摘 要

在许多工业生产过程控制中，张力控制是一个至关重要的环节，如造纸、印刷、纺织和轧制，它对提高产品质量起着至关重要的作用，复合纤维材料成型工艺中常用方法为缠绕成型，铺放技术是在缠绕技术基础上发展起来的新技术，弥补了缠绕不适合凹面或较大面积平面制品的缺陷。而纤维张力是复合材料缠绕和铺放成型中的一个重要参数，直接影响着制品的质量，因而张力控制是纤维缠绕和铺放工艺中的关键技术之一。

本课题设计了一台张力发生器。通常的张力发生器产生的纤维张力较小，无法实现控制与检测一体化。本课题设计的张力发生器，可以产生较大的纤维张力，并将检测器与张力发生器一体化。本设计以三维建模软件Inventor为基础，建立了张力发生器的三维模型，使其机械结构更加直观。

根据要求设计了一台张力发生器，实现了张力控制与检测的一体化。完成了装配图、零件图的设计，并对张力发生器的重要结构进行了校核分析，将设计结果校核，证明了设计的可靠性和实用性。

关键词:张力发生器；控制；检测；结构设计

Abstract

In many industrial process control, tension control is a crucial link, such as papermaking, printing, textiles and rolling. It plays a crucial role in improving product quality. Commonly used methods in the molding process of composite fiber materials are Winding and forming, laying technology is a new technology developed on the basis of winding technology, making up for the defects that the winding is not suitable for concave or large area flat products. The fiber tension is an important parameter in the winding and laying of the composite material, which directly affects the quality of the product. Therefore, the tension control is one of the key technologies in the filament winding and laying process.

This subject has designed a tension generator. The tension produced by a typical tension generator is small, making it impossible to integrate control and inspection. The tension generator designed in this project can generate large fiber tension and integrate the detector with the tension generator. Based on the three-dimensional modeling software—Inventor，this design establishes a three-dimensional model of the tension generator and makes its mechanical structure more intuitive.
According to the requirements, a tension generator was designed to realize the integration of tension control and detection. The design of assembly drawings and parts drawings was completed, and the important structure of the tension generator was checked and analyzed. The design results were verified and the reliability and practicality of the design were proved.

Keywords: tension generator; control; detection; structural design

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题背景 1

1.1.1 纤维缠绕和铺放工艺 1

1.1.2 纤维缠绕和铺放中张力控制的意义 2

1.2 纤维缠绕铺放机的研究现状 2

1.2.1 张力控制器的发展历程 2

1.2.2 纤维缠绕和铺放张力控制器的国内外研究现状 3

1.3 设计的基本内容 4

第2章 大张力发生器设计 5

2.1张力控制部分 5

2.2张力检测部分 6

2.3支架结构 6

第3章 张力控制部分的设计 7

3.1电机的选择 8

3.1.1伺服电机特点 8

3.1.2 伺服电机的型号选择 8

3.2辊轴的设计 9

3.2.1轴的材料 9

3.2.2初步确定轴的直径 10

3.3键的设计 10

3.3.1键的选型 10

3.3.2键的校核 12

3.4 轴承类型的选择方法 13

3.4.1轴承选用所考虑的因素 13

3.4.2轴承的确定 13

3.5轴承座的设计 13

3.5.1轴承座作用分析 13

3.5.2轴承座材料分析 14

第4章张力检测部分 15

4.1张力检测原理介绍 15

4.2压力传感器 16

4.2.1压力传感器的分类 16

4.2.2电阻应变式压力传感器工作原理 16

16

第5章 结论 17

总结 17

展望 17

参考文献 18

致 谢 19

第1章 绪论

1.1课题背景

纤维缠绕和铺放工艺

随着军事和民用工业的迅速发展，特别是航天航空等尖端技术的飞速发展，对材料的性能的要求越来越高。传统的单一材料难以全部满足强度，韧性，重量和稳定性等要求。而具有高比强度，高比模量，质量轻，强度高，耐磨损，抗干扰，无磁性，可透电磁波等比其组复合材料弥补了金属材料某些方面性能的缺陷^［1］。

