复合材料自动铺丝张力测控系统的研究
复合材料自动铺丝技术研究进展
复合材料自动铺丝技术研究进展The Research Progress of Automated Fiber Placement Technology for Composites摘要：复合材料自动铺丝技术是在航空航天工业发展起来的一种“低成本，高性能”的先进复合材料自动化制造技术。
自动铺丝技术在降低复合材料构件制造成本，提高生产效率和构件性能等方面具有极大的潜力，得到工业发达国家的高度重视。
本文对自动铺丝的原理、特点、CAD/CAM核心技术以及自动铺丝技术的国内外发展历程与应用进行了全面的介绍，最后展望了自动铺丝的发展前景。
关键词：复合材料，自动铺丝，CAD/CAMAbstract：Automated Fiber Placement is a sort of automated manufacture technology which was raised first at the field of aeronautics and astronautics, and through it, thelow-cost and high-quality advanced composite material can be produced. Automated Fiber Placement has great potential in reducing manufacturing costs, improving efficiency and function, gaining much attention of industrial development countries. In this paper, the principle and characteristic of Automated Fiber Placement, the core technology of CAD/CAM, the domestic and foreign development process and application of Automated Fiber Placement is fully discussed. Finally, the development outlook of Automated Fiber Placement is prospected.Key words: composite materials, Automated Fiber Placement, CAD/CAM1.引言复合材料是指由两种或两种以上具有不同物理、化学性质的材料，以微观、介观或宏观等不同的结构尺度与层次，经过复杂的空间组合而形成的一种多相固体材料[1]。
基于自动铺带技术的复合材料结构件强度评估研究
基于自动铺带技术的复合材料结构件强度评估研究引言：复合材料是一种由两种或两种以上材料组成的复合体，具有优异的力学性能和工程应用潜力。
在航空航天、汽车工业、能源等领域中，复合材料的应用广泛，其中复合材料结构件的强度评估是一个关键问题。
本文旨在研究基于自动铺带技术的复合材料结构件强度评估方法与技术。
一、自动铺带技术的原理与应用自动铺带技术是一种将预浸复合材料纤维排列在设计规定位置的技术。
其主要原理是通过控制复合材料纤维与树脂的比例、面积密度和纤维层次，实现复合材料结构件的定向排列和强度提升。
自动铺带技术具有高效、高精度和低浪费等优点，因此在航空航天和汽车工业等领域广泛应用。
二、复合材料结构件强度评估的重要性复合材料结构件的强度评估是确保结构件在实际工况下能够承受预期载荷的关键。
在设计和制造复合材料结构件之前，强度评估能够提前预测结构件的破坏行为，指导结构优化和性能改进。
因此，开展复合材料结构件强度评估研究具有重要的理论和实践意义。
三、基于自动铺带技术的复合材料结构件强度评估方法1. 宏观力学模型基于自动铺带技术的复合材料结构件强度评估可以采用宏观力学模型进行。
通过建立合适的力学模型，将复合材料结构件视为多层板，进行强度评估和应力分析。
该方法能够较为准确地预测结构件的破坏行为和强度性能。
2. 细观力学模型细观力学模型是一种更加精细的强度评估方法，通过考虑复合材料纤维和树脂的微观结构与相互作用，建立复杂的力学模型。
该方法考虑了材料的非线性和破坏行为，可以提供更为精确的强度评估结果。
然而，由于模型的复杂性，该方法对计算资源和计算时间的要求较高。
3. 数值模拟与有限元分析数值模拟与有限元分析是一种较为常用的强度评估方法。
通过将复合材料结构件离散化为多个小单元，利用有限元方法对结构件进行力学分析和强度评估。
该方法能够较为准确地模拟复合材料结构件在复杂载荷下的响应，定量地评估结构件的强度。
四、复合材料结构件强度评估的关键因素1. 材料性能复合材料的性能对结构件的强度评估具有重要影响。
光纤智能复合材料纤维自动铺放制造工艺研究
光纤智能复合材料纤维自动铺放制造工艺研究摘要：光纤智能复合材料之所以受到广泛关注，主要与它所能实现的实时在线监测功能有直接关系，主要是针对复合材料内部应力与微小损伤的监测。
可是当前制造光纤智能复合材料的手段多局限于手工制造，不仅效率低，效果一致性也很难得到保证。
面对现实情况和人们的应用需求，基于纤维铺放技术的光纤智能复合材料自动化制造工艺正在成为光纤智能复合材料制造的主要手段，将光纤的植入过程与纤维丝束铺放过程相结合，实现光纤智能复合材料的自动制造。
下面本文将对光纤智能复合材料纤维自动铺放制造工艺研究。
关键词：光纤；智能复合材料；纤维自动铺放技术；制造工艺研究一、实验设备与材料首先要指出的是，本文所论述的光纤智能复合材料制造，是在结合纤维铺放系统使用的情况下来实现连续性制造的。
