一種碳纖維預浸料表面自動鋪貼光纖傳感器的裝置和方法
【專利摘要】本發明提出了一種碳纖維預浸料表面自動鋪貼光纖傳感器的裝置和方法，包括機械臂和控制系統；將光纖放入進給輪對通過進給輪對開始光纖預設路徑的鋪設，光纖由進給輪對慢慢帶入，進入張緊輪；光纖通過張緊輪，順利進入預應力施加輪的內固定軸輪凹槽；光纖經過內固定軸輪凹槽對齊預定的鋪設路徑；熱源模塊的聚酰亞胺加熱膜薄型發熱片加熱一段時間后，使即將鋪設的光纖局部碳纖維預浸料表面的粘性增加，光纖經過后壓滾輪最后的壓實作用使光纖傳感器鋪設在光纖局部碳纖維預浸料表面上。本發明提出了一種碳纖維預浸料表面自動鋪貼光纖傳感器的裝置和方法，克服了手工鋪設光纖傳感器可能導致應力不均勻的方法，做到了鋪設高效，光學傳輸性能不受影響，鋪設準確和牢固，裝置結構簡單，降低成本，適用于復雜多變的鋪設路徑。
【專利說明】
一種碳纖維預浸料表面自動鋪貼光纖傳感器的裝置和方法
技術領域
[0001]本發明涉及光纖傳感器鋪貼領域，特別涉及一種碳纖維預浸料表面自動鋪貼光纖傳感器的裝置和方法。
【背景技術】
[0002]光纖是由石英拉成的細絲，直徑為15μπι?50μπι，因而及其脆弱和易折斷，所以多數光纖在使用前必須由幾層保護結構包覆，包覆后的纜線即被稱為光纜。由于光纖能夠感受周圍環境溫度和應變的變化，故在很多場合采用光纜進行測溫或測應變。
[0003]碳纖維預浸料具有一定的粘性，粘性是指在一定溫度下自身互相粘貼的能力，同一片預浸料，溫度低可能失去粘性，溫度高又有粘性，溫度相差大約5°C，粘性就會有明顯變化。對于粘性失去時間不長的預浸料，稍許提高溫度，粘性得以改善，能實現部件的鋪貼工藝，試驗表明對其力學性能沒有太大影響。粘性不宜太大，以便于鋪層有誤時可以分開重新進行鋪貼而預浸料又不至于被損壞;粘性也不能太小，以使得在工作溫度下兩塊預浸料能粘貼在一起不至于分開。
[0004]現有的熱源模塊多采用紅外探頭，紫外探頭或激光探頭，價格普遍偏高，再者紅外探頭、紫外探頭或紅外探頭的長時間照射，可能會改變碳纖維預浸料的物理性質，聚酰亞胺加熱膜薄型發熱片的使用，基本上避免了上述情況的發生。
[0005]現有的光纖鋪設方式多采用手動方式且鋪設路徑局限性大，效率極低，而且不均勻的預應力可能導致對分辨率有嚴格限制的分布式受激布里淵光纖解調系統不能正常工作，從而失去鋪設光纖傳感器的意義。
【發明內容】
[0006]為了解決上述技術中現有的不足，本發明提供了一種碳纖維預浸料表面自動鋪貼光纖傳感器的裝置，包括機械臂和控制系統；其特征在于:控制系統上設有終端執行器，控制系統設置于機械臂的起始位置上;機械臂由若干個滾輪支架和旋轉軸組成，若干個滾輪支架通過旋轉軸連接在一起;滾輪支架上分別設有進給輪、張緊輪、熱源模塊、預應力施加輪和后壓輪;進給輪、張緊輪、熱源模塊、預應力施加輪和后壓輪從上到下依次排列在機械臂的滾輪支架上。
[0007]進一步，所述張緊輪設有Z型桿，并可上下伸縮，Z型桿設有調高旋鈕和角度調節旋鈕，Z型桿的末端與滾輪支架的旋轉軸處連接，連接處并聯連接角度調節旋鈕。保持張力恒定的同時可以緩沖張力的劇烈突變。
