CN108473268B - 用于复合材料放出控制的被动张紧系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于由复合物铺放机器分配的复合材料的被动张紧系统。卷筒安装在卷筒轴上，并且所述卷筒上的材料从所述卷筒拉出并且施用到表面。所述张紧系统具有在所述卷筒轴上的阻力制动器和用于所述阻力制动器的阻力制动器控制件。松紧调节辊安装在具有弹簧力的线性滑块上，并且为线性滑块提供滑块控制件。控制系统基于所述复合物铺放机器的瞬时操作特性连续改变所述阻力制动器控制件和所述滑块控制件，以控制所述复合材料的张力。

Description

用于复合材料放出控制的被动张紧系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年10月13日提出申请的美国非临时申请第14/881480号的权益，该美国非临时申请的全部内容借此以引用方式并入。

技术领域

该装置涉及一种用于在落纤从纱架放出到复合物铺放头（composite placementhead）时被动地控制落纤的张力的系统。

背景技术

在落纤材料从纱架（creel）放出到复合物铺放头时，必需控制落纤材料的张力。如果张紧系统可以提供反张力并且具有使落纤放出（payout）方向反向的能力，则该张紧系统是主动的。现有技术的主动张紧系统使用双向电子伺服张紧器，其具有用于落纤的每一道的伺服马达以供应反张力和在机器移动期间视需要使落纤反向以消除松弛的能力，这减小铺放头与纱架之间的距离。伺服张紧器增加落纤处理机构的成本和复杂性。如果张紧系统仅可以提供反张力并且不具有使落纤放出方向反向的能力，则该张紧系统是被动的。对于压力容器和火箭马达壳体构造，简单的被动张紧系统被广泛用于长丝卷绕机器应用。长丝卷绕是从纱架中的多个卷筒拉出经张紧纤维带的连续过程。长丝卷绕机器将湿的树脂纤维带或预浸纤维带包卷到仅具有凸起表面的光滑旋转体上，以使纤维桥接不发生。此类张紧系统可以在松紧调节（dancer）臂上使用简单的弹簧，并且在卷筒上使用制动机构。长丝卷绕张紧器提供几磅力或更高的张力水平，因为待被卷绕的形状通常是对称的并且以连续方式被紧密包卷、而不停止。在高张力水平的情况下，卷筒惯性负载的影响是用于被动弹簧设计的可管理分量。在小于几磅力的张力水平下不需要操作用于长丝卷绕大小材料卷筒的基于弹簧的张紧器。

在纤维铺放过程中，必需以不连续方式将预浸纤维带铺放在具有凹入区域和接近网状周边的铺叠工具上。该纤维铺放过程需要频繁启动和停止纤维带施用。由于这些要求，纤维铺放张紧器必需能够提供在小于1磅的量值内并且具有四分之一磅容差的低张力。这是必需的，如此当纤维带在其由压实辊层压到工具表面的凹入区域上时将不桥接（跨越凹部伸展）。在纤维铺放过程中使用的低张力下不可能充分控制被动单元以缓冲快速的落纤加速度和减速度变化，并且所产生卷筒惯性负载针对纤维铺放过程具有足够精细分辨率。从被动张紧器上的弹簧加载式松紧调节辊缓冲的张力峰值的量不适于纤维铺放过程。现有技术的被动张紧系统无法适于变化的卷筒直径以及在纤维铺放操作期间输送落纤和停止落纤所需的变化的加速度和减速度。当材料卷筒和张紧器被集成到铺放头中时，张紧器及其松紧调节辊运动必需变得不受变化的重力矢量的影响，因为铺放头使其在操作区域中的位置变化。现有技术的基于机械弹簧的张紧器受到操作取向的影响。这可因重力负载导致张力改变，从而影响松紧调节辊弹簧的力响应。

