碳纖維預(yù)浸料自動分切復(fù)卷系統(tǒng)設(shè)計與研究

南京航空航天大學 孫天峰 文立偉 肖 軍 趙 聰

自動鋪絲技術(shù)是解決高強度、輕質(zhì)復(fù)合材料機身和進氣道等構(gòu)件制造的關(guān)鍵技術(shù)，在航空、航天等高科技領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。自動鋪絲機將寬度為3～25mm的預(yù)浸窄帶分別獨立輸送、切斷，并由鋪絲頭將數(shù)根預(yù)浸窄帶在壓輥下集束成為一條寬度可變的預(yù)浸帶，沿特定的軌跡鋪放至芯模表面，加熱軟化并固化成型[2]。目前，熱熔法工藝是制備預(yù)浸料的重要發(fā)展方向[3]，其制備的預(yù)浸料一般較寬，而自動鋪絲機使用窄帶預(yù)浸料，且對預(yù)浸窄帶寬度方向的尺寸精度及邊緣有較高要求。預(yù)浸窄帶的分切精度將直接影響鋪放構(gòu)件的質(zhì)量。再復(fù)卷時，要求卷繞緊密，覆膜可靠，避免出現(xiàn)預(yù)浸料粘連、脹邊等現(xiàn)象[4]。因此，預(yù)浸料精確分切復(fù)卷技術(shù)成為整條自動鋪絲技術(shù)鏈的關(guān)鍵技術(shù)之一。自動纖維鋪放技術(shù)流程圖如圖1所示。

圖1 自動鋪絲技術(shù)流程圖Fig.1 Flowchart of automatic fiber placement

預(yù)浸料分切復(fù)卷技術(shù)在歐美國家已經(jīng)非常成熟，美國獨立機械公司、馬其頓麥克羅公司等分別研制了4～48軸分切復(fù)卷機，且可模塊化擴展。國內(nèi)自動鋪絲技術(shù)起步較晚，在預(yù)浸料分切復(fù)卷方面尚未研究。為滿足南京航空航天大學自動化技術(shù)研究中心研發(fā)的24絲束鋪絲機對預(yù)浸窄帶的需求，中心開展了預(yù)浸料分切復(fù)卷機構(gòu)的開發(fā)與研究，并完成樣機的研制。

1 預(yù)浸料自動分切復(fù)卷機構(gòu)設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

要求最大分切速度30m/min，分切精度0.1mm，能夠連續(xù)分切和回收分切余料；復(fù)卷寬度和卷繞螺距可調(diào)節(jié)，采用平行收卷，同時進行再覆膜，且復(fù)卷端部逐層向內(nèi)收縮，成塔狀；復(fù)卷可根據(jù)需要選擇上覆膜（即PE膜在預(yù)浸窄帶的上面）或下覆膜（即PE膜在預(yù)浸窄帶的下面）。

1.2 總體設(shè)計

根據(jù)上述設(shè)計要求，將機構(gòu)分為分切機構(gòu)和復(fù)卷機構(gòu)，預(yù)浸料自動分切復(fù)卷機構(gòu)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 自動分切復(fù)卷機構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理Fig.2 Structure principle of automatic slitting and rewinding equipment

1.2.1 分切機構(gòu)繞紗路徑

放料軸安裝于糾偏控制機構(gòu)上，寬幅預(yù)浸卷裝裝到放料軸上，預(yù)浸料出放料軸時離型紙剝離，剝離的離型紙復(fù)繞于離型紙收卷軸上。剝離離型紙后的預(yù)浸料經(jīng)糾偏機構(gòu)的上軸到達分切機構(gòu)，分切后的預(yù)浸窄帶經(jīng)張力隔離軸到達復(fù)卷機構(gòu)。寬幅預(yù)浸料分切后兩邊會剩余余料，此余料被重新收卷至余料收卷軸上，若余料寬度大于鋪絲機用窄帶預(yù)浸料寬度，還可再次分切，提高預(yù)浸料的利用率，節(jié)省成本。

1.2.2 精確分切機構(gòu)

