研究基于模糊控制的柔性复合线圈系统

文摘

的过程中复合树脂预浸材料胶带缠绕,气孔的存在或孔隙层的组合会导致减少绕组的力量。为了缓解这个问题,要求复合胶带缠绕机设计,复合层的均匀上一个伤口。提出了一种新颖的设计灵活的复合带绕组线圈系统。基于错误的分析在卷绕过程中,这部小说卷绕系统消除了绕组点误差和缠绕角度误差的基础上辊速度控制灵活。本文还介绍了小说的动力学分析系统及其控制器的设计。实验是在小说线圈系统。实验结果说明,该小说在绕组柔性卷绕系统具有良好的性能精度。

1。介绍

复合材料已广泛应用于航空航天工程和其他领域的优势比强度高,特定的模量高,热稳定性好,高温性能好。带绕组是一个主要的方法来制造火箭发动机的喷嘴1]。树脂预浸材料带被压实辊沉积复合缠绕过程中(2,3]。Littlefield等人设计的气动压实辊组合位置(4];陆克文等人一压实辊用于缠绕复合材料炮管(5];哈桑等人分析了复合传热位置与钢压实辊(6];Aized和Shirinzadeh优化综合布置的过程中通过与压实辊(一个机器人7]。然而,在这个过程中,录音会被压实变形力(2]。毛孔或空洞绕组层之间是不可避免的将导致分散不匀的材料和复合组件的影响总体性能。为了减少毛孔,哥等人表明孔隙度的影响在碳纤维/环氧树脂和碳纤维/双马来酰亚胺树脂复合材料在材料性能8];马德森和Lilholt建立了理论模型的孔隙现象对单向纤维复合材料性能的影响(9];Koushyar等人集中在碳纤维/环氧预浸材料生长的现象在热压和真空10]。

以上研究表明,会有绕组之间的错误的原始形状芯棒和复合层。摘要小说带绕组系统使用灵活的滚子和卷绕速度控制器,这将消除缠绕角度误差和位置误差的绕组复合胶带缠绕过程。实验结果表明,柔性卷绕系统有很好的质量,消除错误。

2。复合胶带缠绕过程

复合带绕组是一种纤维缠绕;它由几个步骤就像包装树脂预浸材料碳纤维/玻璃纤维胶带在芯棒压实辊的压力的共同作用,带张力,和绕组温度、挤压毛孔从tape-layer接口,使预浸材料的层间粘结胶带紧。示意图如图1(一)(11]。在卷绕过程中,绕组的树脂预浸材料带包装点通过压实辊芯棒,一层一层地在某个角称为绕组角。

非零缠绕角度需要当一个喷嘴为火箭发动机生产(12),如图1 (b)。为了避免绕组产生的双曲率的影响角度,微分速度辊被用来将变形半固化片磁带转换为部门适应缠绕角度,如图2。

微分速度辊的速度分布的半固化片磁带可以被描述为

在这里,是一个特定的速度辊,辊之间的距离,提升点,卷筒的半径,缠绕角度。

压实辊移动沿芯棒和存款上的树脂预浸材料带包层;卷绕速度可以计算(2);很明显,速度与胶带的厚度有关。在一个理想的绕组状态,胶带厚度是一个常数,而压实辊的卷绕速度的增量包层可以完全适合,如图1 (b)。因此,

在这里,提升速度,满足距离每革命,然后呢半固化片胶带的厚度。

在缠绕过程中,磁带将结合和毛孔胶带层之间可以通过压实压力挤压(13];压实辊的运动精度的先决条件组合,如图3。

在实际缠绕过程中,胶带厚度可以变形由于压实力等影响,拉伸力,微分的转换速度和辊,和半固化片的过程中会有错误;这些现象会导致胶带厚度误差,导致错误之间的移动压实辊和积累带层。压实辊和胶带层之间的错误将导致带绕组中的错误。

3所示。绕组辊系统错误分析和设计要求

根据图1,弯曲过程的积累有关树脂预浸材料带和压实辊的运动。一个相同的压实辊的速度相比,包带的沉积速度应该在绕组。胶带厚度会导致误差的误差之间的带层和移动滚子和绕组的缺陷产品,如波浪表面如图4。