纤维铺放系统的正常运行与相应功能发挥，是靠机器人式纤维铺放机去实现的，在16束7 mm宽纤维窄带（最大工作量）的同作用下，纤维铺放机可在平均每分钟内完成30m铺放操作（最快速度），相比手工这样的铺放速度已经非常快了，并且质量也能够得到很好保证。
在整个操作过程中，“系统”首先会进行碳纤维预浸带的铺放，当铺放到合理厚度时（即光纤植入需要的厚度），绕在光纤缠绕卷中的光纤便会借助两个输圆柱形送辊相互反方向运转时所产生的摩擦力作用下完成向前运动操作，然后在铺放压辊的压紧力作用下，以及红外灯的加热作用下，被植入到预定位置。
在光纤被传输的过程中，“张力”大小是个很重要的因素，从张力调节控制装置构成与内部结构上看，传感器在里面发挥了很大的作用，张力控制器将张力传感器采集到的信号转换为控制信号，从而调节光纤缠绕卷输送电机相应的转速而达到张力控制的目的。
但需要注意的是，光纤在实际传送过程中很容易会因曲率弯曲较大而出现破损，为了解决这个问题，我们还是需要从张力调节控制装置构成与内部结构设计上去寻找办法，当前较为有效的一种处理方法是，增加张力传感器与其两侧导向轮之间的距离，这样会使光纤得到较大的平滑过渡，增大光纤的弯曲半径。
复合材料自动铺带技术-张鹏
征文主题编码：16复合材料自动铺带技术张鹏华中科技大学机械科学与工程学院，湖北武汉430074zphust2005@摘要：自动铺带技术是一种高生产效率、低废料率的复合材料制造技术。
本文首先简单介绍了自动铺带装备的发展与构成；其次通过观察与研究实际铺带过程，指出预浸带黏性以及铺覆性对铺带过程成功与否有重大影响；最后通过分析预浸带加热温度、压辊压力、预浸带张力等铺带工艺参数对铺带过程以及最终产品质量的影响，为铺带工艺参数优化提供了指导。
关键词：复合材料自动铺带预浸带工艺参数优化Automatic Tape-laying Technique for CompositeZhang PengCollege of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan, China, 430074zphust2005@Abstract: Automatic tape laying technology is a composites manufacturing technology of high productivity and low scrap rate. This paper first briefly describes the development and composition of automated tape laying equipment. Secondly, this paper points out that the tack and drape of prepreg have a significant impact on success of the laying process by observing and studying the actual tape laying process. Lastly, this paper provides guidance for optimization of heating temperature, roller pressure, prepreg tension, etc, tape laying process parameters by analyzing these parameters’ influence on the tape laying process and the quality of the final product.Key Words: Composite; Automatic Tape-laying; prepreg; Process Parameter; Optimization1.引言自动铺带技术属于复合材料自动铺放技术，是一种先进复合材料低成本制造技术，同时也是一种复合材料自动化成型制造技术。
连续纤维增强热塑性树脂基复合材料自动铺放技术研究进展
酮预浸带的商品名 [18]。AS4/APC–2 被 广 泛 使 用，而 其 他 APC–2 版 本 的 研 究 较 少，如 IM6/APC–2[30–31] 和 IM7/APC–2[32–33]，这 些 带 / 丝 束 的 宽 度 较 窄，为 6.35mm。 此 外，由 TenCate 公 司 制 备 的 AS4/PEEK 带 也得到了应用 。 [34] 目前，有关自动 铺放的大量工作涉及碳纤维 / 聚醚 醚酮预浸带。
目光转向了自动化技术，例如自动 还能对丝束进行切割，以适应制造边
铺 带（Automated tape laying, ATL） 界的变化，能够保证复杂结构的加工 技 术 和 自 动 铺 丝（Automated fiber 要求 。 [9–11] 由此 AFP 机器可生产不
placement, AFP）技术。
材料体系 研究内容
主要结论
热气体温度对热塑性复合材料的热场和热流密度有重要影 响，此外，较小的热气体温度有利于获得均匀的热场；热 梯度随着热压温度的升高而增大，影响热塑性复合材料的 最终力学性能
模拟计算
建立了在自动铺放过程中加热模具和热塑性预浸料带的非 平稳过程，模具的温度会影响预浸料的温度，从而影响基
为满足航空航天、军工产业对先 进结构材料日益增长的需要，连续纤 维增强热塑性树脂基复合材料得到 了研究者和工业界的广泛关注。其 优势包括 ： [23–26]
（1）刚而韧的线性高分子链赋予 其优异的抗冲击性能和抗损伤性能。
（2）使用温度区间从 -40℃到熔 点以下 50℃左右。