自動鋪絲對預(yù)浸窄帶的分切精度要求較高，分切的預(yù)浸窄帶過寬、過窄，鋪放時窄帶之間會出現(xiàn)重疊或間隙，影響鋪放構(gòu)件質(zhì)量。同時，切刀必須盡量沿碳纖維排布方向分切，否則極易產(chǎn)生毛邊和降低預(yù)浸料性能。為此，采用自動糾偏機構(gòu)和精確分切刀具實現(xiàn)精確分切。自動糾偏機構(gòu)通過傳感器實時監(jiān)測寬幅預(yù)浸料偏離正常路徑的偏移量，控制機構(gòu)將此偏移量轉(zhuǎn)換為糾偏軸的左右位移，這樣，預(yù)浸料始終保持在同一路徑，使切刀盡量沿纖維排布方向分切。分切原理如圖3所示，切刀在彈簧脹緊力的作用下始終與刀座緊密貼合，滾動分切。自動糾偏機構(gòu)和精確分切刀具的共同作用，實現(xiàn)了預(yù)浸料的精確分切和防止毛邊的產(chǎn)生。

圖3 分切原理圖Fig.3 Diagram of slitting principle

1.2.3 復(fù)卷機構(gòu)

復(fù)卷時，可根據(jù)實際需要選擇上覆膜或下覆膜。其繞紗路徑如圖4所示。

重新覆膜的PE膜所需的張力由摩擦盤提供，調(diào)節(jié)摩擦盤的調(diào)節(jié)螺母，就可改變摩擦盤各摩擦環(huán)的摩擦力，從而改變覆膜張力。

復(fù)卷軸安裝在移動面板上，移動面板通過電動缸與伺服電機連接?？刂茊卧l(fā)出脈沖指令，控制電機拖動移動板前后移動。

圖4 預(yù)浸窄帶上覆膜與下覆膜Fig.4 On-top and under-bottom film of prepreg

2 自動分切復(fù)卷機控制系統(tǒng)研究

自動分切復(fù)卷機構(gòu)的控制流程如圖5所示。

圖5 自動分切復(fù)卷機構(gòu)控制流程圖Fig.5 Control flowchart of automatic slitting and rewinding equipment

PLC控制分切機構(gòu)放卷軸、離型紙剝離軸、收卷軸軸端的磁粉制動器，分別產(chǎn)生放卷張力、離型紙剝離張力、余料收卷張力。電機帶動預(yù)浸料按PLC指定速度分切。PLC控制的8個復(fù)卷軸軸端的力矩電機使復(fù)卷軸軸向旋轉(zhuǎn)的同時產(chǎn)生收卷張力。橫動機構(gòu)的往復(fù)運動與復(fù)卷軸的旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)絲束的螺旋收卷。

2.1 分切機構(gòu)控制方案

分切機構(gòu)控制包括放卷張力控制、離型紙剝離張力控制、余料收卷張力控制和分切速度控制。其機構(gòu)運動和受力情況如圖6所示。

圖6 分切復(fù)卷機構(gòu)運動和受力情況示意圖Fig.6 Motion and force diagram of automatic slitting and rewinding equipment

放卷張力是阻力相，扣除離型紙剝離張力后，與余料收卷張力和復(fù)卷張力達到平衡，張緊預(yù)浸料，在切刀軸上和切刀軸前部形成平整的分切面，見圖7。3種張力必須實時平衡，才能防止分切平整面出現(xiàn)扭曲，影響分切精度和大量切斷碳纖維。分切復(fù)卷機構(gòu)連續(xù)運行，分切量大，分切機的3個卷軸直徑變化很大，為保持恒張力，須實時根據(jù)半徑變化修正各軸扭矩。

圖7 分切面受力Fig.7 Tension of slitting plane

分切機構(gòu)的3個卷軸每旋轉(zhuǎn)一圈直徑變化固定，因此采用扭矩逐層遞減或遞加的方式保持恒張力。分切機裝料后，PLC首先根據(jù)輸入的各軸初始半徑計算扭矩，然后再逐層遞減或遞加。

分切時各軸的扭矩變化數(shù)學模型為：

式中，ΔT為放卷軸每旋轉(zhuǎn)一圈扭矩的減小值或離型紙剝離軸和余料收卷軸的增加值；F為分別設(shè)定的3軸張力；ΔR為各軸對應(yīng)的材料厚度。

分別在放卷軸、離型紙收卷軸、余料收卷軸安裝傳感器，記錄旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，各軸每旋轉(zhuǎn)一圈其扭矩增加或減少與其對應(yīng)的扭矩ΔT。

采用PLC模擬量控制變頻器，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)分切速度的調(diào)節(jié)，分切過程中該速度可隨時調(diào)節(jié)。

