碳纖維復合材料絲束帶剪斷狀態快速檢測方法

陶祎春,賈書海,段玉崗,張小輝,陳花玲

(西安交通大學機械工程學院, 710049, 西安)

?

碳纖維復合材料絲束帶剪斷狀態快速檢測方法

陶祎春,賈書海,段玉崗,張小輝,陳花玲

(西安交通大學機械工程學院, 710049, 西安)

為解決在狹小空間內無法準確有效識別碳纖維絲束帶剪斷狀態的問題,提出了一種基于電信號的碳纖維絲束帶剪斷狀態的檢測方法,并設計了相應的剪斷狀態監測硬件及軟件系統。該檢測方法首先通過簡單的檢測電路以及數據采集卡,實現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行低通濾波處理,獲取電壓信號的峰值,將峰值與設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。實驗結果表明,在進行剪斷操作時,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,小于設定的閾值1 V,均可有效識別剪斷狀態,證明該方法檢測結果較為準確。該方法可以在鋪絲頭內部的狹小空間進行檢測,同時能夠快速識別出碳纖維絲束帶的剪斷狀態。

復合材料;纖維鋪放;剪斷檢測;信號處理

碳纖維復合材料具有輕質、高強度、抗疲勞、耐腐蝕、導電導熱以及膨脹系數小等一系列優點,廣泛應用于航空航天制造領域[1]。隨著復合材料使用的日益廣泛,出現了多種高效率低成本的制造方法,如纖維鋪放成型技術(FP)、樹脂傳遞塑模技術(RTM)、自動纏繞技術等[2-7]。其中,自動纖維絲束鋪放技術(AFP)是一種最重要的先進樹脂基復合材料自動化成型技術,具有自動化程度高、能成型形狀復雜的曲面結構件等優勢,應用廣泛[8]。其簡要制作過程是將復合纖維絲束帶一層一層地鋪放在芯模表面,經過若干層的鋪放,構件達到一定厚度,再經過熱壓處理即可得到復合材料零件[9],Electro Impact、Ingersoll、MAG Cincinnati等公司已經制造出自動纖維鋪放機床[10-11]。但是,目前國內針對自動鋪絲機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床結構設計方面,如南京航空航天大學和哈爾濱工業大學已經建立了試驗用的自動纖維鋪放的原型機[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問題時,都需要對碳纖維絲束帶進行剪斷操作,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、位置等因素的隨機波動,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),這樣會使鋪絲機的鋪絲頭強行拉斷殘余的碳纖維絲束,從而導致設備故障,甚至不得不打開鋪絲頭,停機進行維護,嚴重影響鋪放效率和質量。因此,碳纖維絲束帶的剪斷檢測對鋪放成型設備的正常運行至關重要,需要在每次執行剪斷操作時同步進行剪斷檢測,如若發現剪斷不徹底的情況,則需要再次驅動剪斷機構對絲束帶進行剪切。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),直徑只有數微米,采用計算機視覺或光探測等常規檢測的方法很難發現沒有被完全剪斷的碳纖維絲。同時,在鋪絲頭的內部,其結構空間十分狹小,尺寸稍大的探測設備均無法應用。因此,需要針對碳纖維絲束帶的剪斷狀態檢測開發出一種新的方法。

為了解決極細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的方法。由于碳纖維絲束帶具有良好的導電性,可以在絲束帶兩端的導輪處連接檢測電路,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 絲束帶剪斷狀態檢測方法

1.1 檢測裝置設計

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

圖1 檢測裝置原理圖

1.2 檢測電路設計

碳纖維絲束帶可以等效為一個可變電阻R,通過實驗測量,當絲束帶完整連接時,每200 mm長度的電阻值約為10 Ω,當絲束帶僅剩一絲連接時,其電阻變為500 Ω。進行剪斷操作時,首先通過導輪壓緊碳纖維絲束帶,將兩端固定,然后驅動剪斷刀具進行剪斷操作。在剪斷過程中將兩導輪作為電極,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生在鋪絲頭結構中的電壓電流,具體的檢測電路如圖2所示。通過數據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系

