國產(chǎn)高模量碳纖維纏繞成形參數(shù)控制方法

楊海濤，尉世厚，徐小明

(1.北京衛(wèi)星制造廠,北京100190；2.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院,北京100191)

碳纖維是一種具有優(yōu)異性能的工業(yè)材料，具有超高模、高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電、低熱膨脹系數(shù)等特性[1]，能夠適應(yīng)嚴(yán)苛的太空環(huán)境，目前已廣泛應(yīng)用于制造太陽翼基板、衛(wèi)星平臺波紋承力筒等航天產(chǎn)品中。但由于國產(chǎn)高模量碳纖維存在軸向剪切模量較低，耐沖擊性差等缺點(diǎn)，纏繞過程中容易出現(xiàn)磨損、起毛、斷絲等問題，從而影響纏繞制品的力學(xué)性能。對纏繞過程中的纖維張力和膠液溫度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行精確控制是解決這一問題的根本途徑。

目前，國內(nèi)外針對纏繞機(jī)的相關(guān)研究較多，如：韓振宇等[2]提出一種六軸纖維纏繞機(jī)的控制系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；Prabhakar R P等[3-4]建立了纖維傳導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型并提出分散控制方法控制纖維張力；史耀耀等[5-6]提出了基于模糊自整定的張力控制策略，王春香等[7]以開卷輥為研究對象，給出了計(jì)算張力控制力矩的方法；吳凱等[8]分析了加速和勻速過程中的張力變化并給出了計(jì)算方法。以上研究取得了較多的成果，但應(yīng)用存在脆性大、質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點(diǎn)的國產(chǎn)高模量碳纖維[9]進(jìn)行產(chǎn)品制造，對纏繞機(jī)工作過程中的物理參數(shù)控制提出了更高的要求，因此需要針對其特性開展相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究。為此，筆者針對國產(chǎn)高模量碳纖維的特點(diǎn)探討張力和溫度兩關(guān)鍵參數(shù)對纏繞制品質(zhì)量的影響作用，從而進(jìn)行纏繞機(jī)的張力和溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并提出相應(yīng)的控制方法。

1 張力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

研究對象為基于半濕法纏繞成形工藝的纏繞機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖1。該纏繞機(jī)由纏繞機(jī)本體、放卷輥、浸膠裝置、刮膠裝置、擠膠裝置和溫度、張力控制系統(tǒng)、收卷輥等組成。

圖1 纏繞機(jī)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Sketch of winding machine

纏繞制品的強(qiáng)度和疲勞性能與纏繞張力密切相關(guān)。張力過小，制品強(qiáng)度偏低，而且內(nèi)襯充壓時(shí)變形較大；張力過大則纖維束磨損增大，從而使制品強(qiáng)度下降；張力波動較大，則使各層的初始應(yīng)力狀態(tài)不同，導(dǎo)致整個(gè)制品強(qiáng)度下降。纏繞張力也是控制和限制孔隙含量的決定性的因素之一。在纏繞成型過程中，膠液中揮發(fā)性的氣體使制品中產(chǎn)生許多微孔，過多的微孔不僅使制品機(jī)械性能下降，而且會使制品氣密性變壞。

纏繞機(jī)張力控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式對張力的控制精度有很大的影響，常用的張力控制方式有3種：以力矩電機(jī)驅(qū)動放卷輥，通過控制力矩電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩控制張力；通過控制收卷輥和電機(jī)之間的磁粉離合器的轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)張力控制；通過伺服電機(jī)控制阻尼導(dǎo)輥的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)精確張力控制。文中采用伺服電機(jī)控制阻尼導(dǎo)輥轉(zhuǎn)速的方案設(shè)計(jì)張力控制系統(tǒng)，如圖2。張力控制系統(tǒng)包括張力測量裝置、張力穩(wěn)定裝置、伺服電機(jī)、電機(jī)控制器、浸膠輥和PLC控制器等，在纖維傳導(dǎo)過程中可始終保持對纖維束張力的精確控制。