复合材料的成型工艺大体上可分为以下几类：手糊成型工艺、层压成型工艺、模压成型工艺、缠绕成型工艺、挤出和注射成型工艺、挤拉成型工艺、玻璃钢纹板连接成型工艺^［2］。其中缠绕成型工艺具有产品比强度高、可整体成型以及能够更好发挥纤维高强度性的特点。因此在在航天、航空和武器制造等领域被广泛使用。相比于其他成型方法，缠绕成型获得的复合材料制品，具有比强度高、耐腐蚀、质量轻、性能稳定等优点^［3-5］。由于其具有易于实现机械化、自动化，生产效率高等优点，因此应用十分广泛^［6］。

纤维缠绕是将浸渍树脂的连续纤维通过芯模和丝嘴的相对运动，在张力作用下按照一定的规律缠绕到芯模表面，然后加热或在常温下固化，制成一定形状的制品。这种方法通过材料力学设计，可充分发挥纤维拉伸强度高的特性，用于制造承受内/外压、弯曲、扭转、轴向载荷等情况下的产品。与其它成型方法比较，用缠绕成型方法获得的复合材料制品，具有比强度高、耐腐蚀、质量轻、性能稳定等优点，而且易于实现机械化、自动化，生产效率高，因而应用十分广泛。

尽管如此，纤维缠绕工艺也有它的局限性。例如，当芯模表面存在凹面时，纤维就会架空；当芯模上存在较大面积的平面时，如箱体零件，在平面部分纤维的压紧力很小或几乎没有，而棱角部分的压紧力却非常大，这就导致了部件的不同部分壁厚不均。正是上述纤维缠绕工艺本身不可克服的缺点促使铺放技术的产生。

复合材料纤维铺放技术是自动铺丝束成型技术和自动窄带铺放技术的统称，是在已有缠绕和自动铺放基础上发展起来的一种全自动制造技术。按结构所确定的铺层方向和铺层厚度，用多自由度铺放头将多组纤维预浸纱束/窄带自动铺放在旋转芯模表面，铺放过程中同时加热软化预浸纱束/带，压实形成制品型面。铺放成型与缠绕成型相比，由于采用压辊成型，既可以实现任意曲面的成型又可以保证成型压力自动可控，提高了制品质量；由于每根丝束具有单独增加和切断功能，不受周期约束，可以实现形体和各种铺层设计。

1.1.2 纤维缠绕和铺放中张力控制的意义

在缠绕成型工艺过程中，浸胶纤维必须在张力作用下按一定的线型有规律地排布在芯模表面。在铺放成型工艺中，预浸纤维以较低的张力排布在芯模表面以待压实。

纤维张力是纤维缠绕和铺放工艺中重要的控制参数，对制品的性能影响很大。主要表现在：缠绕和纤维铺放张力对复合材料制品机械性能有很大的影响，制品的强度和抗疲劳性能与缠绕和铺放张力有密切关系。张力过大，则纤维磨损增大，从而使制品强度下降；张力过小，制品强度偏低，当承受压力时，变形较大，从而抗疲劳性能越差。若张力波动较大，使各层纤维的初始应力状态不同，不能同时承载，也导致整个制品强度下降。

在缠绕成型过程中，张力除了对机械性能的影响外，还有对制品密实程度和含胶量的影响。由于胶液中有挥发性气体的存在，使制品中产生许多微孔。过多的微孔不仅使制品机械性能下降，而且会使制品气密性变坏。纤维张力是控制和限制孔隙含量的决定性因素之一。同时对复合材料含胶量也有影响。张力增大，含胶量降低。张力波动也使制品内外层胶质含量不均，导致不均匀的应力分布而影响制品性能。

大量实践和研究表明，在缠绕过程中，如果张力选择不当或张力控制不稳定，可使纤维缠绕构件的强度损失20-30％^［7］。

由此可见，性能优良的数控纤维缠绕和铺放系统必须配上精准控制的张力控制器。一个理想的张力控制系统应能保证张力的稳定、可调。

复合材料的缠绕和铺放张力控制系统设计时涉及到比其它张力器设计更多的因素，同时对系统的动态性能也提出了较高的要求。因此，研制具有良好的动静态特性及控制可靠的纤维缠绕和铺放张力控制系统，具有重要的理论意义和实用价值。

1.2 纤维缠绕铺放机的研究现状

1.2.1 张力控制器的发展历程

在纤维缠绕和铺放成型工艺中，对纤维张力进行人工或自动的调整，使张力变化可以得到有效控制的装置为称张力控制系统，简称张力器。随着缠绕机和铺放机的发展，张力器至今大致经历了三个发展时期，即机械式张力器、电控式张力器和计算机控制张力计。

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