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        基于面積測量的FW含膠量測量系統(tǒng)設(shè)計

        2011-09-07 02:02:12徐東亮
        關(guān)鍵詞:傳感制品激光

        徐東亮,梅 文

        (武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院,湖北 武漢 430070)

        纖維復(fù)合材料有很多優(yōu)點,如密度小、強度高和抗腐蝕等,從而被廣泛地應(yīng)用于航天航空、汽車和軍工等各個方面[1]。纖維纏繞(filament winding,F(xiàn)W)成型方法是目前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的一種纖維增強復(fù)合塑料制品成型工藝。纏繞成型工藝是將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維(或布帶、預(yù)浸紗)按照一定規(guī)律纏繞到芯模上,然后經(jīng)固化、脫模,獲得制品的一種技術(shù)。根據(jù)纖維纏繞成型時樹脂基體的物理化學(xué)狀態(tài)不同,分為干法、濕法和半干法纏繞3種[2]。在這3種方法中,由最初的纖維原材料到最終的纏繞制品,在預(yù)浸料制備階段或纏繞浸膠階段,都涉及到含膠量控制問題。纖維纏繞含膠量是影響纖維纏繞玻璃鋼/復(fù)合材料制品質(zhì)量,特別是高性能制品質(zhì)量的重要因素。含膠量,即纖維制品所含樹脂重量占纖維制品總重量的百分比,對制品的性能影響主要表現(xiàn)在制品的質(zhì)量和厚度,含膠量過高會使制品強度降低,氣密性提高;含膠量過低會使制品中空隙率增加,氣密性、耐老化性及剪切強度下降[3]。

        在航天方面,如果在保證結(jié)構(gòu)件性能的前提下,能夠減輕質(zhì)量具有非常重大的意義,不僅降低成本,也減小研發(fā)周期和難度。例如一顆小衛(wèi)星,由于結(jié)構(gòu)和材料上的改進(jìn),重量和體積均可減小1~2倍,研制周期縮短2~3倍,成本下降34倍。作為航天業(yè)常用的纖維復(fù)合材料制品,在纖維纏繞的含膠量控制環(huán)節(jié),如果能解決其不易控制的難題,就能提高制品性能,減輕制品重量。

        由于在纖維纏繞系統(tǒng)中,影響纖維含膠量的因素有很多,如膠液粘度、纏繞張力、紗束疏密狀態(tài)、表面狀態(tài)、抽紗速度和浸漬時間等,這些因素中大部分對含膠量具有較大且隨機的干擾,因此含膠量控制一直是一個難以解決的問題。缺乏完善的理論基礎(chǔ)和實踐材料,導(dǎo)致纖維纏繞含膠量控制系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計和開發(fā)耗資大、周期長、難度高,到目前還沒有一種比較好的控制含膠量的方法。纖維纏繞含膠量控制系統(tǒng)最難的部分是測量含膠量,其測量精度直接影響控制精度,也間接決定了制品的品質(zhì)。

        2000年國內(nèi)纏繞行業(yè)對含膠量的控制還是采用手工控制,此后逐漸出現(xiàn)了利用稱重法[4]、光柵測長技術(shù)[5]、電容法[6]、濾膠孔定量控制法[7]和無輥浸膠法[8]等測控纖維纏繞含膠量的方法,這些方法有些還處于理論研究階段,有些已經(jīng)由相關(guān)人員用于實際生產(chǎn)中,但在實際應(yīng)用中暴露了一些無法解決的問題,最主要是測量結(jié)果易受環(huán)境因素影響,測量精度不高。

        筆者嘗試將高精度的激光傳感器運用到含膠量的測量中。激光傳感器的成本相對于一般測量裝置來說偏高一些,但是對于廣泛應(yīng)用纖維纏繞制品的航空航天等高端行業(yè)來說,這種投入產(chǎn)出比還是合理的。

        1 含膠量測量原理

        該測量系統(tǒng)采用激光位移傳感器作為測量裝置。一般來說,激光測量儀器可采用線光源或點光源。采用線光源時,通過柱面物鏡將激光光束擴大為條狀,隨后激光在目標(biāo)物上產(chǎn)生漫反射,反射光被聚焦在影像傳感器上,借此測量被測物輪廓。采用點光源時,應(yīng)用三角形測量法原理,反射光在線性CCD上的位置隨目標(biāo)物位置的改變而改變,通過檢測該變化就可以測量物體的幾何量。用點光源測量截面面積時,需要借助軌道及機械裝置,使傳感頭沿軌道運動,測得一系列截面輪廓點,再換算成截面積值。由此可見,采用點光源時,測量系統(tǒng)比較復(fù)雜,且由于被測纖維一直處于運動狀態(tài),測得的輪廓誤差較大。綜合以上因素,設(shè)計時該系統(tǒng)采用線光源。

