陶祎春,賈書海,段玉崗,張小輝,陳花玲

(西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 710049, 西安)

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碳纖維復(fù)合材料絲束帶剪斷狀態(tài)快速檢測方法

陶祎春,賈書海,段玉崗,張小輝,陳花玲

(西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 710049, 西安)

為解決在狹小空間內(nèi)無法準(zhǔn)確有效識別碳纖維絲束帶剪斷狀態(tài)的問題,提出了一種基于電信號的碳纖維絲束帶剪斷狀態(tài)的檢測方法,并設(shè)計了相應(yīng)的剪斷狀態(tài)監(jiān)測硬件及軟件系統(tǒng)。該檢測方法首先通過簡單的檢測電路以及數(shù)據(jù)采集卡,實現(xiàn)對碳纖維絲束帶剪斷過程中的電信號實時采集,然后對采集得到的信號進(jìn)行低通濾波處理,獲取電壓信號的峰值,將峰值與設(shè)定的檢測閾值相比較,可以有效識別出碳纖維絲束帶的剪斷情況。實驗結(jié)果表明,在進(jìn)行剪斷操作時,未完全剪斷的碳纖維絲束帶電阻為10～500 Ω,而完全剪斷的絲束帶電阻為無窮大,將絲束帶與檢測電路連接,電阻的變化即可反映到兩電極間的電壓變化。實驗中,完全剪斷時,絲束帶兩端電壓從0 V大幅躍升到4.377 03 V,大于設(shè)定的閾值,而未完全剪斷時,絲束帶兩端電壓從0 V小幅躍升到0.067 97 V,小于設(shè)定的閾值1 V,均可有效識別剪斷狀態(tài),證明該方法檢測結(jié)果較為準(zhǔn)確。該方法可以在鋪絲頭內(nèi)部的狹小空間進(jìn)行檢測,同時能夠快速識別出碳纖維絲束帶的剪斷狀態(tài)。

復(fù)合材料;纖維鋪放;剪斷檢測;信號處理

碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、抗疲勞、耐腐蝕、導(dǎo)電導(dǎo)熱以及膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航空航天制造領(lǐng)域[1]。隨著復(fù)合材料使用的日益廣泛,出現(xiàn)了多種高效率低成本的制造方法,如纖維鋪放成型技術(shù)(FP)、樹脂傳遞塑模技術(shù)(RTM)、自動纏繞技術(shù)等[2-7]。其中,自動纖維絲束鋪放技術(shù)(AFP)是一種最重要的先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料自動化成型技術(shù),具有自動化程度高、能成型形狀復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)件等優(yōu)勢,應(yīng)用廣泛[8]。其簡要制作過程是將復(fù)合纖維絲束帶一層一層地鋪放在芯模表面,經(jīng)過若干層的鋪放,構(gòu)件達(dá)到一定厚度,再經(jīng)過熱壓處理即可得到復(fù)合材料零件[9],Electro Impact、Ingersoll、MAG Cincinnati等公司已經(jīng)制造出自動纖維鋪放機(jī)床[10-11]。但是,目前國內(nèi)針對自動鋪絲機(jī)的研究尚處于起步階段,主要的研究方向集中在鋪放工藝以及機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計方面,如南京航空航天大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)已經(jīng)建立了試驗用的自動纖維鋪放的原型機(jī)[12-14],而針對鋪絲過程檢測的研究還不夠充分。

