一种三自由度联动卷绕锭轴的卷绕机
技术领域
本发明涉及纤维卷绕机技术领域,具体涉及一种三自由度联动卷绕锭轴的卷绕机。
背景技术
高性能碳纤维质轻,并且具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、抗冲刷、抗溅射等优良性能,还具有良好的可设计性和可复合性,是建造火箭、卫星、导弹、战斗机、舰船等装备必不可少的战略新兴材料;高性能碳纤维密度不到钢的1/4、强度却是钢的5-7倍;与铝合金结构件相比,碳纤维复合材料制作的结构件在重量上能减轻20%-40%;与钢类金属结构件相比,碳纤维复合材料制作的结构件在重量上能减轻60%-80%。
随着技术的进步,碳纤维在民用领域的应用越来越广,为了满足民用市场的需求和降低生产成本的需要,民用领域的碳纤维越来越朝着宽丝方向发展,48K及以上的碳纤维是当前重点发展的方向。碳纤维本身具有柔软、脆性的特征,48K纱是由48000根细小纤维组成的,在长度方向上虽有极强的拉断力,但在横向上极其脆弱,任何细小的外力,都会对它产生损伤,在生产过程中,须严格控制纤维横向方向上的外力干扰,此外,丝束成型的宽度的一致性,对后段工序影响极大。作为碳纤维生产线最后一道工序的卷绕机,负责将碳纤维卷绕成一个圆柱型的纱锭,供后段复合材料加工使用,纱锭卷绕成型的质量,将直接影响后段复合材料的质量,所以在卷绕这一环节,要求碳纤维无损伤、宽度一致、纱锭成型完好。
现有技术中的卷绕机,不管其针对纤维的不同而做任何改变,都少不了两个基本功能部件,一个是往复导纱机构,一个是锭轴卷绕机构,这两个机构无论是机械式齿轮结构还是电子式结构,都是独立控制的模块。如图4所示,往复导纱机构按照卷绕比做往复运动,引导纤维(丝束)排列在锭轴的纱管上。锭轴卷绕机构根据生产线工作速度,将纤维卷绕到锭轴的纱管上。在锭轴卷绕的同时,往复导纱机构中的导纱器横向往复运动,带动纤维均匀的缠绕在锭轴的纱管上,纤维被导纱器横向带动,形成一个卷绕角α,被缠绕到纱管上。往复导纱机构带动纤维做横向往复运动,对纤维始终施加一个横向的力,对柔软的纤维容易产生影响,也会影响纤维的宽度,在卷绕纤维时,受卷绕角和张力的影响,纤维在纱管表面会产生一定的横向位移,这个横向位移,会产生“蹭丝”,使得纤维起毛(伤丝)以及使纤维收窄,影响纤维品质和丝宽。这一现象在48K及以上的纤维表现愈加明显。此外,纤维在往复运动时,在进丝轮处往复摆动,使得纤维在进丝轮处容易产生“蹭边”,影响纤维的品质。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题,本发明的目的是:提供一种三自由度联动卷绕锭轴的卷绕机,使得纤维能够自然地卷绕在纱锭上,不受其他横向拉力作用,避免蹭丝和伤丝,同时能控制纤维的宽度,保证纤维的品质。
为了达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种三自由度联动卷绕锭轴的卷绕机,包括用于卷绕纤维的卷绕装置,用于带动卷绕装置往复运动的往复导纱装置,用于带动往复导纱装置来回摆动的卷绕角摆动装置;卷绕装置通过支撑架固定连接在往复导纱装置的滑块上,往复导纱装置固定连接在卷绕角摆动装置的摆台上,纤维通过引丝装置引导卷绕在卷绕装置卷绕锭轴的纱锭上;卷绕装置、往复导纱装置和卷绕角摆动装置通过控制装置进行控制并实现卷绕锭轴的三自由度联动。