绕组中的缺陷产品可以在两种情况分析:薄带和厚带在缠绕过程中使用。

如图5,薄胶带用于卷绕过程将被包装在辊后面。绕组胶带将位于整个包裹层,和绕组之间会有孔隙带和包层。同时,胶带外缘的张力就会萎缩。最后,缠绕角度将会减少。因此,

在这里,半固化片胶带的宽度,胶带厚度,之间的角增量是吗层和层,的缠绕角度层,缠绕角度的错误在哪里层。

缠绕角度减少模型显示为(3)和(4)。这是工作在一个简化的磁带不会带状部分方向。结果表明,包裹层之间的误差积分和非线性厚度误差。

这是更复杂的缠绕胶带时比设计更重要。根据接口的一致性为包层,有两种情况下,滑动。

如图6,压实辊会延迟包裹层,因为移动辊低于当使用胶带层厚带的积累。

如果胶带层压实下不会下滑,如图6,层压胶带层会使压实辊绕组点;因此,错误已经产生

在这里,绕组位置错误在哪里层和之间的绕组位置增量是吗层和层。

在这种情况下,缠绕角度不会改变,位置误差是不可或缺的和。

在另一个条件,当压实力粘接强度,压实辊将推动层滑移,并缠绕角度将增加,如图7。因此,

缠绕角度增加模型显示为(7)和(8),这是在一个假设的外缘层不会减少。结果表明,增加角误差减少模型具有相同的特性。

在所有上述情况,可以看出,胶带厚度误差会导致绕组绕线过程中角误差和位置误差。消除这些错误,设计新颖的柔性带绕组系统已经提出了包括柔性辊系统和卷绕速度控制系统。

为了获得缠绕角度误差和绕组位置误差,柔性辊系统应该能够遵循缠绕角度的改变和测量绕组点位置。卷绕速度控制系统应控制卷绕速度消除缠绕角度误差和位置误差引起的胶带厚度误差。

4所示。一个新颖的柔性辊系统的设计

基于绕组的分析错误,应该设计柔性辊系统获取和区分错误。柔性辊系统图设计8。

如图8,一个灵活的辊气缸和传感器是由喂食电机的轴。双气缸,主要和次要的,采用辊系统。主油缸提供绕线过程中压缩力;线性光栅组装在主缸是用来测量绕组位置错误。二级气缸推动周围的柔性辊偏航旋转点;一个角度传感器安装在旋转点实时测量缠绕角度。

柔性辊系统的原理图所示9。为了区分错误,周围的辊应该偏航绕组喂养轴指向缠绕角度。三轴系统中使用,包括轴(设在),汽缸轴(设在),转动轴(设在)。柔性辊系统由机器坐标系,工件坐标系、旋转系统和辊系统。在卷绕过程中,当缠绕角度发生变化时,柔性辊将偏航旋转点,并会有一个错误在绕组之间辊和胶带层。为了调整误差,系统计算插入值基于辊的结构系统和偏航角的增量设在;值,一个插入控制器调整辊的速度以适应包装带的沉积速度通过喂食电机。

因此,周围的滚子将偏航绕组测量绕组的角点,没有对定位误差的影响。和汽缸上的线性光栅可以精确测量绕组位置误差。

这些系统的基本结构如图10,在那里和之间的偏移量和,和之间的偏移量和,和滚筒前端的位置吗,和旋转系统的位置吗,滚筒的旋转角度。系统中,绕组的位置点在工件坐标系和旋转角度辊可以转换为机器的旋转系统的位置坐标(14]。它可以计算

在这里,的变换矩阵来自哪里来;的变换矩阵来自哪里来;旋转系统的位置吗;旋转系统的位置吗。

定义的旋转矩阵之间的偏移量和作为之间的偏移量和作为滚筒前端的位置作为的位置,旋转系统作为,(9)可以改变

区分;有

根据(11),的速度由的速度和灵活的滚筒的角速度。

根据柔性辊系统的分析原则操作,插入控制器的功能应该喂养轴补偿值实时计算基于角度的变化。为了设计插值控制程序,的速度应该是离散的。使用一阶差商来离散方程(11),有