在碳纖維絲束帶鋪放過程中,每一個鋪放行程完成后或者在絲束鋪放過程中出現(xiàn)問題時,都需要對碳纖維絲束帶進(jìn)行剪斷操作,然后才能開始下一個行程的鋪放。隨著在碳纖維絲束帶鋪放過程中剪斷刀具磨損的增加,以及在剪斷過程中纖維絲束帶狀態(tài)、位置等因素的隨機(jī)波動,都可能造成碳纖維絲束帶剪斷不徹底的情況(類似于藕斷絲連),這樣會使鋪絲機(jī)的鋪絲頭強(qiáng)行拉斷殘余的碳纖維絲束,從而導(dǎo)致設(shè)備故障,甚至不得不打開鋪絲頭,停機(jī)進(jìn)行維護(hù),嚴(yán)重影響鋪放效率和質(zhì)量。因此,碳纖維絲束帶的剪斷檢測對鋪放成型設(shè)備的正常運(yùn)行至關(guān)重要,需要在每次執(zhí)行剪斷操作時同步進(jìn)行剪斷檢測,如若發(fā)現(xiàn)剪斷不徹底的情況,則需要再次驅(qū)動剪斷機(jī)構(gòu)對絲束帶進(jìn)行剪切。在碳纖維絲束帶剪斷過程中,需要同時剪斷1～2萬條碳纖維絲,而操作結(jié)束后沒有剪斷的碳纖維絲往往只有幾根(甚至只有一根),直徑只有數(shù)微米,采用計算機(jī)視覺或光探測等常規(guī)檢測的方法很難發(fā)現(xiàn)沒有被完全剪斷的碳纖維絲。同時,在鋪絲頭的內(nèi)部,其結(jié)構(gòu)空間十分狹小,尺寸稍大的探測設(shè)備均無法應(yīng)用。因此,需要針對碳纖維絲束帶的剪斷狀態(tài)檢測開發(fā)出一種新的方法。

為了解決極細(xì)的碳纖維無法被識別的情況,本文提出了一種通過電信號檢測碳纖維剪斷狀態(tài)的方法。由于碳纖維絲束帶具有良好的導(dǎo)電性,可以在絲束帶兩端的導(dǎo)輪處連接檢測電路,通過測量待剪斷絲束帶間的電壓幅值變化,從而識別碳纖維絲束帶是否完全剪斷。

1 絲束帶剪斷狀態(tài)檢測方法

1.1 檢測裝置設(shè)計

在執(zhí)行剪斷操作之前,需要將兩個帶電極的導(dǎo)輪與待剪斷碳纖維絲束帶相接觸,將其兩端壓緊,然后執(zhí)行剪斷操作,剪斷刀具位于兩個導(dǎo)輪之間,剪斷檢測的裝置中包括檢測電路以及數(shù)據(jù)采集卡,檢測裝置的簡圖如圖1所示。在執(zhí)行剪斷檢測的過程中,只需要將連接檢測電路以及數(shù)據(jù)采集卡的導(dǎo)線接入鋪絲頭結(jié)構(gòu),就可以實現(xiàn)在狹小空間內(nèi)的檢測。

圖1 檢測裝置原理圖

1.2 檢測電路設(shè)計

碳纖維絲束帶可以等效為一個可變電阻R,通過實驗測量,當(dāng)絲束帶完整連接時,每200 mm長度的電阻值約為10 Ω,當(dāng)絲束帶僅剩一絲連接時,其電阻變?yōu)?00 Ω。進(jìn)行剪斷操作時,首先通過導(dǎo)輪壓緊碳纖維絲束帶,將兩端固定,然后驅(qū)動剪斷刀具進(jìn)行剪斷操作。在剪斷過程中將兩導(dǎo)輪作為電極,將絲束帶與檢測電路相連,檢測電路中包括1個12 V穩(wěn)壓電源、3個分壓電阻以及2個限流電阻,分壓電阻以及分流電阻的作用是降低可能產(chǎn)生在鋪絲頭結(jié)構(gòu)中的電壓電流,具體的檢測電路如圖2所示。通過數(shù)據(jù)采集卡獲取碳纖維絲束帶兩端的電壓值,從而判斷碳纖維絲束帶是否完全剪斷。

圖2 碳纖維絲束帶剪斷檢測電路

碳纖維絲束帶可以等效為10 Ω到無窮大的可變電阻R,兩端的電壓UC與電流IC為

(1)

(2)