进一步的,卷绕装置包括异步电机,异步电机的输出轴上连接有卷绕锭轴,卷绕锭轴上套装有滚筒,卷绕锭轴上还固定套装有纱锭,异步电机上还安装有编码器。
进一步的,支撑架包括底板,底板的一侧设有第一侧板,底板的另一侧设有第二侧板,第一侧板固定连接在滚筒上,第二侧板通过螺钉连接在异步电机上,第二侧板上开设有通孔,异步电机的输出轴穿过通孔与卷绕锭轴连接,底板固定连接在滑块上。
进一步的,往复导纱装置包括第一伺服电机,第一伺服电机的输出轴上连接有滚珠丝杠,滑块固定连接在滚珠丝杠的螺母上,滚珠丝杠的两侧设置有滑轨,滑块位于滑轨上。
进一步的,滑轨和第一伺服电机均固定连接在摆台上。
进一步的,卷绕角摆动装置包括减速器和第二伺服电机,第二伺服电机的输出轴与减速器的输入轴连接,摆台固定连接在减速器的输出轴上。
进一步的,减速器为蜗轮蜗杆减速器。
进一步的,滑轨靠近第一伺服电机的一端设置有起始信号感应器,滑轨的另一端设置有终点信号感应器。
进一步的,引丝装置包括引丝轮,控制装置包括控制器。
总的说来,本发明具有如下优点:
本发明将卷绕装置、往复导纱装置和卷绕角摆动装置通过控制装置进行控制并实现了卷绕锭轴的三自由度联动,使得卷绕锭轴具有了卷绕、往复运动和摆动的功能,卷绕锭轴可以自动卷绕,同时往复运动,还能够摆动到纤维所需的卷绕角度,使得纤维能在完全自然的状态下,在向前的卷绕拉力作用下,平直地进入并缠绕在纱锭上,而没有任何其他外力的拉扯和干扰,能有效地避免蹭丝和伤丝,既能保证纤维按照卷绕比的规律缠绕,又能控制纤维的宽度,保证纤维的品质。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明卷绕锭轴摆动卷绕时的俯视结构示意图。
图3是图2的分解示意图。
图4是现有技术中的卷绕机的卷绕过程示意图。
其中:1为异步电机,2为卷绕锭轴,3为滚筒,4为纱锭,5为支撑架,6为第一伺服电机,7为滚珠丝杠,8为滑块,9为滑轨,10为摆台,11为减速器,12为第二伺服电机,13为起始信号感应器,14为终点信号感应器,15为引丝轮,16为纤维,17为控制器,18为丝束,19为进丝轮,20为导纱器,21为锭轴,22为纱管。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
为了方便理解,将滑轨的长度方向定义为X轴方向,滑轨的宽度方向定义为Y轴方向,垂直于滑轨的方向定义为Z轴方向,本发明所说的三自由度是指沿X轴的移动、饶X轴的转动和饶Z轴的转动,纱锭所在的方向为左侧,异步电机所在的方向为右侧,附图中箭头所示的方向为运动方向。
如图1所示,一种三自由度联动卷绕锭轴的卷绕机,包括用于卷绕纤维的卷绕装置,用于带动卷绕装置往复运动的往复导纱装置,用于带动往复导纱装置来回摆动的卷绕角摆动装置;卷绕装置通过支撑架固定连接在往复导纱装置的滑块上,往复导纱装置固定连接在卷绕角摆动装置的摆台上,纤维通过引丝装置引导卷绕在卷绕装置卷绕锭轴的纱锭上;卷绕装置、往复导纱装置和卷绕角摆动装置通过控制装置进行控制并实现卷绕锭轴的三自由度联动;引丝装置包括引丝轮,控制装置包括控制器。
