全自动碳纤维纱线绕纱机设计_周展.pdf

全自动碳纤维纱线绕纱机设计周展（武汉定达慧科技有限公司，湖北武汉430200）摘要：针对大卷碳纤维纱线在卷绕到小纱管的过程中所出现的绕纱不均匀、绕纱过程中毛羽量大、绕纱效率低以及绕线工作量大等问题，提出了一种全自动碳纤维纱线绕线方案。其采用张力机构给纱线提供一定的张力，采用送纱往复机构和卷绕机构相互配合，将碳纤维纱线均匀地卷绕在小纱管上，最后控制系统确保设备全自动运行。该方案极大地减少了碳纤维在卷绕过程中的磨损，并且大大提高了绕纱效率，降低了工人劳动强度。关键词：碳纤维纱线小纱管绕纱机纱管绕纱纱线磨损中图分类号：TS152.7文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0103-03引言近年来，新型纺织复合材料成为了各个行业的研究热点1-2。新型纺织纤维材料作为其基础材料也成为纺织行业的“新宠儿”3-4。碳纤维作为新型纤维材料中极具代表性的一种5，在强度、模量、防腐性能、耐久性和密度上都有着先天的优势，因而已经广泛运用于航空、航天、汽车、运动器械等领域6-7。碳纤维及其织物以其不可取代的战略物资地位已成为军工领域技术密集型和政治敏感的关键材料8。因此，大力发展高端新型纺织纤维产业，实现关键技术和产业的突破，对于提升我国纺织产业核心竞争力、推动产业转型具有重大意义。各类采用筒子架送经的织造设备在使用前，都需要将大卷的成品高质量纱线均匀缠绕在一定规格的纱管上，其纱线数量多，绕纱工作量大。因此，必须借助绕纱机将纱线规则地缠绕在某一预定大小的纱管上，再将绕好的纱管安装在纺织机的筒子架上使用。目前，国内外的纱管绕纱机较多，大多数是用于配合棉纱、涤纶、锦纶等普通纤维，其所针对的纱管长度为 80200 mm，纱管直径为 3555 mm，形状一般为锥形9。但由于碳纤维材料在卷绕过程中所需的屈曲半径较大，纤维本身不耐磨，因此采用传统的绕纱机不能满足这些特殊纤维的绕纱工作。本文设计了一种新型的碳纤维纱线绕纱机，该绕纱机可针对碳纤维、石英玻璃纤维等易磨损的特殊纤维进行绕纱，其绕纱均匀、绕纱过程中毛羽量小，解决了这些特殊纤维在绕纱过程中所出现的问题，极大地提高了生产效率，具有重要的意义。1全自动碳纤维纱线绕纱机的工作原理绕纱机工作原理如图 1 所示，大卷的成品高质量碳纤维 1，通过往复丝杆套件 3 等螺距地卷绕到直筒纱管上，得到可供织机使用的成卷碳纤维筒纱。卷绕过程中碳纤维纱线 5 通过张力器 2 提供持续不变的张力，使碳纤维纱线可以均匀地分布在直筒纱管上。本设备主要优势在于纱线 5 从大卷碳纤维分绕到直管纱筒 4 的工程中，经过的磨损点较少，屈曲半径较大，可以大大减少碳纤维纱线的磨损率和起毛率。2全自动碳纤维绕纱机的方案设计全自动碳纤维纱线绕纱机的主要功能是将大卷的碳纤维纱线卷绕到外径 50 mm、长度 250 mm的直筒纸管上，碳纤维纱线在距纱管端部 30 mm 为卷绕起始位置，距纱管尾部 30 mm 为终点位置，在中间区域连续往复卷绕直至设定的碳纤维纱线卷绕长度，纱管尺寸如下页图 2 所示。传统纱管一般两端直径不一致，方便轴向出纱（见图 2-1）。用于卷绕碳纤维纱线的直管纱筒，两端直径一致，方便径向出纱，以减少出纱时的纱线扭曲度及纱线磨损率（见图 2-2）。本次设计的全自动碳纤维纱线绕纱机主要由 5个部分组成，包括机架、纱线张力机构、送纱往复机构、纱管卷绕机构、控制系统。整机结构如下页图 3 所示，其中机架为设备的支撑固定基础。2.1纱线张力机构设计纱线张力机构主要用于确保纱线在卷绕的过程中张力恒定，易出纱线。如图 4 所示，大卷碳纤维纱线放置在纱管座上，碳纤维纱线分别通过导纱杆、纱线张力器、纱线检测传感器、往复送纱机构，最后将端部固定在纱管卷绕机构上的空纱管上。导纱杆的作用是收稿日期：2022-12-14作者简介：周展（1987），男，湖北随州人，硕士，中级机械工程师，主要从事机械设备研发工作，研究方向为三维织物复合材料相关设备研发。