根据(12),插值的增量在采样时间是所示

在这里,;。

当检测到弯曲角增量,计算插值增量将传播到喂食电机,辊将固定绕组喂养轴上。因此,周围的辊可以偏航绕组测量绕组的角点,和绕组位置误差可以从线性光栅被收购。

5。灵活的卷绕速度控制系统的设计

总之,在缠绕过程中,胶带厚度误差会造成位置误差对压实辊包层,并会有错误绕组缠绕角度和错误的位置。根据(4),(6)和(8),它是可行的,消除错误的控制绕组绕线过程中速度。

如上所述,缠绕角的变化很复杂,参数相关,和非线性卷绕速度;另一方面,绕组位置误差仅仅是整体提升速度。

根据模糊速度控制器,用于缠绕角度的控制,和一个微分控制器用于卷绕点位置控制(15]。

对于模糊速度控制器是两个输入变量系统;输入变量是缠绕角度错误和它的微分;域范围对应的输入。模糊速度控制器的输出变量是卷绕速度增加,相应的域范围是什么。

所有输入和输出变量被五个三角形隶属度函数,,这意味着,如图11。

模糊速度控制规则中描述表1。

控制器的输入和输出的关系控制规则表面如图所示12。

根据(6),相同的卷绕速度对厚磁带可以计算

所示(13),可以设置为微分控制器的增益。

因此,双闭环控制系统是专为柔性卷绕速度控制系统,如图13。

胶带层是在绕线过程中积累;柔性辊系统可以遵循缠绕角度的变化,实时测量绕组点错误。与测量、卷绕速度控制系统调节卷绕速度调整错误。模糊速度控制器是用来调整缠绕角度错误,和一个微分控制器用于控制绕组位置错误。控制器的开关是由位置误差;如果位置误差小于一个阈值,模糊速度控制器将激活调整缠绕角度误差;别的,微分控制器将被激活来控制位置误差。

6。实验和结果

碳纤维预浸材料带已被用于缠绕圆柱芯棒在灵活弯曲实验。实验系统如图14。

在实验中,位置误差阈值设置为0.5毫米,和蜿蜒的角是12°,胶带宽度40毫米,胶带厚度0.2 ~ 0.24毫米(20分带测量),芯棒转速设置为每分钟20转,和160毫米直径的圆柱芯棒已经使用。有两部分的实验如下:速度控制实验和蜿蜒的实验。

6.1。模糊卷绕速度控制实验

为了测试卷绕速度控制系统,最初的卷绕速度设置为1.5毫米/革命,由0.31毫米的厚度,计算比使用胶带厚约30%。

实验的卷绕速度图所示15。在实验中,卷绕速度聚集到1毫米每30秒,革命的卷绕速度对胶带厚度0.21毫米厚度的计算。最大的缠绕角度误差是1.1°,最大圈位置误差是0.55毫米。

6.2。胶带缠绕实验

三组在胶带缠绕实验已完成如下:对照组,标准线圈组、和灵活的线圈组。

为了计算绕组的孔隙度的产品,参考产品已经治愈了120分钟0.5 Mpa和对照组150°C;可以计算的孔隙度

在这里,的孔隙度是蜿蜒的产品;提升产品的密度;参考产品的密度。

治疗对照组如图的过程16对照组和参考的产品图所示17。

对照组的产品的尺寸是4.4毫米高,宽40毫米,和47毫米长,质量是3.2克,密度为1.596克/厘米³。

灵活的线圈组实验如图18。

绕组的产品已经通过真空辅助治愈120分钟150°C。一个灵活的绕组产品如图19。

标准的部分绕组产品如图20.。图中黑色部分是产品的孔隙。产品的密度是1.492克/厘米³;根据参考产品,标准线圈产品的孔隙度为6.5%。

标准的内表面线圈产品如图21。黑暗,红线部分缺陷时厚带期间使用胶带缠绕,如在图分析7。

灵活的绕组的部分产品图所示22和产品的密度是1.586克/厘米³;根据参考产品,灵活的线圈产品的孔隙度为0.6%。

灵活的内表面线圈产品如图23。标准提升产品相比,光滑的内表面与柔性线圈系统已经完成。

7所示。结论

为了消除绕组缠绕角度误差和绕组位置误差等误差引起的胶带厚度误差和其他因素在复合胶带缠绕过程中,一种新型柔性线圈系统介绍和测试。详细设计要求及工作原理进行了分析;柔性线圈系统的关键因素被发现。这些结果为建立系统奠定了基础。