（3）复 合 材 料 制 备 过 程 仅 发 生 物理反应，成型周期短。
工艺优化
对碳纤维复合材料的光学特性、层间接触热阻、LATP 过程 中的光学模型和温度场模型进行研究
复合材料自动铺丝张力测控系统的研究
使用转 速 高时 ， 需降 低力 矩使 用 磁 粉 制动器 的选
型一般 以其最 大制 动转矩 来确定 以最 大张 力和最 快 速度计 算磁 粉制 动器 的额定功 率 和力 矩 设 丝 到 磁 粉制 动 器 的转 动 中心 的距 离 为 ｒ则 ．
力矩为 ： Ｍ＝ ・＝ ９４ （ ｔ） Ｔ ｒ２ ． Ｎ・ ｒ ｎ （） ５
合材 料 自动化成 形制 造技术 之一 它 以纤维 缠绕 和 自动铺带 技术 为基 础 ． 多组 纤 维预浸 纱 束 自动铺 将
放在 旋转 的芯 模表 面 ． 放过 程 中 同时加 热软 化预 铺 浸纱 束 、压实 定型 后再 放入 固化 炉加 热 固化成 型 。 在制 备 铺 丝过 程 中 ． 果 纤 维张 力 不 均 ． 严重 影 如 将 响复 合材料 的力学性 能 铺 丝张力 测控 系统 就是解 决复 合材料 预浸 纱铺 丝设 备在 铺丝 时 的张 力控 制 ， 达到充 分发挥 纤维材 料 的高强度 特性 的 目的
它 是根据 电磁 原理 以磁 粉 为工作 介 质 ． 以励 磁 电流 为 控制手 段 ． 达到控 制 制动 的 目的 其 励磁 电流 和 转矩 基本 成线 性关 系 ． 过 调节 励磁 电流可 以控 制 通
力矩 的大小 ． 其产 生 的阻力 矩 和转 速无 关 。磁粉 制
动器 的允 许滑 差功 率 ， 散热 条 件一定 时 ， 定值 。 在 是 其 连续运 行 时 ．实 际滑 差需 在允 许 滑差 功率 以内
通 道 张力测 量 ． 同时 对 ８根丝 的 张力进 行 测量 控 可 制 在铺丝 过程 中 ． 系统 随时监 测丝 的张力 ， 通过 张
磁线圈的 电感 ， 是一阶 限性环节 ： 磁通建立后 ， 磁粉 由
离散状态到形成横过间隙的磁粉链时有延时过程 ． 而 且纤 维由于 自身的伸展 性也会延迟张力 的建立 ． 这使
自动铺带技术在复合材料结构件波纹性能研究中的应用
自动铺带技术在复合材料结构件波纹性能研究中的应用复合材料在诸多工业领域中得到了广泛应用，具有重量轻、高强度、耐腐蚀等优点。
而波纹结构则常用于改善材料的性能，例如提高刚度、增加屈服强度等。
在复合材料结构件的制造过程中，自动铺带技术是一种重要的工艺手段，可以实现高效、精准的复合材料制造。
本文将重点探讨自动铺带技术在复合材料结构件波纹性能研究中的应用。
首先，我们来介绍一下自动铺带技术。
自动铺带技术是采用横向的力矩进行复合材料织造的一种技术，它可以精确地控制铺带的位置和角度，从而实现复合材料的自动制造。
这种技术可以适用于各种不同形状和大小的复合材料结构件，并且可以实现高效率和高质量的生产。
在复合材料结构件中，波纹结构是一种常见的设计元素。
波纹结构可以通过改变纤维的取向和密度，使复合材料在承受载荷时具有更好的性能。
通过自动铺带技术，可以实现在复合材料结构件上铺设出各种形状的波纹结构。
铺带角度、层数和纤维取向的变化可以根据实际需要进行调整，以实现所需的波纹性能。
在自动铺带技术中，首先需要进行材料和工艺的选择。
复合材料的选择需要考虑到所需的力学性能、耐久性和成本等因素。
工艺的选择需要根据所需的波纹形状和尺寸来确定。
一旦确定了材料和工艺，就可以通过自动铺带机进行实际的制造过程。
自动铺带技术在实际应用中，能够有效地改善复合材料结构件的波纹性能。
首先，它可以实现复合材料的连续加工，避免了传统制造方式中的接缝问题，提高了复合材料的整体性能。
其次，自动铺带技术可以精确地控制波纹形状和尺寸，从而实现更好的性能优化。
例如，通过调整铺带角度和层数，可以使复合材料的刚度和屈服强度得到增强。
同时，自动铺带技术还可以实现纤维的优化布局，进一步提高复合材料的性能。
另外，自动铺带技术还可以实现复合材料结构件的自适应制造。
在制造过程中，可以通过传感器和控制系统实时监测材料的性能参数，根据需要进行调整。
例如，在实际使用过程中发现材料的刚度不足，可以通过自动铺带技术迅速调整波纹结构的参数，以满足其刚度的要求。
龙门式复合材料自动铺丝机研发设计
F
=
YM
伊
仔 P
伊浊
越 70 伊
2 伊 3.14 0.012
伊 0.9 = 32 970 N
式中，浊 为效率，取 0.9.设丝杠导程为 12 mm. 又因为要克服移动部件移动时产生的摩擦阻
力，所以有效推力 Fy： Fy = F - m 伊 g 伊 滋 上式中，m 为移动部件自身质量，为 3 t；滋 为移
图 2 整机外形图
1.1 关于 X 坐标推力计算 在水平方向移动时，电机所要克服的力包括加
速力、摩擦力以及铺丝力。 设定： X 坐标驱动重量 M：12.5 （t 整个横梁移动部件） 空载快速移动速度 V x：30 m/min 最大加速度初步设定为 ax：1 m/s2 在水平移动情况下： Fax = ma（x 加速力） Ffx = 滋mg（摩擦力）
收稿日期：2017-12-09 基金项目：《高档数控机床与机床制造装备》科技重大专项课题资助（2014ZX04001091） 作者简介：支 勉（1965-），女，河北辛集人，研究方向：航空航天复合材料自动铺丝设备。
31
Equipment Manufacturing Technology No.03，2018
传动结构如图 4 所示。
同步带轮 b
负载
同步带 伺服电机
同步带轮 a 丝杠
图 4 Z 轴传动示意图
推力通常是在工作进给匀速、电机低转速的状 态下进行计算，额定扭矩是指在额定转速下的扭矩。 所以电机的输出扭矩通常取静扭矩 M0 = 50 N·m.