2.2 復(fù)卷機構(gòu)控制方案

復(fù)卷機構(gòu)控制由張力控制和橫動機構(gòu)控制組成。通過這2個機構(gòu)的協(xié)同作用，分切后重新覆膜的預(yù)浸窄帶得以按照一定的規(guī)律卷繞在紙筒表面，成為具有一定形狀和容量的圓柱狀卷裝。復(fù)卷機的卷繞成形技術(shù)取決于橫動機構(gòu)的運動規(guī)律及其控制方法[5]。

圖8為預(yù)浸窄帶卷繞速度矢量圖，其卷繞成形規(guī)律的基本數(shù)學模型為[6]：

圖8 預(yù)浸窄帶卷繞速度矢量圖Fig.8 Vector diagram of prepreg winding speed

由公式（2）、（3）可得：

式中，α為卷繞角；v1為卷曲速度；v2為導紗速度；h為軸向螺距；d k為卷繞直徑；n k為卷繞轉(zhuǎn)速。

由公式（4）可以看出：要實現(xiàn)軸向等螺距卷繞，則需v2與n k的比值保持不變。

復(fù)卷軸端裝有接近開關(guān)，接近開關(guān)與控制單元的高速計數(shù)器相連，復(fù)卷軸每旋轉(zhuǎn)1次產(chǎn)生1個脈沖，從而可計算復(fù)卷軸的轉(zhuǎn)速：

式中，t為卷繞1圈的時間，即PLC記錄的2次脈沖時間間隔。

由公式（4）、（5）可得：

其中，導紗速度v2由控制單元控制的伺服電機精確實現(xiàn)。

預(yù)浸料粘性較大，各層之間容易發(fā)生粘連，必須用PE膜隔離，即復(fù)卷的同時重新覆PE膜。PE膜表面光滑，摩擦系數(shù)很小，層與層之間容易滑動，外層紗對內(nèi)層紗產(chǎn)生向心壓力，這使內(nèi)層紗有向兩端軸向壓出的趨勢，當這種趨勢到一定程度后，內(nèi)層紗就在軸線方向往外脹出，造成脹邊。

為減弱脹邊對復(fù)卷的影響，采用塔形復(fù)卷，即復(fù)卷寬度逐層減小，一般每層減少0.1～0.5mm。PLC計算每層縮進后的復(fù)卷寬度，由脈沖發(fā)射單元發(fā)出控制脈沖，精確控制橫動機構(gòu)的位移，實現(xiàn)塔形收卷，如圖9所示。

圖9 塔形縮進示意圖Fig.9 Diagram of layer indent

復(fù)卷機構(gòu)的復(fù)卷軸直徑變化量受導程的影響。設(shè)置的導程越小，卷繞時，預(yù)浸窄帶部分重疊，卷繞越密實，每層的半徑變化越大。因此，不能采用類似分機構(gòu)的扭矩逐層遞減或遞加模式，需實時測量其半徑。復(fù)卷軸勻速旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)扭矩平衡公式[7]：

則靜態(tài)動力方程為：

式中，F(xiàn)復(fù)為設(shè)定的復(fù)卷張力；F復(fù)為控制轉(zhuǎn)矩；β為摩擦阻尼系數(shù)；v為分切速度。

由式（9）可知，要實現(xiàn)恒張力卷繞必須保持T復(fù)+βnk與vt的比值恒定。β值通過試驗測定，t由卷繞軸端的傳感器獲得。控制單元實時計算獲得的數(shù)據(jù)，不斷調(diào)整扭矩T復(fù)，實現(xiàn)預(yù)浸窄帶復(fù)卷的恒張力。

3 試驗驗證與分析

在已設(shè)計完成的分切復(fù)卷機上（圖10），完成控制系統(tǒng)的搭建后，進行預(yù)浸料的分切復(fù)卷試驗，驗證設(shè)備的機械設(shè)計方案和電氣控制方案的可行性。

圖10 碳纖維預(yù)浸料自動分切復(fù)卷機構(gòu)Fig.10 Carbon fiber prepreg of automatic slitting and rewinding mechanism

3.1 試驗工藝條件

本試驗以滿足南京航空航天大學自動化技術(shù)研究中心研制的24絲束自動鋪絲機的鋪絲需求為背景，設(shè)計試驗，試驗參數(shù)如表1所示。

試驗分2部分，PE膜分切和預(yù)浸料分切覆膜，先分切PE膜，再利用該PE膜給分切的預(yù)浸窄帶覆膜。

3.2 試驗結(jié)果及分析

采用由南京航空航天大學復(fù)合材料自動化技術(shù)研究中心研制的光學寬度檢測系統(tǒng)（圖11）測量分切后PE膜和預(yù)浸窄帶的寬度，每間隔10m測量一次，測量數(shù)據(jù)見表2。