发明内容

一种用于从用于复合材料铺叠的纱架递送的复合材料的张紧系统是被动的，因为其仅可提供反张力，并且不具有使落纤输送方向反向的能力。该被动系统使用材料卷筒轴上的动态控制的阻力制动器和安装在动态控制的线性滑块上的松紧调节辊。施加在制动器和松紧调节辊滑块两者上的力可以由控制系统连续改变。材料卷筒轴具有安装到其的编码器以向卷筒提供角位置反馈控制，并且松紧调节辊滑块具有用于测量其位置的线性位置反馈装置。该装置使用基于气动的力输出装置。反馈信号由控制器解释以向电动气动调节器输出控制信号，该控制信号改变阻力制动器和内衬滑动筒上的压力。

附图说明

图1是纱架的侧视图，其显示安装在纱架的外壁上的复合材料卷筒、松紧调节辊和交织器辊以及安装在纱架的底部上的复合物铺放头。

图2是图1中所示的纱架壁中的一者的细节图，其显示来自卷筒的复合材料放出的路径。

图3显示图2的纱架壁的相对侧。

图4是图3中所示的张紧机构的区段4的细节图。

图5是用于张紧系统的控制系统的框图。

具体实施方式

现在转向图1，其上安装有铺放头的纱架通常由参考编号10表示。纱架11具有大致矩形形状并且具有为复合材料或落纤（tow）18的多个卷筒15提供支撑的大致矩形侧壁12-14（仅显示3个壁）。复合物铺放头16附接到纱架的下侧或底壁17，并且压实辊或靴20设置在铺放头16的底部处以将复合材料18按压到施用表面22上。复合物铺放头16具有铺放头中心线19，其穿过纱架11和压实辊或靴20的中心。纱架11可以附接到定位机构23的端部，该定位机构23将铺放头16和压实辊20操纵到各种定位和位置，以使复合材料可以按所期望位置和图案施用在施用表面22上。如本文中所使用的，术语复合材料用于表示树脂浸渍纤维、落纤、切膜带、预浸材料和其他类似材料，所有这些材料为所属领域的技术人员所众所周知，并且所有这些术语在本申请中可互换使用。

如图2中所示，纱架11的外壁12支撑四个主轴26，这四个主轴26中的每一者支撑复合材料的卷筒15。交织器卷取辊27和松紧调节辊30相邻于每一主轴26。交织器卷取辊27从复合材料18的卷筒15卷起纸张分离器条带以用于最终处理。松紧调节辊30安装在松紧调节辊支撑托架33上（在图4中最佳可见）以用于在线性滑块或滑轨32上的滑动运动。每一松紧调节辊30具有大致等于复合材料18的相邻卷筒15的轴向长度的轴向长度，以允许材料18从卷筒15的螺旋形解绕而在材料上不由松紧调节辊30产生侧面负载。

图2显示显示复合材料18从卷筒15到交织器卷取辊27，然后在交织器卷取辊27周围到达松紧调节辊30，并且然后在松紧调节辊30周围到达将复合材料18指引到铺放头16的边缘辊35的路径。纱架11的剩余三个相邻侧面中的每一侧面可以具有带有主轴26和松紧调节辊30的类似图案的类似外壁，或者纱架11的外壁可以具有不同数量的主轴和松紧调节辊，或者可以根据包装和性能要求具有主轴和松紧调节辊的不同图案。

图3显示图2的外部纱架壁12的后表面36，并且图4是图3中所示的张紧机构中的一者的详细视图。来自外壁12的前部上的主轴26中的每一者的轴37延伸穿过壁12并且具有附接到其的制动转子38。各自具有制动垫（未显示）的一个或多个阻力制动器筒（cylinder）42可以在制动转子38的表面附近联接到壁36。如果使用两个阻力制动器筒42，则其可以相对于彼此在镜像位置中在制动转子38的相对侧面上联接到壁36。阻力制动器筒42由阻力制动器控制件线45联接到控制系统46。阻力制动器筒42可以是电动、液压或气动操作的。在优选实施例中，使用气动制动器。具有接合制动转子38的一侧或两侧的制动机构的锁定制动器48可以附接到壁36。锁定制动器48可以具有联接到控制系统46的锁定制动器控制线49。锁定制动器48可以是电动、液压或气动操作的。在优选实施例中，使用气动制动器。旋转编码器50可以从主轴26附接到轴37的端部，并且来自旋转编码器50的输出信号可以由编码器缆线51联接到控制系统46。