在圖3中,當電阻R在10～500 Ω范圍內變化時,其兩端電壓逐漸增加,通過的電流逐漸減小。當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;當碳纖維絲束帶完全剪斷時,其等效電阻為無窮大,根據式(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

在鋪絲頭進行剪斷操作期間,通過數據采集卡采集待剪斷碳纖維絲束帶兩端電壓信號,設置采樣數為1 000,采集時間為1 s。當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 完全剪斷時數采卡采集的電壓信號

圖5 未完全剪斷僅剩一絲時數采卡采集的電壓信號

2.2 電壓信號的處理

當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,從頻譜中可以發現,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,可以對電壓信號進行低通濾波,其截止頻率設置為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,因此設置判斷電壓閾值為1 V,即當測量電壓大于1 V時認為碳纖維絲束帶被完全剪斷。

當絲速帶完全剪斷時,采集的電壓信號經過低通濾波后得到的結果如圖8所示,絲束帶未完全剪斷的處理結果如圖9所示。在圖8的情況中,采集得到的電壓為4.377 V,大于設置的閾值1 V,認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,小于設置的閾值1 V,認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 檢測結果校核

為了驗證碳纖維絲束帶剪斷檢測方法的準確性,需要對該方法的檢測結果進行校核。對10條絲束帶分別進行剪斷操作,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)計算對應的理論電壓,測量結果如表1和圖10所示。

圖10 檢測結果與理論結果對比

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

從對比結果可以看出,當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,說明檢測結果較為準確。

4 結 論

本文為解決極細的纖維絲束無法準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。根據碳纖維絲束帶具有良好的導電特性,在執行剪斷操作過程中,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在狹小空間內的精確測量,具有簡單可靠的優點。實驗結果表明,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用需要。

[1] PARLEVLIET P P, BERSEE H E N, BEUKERS A. Residual stresses in thermoplastic composites: a study of the literature: part I Formation of residual stresses [J]. Composites: Part A Applied Science and Manufacturing, 2006, 37(11): 1847-1857.

[2] LAMONTIA M A, FUNCK S B, GRUBER M B, et al. Manufacturing flat and cylindrical laminates and built up structure using automated thermoplastic tape laying, fiber placement, and filament winding [J]. SAMPE Journal, 2003, 39(2): 30-43.

[3] TAYLORSVILLE U T. Filament winding vs. fiber placement manufacturing technologies [J]. SAMPE Journal, 2008, 44(2): 54.

[4] AMICO S, LEKAKOU C. An experimental study of the permeability and capillary pressure in resin-transfer moulding [J]. Composites Science and Technology, 2001, 61(13): 1945-1959.

[5] LAWRENCE J M, HSIAO K T, DON R C, et al. An approach to couple mold design and on-line control to manufacture complex composite parts by resin transfer molding [J]. Composites: Part A Applied Science and Manufacturing, 2002, 33(7): 981-990.

[6] ABDALLA F H, MUTASHER S A, KHALID Y A, et al. Design and fabrication of low cost filament winding machine [J]. Materials & Design, 2007, 28(1): 234-239.

[7] COHEN D. Influence of filament winding parameters on composite vessel quality and strength [J]. Composites: Part A Applied Science and Manufacturing, 1997, 28(12): 1035-1047.

[8] AIZED T, SHIRINZADEH B. Robotic fiber placement process analysis and optimization using response surface method [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2011, 55(1/2/3/4): 393-404.

[9] KHAN S. Thermal control system design for automated fiber placement process [D]. Quebec, Canada: Concordia University Montreal, 2011.

[10]MARSH G. Automating aerospace composites production with fibre placement [J]. Reinforced Plastics, 2011, 55(3): 32-37.

[11]SHIRINZADEH B, ALICI G, FOONG C W, et al. Fabrication process of open surfaces by robotic fibre placement [J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2004, 20(1): 17-28.

