天。Boeing公司是应用纤维铺放技术最成功、研制部件品
25、种最多的公司。最成功的例子是V22倾转旋翼机，包括后机身、中机身内蒙皮、受油管、旋翼扭管、翼梢浮筒等。它还研制了波音747和波音767进气道整流罩，RAH66尾梁蒙皮。Aerospatiale公司采用纤维铺放成型技术制造了Airbus飞机机翼内连杆，五根边杆在一台自行设计制造的机器上一次同时成型。芯模采用聚乙烯醇纱芯，异型截面尺寸变厚度、变铺层方向。每五十分钟生产一批，已经批量生产。Constructions Aeronauticas SA公司也已采用2台纤维铺放机用于A340500600的发动机单壁短舱门生产，取代现有的蜂窝结构短舱门，可望提高损伤容限3倍。14本文主要研究内容本文就是研究第
26、一部分铺放头前端的放纱过程，在这个过程中主要是要解决放纱是纤维与背衬纸的分离，也就是放卷和收卷的过程。在这个过程中为了能够保证纤维的匀速铺放，就必须使得纤维以匀线速度输送，但是在放卷和收卷的过程中由于直径是不断在变化的，所以辊轮的转速也在不停的变化，这就需要能够有合适的机构开控制辊轮的转速能使纤维以匀线速度输送。为了实现此机构本文中用了磁粉离合器和直流伺服电动机。磁粉离合器是一种性能优越的自动控制元件。它以磁粉为工作介质，以激磁电流为控制手段，达到控制制动或传递转矩的目的，直流伺服电机的机械特性和调节特性的线性度好，调整范围大，起动转矩大，效率高，用途广泛。第2章 纤维铺放输送控制系统总体设计
27、2.1 系统设计要求该系统要求使用一组各自独立的纤维并列的铺放在芯模的表面上，在铺放机上有一个纱架， 架上装有多卷预浸纤维纱线(又称为预浸纱)，每股纱线从纱架被送往铺放头的速率都是单独控制的。铺放头内有一套装置可以单独控制每一股纱线的铺放，它允许同时送入多股相互平行的纱线，铺放头上的压紧辊同时把所有的纱线紧紧的压在模具上形成纤维带。同时，在铺放头内还必须装有剪切送纱装置， 它可以任意剪断或重新输送某一股或多股纤维束。这样，在铺放过程中可以随时增加或减少需要或不需要的纱线。这种可选择的剪断纤维带中的任意一股纱线的能力可以带来许多好处。其一是纤维铺放机可以沿着弓形路径铺放纱线， 这是因为每一股纱线
28、的长度是可变的，因此每一股纱线可以比相邻的纱线延长一个不同的长度，从而铺放出一个平顺的纤维带；其二是铺放锥形体时可以在当铺放头到达芯模的小端时剪断多余的纱线以避免不必要的堆积，从而可以节省材料；其三就是可以在芯模的表面上“开窗户”，例如当芯模表面有孔时，在经过这些地方时铺放头可以通过剪断一根或多根纱线以避免覆盖这些地方。纤维铺放的整个输送过程共包括三个主要的部分：铺放机前端放纱部分、铺放头部分和铺放机后端出成品部分，之所以要这样分开说明是因为铺放头部分在整套纤维铺放系统中是非常重要的部分。要使整个输送系统紧凑、有序的按照设计要求运行，就必须协调各部分的功能。因此选择恰当的执行机构和硬件与软件控
29、制系统对整个输送控制系统来说都是至关重要的。在本课题中一共将纤维铺放的输送控制系统分为了三个部分：第一部分是铺放头前端的放纱部分，也就是本文的主要部分，将会在第三章做详细的讨论；第二部分是铺放头中的重送部分；第三部分是铺放头中的剪切部分。第二和第三部分将会在本章中做简单的介绍。2.2纤维输送过程针对纤维铺放过程的功能要求,本文设计的铺放头机构如图2-1所示。该装置包含了剪切、重送、加紧、施压、导向模块和加热模块。剪切模块由气缸提供动力，通过连杆带动剪切刀片运动切断纤维纱。需要剪切时控制气缸作用推动刀片向上运动，切断纤维，切断纤维喉控制气缸作用收回刀片 。重送模块主动轮、从动轮和送气设备组成。主