可以为外壁12的前部上的松紧调节辊30中的每一者设置松紧调节辊筒54。松紧调节辊筒54可以通过松紧调节辊筒线56联接到控制系统46。每一松紧调节辊筒54可以具有连接到筒54内部的活塞58的筒杆57。筒杆57可以联接到松紧调节辊支撑托架33，松紧调节辊支撑托架33延伸穿过纱架的壁上的线性滑块或滑轨32，并且可以联接到外壁12的前部上的松紧调节辊30。每一松紧调节辊支撑托架33可以联接到连接杆59，该连接杆59联接到安装在表面36上的线性位置反馈传感器62（诸如线性可变位移变换器(LVDT)）上的输入滑块61。LVDT 62可以生成表示松紧调节辊筒30的移动的信号，并且经由LVDT缆线63将这些信号发送到控制系统46。松紧调节辊筒30可以是电动、液压或气动操作的。在优选实施例中，使用气动筒。

图5是用于结合图1-4所述的被动张紧系统的控制系统46的框图。该复合物铺放系统使用CNC控制件68，该CNC控制件68确定铺放头16相对于施用表面22的移动和复合材料由铺放头16在施用表面22上的铺放。复合材料的张力的值可以由操作员借助于CNC控制件68中所含的张力设定点控制件65设定。张力设定点然后由张力控制软件67处理，并且张力控制软件67与CNC控制件68一起操作以计量复合材料15从铺放头16的放出。张力控制软件67将命令联接到输入/输出装置66，诸如工业IO系统。输入/输出装置66生成阻力制动器压力模拟输出信号70，该信号70联接到阻力制动器电动气动调节器72。调节器72联接到阻力制动器筒42，该阻力制动器筒42作用于联接到材料15的卷筒的转子38上。材料15的卷筒的旋转由编码器50感测，该编码器50生成联接到输入/输出装置66的编码器输入51。

输入输出装置66还生成松紧调节臂压力模拟输出信号75，该信号75联接到松紧调节臂电动气动调节器76，该调节器76的输出联接到松紧调节辊筒54。松紧调节辊筒54中的压力的变化会使松紧调节辊30的响应特性变化。松紧调节辊30的位置由线性位置反馈筒62感测。线性位置反馈筒62生成由LVDT缆线63联接到输出装置66的信号。

在操作中，张紧器系统针对正由复合物铺放系统实施的特定操作进行动态调节。松紧调节辊30的力由电动气动调节器76和松紧调节辊筒54调节，以使松紧调节辊30充当可调节的弹簧。松紧调节辊筒54可以是双作用筒，其可以在携载筒杆57的端部上具有恒定的背压力并且在联接到松紧调节辊筒缆线56的端部上具有可调节的压力，以产生平滑的、变化的弹簧力移动。可以使用其他筒设计。松紧调节辊筒54中的压力的增加会增加将松紧调节辊30从其在线性滑块或滑轨32中的行程的顶部压到底部所需的力。制动转子38上阻力制动器42的力和松紧调节辊30上的弹簧力随着来自张力设定点控制件65的信号变化，该信号可以由操作员设定到控制系统68中。通常将该张力设定点控制件设定成落纤上的张力小于1磅。可以使用来自旋转编码器50的信号来确定卷筒15上的复合材料的直径、卷筒15的惯性15、卷筒15的旋转速度和卷筒15的加速度。使用此数据，松紧调节辊弹簧力可以由张力控制软件67基于卷筒15的直径、卷筒15的惯性和卷筒15的加速度动态地调节。基于卷筒15的直径、卷筒15的惯性以及卷筒15的速度和加速度动态地调节卷筒上阻力制动器42的力。

张紧器在卷筒15上的复合材料被输送出并且施用到表面22的时间期间用于复合物铺放系统上。在铺设路径结尾处，材料18到铺放头16的输送可能突然停止，以便可以视需要切割材料18。这些操作可以尽可能快地实施，从而导致高的卷筒加速度和减速度。CNC控制件68在这些操作将发生时发出命令。在这些操作发生期间，可以实时地瞬时调节阻力制动器42上的力的定时和量以及由气动筒54施加到松紧调节辊30上的力的定时和量。