在竖直运动过程中，因移动部件在垂直于 Z 轴 的方向产生偏移量以及存在几何偏差，故而形成的 扭矩会在导轨上产生摩擦力。
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A
R Fx1
复合材料自动铺带技术研究与应用
40航空制造技术·2011 年第 15 期FORUM复合材料自动铺带技术研究与应用中航工业北京航空制造工程研究所 周晓芹 曹正华 郑广强 薛向晨 梁宪珠 王永贵随着我国新型飞机项目的立项启动，复合材料用量以及大型整体构件的数量和尺寸不断增加，国内复合材料自动铺带技术得到迅速发展。
目前，北京航空制造工程研究所率先完成了我国首台大型复合材料构件自动铺带机的研制，并在此基础上深入开展了自动铺带技术研究。
周晓芹复合材料专业硕士研究生，工程师，主要从事复合材料自动铺带技术和纤维丝束自动铺放技术等方面的研究工作。
Research and Application of Automated Tape Laying Technology ofComposites坐标铺带头、高速移动横梁、高架桥式定位平台等组成，如图1所示。
除了传统数控机床X ，Y ，Z 三坐标定位以外，还有绕Z 轴方向的转动轴C 轴和绕X 轴方向摆动的A 轴，五轴联动以满足曲面铺带的基本运动要求。
● 自动铺带机联动坐标及行程范围：X ：20000mm；Y：6500 mm。
● 自动铺带机坐标速度：X 、Y ：60000 mm/min。
整机技术水平和性能指标达到了国外同类设备水平，能够满足新型飞机研制中大型复合材料构件的研制需求。
经过四十多年不断的发展与完善，自动铺带设备和技术在美国和欧洲已经成熟，并大规模应用于航空复合材料结构件的制造，如波音777飞机尾翼、水平和垂直安定面蒙皮，波音787翼面蒙皮，A340尾翼、水平安定面蒙皮，A380的安定面蒙皮和中央翼盒等。
自动铺带技术已经成为发达国家复合材料翼面类结构的典型制造技术之一。
随着我国新型飞机项目的立项启动，复合材料用量以及大型整体构件的数量和尺寸不断增加，国内复合材料自动铺带技术得到迅速发展。
目前，北京航空制造工程研究所率先完成了大型复合材料构件自动铺带机的研制，并在此基础上深入开展了自动铺带技术研究。
复合材料自动铺带工艺中的纤维导向性控制研究
复合材料自动铺带工艺中的纤维导向性控制研究复合材料是一种由两种或多种不同材料组合而成的材料，具有较高的强度、刚度和韧性，被广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。
自动铺带工艺是一种常用于制造复合材料的工艺，通过自动化设备将纤维预浸料沿着预定路径铺放在模具上，形成复合材料的结构。
纤维导向性是指纤维在复合材料中的方向分布。
研究纤维导向性控制是为了实现材料性能的优化，提高复合材料的力学性能和使用寿命。
以下将介绍复合材料自动铺带工艺中的纤维导向性控制的研究。
首先，纤维导向性控制的研究在工艺参数的选择上起着重要作用。
工艺参数包括纤维预浸料的黏度、纤维排列方向、铺带速度等。
黏度的选择应该能够保证纤维在铺带过程中的排列紧密，且能够保持一定的流动性，以便铺带过程中纤维的排列受到控制。
纤维排列方向的选择是非常关键的，它决定了复合材料的力学性能和细观结构。
铺带速度也需要合理选择，过快的铺带速度容易导致纤维排列的不均匀性。
其次，纤维导向性控制的研究还涉及到铺带工艺中辅助设备的改进。
自动铺带工艺需要使用自动化设备将纤维预浸料铺放在模具上，而这些设备的性能和精度会对纤维导向性控制产生影响。
因此，改进设备的控制系统、传动系统和定位系统等方面，提高设备的稳定性和精确度，对纤维导向性的控制具有重要意义。
另外，材料科学领域中涌现出许多新的纤维导向性调控方法，例如电场辅助法、磁场辅助法和声场辅助法等。
这些方法可以通过改变外界的物理场来调控纤维的方向，以实现纤维导向性的控制。
这些新的方法不仅可以提高复合材料的力学性能，还可以控制材料的微观结构。
此外，纤维导向性控制的研究还需要关注其实际应用中的工艺难题。
在自动铺带工艺中，由于纤维预浸料在铺放过程中的流变性质的变化，纤维的纵向伸长性质会发生改变，从而影响纤维排列的方向。
因此，需要研究如何在铺带工艺中解决纤维纵向伸长性质的变化对纤维导向性控制的影响，并通过优化工艺参数和改进设备来实现纤维导向性的精确控制。
基于机器视觉的复合材料自动铺带过程质量控制技术研究
基于机器视觉的复合材料自动铺带过程质量控制技术研究摘要：随着复合材料工业的快速发展，对于复合材料自动铺带过程的质量控制需求日益增加。
传统的质量控制方法受制于人工操作和主观因素，效率低且容易出错。
为了提高质量控制水平，机器视觉技术逐渐应用于复合材料自动铺带过程中。
本文通过综述相关研究成果，介绍了基于机器视觉的复合材料自动铺带过程质量控制技术的研究现状、关键技术以及存在的挑战和解决方法，并展望了未来发展的方向。
1. 引言近年来，复合材料作为一种新型材料，被广泛应用于航空、汽车、船舶、建筑等领域。