30、动轮由电机带动，从动轮由气缸推动，可压在主动轮上一起转动，挤压纤维纱向前运动，同时送气设备启动开始吹风。重送结束，纱带被送到铺放压辊下，从动轮通过气缸拉动离开主动轮，在主动轮和从动轮之间留出一定的空间，送风设备关闭。夹紧模块由气缸提供动力，然后通过连杆机构带动加压头夹紧和松开纤维纱。需要夹紧时输入夹紧控制信号控制气缸推动加压头向上压紧，不需要夹紧时输入松开控制信号控制气缸推动加压头向下运动松开。施压模块中压辊与上述几个装置相对静止，整个装置通过气缸控制可整体上下运动。首次施压时气缸作用控制压头向下运动压住纤维。对于压辊下已有纤维纱，重送是铺放头不会抬起。图2-1 输送系统1-模具 2-压辊 3
31、-纤维纱 4-施压气缸 5-剪切刀 6-重送从动轮 7-重送主动轮 8-重送气缸 9-夹紧压头 10-导向轮 11-夹紧气缸 12-加紧连杆 13-气源 14-气源进化装置 15,16,17,18-换向阀 19-电机 20-剪切气缸 21-剪切连杆22-剪切活塞2.2.1 各个功能模块工作原理1）重送。第一次铺放纤维纱时纤维纱导引至主动轮7处，气缸8动作使从动轮6与主动轮7接触挤压纤维纱，然后启动电机，在摩擦和风力的作用下纤维纱在导向管或槽里向前运动。以后的每次重送是从动轮与主动轮开始挤压是，气缸11的换向阀动作使夹紧机构松开。重送二根或多根沙袋时主动轮7只需一个，但从动轮6和气缸8却需要多个
32、重送哪个纱带，则相应地把从动轮压向7即可。2）施压。开始铺放时压辊下没有纤维，通过气缸4使压辊2抬起，纤维被送到压辊下，然后压到纤维上使之固定到芯模上。压辊下有纤维时，对于重送来的纤维，压辊不必抬起，通过铺放头整体运动使纤维被压辊压到芯模上。3）剪切及夹紧。需要剪切时先启动夹紧机构夹紧纤维纱，即气缸11通过连杆12和加压头9夹紧纤维。然后启动剪切气缸20剪断纤维，换向阀动作收回剪切刀。铺放头工作循环过程如下：（1）气缸8通过连杆使从动轮6压到主动轮7上；（2）如果纱带被夹紧则通过换向阀对气缸11换向松开纱带3；（3）启动电机19带动重送主动轮7转动；（4）纱带在摩擦和风力的作用下到达压辊2下，
33、施压气缸将纱带3压到模具1上，（5）通过换向阀对气缸8换向，从动轮6抬起；（6）需要剪切时，气缸11动作使得压头9夹紧纱带；（7）气缸20动作，通过连杆21和剪切刀5切断纱带3；（8）通过换向阀对气缸20换向，收回剪切刀；（9）下一次铺放时回到步骤（1）。2.3丝束控制装置的设计 2.3.1 铺放头前端放纱装置放纱装置共分为两部分：一部分是预浸纱是放卷装置；一部分是背衬纸的收卷装置。 放卷装置：由于铺放带卷成卷来供应以存储在卷盘上，在铺放过程中释放铺放带，并保持一定的张力，剪切铺放带时保持张力，要考虑到放卷装置启动、停止平稳，转矩恒定的要求，用一个磁粉制动器作为放卷的执行装置，连接一个储带盘实
