基于面積測量的FW含膠量測量系統(tǒng)設計

徐東亮，梅 文

(武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070)

纖維復合材料有很多優(yōu)點，如密度小、強度高和抗腐蝕等，從而被廣泛地應用于航天航空、汽車和軍工等各個方面［1］。纖維纏繞(filament winding，F(xiàn)W)成型方法是目前國內(nèi)外廣泛應用的一種纖維增強復合塑料制品成型工藝。纏繞成型工藝是將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維(或布帶、預浸紗)按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后經(jīng)固化、脫模，獲得制品的一種技術。根據(jù)纖維纏繞成型時樹脂基體的物理化學狀態(tài)不同，分為干法、濕法和半干法纏繞3種［2］。在這3種方法中，由最初的纖維原材料到最終的纏繞制品，在預浸料制備階段或纏繞浸膠階段，都涉及到含膠量控制問題。纖維纏繞含膠量是影響纖維纏繞玻璃鋼/復合材料制品質(zhì)量，特別是高性能制品質(zhì)量的重要因素。含膠量，即纖維制品所含樹脂重量占纖維制品總重量的百分比，對制品的性能影響主要表現(xiàn)在制品的質(zhì)量和厚度，含膠量過高會使制品強度降低，氣密性提高;含膠量過低會使制品中空隙率增加，氣密性、耐老化性及剪切強度下降［3］。

在航天方面，如果在保證結(jié)構(gòu)件性能的前提下，能夠減輕質(zhì)量具有非常重大的意義，不僅降低成本，也減小研發(fā)周期和難度。例如一顆小衛(wèi)星，由于結(jié)構(gòu)和材料上的改進，重量和體積均可減小1～2倍，研制周期縮短2～3倍，成本下降34倍。作為航天業(yè)常用的纖維復合材料制品，在纖維纏繞的含膠量控制環(huán)節(jié)，如果能解決其不易控制的難題，就能提高制品性能，減輕制品重量。

由于在纖維纏繞系統(tǒng)中，影響纖維含膠量的因素有很多，如膠液粘度、纏繞張力、紗束疏密狀態(tài)、表面狀態(tài)、抽紗速度和浸漬時間等，這些因素中大部分對含膠量具有較大且隨機的干擾，因此含膠量控制一直是一個難以解決的問題。缺乏完善的理論基礎和實踐材料，導致纖維纏繞含膠量控制系統(tǒng)硬件、軟件設計和開發(fā)耗資大、周期長、難度高，到目前還沒有一種比較好的控制含膠量的方法。纖維纏繞含膠量控制系統(tǒng)最難的部分是測量含膠量，其測量精度直接影響控制精度，也間接決定了制品的品質(zhì)。

2000年國內(nèi)纏繞行業(yè)對含膠量的控制還是采用手工控制，此后逐漸出現(xiàn)了利用稱重法［4］、光柵測長技術［5］、電容法［6］、濾膠孔定量控制法［7］和無輥浸膠法［8］等測控纖維纏繞含膠量的方法，這些方法有些還處于理論研究階段，有些已經(jīng)由相關人員用于實際生產(chǎn)中，但在實際應用中暴露了一些無法解決的問題，最主要是測量結(jié)果易受環(huán)境因素影響，測量精度不高。

筆者嘗試將高精度的激光傳感器運用到含膠量的測量中。激光傳感器的成本相對于一般測量裝置來說偏高一些，但是對于廣泛應用纖維纏繞制品的航空航天等高端行業(yè)來說，這種投入產(chǎn)出比還是合理的。

1 含膠量測量原理

該測量系統(tǒng)采用激光位移傳感器作為測量裝置。一般來說，激光測量儀器可采用線光源或點光源。采用線光源時，通過柱面物鏡將激光光束擴大為條狀，隨后激光在目標物上產(chǎn)生漫反射，反射光被聚焦在影像傳感器上，借此測量被測物輪廓。采用點光源時，應用三角形測量法原理，反射光在線性CCD上的位置隨目標物位置的改變而改變，通過檢測該變化就可以測量物體的幾何量。用點光源測量截面面積時，需要借助軌道及機械裝置，使傳感頭沿軌道運動，測得一系列截面輪廓點，再換算成截面積值。由此可見，采用點光源時，測量系統(tǒng)比較復雜，且由于被測纖維一直處于運動狀態(tài)，測得的輪廓誤差較大。綜合以上因素，設計時該系統(tǒng)采用線光源。

使用激光傳感器測量的具體思路是由面積比得到質(zhì)量比。激光傳感器測得纖維束浸膠后的截面面積，如圖1所示。由圖1可知，該截面由纖維和膠液組成。該截面中膠液占整個截面的質(zhì)量比w可表示為:

式中:n為用于纏繞的纖維束的纖維單絲根數(shù);d為纖維直徑;ρf為纖維密度;ρr為膠液密度;S測為激光傳感器測得的纖維浸膠截面積。

圖1 纖維浸膠后截面示意圖

2 系統(tǒng)整體設計

2.1 硬件設計

測量系統(tǒng)整體包括圖像攝取、圖像采集、圖像處理、圖像分析、測量結(jié)果輸出、微機控制和執(zhí)行機構(gòu)反饋調(diào)節(jié)等幾個部分，能實現(xiàn)測量和控制兩種功能。硬件系統(tǒng)由傳感頭、控制器、計算機和執(zhí)行機構(gòu)構(gòu)成。圖2為系統(tǒng)硬件設計原理框圖。