由圖2可知，該張力控制系統(tǒng)由浸膠輥驅(qū)動部分、擠膠裝置、張力穩(wěn)定裝置、張力測量裝置等組成。其控制框圖如圖3，張力設(shè)定值和張力測量值通過PLC運(yùn)算后輸出控制信號到電機(jī)驅(qū)動器，從而實(shí)時(shí)控制并監(jiān)測電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)通過同步帶輪驅(qū)動浸膠輥旋轉(zhuǎn)，控制纖維束的運(yùn)動速度。纖維束經(jīng)過張力穩(wěn)定裝置調(diào)整后，通過張力傳感器測量纖維束的張力，張力傳感器的測量值通過張力放大器反饋給PLC。其中，浸膠輥傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)和張力穩(wěn)定裝置作為張力控制系統(tǒng)的主要硬件組成。

圖2 張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of tension control system

圖3 張力控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of tension control system

1.1 浸膠輥傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)和張力穩(wěn)定裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)半濕法纏繞成形的工藝特點(diǎn)，纖維浸膠時(shí)需要保持浸膠輥表面溫度恒定和張力恒定，以保證均勻浸潤膠液，如圖4所示，將伺服電機(jī)安裝在浸膠輥處，伺服電機(jī)通過同步帶輪驅(qū)動浸膠輥，通過實(shí)時(shí)調(diào)整浸膠輥的轉(zhuǎn)速保持張力的恒定。為保證纏繞機(jī)在啟動、停車、變速時(shí)的張力恒定，在浸膠輥和張力傳感器之間增加張力調(diào)整裝置，張力調(diào)整輥通過彈簧的緩沖作用改善系統(tǒng)的特性，使系統(tǒng)在速度變化較大時(shí)通過彈簧的調(diào)節(jié)作用保持張力的恒定；在收紗時(shí)，張力調(diào)整裝置能通過彈簧的快速動作保證良好的回紗效果。

圖4 浸膠輥傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)和張力穩(wěn)定裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of deliver mechanism and tension stable device

1.2 張力控制策略

由于膠液的黏度、含膠量和外界沖擊等不確定因素的影響，張力控制系統(tǒng)采用動態(tài)積分分離PID算法[10]，以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，減小超調(diào)量，并確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定精度。具體的實(shí)施方式為：當(dāng)張力的偏差較大時(shí)采用PD控制，取消積分作用，保證系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度；當(dāng)系統(tǒng)的偏差較小時(shí)采用PID控制，通過引入積分作用消除系統(tǒng)的靜差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定精度。其算式為

其中：u(k)為控制量；kp為比例系數(shù)為積分時(shí)間為微分時(shí)間；T為采樣周期；e(k)和e(k-1)分別為第k時(shí)刻和k-1時(shí)刻的偏差信號；α為積分項(xiàng)的開關(guān)系數(shù)；ε為控制器的切換閾值，表示為

為了實(shí)現(xiàn)PD控制和PID控制之間的平穩(wěn)切換，對PD控制和PID控制切換時(shí)的速度進(jìn)行加速度控制，設(shè)定最大加速度a1，當(dāng)系統(tǒng)的加速度大于a1時(shí)，系統(tǒng)速度按照加速度a1進(jìn)行加減速，其算式為

2 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

纏繞溫度既決定膠帶變形的難易，又影響纏繞的穩(wěn)定性，是保證纏繞制品質(zhì)量的另外一個(gè)重要的工藝參數(shù)。纏繞溫度過高會使碳纖維束上的樹脂過早發(fā)生膠聯(lián)反應(yīng)，使樹脂失去黏性，引起后一層的皺折和滑移；纏繞溫度過低，將影響碳纖維層間的粘接。

溫度控制系統(tǒng)主要包括膠槽溫控、浸膠輥和傳導(dǎo)輥溫控、熱風(fēng)器溫控。將電加熱板安裝在膠槽的下方，通過鉑熱電阻直接測量膠槽內(nèi)膠液的溫度，為了減小系統(tǒng)的超調(diào)量，在電熱板下方安裝溫度傳感器測量加熱板的溫度，當(dāng)加熱板的速度超過設(shè)定值時(shí)，停止加熱，從而保證系統(tǒng)的超調(diào)量較小。熱風(fēng)器安裝在芯模的前端，為芯模前端的導(dǎo)向輥加熱，通過溫度傳感器測量出風(fēng)口的溫度，通過溫控器和無超調(diào)的PID控制算法保持出風(fēng)口溫度的恒定。