[0008]進一步，所述熱源模塊由熱良導體材料制成的半圓型瓦罩、聚酰亞胺加熱膜薄型發熱片組成;所述預應力施加輪由小滾輪、外滑動軸套凹槽、外滑動軸套、滾珠、內固定軸輪凹槽和內固定軸輪組成;所述后壓輪由外輪、輪蓋、方形砝碼和扇形輪轂組成。根據實際情況適當放置方形砝碼，避免因重量不夠，出現壓不實的現象發生，扇形輪轂放置在外輪的輪槽中，并可轉動，但由于其自身重量和結構原因，將一直處在外輪輪槽的最低端，使整個輪子結構重心位置保持不變。相對于熱源為紅外，紫外和激光等，聚酰亞胺加熱膜薄型發熱片經濟有效。
[0009]進一步，所述預應力施加輪，內固定軸輪連接在滾輪支架上，并可小幅度的水平轉動，外滑動軸套設于內固定軸輪的兩邊，內固定軸輪的中心處帶有半圓凹槽，小滾輪位于內固定軸輪最下端的內固定軸輪凹槽內，小滾輪最低點與外滑動軸套的最低點位于同一條直線上，最終的預應力的施加由小滾輪完成。
[0010]進一步，所述預應力施加輪的轉角處設有拉線位移傳感器，拉線位移傳感器與旋轉軸連接。
[0011]進一步，所述旋轉軸設有旋轉電位器和步進電機，旋轉電位器設置于步進電機前方。
[0012]進一步，所述碳纖維預浸料為一層單向碳纖維預浸料，其依附在光纖上;所述光纖傳感器為布拉格光柵或分布式光纖;所述控制系統的編程語言是VAL語言。用VAL語言程序編寫了光纖的鋪設路徑，VAL語言命令簡單、清晰易懂，描述機器人作業動作及與上位機的通信均較方便，實時功能強。由此實現鋪設裝置的自動功能，省去人工操作的麻煩，效率高。終端執行器由此控制著滾輪支架按預設路徑行進。
[0013]—種碳纖維預浸料表面自動鋪貼光纖傳感器的方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0014]A)將光纖放入進給輪對通過進給輪對開始光纖預設路徑的鋪設，光纖由進給輪對慢慢帶入，進入張緊輪；
[0015]B)光纖通過張緊輪，順利進入預應力施加輪的內固定軸輪凹槽；
[0016]C)光纖進入預應力施加輪的內固定軸輪凹槽，光纖經過內固定軸輪凹槽對齊預定的鋪設路徑；
[0017]D)熱源模塊的聚酰亞胺加熱膜薄型發熱片加熱一段時間后，使即將鋪設的光纖局部碳纖維預浸料表面的粘性增加，光纖經過后壓滾輪最后的壓實作用使光纖傳感器鋪設在光纖局部碳纖維預浸料表面上。
[0018]其中，所述預應力施加輪的轉角處的拉線位移傳感器，用以測量預應力施加輪的偏轉角，通過閉環控制系統，反饋給各個滾輪支架連接處的旋轉電位器，旋轉電位器將接受的位置改變信號轉變為電壓信號，最終經過壓頻轉換器轉換為脈沖信號傳給步進電機，步進電機根據接受的脈沖數轉動相應的角度，旋轉軸轉動，滾輪支架實現擴張或收縮，因此使鋪設光纖傳感器路徑實現多樣化，并不局限于簡單的直線狀態，可以實現精確的曲線路徑鋪設。
[0019]本發明與現有技術相比具有以下有益效果:
[0020]本發明的一種碳纖維預浸料表面自動鋪貼光纖傳感器的裝置克服了手工鋪設光纖可能導致應力不均勻的方法，做到了鋪設高效，光學傳輸性能不受影響。熱源模塊選用的聚酰亞胺加熱膜薄型發熱片，相比于紅外探頭，紫外探頭或激光探頭等經濟又適用，制造成本大大降低。可伸縮式的滾輪支架，使裝置變得靈活精巧，更好的適用于復雜多變的鋪設路徑。后壓滾輪的利用，確保了光纖鋪設的準確性和鋪貼的牢固性。
【附圖說明】
[0021]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0022]圖1為本發明的立體結構不意圖；
