纺制高均一性PAN基碳纤维原丝喷丝头的研究

论文摘要

我国碳纤维原丝的制备中存在着纤度大、强度低、离散系数大、缺陷、裂纹与孔洞等严重的问题。喷丝头是制备碳纤维原丝的核心部件,在人工加工过程中,其微孔的均匀性、垂直度、长径比、加工精度难等以保证而且全部靠人工目测的方式进行检测,使得喷丝头的质量难以保证。本文围绕喷丝头微孔的自动化加工与检测,通过运用机器视觉的方式,研制出了一种喷丝头的自动化加工与检测设备,以代替人工的加工与检测。本文首先分析了国内外喷丝头加工与检测的现状与发展,喷丝头的结构形式,微孔的尺寸精度要求和加工工艺过程,制造喷丝头的常用材料,喷丝头孔数的选择和排列形式,喷丝头板面受压变形情况等。其次在喷丝头的自动化加工方面,针对高精度定位难题,重点研究了扫描定位算法、自动纠偏算法、自动搜孔算法、坐标修正算法,通过实验研究确立了合理定位程序并在软件系统中进行了运用。针对微孔定位精度不够的问题,对自动加工系统的硬件部分如XY运动平台、Z轴滑台、镜头、气动系统等部分进行了逐一对比试验,确立了影响定位精度的关键点,在结合定位算法的基础上实现了微孔的高精度定位,定位精度在±1μm。在喷丝头的自动化检测方面,重点研究了微孔几何特征参数提取的图像处理算法如阈值处理、边缘轮廓提取等。根据喷丝头不同的结构形式,研究了不同的自动对焦算法。为了实现喷丝头微孔的高精度检测,通过运用正交试验的方法分析了镜头放大倍率、背光源强度、室内光强等因数对检测精度的影响。最后,在上述研究的基础上,通过LABVIEW编程,成功研制出了集喷丝头自动加工与检测于一体的设备并进行了实验研究,该系统的加工出的微孔的质量具有很好的一致性,无孔口缺损,偏斜的现象。加工速率为8s/孔,检测精度达到了±1μm。该产品填补了喷丝头加工领域的空白,目前正处于试验生产阶段。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.1.1 国内外PAN基碳纤维的发展概况
• 1.1.2 聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的制备
• 1.2 喷丝头的结构及微孔的尺寸精度要求
• 1.3 喷丝头加工工艺
• 1.4 国内外喷丝头加工检测发展现状
• 1.5 机器视觉系统简介
• 1.6 课题研究内容及论文结构
• 1.7 本章小结
• 第二章 喷丝头的材料及结构分析
• 2.1 喷丝头常用材料
• 2.1.1 金铂合金喷丝头
• 2.1.2 不锈钢喷丝头
• 2.1.3 钛、铌、钽喷丝头
• 2.2 喷丝头的加工技术要求
• 2.2.1 微孔内壁的粗糙度
• 2.2.2 微孔的长径比
• 2.2.3 微孔的垂直度
• 2.3 喷丝头的结构特征
• 2.3.1 喷丝头的孔数
• 2.3.2 喷丝头的孔径
• 2.3.3 喷丝头微孔的排列形式
• 2.3.4 喷丝头微孔的间距尺寸
• 2.3.5 喷丝头的受压负荷及变形
• 2.4 本章小结
• 第三章 喷丝头的自动化加工
• 3.1 冲针的制造
• 3.1.1 冲针的制造工艺
• 3.1.2 冲针冲孔过程分析
• 3.1.3 冲针的选择对微孔加工精度的影响
• 3.2 自动定位方法
• 3.2.1 微孔的扫描定位
• 3.2.2 微孔的形心确立算法
• 3.2.3 微孔自动纠偏算法
• 3.2.4 重复数据剔除算法
• 3.2.5 算法综合试验
• 3.2.6 自动寻孔算法
• 3.2.7 坐标修正算法
• 3.3 喷丝头加工的自动定位精度分析
• 3.3.1 Z轴运动平台定位精度研究
• 3.3.2 光学镜头对定位精度的影响
• 3.3.3 XY轴运动平台间隙对定位精度的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 喷丝头的自动化检测
• 4.1 微孔图像处理算法
• 4.1.1 微孔图像数字化过程
• 4.1.2 中值滤波去噪
• 4.1.3 图像阈值处理
• 4.1.4 边缘轮廓提取
• 4.1.5 微孔圆心确立
• 4.1.6 特征参数的测量与判断
• 4.2 喷丝头自动化检测
• 4.2.1 喷丝头自动化检测难点
• 4.2.2 检测过程中在换圈进行自动对焦
• 4.2.3 在微孔直径变化较大处进行自动对焦
• 4.2.4 球面拟合法调焦
• 4.2.5 平面拟合法调焦
• 4.3 喷丝头自动化检测系统检测精度的影响因素
• 4.3.1 正交试验考察因素及条件
• 4.3.2 正交试验表选用及结果处理
• 4.3.3 试验结果极差分析
• 4.3.4 方差分析与显著性检验
• 4.4 本章小结
• 第五章 喷丝头自动加工系统的研究设计
• 5.1 自动加工系统的总体设计
• 5.2 图像采集处理系统
• 5.3 三轴运动控制系统
• 5.4 气动控制系统
• 5.5 喷丝头加工检测试验研究
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