纤维铺放设备中铺丝头的关键技术研究

论文摘要

复合材料具有高比强度、高比模量,耐疲劳,减振性好,工艺性好等优点,在航天航空等领域得到了广泛应用。纤维铺放技术作为一种先进复合材料成型技术,在国外已经相当成熟,而国内仍处于起步阶段,这制约了复合材料在我国各领域的应用。我国大飞机项目规划的复合材料用量达到20%左右,最终复合材料用量可能会达到波音787飞机上的复合材料用量。因此纤维铺放设备的成功研制对我国的航空航天及国防事业具有重大意义。本文主要研究对象是纤维铺放设备中的铺丝头。通过深入分析铺丝头剪切、压紧和重送等主要功能的实现过程,掌握各机构的功能要求。采取功能模块设计的方法,分别对剪切、压紧、重送、导向、送压缩风和送冷风等机构进行设计。按照铺放8路纤维的要求,将各功能模块合理组合成完整的铺丝头结构。设计中提出:剪切机构中采用轴套导向式刀具剪切纤维方案,动作可靠;导向机构中采用上下导向槽错位排布方案,充分利用有限空间;重送机构中采用挤压摩擦传动送纱并辅以风力吹送方案,纤维重送准确;铺丝头末端过渡段采用与三角体整体化设计方案,增加了刚度。为了合理选择元件和设计零件,对刀具剪切力、轴的强度和刚度进行分析计算,使设计满足了要求。为验证铺丝头的功能,研制铺丝头试验台,开发了PLC控制程序,并组成试验台控制系统。PLC控制系统可实现功能顺序控制、剪切次数计数、显示电机转速等功能;验证实验表明:铺丝头试验台能够可靠地完成纤维的剪切、压紧和重送主要功能,达到了预期要求。为了深入分析重送、剪切机构功能,进行重送、剪切重复性实验,实验表明:纤维重送长度误差为3%,基本满足要求;在保证重送纤维长度准确的条件下,电机最快转速在234.38～585.94r/min之间;与聚氨酯相比,HT100材料可以对纤维产生更大的摩擦力,适合张力更大的纤维重送;纤维连续剪切次数受到刀具与砧间隙的影响。为了观察分析纤维可能对刀具产生的磨损,进行刀具磨损实验,结果表明:硬质合金刀具和高速钢刀具磨损并不严重,剪切纤维次数均达到3000次以上。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 复合材料的发展及其应用
• 1.1.2 先进复合材料成型技术
• 1.2 纤维铺放技术发展现状
• 1.2.1 国外纤维铺放技术发展现状
• 1.2.2 国内纤维铺放技术的发展现状
• 1.3 课题研究的目的和意义
• 1.4 课题研究的内容
• 第2章 纤维铺放头设计方案
• 2.1 纤维铺放头工作原理及基本构成
• 2.1.1 纤维铺放头的工作原理
• 2.1.2 纤维铺放头的基本构成与功能要求
• 2.2 各功能机构设计方案
• 2.2.1 执行元件的选择
• 2.2.2 剪切机构设计方案
• 2.2.3 重送机构设计方案
• 2.2.4 压紧机构设计方案
• 2.2.5 导向机构的设计方案
• 2.2.6 其他辅助机构的设计
• 2.2.7 总体设计
• 2.3 本章小结
• 第3章 纤维铺放头各机构设计与分析
• 3.1 剪切机构的结构设计与分析
• 3.1.1 结构设计
• 3.1.2 剪切机构力学分析
• 3.1.3 气缸的选择
• 3.2 重送机构结构设计与分析
• 3.2.1 重送机构的结构设计
• 3.2.2 电机选择
• 3.2.3 轴径的初步计算
• 3.2.4 重送气缸的选择
• 3.2.5 重送轴结构设计
• 3.2.6 重送轴的校核
• 3.3 压紧机构的设计与分析
• 3.4 主要零件及辅助功能结构设计
• 3.4.1 纤维导向槽的设计
• 3.4.2 送压缩风机构和送冷风机构的设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 试验台及控制系统的设计
• 4.1 试验台的设计制造
• 4.2 PLC介绍
• 4.3 PLC的结构
• 4.3.1 PLC的特点
• 4.4 铺丝头试验台的控制系统设计
• 4.4.1 铺丝头试验台动作分析及系统设计
• 4.4.2 控制系统的其它辅助功能
• 4.5 控制元件的确定
• 4.5.1 PLC的选择
• 4.5.2 气动元件的确定
• 4.5.3 控制系统的气动回路
• 4.6 重送伺服电机控制
• 4.7 本章小结
• 第5章 纤维铺放的实验研究
• 5.1 实验研究
• 5.1.1 剪切实验
• 5.1.2 重送实验
• 5.1.3 刀具磨损实验研究
• 5.2 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