如图1所示,卷绕装置包括异步电机,异步电机的输出轴上连接有卷绕锭轴,卷绕锭轴上套装有滚筒,卷绕锭轴上还固定套装有纱锭;支撑架包括底板,底板的一侧设有第一侧板,底板的另一侧设有第二侧板,第一侧板固定连接在滚筒上,第二侧板通过螺钉连接在异步电机上,第二侧板上开设有通孔,异步电机的输出轴穿过通孔与卷绕锭轴连接,底板固定连接在滑块上,异步电机上还安装有编码器。异步电机驱动卷绕锭轴转动,带动卷绕锭轴上的纱锭转动,即驱动纱锭绕着X轴转动。在控制器中的变频器的驱动下,异步电机启动,驱动卷绕锭轴转动,从而带动纱锭转动,通过引丝轮引进的纤维以恒定的速度卷绕在纱锭上,异步电机上的编码器与异步电机的输出轴同步转动,编码器能够记录纱锭转动的圈数信号,控制器通过采集编码器的输出信号,能够记录纱锭转动的圈数。
如图1所示,往复导纱装置包括滑块和第一伺服电机,第一伺服电机的输出轴上连接有滚珠丝杠,滑块固定连接在滚珠丝杠的螺母上,滚珠丝杠的两侧设置有滑轨,滑块位于滑轨上,滑轨和第一伺服电机均固定连接在摆台上。滚珠丝杠属于现有技术,第一伺服电机驱动滚珠丝杠的螺杆转动,滚珠丝杠的螺母在螺杆上移动,带动滑块在滑轨上移动,即带动滑块沿着X轴方向移动。滑轨靠近第一伺服电机的一端(右端)设置有起始信号感应器,起始信号感应器处为滑块运动的起始点,滑轨的另一端(左端)设置有终点信号感应器,终点信号感应器处为滑块运动的终点反向点,起始信号感应器和终点信号感应器能产生电子信号或光学电信号,在本实施方式中,起始信号感应器为起始接近开关,终点信号感应器为终点接近开关,起始接近开关和终点接近开关均能产生感应信号,并将信号传到控制器上。
支撑架采用金属制成,当支撑架运动到终点接近开关位置时,终点接近开关会产生一个感应信号,并将该感应信号传输到控制器上,控制器会发送指令信号给第一伺服电机,控制第一伺服电机反向转动,使得滑块反向运动,即向起始接近开关方向移动;当支撑架运动到起始接近开关位置时,起始接近开关又会产生一个感应信号,并将该感应信号传输到控制器上,控制器又会发送指令信号给第一伺服电机,控制第一伺服电机正向转动,使得滑块正向运动,即向终点接近开关方向移动,滑块就这样在滑轨上往复运动多次,带动支撑架往复运动,即带动卷绕装置往复运动,将纤维卷绕在纱锭上,卷绕装置往复运动的长度是根据纱锭所需要的卷绕长度来设定的。
或者也可以不通过起始接近开关和终点接近开关的信号来控制第二伺服电机转动,根据第一伺服电机每转动一圈输出的脉冲数和第一伺服电机每转动一圈的螺距,来确定完成一个导程(卷绕装置从起始点到终点的长度)所需要的脉冲数,从起始点开始,控制器控制第一伺服电机转动完成一个导程脉冲数,支撑架到达终点后,又控制第一伺服电机反转,又完成一个导程脉冲数,支撑架回到起始点,就这样往复运动,卷绕装置往复运动的长度是根据纱锭所需要的卷绕长度来设定的。
如图1、图2和图3所示,卷绕角摆动装置包括摆台、减速器和第二伺服电机,第二伺服电机的输出轴与减速器的输入轴连接,摆台固定连接在减速器的输出轴上,第二伺服电机驱动摆台绕着减速器输出轴的中轴线转动,即驱动摆台绕着Z轴摆动。在本实施方式中,减速器为蜗轮蜗杆减速器。根据蜗轮蜗杆减速器的减速比,控制器控制第二伺服电机转动相应的脉冲数,控制摆台向内侧顺时针转动一定角度,即控制纱锭向内侧摆动一定角度,然后再控制第二伺服电机反向转动,控制摆台向外侧逆时针转动一定角度,即控制纱锭向外侧摆动一定角度。