根据柔性辊的控制因素,系统和卷绕速度控制器。灵活的绕组为纤维预浸材料胶带试验已经完成。柔性卷绕系统已经被证明是可行的。它已经意识到柔性线圈系统可以调整卷绕速度符合树脂预浸材料的厚度误差带。根据实验结果,厚度误差约30%厚比使用磁带可以收敛在30秒;最大的缠绕角度误差控制在1.1°,和最大绕组位置误差控制在0.55毫米;标准提升产品相比,孔隙度灵活的绕组产品可能从6.5%提高到0.6%,可以实现灵活的绕组表面光滑的产品。精度胶带缠绕过程可以保证通过使用灵活的线圈系统。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

引用

1. 坎菲尔德,r·g·克林顿w .盔甲,和j . Koenig“改善美国喷管烧蚀材料,”技术。代表,1992年。视图:谷歌学术搜索
2. s . k . Mazumdar自动化制造热塑性复合组件的带绕组和纤维缠绕(博士论文)康科迪亚大学,1994。
3. h·j·金,美国k金,i李,“研究传热在热塑性复合胶带停止过程中,“科学实验温度和流体,13卷,不。4、408 - 418年,1996页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. a . Littlefield e .后于a . Andalora n . Klein r·兰贡和r·贝克“碳素纤维/热塑性外包装炮管,”压力容器技术杂志》上,卷128,不。2、257 - 262年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. c·d·拉德·m·r·特纳a·c·长,米德尔顿诉,“拖位置对液体复合成型,研究”复合材料:应用科学和制造业,30卷,不。9日,第1121 - 1105页,1999年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. n .哈桑·j·e·汤普森·r·c·巴特拉A . b . Hulcher x的歌,和A . c .厕所”的传热分析纤维放置复合生产过程,”增强塑料和复合材料》杂志上,24卷,不。8,869 - 888年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. t . Aized和b . Shirinzadeh机器人光纤放置过程分析和优化使用响应面方法,”国际先进制造技术杂志》上,55卷,不。1 - 4、393 - 404年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. m·l·科斯塔s . f . m . De Almeida)和m . c . Rezende“孔隙度的层间剪切强度的影响碳/环氧树脂和碳/双马来酰亚胺纤维复合材料,”复合材料科学与技术,卷61,不。14日,第2108 - 2101页,2001年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. b·马德森和h . Lilholt单向植物纤维的物理和机械性能composites-an评价孔隙度的影响,“复合材料科学与技术,卷63,不。9日,第1272 - 1265页,2003年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. h . Koushyar s Alavi-Soltani b Minaie, m .维奥莉特,“高压蒸汽压力变化的影响,温度和真空应用时间在孔隙度和力学性能的碳纤维/环氧树脂复合,”复合材料学报,46卷,不。16,1985 - 2004年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. y y史,h·唐问:,“数控缠绕机的关键技术”,航空公司等宇航学报学报卷,29号1,第239 - 233页,2008。视图:谷歌学术搜索
12. e . j . Wernimont“低端汽车材料试验48英寸航天飞机先进的固体火箭发动机喷管碳布酚醛ablatives”学报》29日联合推进会议和展览1993年6月,张仁- 93 - 2213,。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. s . c .特和g s Springer热塑性复合材料制造过程模型”,复合材料学报,26卷,不。16,2348 - 2377年,1992页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. s . b . Niku介绍机器人:分析、系统应用程序普伦蒂斯霍尔,卷。7日,新泽西,新泽西,美国,2001年。
15. o . Karasakal m . Guzelkaya i Eksin, e . Yesil”重量偏差在线规则调整的模糊PID控制器的方法,”专家系统与应用程序,38卷,不。8,10124 - 10132年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2016年他爱等。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。