在圖1電路中,3個分壓電阻均為1 kΩ,2個限流電阻為20 kΩ,代入R1～R5,當(dāng)碳纖維絲束帶電阻R在10～500 Ω變化時,其兩端的理論電壓UC以及電流IC變化如圖3所示。

圖3 碳纖維絲束帶電壓、電流與電阻的理論關(guān)系

在圖3中,當(dāng)電阻R在10～500 Ω范圍內(nèi)變化時,其兩端電壓逐漸增加,通過的電流逐漸減小。當(dāng)碳纖維絲束帶完全連接時,其兩端電壓為0.983 4 mV,通過碳纖維絲束帶的電流為98.34 μA;當(dāng)絲束帶僅剩一絲連接時,其電阻為500 Ω,其兩端電壓為48.58 mV,通過碳纖維絲束帶的電流為97.17 μA;當(dāng)碳纖維絲束帶完全剪斷時,其等效電阻為無窮大,根據(jù)式(1)、式(2)可得其兩端電壓為4 V,相對于48.58 mV的電壓有明顯增加,通過碳纖維絲束帶的電流為0 A。無論碳纖維絲束帶通斷,電路中的電流都很小,因此不會對鋪絲頭產(chǎn)生不良影響。

2 電壓信號的采集與處理

2.1 電壓信號的采集

在鋪絲頭進(jìn)行剪斷操作期間,通過數(shù)據(jù)采集卡采集待剪斷碳纖維絲束帶兩端電壓信號,設(shè)置采樣數(shù)為1 000,采集時間為1 s。當(dāng)碳纖維絲束帶完全被剪斷時,采集得到的信號如圖4所示,當(dāng)碳纖維絲束帶未被完全剪斷,僅剩一絲連接時,采集得到的信號如圖5所示。

圖4 完全剪斷時數(shù)采卡采集的電壓信號

圖5 未完全剪斷僅剩一絲時數(shù)采卡采集的電壓信號

2.2 電壓信號的處理

當(dāng)碳纖維絲束帶完全剪斷時,獲得的信號如圖4所示。從采集的信號中可以看出,在大約0.14 s時進(jìn)行剪斷操作,此時碳纖維絲束帶兩端電壓有一個明顯的躍升,此后兩端電壓幅值保持在4 V不變。當(dāng)碳纖維絲束帶未被完全剪斷時,獲得的信號如圖5所示,在大約0.2 s時進(jìn)行剪斷操作,此時碳纖維絲束帶兩端電壓有小幅變化,與完全剪斷時的幅值相比,其幅值的變化很小。

圖6 完全剪斷時獲取信號的FFT頻譜

圖7 未完全剪斷時獲取信號的FFT頻譜

為了識別出碳纖維絲束帶是否被完全剪斷,需要分析采集到的電壓信號幅值,但是在圖4和圖5中,獲取的信號中會存在一些干擾的噪聲,因此需要對信號進(jìn)行去噪處理。首先分析兩個電信號的傅里葉變換FFT頻譜,如圖6和圖7所示,從頻譜中可以發(fā)現(xiàn),電壓信號的峰值頻率為0、50 Hz以及其倍頻100、150和200 Hz,主要的信號為0 Hz的直流信號以及50 Hz的交流信號。為了濾除噪聲的干擾,可以對電壓信號進(jìn)行低通濾波,其截止頻率設(shè)置為60 Hz,然后測量濾波后信號的幅值,由于測量中會存在一些干擾和誤差等不確定因素,因此設(shè)置判斷電壓閾值為1 V,即當(dāng)測量電壓大于1 V時認(rèn)為碳纖維絲束帶被完全剪斷。

當(dāng)絲速帶完全剪斷時,采集的電壓信號經(jīng)過低通濾波后得到的結(jié)果如圖8所示,絲束帶未完全剪斷的處理結(jié)果如圖9所示。在圖8的情況中,采集得到的電壓為4.377 V,大于設(shè)置的閾值1 V,認(rèn)定此時絲束帶完全剪斷,與實際情況相符。在圖9的情況中,采集得到的電壓為0.067 97 V,小于設(shè)置的閾值1 V,認(rèn)定此時絲束帶未被完全剪斷,與實際情況相符,此時絲束帶未剪斷部分為0.2 mm。