34、现放卷功能收卷装置:铺放带的上下层衬纸分别由图2一1中8的收卷储带盘收起，左右两边的收卷储带盘收掉左右两侧的衬纸，收的过程也要保持均匀的张力。卷绕时张力变化的最大因素，是由于衬纸卷绕到储带盘时径增大，卷绕力矩随卷径增大而增大，而主传动的速度是固定不变的，因此必须使卷盘转速随卷径的增加而降低。2.3.2重送装置在开始铺放时，预浸胶纤维束从纱架引出，经过纱架及铺放头内部的导向辊穿进铺放头机构内部，到达芯模的表面，或者在对复杂表面芯模实施连续铺放时，要将切断的预浸胶纤维束端部重新运送到FRP构件的表面，都需要应用引线(重新送料)运动。该机构的设计方案4有以下两种： 方案一：可设计该运动装置由夹持机构
35、、旋转臂和电机组成。夹持机构是一个气动机械手，它由电磁换向阀控制，机械手部可以实现夹紧和松开预浸胶纤维束等运动。夹紧装置连接在旋转臂一端，由电机带动旋转臂旋转，将被夹紧的预浸胶纤维束牵引到芯模表面上的铺放位置。该方案是本组成员参考了本实验室往届师兄所作的毕业设计的成果，得出的一种送料机构的设计方案。 图2-2重新送料方案一1-电机 2-气缸 3-旋转臂 4-夹持机构 5纤维束1）该方案的优点在于：由于采用了夹紧和旋转运动，预浸胶纤维束不与任何物体接触，基本上不会出现树脂粘连，影响进料的现象。其内部结构也相对较为简单。2）该方案的缺点在于： a)该方案采用了旋转臂旋转进料，必定会需要很大的回转半
36、径，这就造成了两个问题：一个是会增大机构的体积，另一个则是无法实现对多根纤维束的牵引送料，否则很容易在铺放头内部造成旋转臂的交叉旋转干涉。b)该方案所采用的旋转臂旋转进料的机构对剪切运动的实施也造成很大的不便，该机构不能够准确的提供预浸胶纤维束的剪切位置。c)本方案中的夹紧机构并不能将预浸胶纤维带送至芯模表面，还需要采用其他的引到机构作为补偿，另外旋转臂也不能准确的将纤维束定位在要铺放的芯模的表面。方案二：设计该运动采用通过电机带动一个永动的加料辊，使其与由气缸传动的挤压辊之间产生挤压和摩擦，利用其摩擦力来达到运送纤维束的目的。示意图如图所示。在初次加料或者重新送料时，气缸杆顶出，推动挤压辊与
37、加料辊相接触， 从而将预浸胶纤维束挤紧。在这里挤压辊和加料辊都需要采用摩擦系数较大的材料。而加料辊则由伺服电机带动旋转。纤维束在挤压辊和加料辊的摩擦作用下，沿着加料槽前行至芯模表面，其中加料槽可以加工至铺放头机构外，直至压紧机构下方。图2-3重新送料方案二1-挤压辊 2-送料辊 3-气缸 4-纤维束 5-步进电机1）该方案的优点在于： 通过加料槽，纤维铺放头可以实现将预浸胶纤维束准确的铺放到芯模表面的某点位置。加料辊和挤压辊可以并排排列多组，亦即可以实现对多股纤维束的单独控制。 采用这种利用摩擦力的送料机构，纤维束的运动可以较为准确的得到控制，可以在准确的位置剪切纤维束。2）该方案的缺点是：在
38、送料辊前需要一段较长的加料槽，这样可能会导致预浸胶纤维束与加料槽槽壁粘连，纤维束不能前行。连杆铰链在气缸冲击力的作用下易松动，增加了设备维修、维护成本，但是由于薄型气缸的运动行程（8mm）小，各运动部件运动范围小，气缸的驱动能力有限，所以对连杆机构造成的冲击也是有限的，可以忽略。总结：综合以上两种方案的优、缺点，根据本课题所要设计的铺放头的要求(要实现对4根纤维束的单独控制)，本课题采用第二种设计方案。2.3.3剪切装置在加工FRP构件的局部结构或者在结束一次缠绕铺放时，工艺要求将一股或多股预浸胶纤维束剪断，而为防止预浸胶纤维束因自身张力回退，需要在剪切运动完成的瞬间实现对预浸胶纤维束的夹紧。