從圖12可知，分切后的PE膜寬度為（12.7±0.2）mm。造成該誤差的主要原因是，分切復(fù)卷過程中張力并不完全恒定，會有小幅波動，PE膜的拉伸強度很小，很容易拉伸變形，使尺寸誤差變大。PE膜只起隔離預(yù)浸紗的作用，對尺寸精度要求不高，誤差在允許范圍內(nèi)，分切的PE膜符合要求。

表1 自動分切復(fù)卷機構(gòu)試驗參數(shù)

表2 分切后PE膜和預(yù)浸窄帶寬度數(shù)據(jù)

PE膜分切卷繞效果如圖13所示，可見分切的PE膜邊緣齊整，卷裝導程均勻，無塌邊。

預(yù)浸料的分切復(fù)卷要求主要包括2個部分，一是分切精度在0.1mm以內(nèi)，且無分切后形成的毛邊。二是預(yù)浸窄帶盡量覆在PE膜的中間，絲束之間必須有PE膜隔離，不能有粘連，絲束間距即導程要均勻、美觀，各層之間的導程要一致，不受復(fù)卷半徑逐漸增大的影響。分切后預(yù)浸窄帶的寬度變化見圖14。

圖12 PE膜的分切寬度變化Fig.12 Slitting width variation of PE film

圖13 PE膜分切導程及端部圖Fig.13 Slitting renderings of PE film and end image

圖14 預(yù)浸窄帶的分切寬度變化Fig.14 Slitting width variation of narrow tape prepreg

分切結(jié)果表明，預(yù)浸料分切精度在0.1mm以內(nèi)，分切后的預(yù)浸窄帶無肉眼可見的毛邊，符合分切預(yù)期。

由窄帶預(yù)浸料的下覆膜（圖15）和上覆膜（圖16）復(fù)卷效果可見，預(yù)浸窄帶基本貼附在PE膜中間，絲束之間無粘連，導程均勻，卷繞密實；卷裝逐層內(nèi)縮，呈塔形，無脹邊現(xiàn)象。

試驗表明，預(yù)浸料分切復(fù)卷機構(gòu)滿足設(shè)計要求，生產(chǎn)的窄帶預(yù)浸料完全符合自動鋪絲機鋪放需要。

4 結(jié)論

基于自動鋪絲需要，研究寬幅預(yù)浸帶分切復(fù)卷技術(shù)，開發(fā)出自動分切復(fù)卷機構(gòu)，實現(xiàn)寬幅預(yù)浸料的快速分切、復(fù)卷，生產(chǎn)出滿足自動鋪絲要求的預(yù)浸窄帶卷裝。

圖15 預(yù)浸料PE下覆膜Fig.15 Under-bottom PE film prepreg

圖16 預(yù)浸料PE上覆膜Fig.16 On-top PE film on prepreg

試驗結(jié)果表明，設(shè)備分切精度高、覆膜可靠、卷裝密實、分切復(fù)卷速度快、預(yù)浸料利用率高。該設(shè)備與自動鋪絲機一起構(gòu)成復(fù)合材料成型自動化的一整套設(shè)備，促進了自動纖維鋪放技術(shù)的發(fā)展。

[1] 李勇，肖軍. 復(fù)合材料纖維鋪放技術(shù)及其應(yīng)用. 纖維復(fù)合材料，2002，9(3): 39-41.

[2] 肖軍，李勇，李建龍. 自動鋪放技術(shù)在大型飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造中的應(yīng)用. 航空制造技術(shù)，2008(1): 50-53.

[3] 劉寶鋒，李佩蘭. 熱熔法預(yù)浸料制備工藝研究. 高科技纖維與應(yīng)用，2000，25(4): 38-41.

[4] 齊韶文，侯燕. 卷繞成型機構(gòu)的研究. 山西機械，2000，22(4):22-23.

[5] 魏建，匡江紅，陳帥，等. 高速卷繞機卷繞方法的分析與研究. 合成纖維，2006，35(8): 36-41.

[6] 宋春梅，楊建成，李文武，等. 密封毛條恒張力卷繞系統(tǒng)的研制. 天津工業(yè)大學學報，2008，27(2): 66-69.

[7] 張濤，臧小惠，楊勁松. 卷繞線張力控制系統(tǒng)的建模與研究.計算機仿真，2008，25(2): 328-331.