● 摘要
纤维半干法缠绕成型是航空航天等高技术领域中高模量碳纤维树脂基复合材料结构件制备的主要方法之一。半干法缠绕成型过程中关键工艺参数，如张力、温度及含胶量等，对缠绕制品的综合性能有着至关重要的影响。目前国内应用的缠绕机设备多存在张力控制精度低、温度控制不均匀等缺点，严重制约了最终制品综合性能的提升。 本文根据碳纤维复合材料半干法缠绕工艺要求和缠绕机工作特性，设计了张力、温度和含胶量等工艺参数调节系统，具体研究内容如下： 1. 分析了张力、温度和含胶量等工艺参数对缠绕制品性能的综合影响机理，分别对各参数控制子系统进行了方案设计，在此基础上提出了总体设计方案。 2. 对各子系统功能部件，如放卷机构、主动浸胶装置及各辅助组件等进行了详细机械设计与执行器计算选型和性能分析，最后根据系统的总体布局对纤维传导路径进行了优化。 3. 分析了纤维张力的产生和变化机理，结合张力调节子系统构型和各执行元件特性提出了分阶段张力控制方法，即首先使用放卷系统和磁粉制动器对纤维进行张力预加载，然后通过编制的参数自整定模糊PID 算法实时调整主动浸胶辊的转速实现张力的精准控制；根据浸胶纤维束温控系统特性、具体加热结构、电加热器功率及温控技术指标要求，提出了模糊-PID 双模温度控制算法。 4. 开发了可实时显示张力、温度等工艺参数及系统运行状态的控制软件。通过所设计的机械和电气接口，将本系统与四轴数控缠绕机床本体进行了联合安装和调试，并开展了一系列高模量碳纤维的半干法缠绕成型实验。实验数据表明该系统有效提高了张力、温度的控制精度，满足了缠绕工艺与技术指标要求。