39、该运动是带有切刀的剪切机构接受控制系统的指令，在指定的位置剪断预浸胶纤维束。该机构的设计方案有以下两种： 方案一：气缸控制四连杆机构5形式，如图所示为由气缸和连杆构成的剪切机构，剪切枕块和连杆上带有剪切切刀。本方案中剪切结构运动类似于剪纸刀，气缸杆顶出，带有切刀的连杆和固定架啮合，将预浸胶纤维束剪断。图2-4剪切机构方案1-纤维束 2-剪切枕快 3-切刀 4-气缸（1）该方案的优点是：这种结构比较简单，占用空间也不大，能够减小铺放头的体积。（2）该方案的缺点是： a）预浸胶纤维束在枕块上方前行，而枕块上带有剪切切刀，所以会有可能刮伤纤维束。b）预浸胶纤维束被切断以后，在这种方案所设计的机构中很
40、难实现对纤维束端部的瞬时夹紧。c）对连杆上的切刀和枕块上的切刀的配合要求很高，有时会出现纤维束别开切刀的情况。方案二：气缸6控制切刀形式如图所示，采用气缸控制连杆机构，然后由连秆机构带动切刀运动,而切刀整个运动都在滑道内进行，在滑道的末端有一枕块，枕块内也有刀槽。当要进行剪切时，停止送料，预浸胶纤维束停止前行。气缸通过连杆控制切刀在滑道内向上运动，通过枕块上的刀槽将纤维束切断。在切断的同时可以利用刀尾部的压紧块将纤维束压在枕块上，以防止预浸胶纤维束因自身张力而产生回退现象。 图2-5剪切机构方案二1-切刀枕板 2-纤维束 3-切刀 4-压紧块 5-切刀槽 6-气缸(1)该方案的优点是： a)采
41、用气缸带动切刀运动，可使切刀运动速度很快。b)可以很方便的实现在将预浸胶纤维束切断的同时将其压紧在枕块上。(2)该方案的缺点是：同样对切刀和枕块的位置配合的要求很高，不能出现卡住的情况：另外整套机构所占的空间相对较大。总结：根据上述两种方案的优、缺点，在本课题中需要对多股纤维束分别单独控制时可以采用方案二中提出的装置，可将其平行排列实现对多股纤维束的单独剪切夹紧。2.3.4 加热装置 加热装置是铺放系统中的一个重要装置，为了保证预浸胶纤维束的粘性，防止纤维中的树脂凝固及预浸胶纤维束的堆积，在施压运动前，要控制预浸胶纤维束的温度。温度过高会导致树脂过早固化；温度过低则会导致纤维铺层之间的粘性不好
42、，从而使纤维铺层不能很好的粘连在芯模表面或铺层表面上。由于铺放头机构要去结构小巧，而且为了防止纤维束在送料槽中因温度过高与槽壁发生粘连而无法进行，所以可将加热装置安装在加压辊内部，可以在施压的同时对纤维束进行加热。2.3.5夹紧装置丝束在被切断前必须通过夹紧机构固定未切断部分，防止丝束在张力的作用下收回，同时保证丝束在切断时不受切断模块剪切分力的影响。要求夹紧机构动作迅速、工作可靠，产生的夹紧力能够牢固锁紧丝束。由以上分析，丝束切断动作的动力源可以选择气压缸、液压缸、电磁铁，而电机不太适合。比较三者可以看出，气压缸、液压缸属于一类，电磁铁属于另一类。考虑到介质清洁、控制方便，选择气压缸作为动力
43、源。由于铺放头内部多路丝束各自独立控制，所以每路丝束的夹紧机构必须相互独立，不能共用，同时还要考虑机构体积的问题。丝束夹紧模块设计方案如图 2-5 a）所示，采用气缸 1 带动夹紧块 2 与丝束通道底板 5 配合直接将丝束 4 压紧的方式，夹紧块和底板在夹紧丝束位置使用F4（聚四氟乙烯）材质，防止丝束与夹紧块、底板粘结。图25 丝束加紧模块方案1气缸 2压紧块 3丝束通道 4丝束 5丝束通道地板该方案具有结构简单、占用空间小、夹紧动作迅速、可靠性高的优点。但气缸垂直于丝束运动方向放置，增加了铺放头的横向长度，在保证气缸推力的基础上，选择体积小的薄型气缸可以解决这个问题。由于没有采用增力机构，为