[0023]圖2為圖1所示碳纖維預浸料表面自動鋪貼光纖傳感器的裝置的旋轉軸內部立體結構示意圖；
[0024]圖3為圖1所示碳纖維預浸料表面自動鋪貼光纖傳感器的裝置的Z型桿結構示意圖；
[0025]圖4為圖1所示碳纖維預浸料表面自動鋪貼光纖傳感器的裝置的預應力施加輪結構示意圖；
[0026]圖5為圖4所示A局部放大圖；
[0027]圖6為圖1所示碳纖維預浸料表面自動鋪貼光纖傳感器的裝置的后壓輪結構結構示意圖；
[0028]圖7為曲線路徑鋪貼光纖傳感器原理圖；
[0029]附圖中:1_控制系統，11-終端執行器，2-機械臂，3-滾輪支架，42-旋轉軸，421-旋轉電位器，422-步進電機，5-進給輪，6-張緊輪，61-Z型桿，611-調高旋鈕，612-角度調節旋鈕，7-熱源模塊，8-預應力施加輪，81-外滑動軸套，82-內固定軸輪，83-滾珠，84-外滑動軸套凹槽，85-內固定軸輪凹槽，86-小滾輪，88-拉線位移傳感器，9-后壓輪，91-輪蓋，92-方形砝碼，93-扇形輪轂，94-外輪，10-光纖。
【具體實施方式】
[0030]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。
[0031 ]如圖1至6所示，一種碳纖維預浸料表面自動鋪貼光纖傳感器的裝置，包括機械臂2和控制系統I;控制系統I上設有終端執行器11，控制系統I設置于機械臂2的起始位置上;機械臂2由若干個滾輪支架3和旋轉軸42組成，若干個滾輪支架3通過旋轉軸42連接在一起;滾輪支架3上分別設有進給輪5、張緊輪6、熱源模塊7、預應力施加輪8和后壓輪9;進給輪5、張緊輪6、熱源模塊7、預應力施加輪8和后壓輪9從上到下依次排列在機械臂2的滾輪支架3上。
[0032]張緊輪6設有Z型桿61，并可上下伸縮，Z型桿61設有調高旋鈕611和角度調節旋鈕612，Z型桿61的末端與滾輪支架3的旋轉軸42處連接，連接處并聯連接角度調節旋鈕612。
[0033]熱源模塊7由熱良導體材料制成的半圓型瓦罩、聚酰亞胺加熱膜薄型發熱片組成；預應力施加輪8由小滾輪86、外滑動軸套凹槽84、外滑動軸套81、滾珠83、內固定軸輪凹槽85和內固定軸輪82組成;后壓輪9由外輪94、輪蓋91、方形砝碼92和扇形輪轂93組成。
[0034]預應力施加輪8的轉角處設有拉線位移傳感器88，拉線位移傳感器88與旋轉軸42連接。
[0035]旋轉軸42設有旋轉電位器421和步進電機422，旋轉電位器421設置于步進電機422前方。
[0036]碳纖維預浸料為一層單向碳纖維預浸料，其依附在光纖10上;光纖傳感器為布拉格光柵或分布式光纖;控制系統I的編程語言是VAL語言。
[0037]—種碳纖維預浸料表面自動鋪貼光纖傳感器的方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0038]A)將光纖10放入進給輪對5通過進給輪對5開始光纖10預設路徑的鋪設，光纖10由進給輪對5慢慢帶入，進入張緊輪6;
[0039]B)光纖10通過張緊輪6，順利進入預應力施加輪8的內固定軸輪凹槽85;
[0040]C)光纖10進入預應力施加輪8的內固定軸輪凹槽85，光纖10經過內固定軸輪凹槽85對齊預定的鋪設路徑；