圖2 硬件設計原理框圖

浸膠后的截面由激光位移傳感器的傳感頭成像采集，根據(jù)測量要求選擇傳感器，傳感頭的結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示，其特性參數(shù)如表1所示。安裝時，將傳感頭固定在纏繞機上纖維浸膠后傳出的傳動輥正上方，傳感頭采集的圖像輪廓傳輸?shù)娇刂破?，進行波形探測、描繪輪廓、測量、波形顯示等處理。控制器內(nèi)裝有大容量內(nèi)存，還配有插槽可擴充存儲容量，用于儲存連續(xù)測量的結(jié)果?？刂破靼║SB、RS232C等各種接口，可連接顯示器顯示測量結(jié)果，或連接PC、PLC針對測量結(jié)果進行實時控制。在該系統(tǒng)中，PC中的控制程序?qū)⒖刂破鬏敵龅慕孛娣e測量值轉(zhuǎn)換成含膠量質(zhì)量比，根據(jù)一定的參數(shù)輸入和算法處理，得到相應的反饋補償調(diào)節(jié)指令，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)進行含膠量調(diào)節(jié)。存儲設備和顯示設備連接PC，可提供存儲支持和系統(tǒng)界面顯示功能。

圖3 傳感頭結(jié)構(gòu)尺寸圖

2.2 軟件設計

自動測量算法是整個測量系統(tǒng)軟件構(gòu)成的核心。使用儀器前先通過實驗進行測定，算出測得面積值與含膠量之間的對應關系，列出表格，將表格存入flash存儲器。實際測量時，先在測量界面上輸入實際纏繞的相關參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)輸入初始化，得到對應的數(shù)據(jù)表格存儲，然后進入測量環(huán)節(jié)，根據(jù)實際測得面積值與表中的相應數(shù)據(jù)進行比較，用線性插值法得出實際含膠量。圖4為軟件設計原理框圖。

3 測量算法思想

在纖維纏繞含膠量的測量問題上，還沒有出現(xiàn)較好的方法。筆者采用激光傳感器作為測量裝置，構(gòu)建基于面積測量的測量系統(tǒng)，整個系統(tǒng)核心的測量算法思想是:在纖維纏繞過程中，纖維以一定的速度運動，在浸膠后，被傳感頭捕捉到截面輪廓。設計測量系統(tǒng)時，由于傳感頭捕捉二維輪廓需要一平直參照面，因此在浸膠槽后一定距離設置一金屬平板或者圓柱形輥，把傳感頭按設定距離固定在平板或輥附近，使傳感頭在纖維正上方捕捉到的截面即是測量所需要的圖像。操作者可通過控制器選擇輪廓測量方式，經(jīng)內(nèi)部程序處理，得到截面面積。面積數(shù)值傳輸?shù)絇C，進入軟件程序處理階段，通過與按輸入?yún)?shù)初始化了的表格進行一次查找+比較算法，轉(zhuǎn)換成含膠量質(zhì)量比。判斷含膠量是否合乎要求，就是將當前的質(zhì)量比w測與輸入的實時控制要求的最高及最低含膠質(zhì)量比wmax、wmin進行兩次比較，得出結(jié)論，發(fā)出控制指令，具體流程如圖5所示。

表1 傳感器傳感頭各參數(shù)

圖4 軟件設計原理框圖

圖5 控制程序流程圖

系統(tǒng)中的反饋執(zhí)行動作由伺服電機和偏心輪推動擠膠輥來完成。在圖5中，電動機轉(zhuǎn)動方式由含膠量的多少控制，電動機反轉(zhuǎn)可使擠膠輥間隙變小而使纖維含膠量減少，電動機正轉(zhuǎn)可使擠膠輥間隙變大而使纖維含膠量變多［9］。

4 試驗研究

根據(jù)上述設計思想，編寫測量軟件，搭建硬件實驗平臺。如圖6所示，激光傳感器、參考平板和纖維構(gòu)成簡單的測量系統(tǒng)。圖7為近距離觀察激光線光源投射在被測纖維上的示意圖。運用Visual Basic語言編寫的測量系統(tǒng)主界面如圖8所示。輸入測量參數(shù)，設置好測試模式后該系統(tǒng)即可按要求進行工作。

試驗中，選用的纖維為碳纖維，其密度為1.8 g/cm3，膠液密度為0.98 g/cm3。纏繞時是4大根纖維同時進行，每一大根纖維又由3000根纖維單絲組成，單絲直徑為7 μm。試驗前進行測定，可知含膠量在百分位上發(fā)生改變時，測得的對應面積發(fā)生0.01 mm2數(shù)量級上的改變，可以被傳感器識別。試驗采用4組樣品，獲得測量數(shù)據(jù)，與通過坩堝稱量測得纖維浸膠后的增重算得的含膠量比較，結(jié)果表明該系統(tǒng)測量準確，測量誤差在允許誤差范圍±5%內(nèi)。

圖6 簡易測量系統(tǒng)硬件搭建圖

圖7 線光源投射被測纖維近圖

圖8 含膠量測量系統(tǒng)界面

5 結(jié)論

筆者通過給出一個含膠量測量系統(tǒng)的雛形，驗證了通過面積測量來實現(xiàn)含膠量測量的方法。由于激光測量具有非接觸、快速、精度高等特點［10］，使得該測量系統(tǒng)不易受外界環(huán)境因素影響，測量穩(wěn)定，精度高。含膠量精確測量的實現(xiàn)，對于廣泛應用纖維復合材料的航天和汽車等產(chǎn)業(yè)有著重要的意義，不僅能縮短研發(fā)周期，還能降低成本［11］。提出一種全新的方法來解決長久困擾的纖維纏繞含膠量測量問題，對于干法纏繞的預浸料制備，該測量方法同樣具有實用價值，在此基礎上，還可進一步研究相應的控制方案。

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