44、了达到要求的夹紧力，必须选用大功率气缸，也可以使用两套图 2-5 a）所示的机构或者增加气缸数量的方法解决这个问题。2.3.6辅助装置辅助装置包括丝束导向装置、加热装置和施压装置，由于前两个装置机构简单，所以本节重点研究丝束施压装置。施压运动装置一般有压紧辊和压紧靴两种形式。方案一：施压装置由气缸和压紧靴组成。如图所示，压紧靴是由多个气缸控制的压紧机构，它比较适用于加工大的平面。压紧靴是一个大的平面或凸面体，由多个气缸控制将纤维束压紧在芯模表面上。压紧靴和纤维束之间是滑动摩擦接触，而为了避免预浸胶纤维束的损伤，采用压紧靴机构时必须有保护膜将压紧靴和纤维束的接触面隔开，保护膜在施压结束后被收回。
45、图2-6施压装置方案一（1）采用分段压紧靴的好处就是：它可以对多股纤维束分别施加不同的压紧力，实现单独控制的目的。（2）缺点在于：压紧靴和预浸胶纤维束是滑动摩擦接触，在其接触面中间必须插入保护膜以保护纤维束不受损伤。这也势必要在铺放头内部添加收放保护膜的一系列装置，这样就会增大铺放头机构的体积。而且会使铺放头内部的结构变得更为复杂。方案二：施压装置由气缸和压紧辊组成。如图所示，在气缸的活塞杆端部带一个压紧辊子，通过压力控制阀调节施压压力。图2-7施压装置方案二采用压紧辊的好处是： 由于压紧辊是旋转运动，在加压时它与预浸胶纤维柬之间是滚动接触，这样在铺放时可以不必担心压紧机构对纤维束的损伤，也就
46、不需要在压紧辊与纤维束表面之间插入保护膜，因而在铺放头内部也就不需要添加收放保护膜装置， 这也节省了铺放头的内部空间。总结：为尽可能的减轻纤维铺放头的体积和重量，降低铺放头内部机构的复杂程度，我们采用第二种设计方案。2.4张力控制器设计方案铺放工艺要求每路丝束具有独立可控的张力，用于支持丝束铺放到制品表面。一般丝束张力不超过 0.23Kg，过大的张力会导致在凹曲面区域铺放时出现丝束架空的现象。一个理想的张力控制系统应保证张力稳定、可调。随着复合材料自动化制造技术的发展，丝束张力器大致经历了三个发展时期，即机械式张力器、电控式张力器和计算机控制式张力器。（1）机械式张力器的优点是结构简单，制造容
47、易，缺点是丝束张力值不能自动设置，控制精度低，回纱能力差。（2）电控式张力器通常使用应变式力传感器实时检测丝束张力，并将张力值反馈给控制器（控制器是由电子元器件组成的模拟电子系统），控制器将丝束张力设定值与反馈值比较、校正后，输出控制信号驱动电机或电磁离合器，控制张力值在一定范围内。电控式张力器的回纱能力强，可自动调节张力值，控制精度比机械式张力器有所提高。但由于受外界环境的干扰，丝束的张力值容易波动。（3）计算机控制式张力器使张力控制系统大大简化，可靠性更高，同时也为使用各种先进的控制方案提供了条件，使丝束张力的精确控制成为可能。计算机控制式张力器既可单独工作，又可同主机连接通讯，模块化程度高。因而，这种张力控制器得到广泛应用。通过对以上三种张力控制器的分析比较63-65，采用第三种方式设计铺放装置的张力控制器。如图 所示，