[0041]D)熱源模塊7的聚酰亞胺加熱膜薄型發熱片加熱一段時間后，使即將鋪設的光纖10局部碳纖維預浸料表面的粘性增加，光纖10經過后壓滾輪9最后的壓實作用使光纖傳感器鋪設在光纖10局部碳纖維預浸料表面上。
[0042]預應力施加輪8的轉角處的拉線位移傳感器88，用以測量預應力施加輪8的偏轉角，通過閉環控制系統，反饋給各個滾輪支架3連接處的旋轉電位器421，旋轉電位器421將接受的位置改變信號轉變為電壓信號，最終經過壓頻轉換器轉換為脈沖信號傳給步進電機422，步進電機422根據接受的脈沖數轉動相應的角度，旋轉軸42轉動，滾輪支架3實現擴張或收縮，因此使鋪設光纖傳感器路徑實現多樣化，并不局限于簡單的直線狀態，可以實現精確的曲線路徑鋪設。
[0043]曲線路徑鋪貼實施例:
[0044]如圖1和7所示，先將事先寫好的程序文件放入軟件ADAMS內進行仿真，以獲得滾輪支架3在曲線路徑時的每個旋轉軸42的彎折度數，將此參數再寫入路徑程序文件，最終寫入控制系統I。將滾輪支架3調到離鋪設路徑的起始位置30mm遠的地方，以便滾輪支架3上的旋轉電位器421及時收集信息。打開熱源模塊7開始供熱，當滾輪支架3行進至接近曲線拐彎處時，預應力施加輪8處的拉線位移傳感器88檢測到預應力施加輪8偏轉，拉線位移傳感器88將角度偏轉信息傳遞給控制電路，控制電路通過閉環控制，將此信息反饋給旋轉軸42內的旋轉電位器421，旋轉電位器421將此位置信號轉換為電壓信號傳給壓頻轉換器，壓頻轉換器根據控制系統中旋轉軸42處的彎折角度轉換為相應的脈沖數傳給步進電機422，進而使旋轉軸42轉動相對應的角度，滾輪支架3的總體長度縮短，結構變得更加緊湊。此時，需要根據實際情況手動調節張緊輪6的伸縮高度和旋轉角度，以保持合適的張力，避免光纖擺動，開始曲線路徑的鋪設。滾輪支架3收縮后預應力施加輪8處的拉線位移傳感器88不再作用，滾輪支架3將一直保持收縮后的狀態，直到鋪設路徑結束。觀察光纖是否有翹起現象發生，若有，在滿足鋪設要求的前提下，通過OTDR(光時域反射儀)對光纖測試的曲線分析，選擇對曲線斜率影響最小的滾輪壓力;若無，同樣也用OTDR對光纖進行測試曲線的分析，避免因滾輪壓力過大造成光纖測量精度的嚴重缺失。
[0045]以上的【具體實施方式】，對本發明的目的，技術方案和有益效果進行了進一步的祥細說明，所應理解的是以上所述僅為本發明的【具體實施方式】而已，并不用于限定本發明的保護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改，等同替換，改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種碳纖維預浸料表面自動鋪貼光纖傳感器的裝置，包括機械臂和控制系統；其特 征在于:控制系統上設有終端執行器，控制系統設置于機械臂的起始位置上;機械臂由若干 個滾輪支架和旋轉軸組成，若干個滾輪支架通過旋轉軸連接在一起;滾輪支架上分別設有 進給輪、張緊輪、熱源模塊、預應力施加輪和后壓輪;進給輪、張緊輪、熱源模塊、預應力施加 輪和后壓輪從上到下依次排列在機械臂的滾輪支架上。2.