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碳纤维双向包缠机概念设计

张媛  
【摘要】: 碳纤维制品是碳纤维加工成型后,用环氧树脂固化后形成的。主要应用于国防及航空领域以及建筑、能源领域。本课题就是尝试开发一种新的加工工艺,其目的是,根据此工艺加工的碳纤维制品既能接近编织结构产品的性能,又能更有效地提高生产效率,降低成本。 在该课题的设计中,首次采用机电一体化概念设计的理念。所谓机电一体化系统概念设计就是从市场需求分析出发,确定机电一体化系统的总功能,通过设计理念的具体构思,进行功能分析和工艺动作过程构思,将工艺动作过程进行分解。选择合适的广义执行机构系统、传感检测系统和信息处理及控制系统。 本文通过对碳纤维的优良性能、在各领域应用加工工艺等方面的研究,确定碳纤维制品将有广大的需求市场,从而确定了该机的工艺动作。(1)沿芯模圆周缠绕碳纤维单束:芯模的自转与喂线装置的直线运动相协调,允许有少量的层叠,但不可有间隙;(2)沿芯模轴向铺放碳纤维单束:待圆周缠绕完毕后,喂线装置往复运动,同时每铺放一根单束,伴随芯模有一定角度的自转:(3)上述动作循环重复执行,直到设定值;(4)在包缠与铺放过程中,退绕装置保持横张力退绕。 在广义执行机构中驱动元件的选择中,首先对电动式、气动式和液压式三种驱动方式进行了比较,最终确定采用电动式驱动方式,并且采用交流伺服电机作为驱动元件。在执行元件的选择中,采用磁粉制动器作为张力控制执行元件;并且利用层次分析法,对丝杠螺母、齿轮齿条、同步带轮三种传动方式进行比较排序,最终确定以同步带方式为喂线装置的往复运动。 待传感检测元件确定后,本文还对碳纤维单束在缠绕以及铺放过程中的张力控制策略上进行了探讨,以退绕时的张力为研究对象,进行了受力分析,以及数学模型的建立。采用PLC本身自带的PID控制模块,对张力进行直接控制。 在试验与参数设定部分中,根据要求确定了每一步具体的工艺动作,以及试验参数,并且给出了PLC控制梯形图。 由于该种加工方式还处于尝试阶段,因此,我们也总结了诸多有待改进的方向。同时也得到了许多宝贵的经验。本课题将有广阔的应用前景。


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