在复合材料的制造过程中，自动铺带是一种常见的工艺，其质量控制直接关系到最终产品的性能和使用寿命。
传统的质量控制方法往往由人工操作和主观因素决定，存在效率低下和易出错的问题，为了提高质量控制水平，引入机器视觉技术成为必要的选择。
2. 机器视觉技术在复合材料自动铺带过程中的应用研究现状目前，机器视觉技术在复合材料自动铺带过程中的应用已经取得了一些研究成果。
首先，在图像处理方面，研究者利用机器视觉算法对复合材料铺带过程中的图像进行分割和识别，从而实现对铺带质量的控制和评估。
其次，在控制系统方面，利用机器视觉技术实现对机器人铺带过程参数的测量与调整，提高铺带的准确性和一致性。
此外，还有一些研究者通过机器视觉技术实现对铺带过程中的缺陷和瑕疵的自动检测和分类，为后续的质量控制和修复提供依据。
3. 基于机器视觉的复合材料自动铺带过程质量控制技术的关键技术基于机器视觉的复合材料自动铺带过程质量控制技术的关键技术主要包括图像处理算法、模型建立和识别技术以及控制系统设计。
首先，图像处理算法是实现铺带过程图像分割、特征提取和缺陷检测的基础，需要具备高效、准确、稳定的性能。
其次，模型建立和识别技术用于实现对铺带过程中各种材料、工艺参数及特征的建模和识别，为质量控制提供判定依据。
最后，控制系统设计将机器视觉技术与机器人控制相结合，实现对复合材料自动铺带过程中各个参数的测量和调整。
复合材料自动铺带工艺中的拉伸性能研究
复合材料自动铺带工艺中的拉伸性能研究复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料组成的材料，具有很多优越的性能，如高强度、轻质、耐高温等，因此在各个领域得到了广泛的应用。
而在复合材料的制备过程中，自动铺带工艺是一种常用的制备方法，通过自动化的方式将复合材料长纤维填充物以预定的方式铺放在模具表面，形成所需形状的复合材料制品。
在这个过程中，拉伸性能是一个重要的指标，它可以反映复合材料的强度和耐久性。
首先，复合材料的拉伸性能是指在拉伸载荷作用下，材料的抗拉强度、延伸度和断裂伸长率等性能指标。
拉伸性能是评价复合材料力学性能的重要依据之一。
在自动铺带工艺中，拉伸性能的研究对于优化工艺参数、改善制品性能具有重要意义。
在复合材料自动铺带工艺中，拉伸性能的研究可以从以下几个方面展开。
首先，研究纤维的选择和预处理对拉伸性能的影响。
不同的纤维类型和预处理方法将对复合材料的拉伸性能产生影响。
例如，碳纤维具有很高的强度和刚度，能够显著提高复合材料的拉伸强度。
而使用纤维预浸料的铺带工艺可以使纤维更好地渗透树脂基体，提高复合材料的织构性能和拉伸强度。
其次，研究树脂基体的性能对拉伸性能的影响。
树脂基体决定了复合材料的结构和性能。
不同类型的树脂基体具有不同的化学结构和力学性能，因此对复合材料的拉伸性能也会产生影响。
例如，环氧树脂具有良好的粘结性能和耐久性，适用于高强度复合材料的制备。
聚酰亚胺树脂具有较高的耐热性和耐化学性，适用于高温环境下的应用。
此外，研究工艺参数对拉伸性能的影响也是必要的。
工艺参数包括铺带速度、厚度和纤维排列方式等。
这些参数将直接影响到复合材料的纤维分布和层间结构，进而影响到拉伸性能。
例如，较高的铺带速度可能导致纤维的错位和疏散，降低复合材料的拉伸强度。
而较小的厚度可能导致纤维分布不均匀，进一步影响拉伸性能。
最后，通过拉伸试验对复合材料的拉伸性能进行评估。
拉伸试验是一种常用的力学试验方法，通过施加恒定的拉伸力，测量复合材料在应力作用下的变形和断裂行为。
基于力矩电机的复合材料缠绕机构张力控制系统
2
压 60 ± 9 (V) ; ( 2) 测空载转速时电压 60 (V) ; ( 3) 空载转速 1167 ( rΠ min) ; (4) 连续堵转 : 转矩 0. 98 (N. m) ,电流 2 ( A) , 电 压 20 ± 3 (V) ;
3 为试件材料的密度 ( gΠ cm ) . 应变波由试件材料 ( 弹性材料 ) 表面经粘合
剂、 基底到敏感栅 ,需要的时间非常短 . 如应变波在 粘合剂中的传播速度为 1000mΠ s , 粘合剂和基底的 总厚度为 0. 05mm ,则所需时间为 5 ×10 s ,因此可 以忽略不计 . 而当应变波在敏感栅长度方向上传播 时 ,由于应变片反映出来的应变波形是应变片丝栅 长度内所感受应变量的平均值 ,即只有当应变波通 过应变片全部长度后应变片所反映的波形才能达 到最大值 ,这就会有一定的时间延迟 , 对动态测量 产生影响 ,故影响应变片频率响应特性的主要因素 是应变片的基长 . 应变片的可测频率或称截止频率可分成正弦 应变波和阶跃应变波两种情况来分析. 正弦应变波 响应特性 : 设应变波的波长为 λ, 应变片的基长为
而当应变波在敏感栅长度方向上传播由于应变片反映出来的应变波形是应变片丝栅长度内所感受应变量的平均值即只有当应变波通过应变片全部长度后应变片所反映的波形才能达到最大值这就会有一定的时间延迟对动态测量产生影响故影响应变片频率响应特性的主要因素作用在测力辊上的拉力点作用力的位置偏移产生的误差拟采用如图悬臂梁式传感器受力分析这里电阻应变片的敏感元件安装在梁上距离的两个截面处若作用力r2处的应变绝对值增加应变片的可测频率或称截止频率可分成正弦应变波和阶跃应变波两种情况来分析