在准备材料放出操作时，松紧调节辊30在复合材料的放出发生之前被推到线性滑块32的顶部。这允许松紧调节辊30在落纤18被高速输送出时具有最大行程范围。当从控制器68发送落纤输送命令时，松紧调节辊30在落纤18从材料卷筒15输送出时朝向线性滑块32的底部行进，以便吸收材料卷筒15上的加速力的一部分。这在输送操作期间减小落纤18上的张力，这有助于维持落纤设定张力精度和落纤铺设位置精度。松紧调节辊30由气动筒54的控制允许控制系统优化松紧调节辊的运动，以有助于在各种操作期间控制落纤18上的张力。借助气动松紧调节辊筒54控制松紧调节辊30会允许松紧调节辊30的弹簧刚度视需要变化以补偿各种动态事件，诸如不同大小的材料卷或不同的张力设定点或者极高的加速度或减速度。气动筒54的弹簧刚度还可以根据松紧调节辊30的位置改变。

在切割操作期间，落纤18从卷筒15的供应需要突然停止。阻力制动器42抵靠制动转子38被张紧以快速地停止卷筒15，以便防止落纤退绕。另外，改变松紧调节辊筒54中的压力以缓冲系统的停止运动。

纱架11可以安装在复合物铺放机器的端部执行器23上。由于端部执行器23在CNC控制件68的控制下在三个方向上操纵，因此纱架11倾斜。使纱架11倾斜会相对于铺放头中心线19重新定位重力矢量，并且因松紧调节辊30的重量分量导致的有效力会变化并且可被编程到CNC控制件68中。松紧调节辊筒54中的压力可以相应地变化，以便补偿由松紧调节辊30经受的因松紧调节辊30相对于重力的重新定位而导致的重力矢量力变化。

编码器50安装到材料卷筒轴37，以响应于放出命令检测卷筒15的角位置的变化，以便实时地计算卷筒50的直径。使用卷筒50的实时直径来调节制动转子38上阻力制动器42的力和松紧调节辊30上的有效弹簧力，以便更有效地控制落纤18上的张力。

设置锁定制动器48以在某些机器模式期间锁定制动转子38并且从而锁定卷筒15抵抗旋转，例如以用于铺放头维修、铺放头更换或卷筒更换。

上述被动张紧器提供以下优点：

1. 消除控制张力的昂贵的双向伺服张紧器马达；

2. 在所有定向上操作的能力；

3. 紧紧地包装在包括纱架的铺放头上的能力；

4. 在小于二分之一磅的低设定点张力下操作的能力；

5. 使卷筒惯性负载的影响分离以免改变落纤的低张力控制的能力。

如果上述卷筒和被动张紧器位于与铺放头分离的纱架中，并且该铺放头朝向和远离纱架移动，并因此产生纤维松弛，则可以使用纤维花彩（festoon）来拉紧该松弛。纤维花彩将在机器运动期间实现实时松弛消除，以补偿被动张紧器无法反向的能力，从而去除纤维松弛。虽然所述装置使用基于气动的力输出装置，但是所属领域的技术人员将理解，可以使用电力输出装置。

在已如此描述了该装置之后，所属领域的技术人员将会想到各种修改和变化，这些修改和变化旨在位于如由所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种用于由复合物铺放机器分配的复合材料的被动张紧系统，其中安装在卷筒轴上的卷筒上的材料通过松紧调节辊被拉离并且施用到表面，所述被动张紧系统包括：

在所述卷筒轴上的阻力制动器；

用于所述阻力制动器的阻力制动器控制件；

所述松紧调节辊安装在具有弹簧力的线性滑块上；

用于改变用于所述线性滑块的弹簧力的滑块控制件；

用于调节所述松紧调节辊弹簧力的气动筒，由此所述松紧调节辊充当可调节弹簧，所述松紧调节辊弹簧力能通过改变所述气动筒中的压力进行调节；以及

控制系统，输送控制系统用于基于所述复合物铺放机器的瞬时操作特性来连续地改变所述阻力制动器控制件和所述滑块控制件，以控制所述复合材料的张力；其中所述松紧调节辊、所述阻力制动器控制件以及所述滑块控制件由复合物铺放头和纱架组件承载；并且当所述张紧系统相对于所述松紧调节辊上的重力矢量倾斜时，所述松紧调节辊弹簧力能基于所述重力矢量的变化被动态地调节。