异步电机、第一伺服电机和第二伺服电机均由控制器控制,控制器通过采集异步电机的转速,根据设定的卷绕比,控制第一伺服电机的转速,使得纤维按照卷绕比的规律卷绕在纱锭上。卷绕比是指往复导纱装置每往复运动一次,纱锭卷绕的圈数,即滑块带动卷绕装置每往复运动一次,纱锭卷绕的圈数。而纤维在纱锭上的缠绕是往复的,纤维从纱锭的一端缠绕到纱锭的另一端,又从纱锭的另一端缠绕到纱锭的一端,纤维在两个缠绕方向上的卷绕角是相反的。卷绕角是指纤维卷绕到纱锭表面某点时,纤维的切线方向与纱锭表面该点的圆周速度方向所夹的锐角,如图2和图3中的α角就是卷绕角。在卷绕比固定的条件下,纱锭的卷绕角α随着纱锭卷绕直径的增大而线性变小,随着纱锭卷绕直径的增大,纱锭摆动的角度β逐渐减小,纱锭摆动的角度β等于纱锭的卷绕角度α,即α=β,纱锭的摆动角度β随着卷绕角α的变化而变化。控制器通过异步电机的编码器的输出脉冲数和实时同步速度,可计算出实时卷径(纱锭卷绕直径),控制器根据设定的卷绕比,可计算出不同卷径下的卷绕角α,控制器可向第二伺服电机发出指令信号,控制纱锭根据卷径摆动所需要的角度β。
在卷绕开始前,滑块位于起始接近开关所在位置处,纤维位于纱锭的起始端,在本实施方式中是纱锭的左端,控制器控制卷绕装置、往复导纱装置和卷绕角摆动装置启动,纱锭转动,纤维开始卷绕时,支撑架位于起始接近开关位置处,起始接近开关将该信号传输给控制器,控制器收到信号后发送指令信号给第一伺服电机,第一伺服电机正向转动,使得滑块向左侧运动,带动纱锭向左侧运动,而纤维向右侧卷绕,与此同时,控制器收到起始接近开关发出的信号后,控制器向第二伺服电机发出指令信号,控制第二伺服电机转动相应的脉冲数,控制摆台向内侧顺时针转动一定角度,即控制纱锭向内侧摆动一定角度,将纤维按照一定的卷绕角度缠绕在纱锭上;当纤维缠绕到纱锭末端(右端)需要换向时,此时,支撑架运动到了终点接近开关位置处,终点接近开关会将该信号传输给控制器,控制器收到信号后发送指令信号给第一伺服电机,第一伺服电机反向转动,使得滑块向右侧运动,带动纱锭向右侧运动,而纤维向左侧卷绕,与此同时,控制器收到终点接近开关发出的信号后,控制器向第二伺服电机发出指令信号,控制第二伺服电机反向转动相应的脉冲数,控制摆台向外侧逆时针转动一定角度,即控制纱锭向外侧摆动一定角度,将纤维按照一定的卷绕角度缠绕在纱锭上。依次往复,使纤维平直的被缠绕到有一定卷绕角的纱锭上。
总的来说,本发明将卷绕装置、往复导纱装置和卷绕角摆动装置通过控制装置进行控制并实现了卷绕锭轴的三自由度联动,使得卷绕锭轴具有了卷绕、往复运动和摆动的功能,卷绕锭轴可以自动卷绕,同时往复运动,还能够摆动到纤维所需的卷绕角度,使得纤维能在完全自然的状态下,在向前的卷绕拉力作用下,平直地进入并缠绕在纱锭上,而没有任何其他外力的拉扯和干扰,能有效地避免蹭丝和伤丝,既能保证纤维按照卷绕比的规律缠绕,又能控制纤维的宽度,保证纤维的品质。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。