[2 ]
复合材料自动铺丝技术研究进展
复合材料自动铺丝技术研究进展
陈宇宁;逄博;张云峰
【期刊名称】《纤维复合材料》
【年(卷),期】2022(39)2
【摘要】先进复合材料自动铺丝技术在航空航天领域获得了广泛的应用。
本文从
自动铺丝机发展历程、自动铺丝工艺技术研究进展、自动铺丝CAD/CAM系统发
展以及自动铺丝技术在航空航天领域大型构件上的具体应用出发,综述了国内外自
动铺丝技术的研究进展,最后提出了复合材料自动铺丝技术未来研究发展的方向。
本文的研究对于复合材料自动铺丝技术的工程实践以及实现复合材料结构“低成本、高性能”制造具备一定的研究意义。
【总页数】5页(P95-99)
【作者】陈宇宁;逄博;张云峰
【作者单位】哈尔滨玻璃钢研究院有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TB3
【相关文献】
1.先进复合材料自动铺丝技术研究进展
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3.国产T800级碳纤维/双马来酰亚胺复合材料自动铺丝工艺适
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国产T800级碳纤维/双马来酰亚胺复合材料自动铺丝工艺适应性技术研究
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自动化控制系统在军工复合材料生产中的应用分析
自动化控制系统在军工复合材料生产中的应用分析发布时间：2021-11-27T03:21:06.573Z 来源：《论证与研究》2021年10期作者：李晓哲 花 剑 李婧熠 苏建平 高云霞[导读] 摘要：近年来，随着社会快速的发展，许多先进的复合材料因其本身具有优异的性能，因此在多个行业得到了广泛的应用。
由于复合材料的构件结构形式、服役的荷载以及使用的环境相对复杂，若存在缺陷则必然会影响整体效果。
本文将对复合材料制造自动化技术的发展进行简要分析。
关键词：复合材料；制造；自动化技术；发展自动化控制系统在军工复合材料生产中的应用分析李晓哲 花 剑 李婧熠 苏建平 高云霞（上海航天控制技术研究所 201109）摘要：近年来，随着社会快速的发展，许多先进的复合材料因其本身具有优异的性能，因此在多个行业得到了广泛的应用。
由于复合材料的构件结构形式、服役的荷载以及使用的环境相对复杂，若存在缺陷则必然会影响整体效果。
本文将对复合材料制造自动化技术的发展进行简要分析。
关键词：复合材料；制造；自动化技术；发展复合材料，特别是高性能和耐热复合材料，由于其结构设计，优异的性能，长寿命和轻质而在航空领域越来越广泛地使用。
在当前使用复合材料零件的过程中，处理复合材料是周期相对较长，成本较高且风险较高的工艺之一。
中国复合材料产业链的建设仍然存在缺陷，辅助加工技术还不成熟，在复合材料加工技术研究上投入的人力和物力相对不足。
研究中存在很大差距。
由于在各个方面越来越多地使用复合材料，对其加工技术的研究越来越受到关注。
1复合材料简介以及性能1.1复合材料的基本组成复合材料是一种多相材料。
这里所说的多相，主要是指具有两种或以上的化学性能的相关材料。
复合材料则是把多相材料通过诸多加工方法进行加工而合成。
复合材料具有的两相分别为增强相与基体相。
复合材料主要存在两种加工技术，也就是常规加工方法与特种加工方法。
常规加工法和金属加工法是一样的，加工手段相对较为简单，而工艺也比较成熟。
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Abstract: Tension control is the crucial technique in the manufacturing process of the Composite. This article introduced tension measure and control system design of 8-channel automated fiber placement. Using tension sensor to measure fiber tension, By controlling the interaction of magnetic damping-yarn clutch control of the resistance moment of tension wire.At the same time introduced the system mathematical model establishment, the hardware, the software design and so on. Key words: Composite material； Automatic fiber placement； Tension control； Measure and control system