[12]肖軍, 李勇, 文立偉, 等. 樹脂基復合材料自動鋪放技術進展 [J]. 中國材料進展, 2009(6): 28-32. XIAO Jun, LI Yong, WEN Liwei, et al. Process of automated placement technology for polymer composites [J]. Materials China, 2009(6): 28-32.

[13]李勇, 肖軍. 復合材料纖維鋪放技術及其應用 [J]. 纖維復合材料, 2002(3): 39-41. LI Yong, XIAO Jun. The technology and application of fiber placement [J]. Fiber Composites, 2002(3): 39-41.

[14]邵忠喜. 纖維鋪放裝置及其鋪放關鍵技術研究 [D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2010.

[本刊相關文獻鏈接]

裴世源,徐華.非均質復合材料力學性能的確定性多尺度計算方法[J].2015,49(10):8-13.[doi:10.7652/xjtuxb201510 002]

方文振,粘權鑫,張虎,等.氣凝膠及其纖維復合材料等效導熱系數預測[J].2015,49(7):25-29.[doi:10.7652/xjtuxb 201507005]

張小輝,段玉崗,李超,等.超聲壓緊對低能電子束分層固化復合材料質量的影響[J].2015,49(4):134-139.[doi:10.7652/xjtuxb201504022]

趙新明,段玉崗,張靜靜,等.輻射劑量分布對低能電子束分層固化復合材料層間剪切強度的影響[J].2014,48(10):84-89.[doi:10.7652/xjtuxb201410013]

劉小勇,鄭琨.光纖缺陷實時檢測與分類方法研究[J].2014,48(9):1-5.[doi:10.7652/xjtuxb201409001]

呂濤,劉志剛,鄧忠文,等.一種光纖組量程擴增的激光頻率掃描干涉絕對測距系統[J].2013,47(9):77-82.[doi:10.7652/xjtuxb201309013]

周磊,汪楚清,孫清,等.玻璃纖維增強復合材料輸電塔節點承載力試驗研究及有限元分析[J].2013,47(9):112.[doi:10.7652/xjtuxb201309019]

周磊,汪楚清,孫清,等.玻璃纖維增強復合材料輸電塔節點承載力試驗研究及有限元分析[J].2013,47(9):112.[doi:10.7652/xjtuxb201309019]

張平,張小棟,劉春翔.雙圈同軸式光纖位移傳感器的輸出特性[J].西安交通大學學報,2012,46(3):27-30.[doi:10.7652/xjtuxb201203005]

薛勇,劉衛華,高秀峰,等.機載惰化系統中空纖維膜分離性能的實驗研究[J].2011,45(3):107-111.[doi:10.7652/xjtuxb201103020]

譚宏斌,楊建鋒.溶膠凝膠法制備莫來石纖維及莫來石晶化的動力學研究[J].2009,43(11):43-46.[doi:10.7652/xjtuxb 200911009]

張晶,于德梅,陳煒.有機包覆對磁性聚乳酸復合材料力學和介電性能的影響[J].2009,43(12):120-124.[doi:10.7652/xjtuxb200912025]

張波,陳天寧,馮凱,等.燒結金屬纖維多孔材料的高溫吸聲性能[J].2008,42(11):1327-1331.[doi:10.7652/xjtuxb2008 11003]

劉曄,陳江波,束秀梅,等.光源調制全光纖電流互感器的研究[J].2008,42(4):436-439.[doi:10.7652/xjtuxb200804 012]

潘仡文,楊冬,劉紅林.化學液相沉積法制備碳/碳復合材料時的溫度場研究[J].2008,42(3):309-312.[doi:10.7652/xjtuxb200803012]

于靈敏,朱長純.絲網印刷ZnO納米錐的漿料制備及場發射特性研究[J].2007,41(8):974-977.[doi:10.7652/xjtuxb 200708021]

關宇,裴愛霞,郭烈錦.超臨界水中半纖維素氣化制氫的影響因素分析[J].2007,41(1):9-13.[doi:10.7652/xjtuxb200701 003]

(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);陜西省工業攻關計劃資助項目(2014K07-02)。

時間:2015-09-13

10.7652/xjtuxb201512018

TN911.23

A

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

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150913.1827.008.html