        使用激光傳感器測量的具體思路是由面積比得到質(zhì)量比。激光傳感器測得纖維束浸膠后的截面面積,如圖1所示。由圖1可知,該截面由纖維和膠液組成。該截面中膠液占整個截面的質(zhì)量比w可表示為:

        式中:n為用于纏繞的纖維束的纖維單絲根數(shù);d為纖維直徑;ρf為纖維密度;ρr為膠液密度;S測為激光傳感器測得的纖維浸膠截面積。

        圖1 纖維浸膠后截面示意圖

        2 系統(tǒng)整體設(shè)計

        2.1 硬件設(shè)計

        測量系統(tǒng)整體包括圖像攝取、圖像采集、圖像處理、圖像分析、測量結(jié)果輸出、微機控制和執(zhí)行機構(gòu)反饋調(diào)節(jié)等幾個部分,能實現(xiàn)測量和控制兩種功能。硬件系統(tǒng)由傳感頭、控制器、計算機和執(zhí)行機構(gòu)構(gòu)成。圖2為系統(tǒng)硬件設(shè)計原理框圖。

        圖2 硬件設(shè)計原理框圖

        浸膠后的截面由激光位移傳感器的傳感頭成像采集,根據(jù)測量要求選擇傳感器,傳感頭的結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示,其特性參數(shù)如表1所示。安裝時,將傳感頭固定在纏繞機上纖維浸膠后傳出的傳動輥正上方,傳感頭采集的圖像輪廓傳輸?shù)娇刂破?,進(jìn)行波形探測、描繪輪廓、測量、波形顯示等處理。控制器內(nèi)裝有大容量內(nèi)存,還配有插槽可擴充存儲容量,用于儲存連續(xù)測量的結(jié)果。控制器包括USB、RS232C等各種接口,可連接顯示器顯示測量結(jié)果,或連接PC、PLC針對測量結(jié)果進(jìn)行實時控制。在該系統(tǒng)中,PC中的控制程序?qū)⒖刂破鬏敵龅慕孛娣e測量值轉(zhuǎn)換成含膠量質(zhì)量比,根據(jù)一定的參數(shù)輸入和算法處理,得到相應(yīng)的反饋補償調(diào)節(jié)指令,驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行含膠量調(diào)節(jié)。存儲設(shè)備和顯示設(shè)備連接PC,可提供存儲支持和系統(tǒng)界面顯示功能。

        圖3 傳感頭結(jié)構(gòu)尺寸圖

        2.2 軟件設(shè)計

        自動測量算法是整個測量系統(tǒng)軟件構(gòu)成的核心。使用儀器前先通過實驗進(jìn)行測定,算出測得面積值與含膠量之間的對應(yīng)關(guān)系,列出表格,將表格存入flash存儲器。實際測量時,先在測量界面上輸入實際纏繞的相關(guān)參數(shù),系統(tǒng)根據(jù)輸入初始化,得到對應(yīng)的數(shù)據(jù)表格存儲,然后進(jìn)入測量環(huán)節(jié),根據(jù)實際測得面積值與表中的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,用線性插值法得出實際含膠量。圖4為軟件設(shè)計原理框圖。

        3 測量算法思想

        在纖維纏繞含膠量的測量問題上,還沒有出現(xiàn)較好的方法。筆者采用激光傳感器作為測量裝置,構(gòu)建基于面積測量的測量系統(tǒng),整個系統(tǒng)核心的測量算法思想是:在纖維纏繞過程中,纖維以一定的速度運動,在浸膠后,被傳感頭捕捉到截面輪廓。設(shè)計測量系統(tǒng)時,由于傳感頭捕捉二維輪廓需要一平直參照面,因此在浸膠槽后一定距離設(shè)置一金屬平板或者圓柱形輥,把傳感頭按設(shè)定距離固定在平板或輥附近,使傳感頭在纖維正上方捕捉到的截面即是測量所需要的圖像。操作者可通過控制器選擇輪廓測量方式,經(jīng)內(nèi)部程序處理,得到截面面積。面積數(shù)值傳輸?shù)絇C,進(jìn)入軟件程序處理階段,通過與按輸入?yún)?shù)初始化了的表格進(jìn)行一次查找+比較算法,轉(zhuǎn)換成含膠量質(zhì)量比。判斷含膠量是否合乎要求,就是將當(dāng)前的質(zhì)量比w測與輸入的實時控制要求的最高及最低含膠質(zhì)量比wmax、wmin進(jìn)行兩次比較,得出結(jié)論,發(fā)出控制指令,具體流程如圖5所示。