其连续运行时， 实际滑差需在允许滑差功率以内。
使用转速高时，需降低力矩使用。 磁粉制动器的选
型一般以其最大制动转矩来确定。 以最大张力和最
快速度计算磁粉制动器的额定功率和力矩。
设丝到磁粉制动器的转动中心的距离为 r，则
力矩为：
M=T·r=29.4r（N·m）
（5）
最大转速 n 为(Vmax=0.3m/s)：
3 铺丝张力测控系统的硬件设计
3.1 系统的数学模型 在铺丝过程中，利用张力传感器测量纤维的张
图 1 系统工作原理框图
力，通过控制联动阻尼放纱磁粉离合器的阻力矩控制
丝的张力。 由于磁粉制动器的磁通增长速度取决于励
磁线圈的电感，是一阶惯性环节；磁通建立后，磁粉由
离散状态到形成横过间隙的磁粉链时有延时过程，而
4 张力测控系统软件设计
张力测控系统的软件主要完成对各功能模块 的控制，能实现各参数的设定，张力值实时的数据 显示和断纱报警等功能。 完成初始化设置以后，即 可进行数据采集与处理、控制算法计算、控制量输 出、张力值的实时显示、断纱检测与报警等。
张力控制程序主要有以下几个部分组成： 初始化模块：完成有关变量的赋初值、定时器 的时间常数设置、A/D 和 D/A 工作方式的设置； 采样模块：完成张力传感器的放大后的电压信 号的采集； 数据处理模块：完成测量值的修正和计算等； PID 运算模块：完成 PID 参数的调入和 PID 控 制，实现恒定张力； 输出模块：完成 D/A 转换，实现对磁粉制动器 的控制； 显示模块：完成张力及其通道号的实时显示； 通讯模块：完成与上位机的通讯，即接受张力 设定值，发送实际张力测量结果，便于质量跟踪； 报警模块：实现断丝或无丝的报警。
且纤维由于自身的伸展性也会延迟张力的建立，这使
被控模型具有滞后的特性。 其传递函数为：
G（S）= KP K0 eTdS
（1）
T0 S+1
式中，Kp 为励磁放大器的增益，K0 为磁粉制动器 的增益，Td 为磁粉制动器和丝延展的滞后时间，T0 为 惯性环节的时间常数。 则控制系统的框图如图2 所示。
图 2 控制器原理框图 119
三门峡职业技术学院学报
下载、硬件电路的测试仿真、传感器的校准功能，也 可以为后续改进微机检测系统的开发做准备；复位 电路初步采用上电复位和按键复位两种方式，调研 看门狗芯片； 键盘显示电路采用比较成熟的 8279 芯片，显示器采用 5 寸的红色数码管 6 只，第一位 显示通道号，第二位显示分割符或设置 PID 参数类 型，后四位显示张力值或设定的 PID 参数，键盘显 示电路人机界面友好、键盘简洁易用，使用者无需 具备过多计算机知识，即可熟练应用和操作；此外， 系统还设置了声光报警电路、直流供电电源等。
2 铺丝张力测控系统的控制原理
铺丝张力测控系统为一个典型的测量控制系 统。系统工作原理框图如图 1 所示，该系统设计为 8 通道张力测量，可同时对 8 根丝的张力进行测量控 制。 在铺丝过程中，系统随时监测丝的张力，通过张 力传感器将铺丝过程中的张力测量结果传送给上 位机，与上位机设定的张力控制阈值进行比较计算 后经 D/A 输出模拟电压信号，再经过功率放大器放 大，为磁粉制动器提供一定的励磁电流，通过控制 磁粉制动器的阻力矩使丝的张力保持恒定。 在控制 过程中，实时显示 8 根丝的张力值（或通过通道切 换，显示其中任意一路），并对在铺丝过程中的断纱 进行实时报警，显示断纱的通道号。
作用在连接悬臂式传感器的轮子上的集中力 R 为：
R=2Tcos α
（2）
理论上 R 只与 T 有关，但由于导向轮的内圈和
外圈存在摩擦力，所以在实际测试系统中存在理论
误差。 图 4 为力测量原理分析示意图，设轮左边
丝的张力为 T1，右边丝的张力为 T2，摩擦系数为 f，轮 的质量为 m，则：
T1r1=T2r2+（T1+T2+mg）fr （3） 设 r=r1=r2，则：
主程序控制流程框图如图 6 所示。
图 6 主程序流程框图
5 结束语
该张力控制系统可以实时显示 8 根丝的张力 值，8 个通道之间信号相互无干扰，当张力小于限值 时，进行断纱的声光报警，并显示断纱的通道号。 系 统控制灵活、控制范围广、测量结果稳定、可靠性 强，操作方便。
参考文献： [1]王 春 香 ，王 永 章 ，付 云 忠 ，等 .数 控 缠 绕 机 精 密 张 力 控 制 系
测量，利用张力传感器测量纤维的张力，通过控制联动阻尼放纱磁粉离合器的阻力矩控制丝的张力。 同时介绍了系统
的数学模型的建立、硬件、软件设计等。
关键词：复合材料；自动铺丝；张力控制；测控系统
中 图 分 类 号 ：TB33
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1671-9123 （2011 ）01-0119-03
宇 航 材 料 工 艺 ，2004（4）. [4]赵利平.缠绕机张力控制系统研究[D].天津：天津工业大学，
2007.