2.根据权利要求1所述的被动张紧系统，其还包括：

用于所述线性滑块的线性位置反馈装置，由此用于所述线性滑块的弹簧力根据所述线性滑块的位置被改变。

3.根据权利要求1所述的被动张紧系统，其还包括：

编码器，所述编码器安装在所述卷筒轴上以向所述卷筒提供角位置反馈，由此所述阻力制动器控制件根据所述卷筒的角位置的变化被改变。

4.根据权利要求1所述的被动张紧系统，其还包括：

用于所述控制系统的张力设定点控制件，由此所述复合材料上的张力能被设定为特定值，并且由此由所述阻力制动器施加的制动力和所述松紧调节辊上的所述弹簧力根据所述张力设定点控制件被改变。

5.根据权利要求1所述的被动张紧系统，其还包括：

卷筒直径测量系统，其用于在复合材料从所述卷筒输送出时测量所述卷筒的直径，由此所述阻力制动器力基于所述卷筒的所述直径被动态地调节。

6.根据权利要求1所述的被动张紧系统，其还包括：

联接到所述卷筒轴并且具有编码器输出信号的旋转编码器，所述编码器输出信号联接到所述控制系统，由此所述控制系统测量所述卷筒的加速度和所述卷筒的惯性，并且由此所述阻力制动器力基于所述卷筒的所述加速度和所述卷筒的所述惯性被动态地调节。

7.根据权利要求6所述的被动张紧系统，其中，所述控制系统测量所述卷筒的旋转速度，由此所述阻力制动器对所述卷筒轴施加的制动力基于所述卷筒的所述旋转速度被调节。

8.根据权利要求1所述的被动张紧系统，其中，所述松紧调节辊弹簧力能基于所述松紧调节辊线性滑块的位置被动态地调节。

9.根据权利要求1所述的被动张紧系统，其中，所述松紧调节辊弹簧力能基于所述卷筒的惯性被动态地调节。

10.根据权利要求1所述的被动张紧系统，其中，所述松紧调节辊弹簧力能基于所述卷筒的加速度被动态地调节。

11.根据权利要求1所述的被动张紧系统，其中，所述卷筒具有直径，并且所述卷筒上的所述阻力制动器能基于所述卷筒的所述直径被动态地调节。

12.根据权利要求1所述的被动张紧系统，其中，所述卷筒具有惯性，并且所述卷筒上的所述阻力制动器能基于所述卷筒的所述惯性被动态地调节。

13.根据权利要求1所述的被动张紧系统，其中，所述卷筒具有旋转速度，并且所述卷筒上的所述阻力制动器能基于所述卷筒的所述旋转速度被动态地调节。

14.根据权利要求1所述的被动张紧系统，其中，所述卷筒具有加速度，并且所述卷筒上的所述阻力制动器能基于所述卷筒的所述加速度被动态地调节。

15.根据权利要求4所述的被动张紧系统，其中，所述张力设定点控制件能设定成小于1磅。

16.根据权利要求4所述的被动张紧系统，其中，所述张力设定点控制件能设定成小于二分之一磅。

17.根据权利要求1所述的被动张紧系统，其还包括：

联接到所述线性滑块的气动筒，由此所述松紧调节辊弹簧力能通过改变所述气动筒中的压力来调节。

18.根据权利要求17所述的被动张紧系统，其还包括：

用于调节所述松紧调节辊弹簧力的气动筒，由此所述松紧调节辊充当可调节弹簧。

19.根据权利要求18所述的被动张紧系统，其还包括：

包括所述气动筒的双作用筒。

20.根据权利要求4所述的被动张紧系统，其还包括：

用于所述松紧调节辊的线性位置反馈装置，由此所述松紧调节辊弹簧力能根据所述松紧调节辊的线性位置被改变。

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