纖維浸膠和傳導(dǎo)過程中保持輥筒表面的溫度穩(wěn)定對纖維的含膠量均勻性和纖維的展開寬度有很大影響，為了保證輥中部溫度可控且均勻，浸膠輥和傳導(dǎo)輥的加熱結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)方案如圖5。由圖5可見，紅外溫度傳感器布置在輥筒工作區(qū)的正上方以測量輥筒表面的溫度，測量到的溫度值經(jīng)過溫度變送器及A/D轉(zhuǎn)換后送入控制器，控制器根據(jù)測量值與設(shè)定值的偏差通過控制固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)加熱器的通斷電，達(dá)到溫度控制的目的。

圖5 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Sketch of temperature control system

2.2 溫度控制策略

為提高溫度控制精度，減小溫度超調(diào)量，膠槽、浸膠輥和傳導(dǎo)輥的溫度控制系統(tǒng)采用基于繼電反饋的PID參數(shù)自整定算法[11]。系統(tǒng)設(shè)定2種模態(tài)：測試模態(tài)和調(diào)節(jié)模態(tài)，首先使系統(tǒng)工作在測試模態(tài)，此時(shí)控制器使系統(tǒng)引起震蕩，并測試系統(tǒng)的臨界震蕩角頻率ωc和臨界振蕩增益kc，通過ωc和kc計(jì)算出系統(tǒng)的PID參數(shù)

然后根據(jù)整定得到的PID參數(shù)使系統(tǒng)工作在調(diào)節(jié)模態(tài)，進(jìn)入溫度控制過程，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 張力控制曲線Fig.6 Tension control diagram

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 張力控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采樣周期為80 ms，PD控制的kp=100，Td=50，PID控制的kp=600，Ti=200，Td=32，張力設(shè)定值為14 N時(shí)，纏繞線速度為25 m/min，張力變化曲線如圖6(a)；張力設(shè)定值為15 N時(shí)，纏繞線速度為20 m/min，張力變化曲線如圖6(b)。

由圖6可知，采用基于動態(tài)積分分離的PID算法，系統(tǒng)在啟動階段有較快的響應(yīng)速度，并且通過選擇合適的比例系數(shù)和微分時(shí)間，確保在系統(tǒng)快速響應(yīng)時(shí)有較小的超調(diào)量，系統(tǒng)在穩(wěn)定階段，由于引入積分作用消除系統(tǒng)的靜差，減小系統(tǒng)的震蕩，穩(wěn)定精度控制在±0.5 N。

3.2 膠槽、浸膠輥和傳導(dǎo)輥的溫度控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采用基于繼電反饋參數(shù)自整定的PID算法，通過在測試模態(tài)分別整定膠槽、浸膠輥和傳導(dǎo)輥的PID控制參數(shù)。膠槽、浸膠輥和傳導(dǎo)輥的升溫曲線如圖7。由圖7可見，在調(diào)節(jié)模態(tài)時(shí)，上述自整定得到的PID參數(shù)取得了很好的控制效果，膠槽、浸膠輥和傳導(dǎo)輥的超調(diào)量均控制在5%以內(nèi)，穩(wěn)態(tài)精度在±1℃以內(nèi)。

圖7 膠槽、浸膠輥和傳導(dǎo)輥升溫曲線Fig.7 Temperature curve diagrams of tank，roll coater and transfer roller

3.3 纖維纏繞制品彎曲剛度測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

彎曲剛度是衡量碳纖維纏繞制品的重要性能指標(biāo)，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的張力和溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行20組碳纖維管材的制作并測試其彎曲剛度，測試結(jié)果如圖8。由圖8可知，20組試驗(yàn)件的最大彎曲剛 度 為 8.0×109N·mm2，最 小 彎 曲 剛 度 為8.0×109N·mm2，變化范圍為2.6%，表明碳纖維制品質(zhì)量高、性能穩(wěn)定，由此進(jìn)一步表明設(shè)計(jì)的張力和溫度控制系統(tǒng)精度高、性能穩(wěn)定。

圖8 彎曲剛度測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experiment results of bending rigidity

4 結(jié) 論

針對國產(chǎn)高模量碳纖維的性能特點(diǎn)，分析了纏繞成形過程中的溫度和張力2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對產(chǎn)品性能的影響，進(jìn)行了溫度控制系統(tǒng)和張力控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且提出相應(yīng)的控制策略。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，纖維纏繞過程中，該溫度和張力控制系統(tǒng)精度高、性能穩(wěn)定，使纏繞機(jī)的性能符合國產(chǎn)高模量碳纖維的纏繞成形工藝要求。

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