Research on Tension Measurement and Control of Composite Automatic Fiber Placement
Yun Ying (Sanmenxia Polytechnic , Sanmenxia 472000，China）
2011 年 3 月 第 10 卷第 1 期
技术与应用
三门峡职业技术学院学报 Journal of Sanmenxia Polytechnic
Mar.，2011 Vol.10，No1
复合材料自动铺丝张力测控系统的研究
员莹
（三门峡职业技术学院 电气工程系，河南 三门峡 472000）
摘 要：介绍了一种复合材料预浸纱铺丝设备在铺丝时的张力测控系统，该系统可以同时对八个通道进行张力
按 5％的误差设计，则 f 应该小于 0.02。
3.3 磁粉制动器选择
磁粉制动器是一种性能优越的自动控制元件。
它是根据电磁原理以磁粉为工作介质，以励磁电流
为控制手段，达到控制制动的目的。 其励磁电流和
转矩基本成线性关系，通过调节励磁电流可以控制
力矩的大小，其产生的阻力矩和转速无关。 磁粉制
动器的允许滑差功率，在散热条件一定时，是定值。
据丝团的最大半径确定。
3.4 计算机系统的设计
计算机系统包括以下的几个部分：CPU、存储器、
通信电路、复位电位、报警电路、键盘显示电路、数模
转换电路以及电源等等，其组成结构如图 5 所示。
图 4 张力测量原理分析示意
如图 3 为张力传感器布置原理图。 在铺丝过程中，
导向轮的位置不变， 则丝通过下轮后的夹角 2α 不变，
复合材料自动铺丝张力测控系统的研究
3.2 张力传感器的选择 张力传感器是测控系统的测量部件，也是保证 控制精度的关键部件，其形式的设计或选用主要根 据量程、精度和安装要求综合考虑。 初步选用悬臂 杆式三辊张力传感器结构。
图 3 张力传感器布置原理
量小。 如若设 m=50g，T 为测量的下限值（300g 力），
T1-T2=（T1+T2+mg）f
（4）
这对张力的测量是很不方便的，所以在选用轴
承的时候，要选择微型轴承，并且其摩擦系数要尽
120
图 5 计算机系统组成框图
计算机系统采用 89C52CPU， 内置 8K 程序容 量，外部 存 储 器 使 用 EEPROM2864，用 于 存 储 设 定 的八根丝的张力值和各个通道的 PID 控 制 参 数 和 其他参数；计算机通信电路，采用工业上广泛应用 的 RS-232 串行通讯接口， 主要进行单片机程序的
收 稿 日 期 ：2010-12-06
作 者 简 介 ：员 莹 （1974-）， 女 ， 河 南 陕 县 人 ， 三 门 峡 职 业 技 术 学 院 电 气 工 程 系 副 教 授 ， 主 要 从 事 控 制 工 程 研 究 。
1 引言
纤维铺放技术是近年来发展最快、最有效的复 合材料自动化成形制造技术之一。 它以纤维缠绕和 自动铺带技术为基础，将多组纤维预浸纱束自动铺 放在旋转的芯模表面，铺放过程中同时加热软化预 浸纱束、 压实定型后再放入固化炉加热固化成型。 在制备铺丝过程中，如果纤维张力不均，将严重影 响复合材料的力学性能。 铺丝张力测控系统就是解 决复合材料预浸纱铺丝设备在铺丝时的张力控制， 达到充分发挥纤维材料的高强度特性的目的。
统 [J].自 动 化 仪 表 ，2000，21（4）. [2]孔 燕 .八 通 道 自 动 铺 丝 张 力 测 控 系 统 方 案 设 计 [D].南 京 ：南