圖8 完全剪斷時低通濾波后的信號

圖9 未完全剪斷時低通濾波后的信號

3 檢測結(jié)果校核

為了驗證碳纖維絲束帶剪斷檢測方法的準(zhǔn)確性,需要對該方法的檢測結(jié)果進(jìn)行校核。對10條絲束帶分別進(jìn)行剪斷操作,使其分別剩余0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5和7.0 mm(完整絲束帶),在剪斷過程中測量電壓信號的峰值。測量剪斷后碳纖維絲束帶電阻,將其代入式(1)計算對應(yīng)的理論電壓,測量結(jié)果如表1和圖10所示。

圖10 檢測結(jié)果與理論結(jié)果對比

絲束帶剩余量/mm電阻/Ω檢測電壓/mV理論電壓/mV0.5140.9822.74213.8191.0124.6821.54812.2261.5100.8615.2489.8962.081.4812.5167.9982.573.528.6487.2183.060.886.6565.9793.536.224.1643.5594.025.542.5722.5114.522.022.2942.1657.011.481.8521.129

從對比結(jié)果可以看出,當(dāng)絲束帶剪斷剩余量較少時,誤差較大,但最大絕對誤差仍小于10 mV,說明檢測結(jié)果較為準(zhǔn)確。

4 結(jié) 論

本文為解決極細(xì)的纖維絲束無法準(zhǔn)確識別是否完全剪斷的問題,提出了一種基于電信號檢測的方法。根據(jù)碳纖維絲束帶具有良好的導(dǎo)電特性,在執(zhí)行剪斷操作過程中,采集、識別碳纖維絲束帶兩端的電壓信號,進(jìn)而可以判斷碳纖維絲束帶是否被完全剪斷,這種電信號檢測方法可以實現(xiàn)在狹小空間內(nèi)的精確測量,具有簡單可靠的優(yōu)點(diǎn)。實驗結(jié)果表明,本文方法能快速有效地識別出碳纖維絲束帶的剪斷情況,可以很好地滿足實際工程應(yīng)用需要。

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(編輯 杜秀杰)

Rapid Cut State Detection for Carbon Fiber Composite Tow

TAO Yichun,JIA Shuhai,DUAN Yugang,ZHANG Xiaohui,CHEN Hualing

(School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

It is difficult to identify the cut state of fiber tow in a small space. A rapid cut state detection strategy for carbon fiber composite tow is proposed following the electrical signal measurement, and the corresponding cut state detection system is constructed. The electrical signals generating during the process of cutting are collected by a simple circuit and DAQ card, then filtered by low-pass filter to obtain the peak value of the signal. The peak value is compared with the rated threshold of 1 V to identify whether the fiber tow is completely cut off or not. In the experiment, the resistance of fiber tow which is not completely cut off gets 10 to 500 Ω, while the resistance of fiber tow which is completely cut off reaches infinity. Connecting the fiber tow with the electrodes in the circuit, the changed resistance value directly affects the voltage value between both electrodes. When the fiber tow is completely cut off, the voltage increases from 0 to 4.377 03 V, higher than the threshold. When the fiber tow is not completely cut off, the voltage increases from 0 to 0.067 97 V, lower than the threshold. Both of the cut states can be identified effectively and quickly. This detection can be realized in a very small space, even inside the AFP robot head.

composite material; fiber placement; cutting detection; signal processing

2015-05-06。

陶祎春(1991—),男,碩士生;賈書海(通信作者),男,教授。

國家科技重大專項資助項目(2014ZX04001091);陜西省工業(yè)攻關(guān)計劃資助項目(2014K07-02)。

時間:2015-09-13

10.7652/xjtuxb201512018

TN911.23

A

0253-987X(2015)12-0112-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150913.1827.008.html