如權利要求1所述一種碳纖維預浸料表面自動鋪貼光纖傳感器的裝置，其特征在于: 所述張緊輪設有Z型桿，并可上下伸縮，Z型桿設有調高旋鈕和角度調節旋鈕，Z型桿的末端 與滾輪支架的旋轉軸處連接，連接處并聯連接角度調節旋鈕。3.如權利要求1所述一種碳纖維預浸料表面自動鋪貼光纖傳感器的裝置，其特征在于: 所述熱源模塊由熱良導體材料制成的半圓型瓦罩、聚酰亞胺加熱膜薄型發熱片組成;所述 預應力施加輪由小滾輪、外滑動軸套凹槽、外滑動軸套、滾珠、內固定軸輪凹槽和內固定軸 輪組成;所述后壓輪由外輪、輪蓋、方形砝碼和扇形輪轂組成。4.如權利要求3所述一種碳纖維預浸料表面自動鋪貼光纖傳感器的裝置，其特征在于: 所述預應力施加輪，內固定軸輪連接在滾輪支架上，并可小幅度的水平轉動，外滑動軸套設 于內固定軸輪的兩邊，內固定軸輪的中心處帶有半圓凹槽，小滾輪位于內固定軸輪最下端 的內固定軸輪凹槽內，小滾輪最低點與外滑動軸套的最低點位于同一條直線上。5.如權利要求4所述一種碳纖維預浸料表面自動鋪貼光纖傳感器的裝置，其特征在于: 所述預應力施加輪的轉角處設有拉線位移傳感器，拉線位移傳感器與旋轉軸連接。6.如權利要求5所述一種碳纖維預浸料表面自動鋪貼光纖傳感器的裝置，其特征在于: 所述旋轉軸設有旋轉電位器和步進電機，旋轉電位器設置于步進電機前方。7.如權利要求1所述一種碳纖維預浸料表面自動鋪貼光纖傳感器的裝置，其特征在于: 所述碳纖維預浸料為一層單向碳纖維預浸料，其依附在光纖上;所述光纖傳感器為布拉格 光柵或分布式光纖;所述控制系統的編程語言是VAL語言。8.—種碳纖維預浸料表面自動鋪貼光纖傳感器的方法，其特征在于，包括以下步驟:A)將光纖放入進給輪對通過進給輪對開始光纖預設路徑的鋪設，光纖由進給輪對慢慢 帶入，進入張緊輪；B)光纖通過張緊輪，順利進入預應力施加輪的內固定軸輪凹槽；C)光纖進入預應力施加輪的內固定軸輪凹槽，光纖經過內固定軸輪凹槽對齊預定的鋪 設路徑；D)熱源模塊的聚酰亞胺加熱膜薄型發熱片加熱一段時間后，使即將鋪設的光纖局部碳 纖維預浸料表面的粘性增加，光纖經過后壓滾輪最后的壓實作用使光纖傳感器鋪設在光纖 局部碳纖維預浸料表面上。9.如權利要求8所述一種碳纖維預浸料表面自動鋪貼光纖傳感器的方法，其特征在于: 所述預應力施加輪的轉角處的拉線位移傳感器，用以測量預應力施加輪的偏轉角，通過閉 環控制系統，反饋給各個滾輪支架連接處的旋轉電位器，旋轉電位器將接受的位置改變信 號轉變為電壓信號，最終經過壓頻轉換器轉換為脈沖信號傳給步進電機，步進電機根據接 受的脈沖數轉動相應的角度，旋轉軸轉動，滾輪支架實現擴張或收縮，因此使鋪設光纖傳感 器路徑實現多樣化，并不局限于簡單的直線狀態，可以實現精確的曲線路徑鋪設。
【文檔編號】B29C70/56GK106079477SQ201610383135
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月31日 公開號201610383135.X, CN 106079477 A, CN 106079477A, CN 201610383135, CN-A-106079477, CN106079477 A, CN106079477A, CN201610383135, CN201610383135.X
【發明人】朱萍玉, 孫孝鵬, 張文力, 李永敬, 楊志超, 施維
【申請人】廣州大學