        表1 傳感器傳感頭各參數(shù)

        圖4 軟件設(shè)計原理框圖

        圖5 控制程序流程圖

        系統(tǒng)中的反饋執(zhí)行動作由伺服電機和偏心輪推動擠膠輥來完成。在圖5中,電動機轉(zhuǎn)動方式由含膠量的多少控制,電動機反轉(zhuǎn)可使擠膠輥間隙變小而使纖維含膠量減少,電動機正轉(zhuǎn)可使擠膠輥間隙變大而使纖維含膠量變多[9]。

        4 試驗研究

        根據(jù)上述設(shè)計思想,編寫測量軟件,搭建硬件實驗平臺。如圖6所示,激光傳感器、參考平板和纖維構(gòu)成簡單的測量系統(tǒng)。圖7為近距離觀察激光線光源投射在被測纖維上的示意圖。運用Visual Basic語言編寫的測量系統(tǒng)主界面如圖8所示。輸入測量參數(shù),設(shè)置好測試模式后該系統(tǒng)即可按要求進(jìn)行工作。

        試驗中,選用的纖維為碳纖維,其密度為1.8 g/cm3,膠液密度為0.98 g/cm3。纏繞時是4大根纖維同時進(jìn)行,每一大根纖維又由3000根纖維單絲組成,單絲直徑為7 μm。試驗前進(jìn)行測定,可知含膠量在百分位上發(fā)生改變時,測得的對應(yīng)面積發(fā)生0.01 mm2數(shù)量級上的改變,可以被傳感器識別。試驗采用4組樣品,獲得測量數(shù)據(jù),與通過坩堝稱量測得纖維浸膠后的增重算得的含膠量比較,結(jié)果表明該系統(tǒng)測量準(zhǔn)確,測量誤差在允許誤差范圍±5%內(nèi)。

        圖6 簡易測量系統(tǒng)硬件搭建圖

        圖7 線光源投射被測纖維近圖

        圖8 含膠量測量系統(tǒng)界面

        5 結(jié)論

        筆者通過給出一個含膠量測量系統(tǒng)的雛形,驗證了通過面積測量來實現(xiàn)含膠量測量的方法。由于激光測量具有非接觸、快速、精度高等特點[10],使得該測量系統(tǒng)不易受外界環(huán)境因素影響,測量穩(wěn)定,精度高。含膠量精確測量的實現(xiàn),對于廣泛應(yīng)用纖維復(fù)合材料的航天和汽車等產(chǎn)業(yè)有著重要的意義,不僅能縮短研發(fā)周期,還能降低成本[11]。提出一種全新的方法來解決長久困擾的纖維纏繞含膠量測量問題,對于干法纏繞的預(yù)浸料制備,該測量方法同樣具有實用價值,在此基礎(chǔ)上,還可進(jìn)一步研究相應(yīng)的控制方案。

        [1]謝霞.纖維纏繞技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2004,12(23):19-22,29.

        [2]蔡建.玻璃鋼成型技術(shù)[J].工程塑料應(yīng)用,2003,31(2):66-70.

        [3]惲瑋,李昕,吳耀楚.纖維纏繞(FW)含膠量模糊控制系統(tǒng)的研制[J].中國建材裝備,2001(4):25-27.

        [4]劉桂秋.用于煉膠過程的電子稱量系統(tǒng)[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報,1991,19(3):37-41.

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        [6]蔡婷.纏繞纖維預(yù)浸帶含膠量檢測系統(tǒng)的設(shè)計[J].物流工程與管理,2009,31(11):108-109.

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        [8]李勇.一種用于纖維纏繞成型的無輥浸膠方法及設(shè)備:中國,CN1824874A[P].2006-08-30.

        [9]王冰山.纖維纏繞中纖維含膠量控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)圖書館,2007.

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