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.039图 1全自动碳纤维纱线绕纱机工作原理12345结构设计机械管理开发第 38 卷将碳纤维纱线导向所需的方向，纱线张力器用于为碳纤维纱线提供一定的张力，纱线检测传感器的作用则是用于检测纱线的有无。2.2送纱往复机构设计送纱往复机构用于控制纱线在一定的区域内往复直线运动。如图 5 所示，其主要采用一个单相调速电机通过联轴器与往复丝杆进行连接，丝杆螺母通过导纱连接件与直线导轨连接。往复丝杆与直线导轨用于保证导纱连接件在一定的行程区域往复直线运动，单相调速电机用于提供驱动力，并且调节转速与方向。2.3纱管卷绕机构设计纱管卷绕机构用于保证纱线均匀地缠绕在纱管上，并通过磁性开关传感器对卷绕圈数进行计数。如图 6 所示，直筒空纱管置于纱管固定装置中，纱管固定装置由两部分组成，一端固定，另一端活动。固定端通过联轴器与另外一个单相调速电机连接，活动端通过调节杆与弹簧自适应纱管连接，并提供一定的预紧力压住空纱管。单相调速电机用于提供空纱管的卷绕驱动力，同时可以调节卷绕速度与方向。2.4控制系统设计控制系统是保证绕纱机按照设定参数和流程运转的核心，如图 7 所示，该机主要采用单片机作为控制器，检测传感器、色标传感器、原点开关、磁性开关等用于检测所需的信号，并实时反馈给单片机，用于控制设备的启停。该系统具有断纱自动停机、记忆保留纱线的功能，同时绕纱速度可任意调整，采用电子显示计数，便于生产管理控制，提高生产效率。3绕纱机的工艺流程分析本设备的绕纱工艺流程如下页图8所示，具体如下：1）准备工作：首先将碳纤维纱线依次通过纱线张力机构、送纱往复机构，然后将空纱管置于纱管卷绕机构中，最后将碳纤维纱线粘贴在空纱管端部。2）设备运行：准备工作完成后，单击启动按钮，送纱往复机构与纱管卷绕机构自动回原点，位于纱线张力机构中的纱线检测传感器会检测纱线有无，色标传感器用于检测是否放置空纱管，如果检测到异常状况，则设备作报警处理。如果无异常，设备按照设定的转速开始卷绕，当达到设定的卷绕圈数时，设备停止运转。3）结束工作：绕纱工作完成后，剪断纱线，一端粘在满纱管的端部，并取走满纱管；另外一端预留准备粘贴在下一个空纱管端部。2-1传统纱管2-2直管纱管图 2纱管尺寸（单位：mm）1机架；2纱线张力机构；3送纱往复机构；4纱管卷绕机构图 3全自动碳纤维纱线绕纱机图 4纱线张力机构1单相调速电机；2联轴器；3往复丝杆；4丝杆螺母；5直线导轨图 5送纱往复机构1单相调速电机；2联轴器；3固定端；4纱筒；5活动端图 6纱管卷绕机构图 7绕纱机控制原理18050382505012341234512345判断是否断纱控制器原点开关色标传感器判断是否回原故障反馈计数器磁性传感器计数反馈控制接触器的吸合与自锁控制电机的启停接触器控制电机的启停电机2电机11042023 年第 2 期4绕纱试验与纱线磨损率分析为了检验该碳纤维绕纱机的绕纱效果，制作了一台样机，并进行了 10 组连续绕纱试验，每组绕纱 500个。采用的大卷碳纤维纱线型号为由日本东丽提供的T700SC-12000-50C；所绕的纱管长度为 250 mm，外径为 50 mm；所绕纱线的圈数为 300 圈，长度约 50 m。经过测量，绕纱启停位置分别距离端部 30 mm，所绕纱线均匀，其绕纱效果如图 9 所示。通过人工挑选出每组中纱线起毛的纱筒计数并计算纱线磨损率，其结果见表 1，在试验的 10 组样品中，每组的纱线磨损率均低于 1.5%，平均磨损率可达0.84%。纱线磨损率较小在可控范围内，满足设计要求。5结论为了解决各大高校及研究所对碳纤维纱线卷绕的问题，同时避免在人工卷绕过程中张力不均和对碳纤维纱线磨损较大的问题，本文对新型碳纤维纱线绕纱机分别进行了机械结构设计与控制系统设计，并生产了一台样机。经过在样机上的多次分组试验验证，表明新型的纱管绕纱机不仅能有效解决碳纤维纱线在绕纱过程中造成的磨损较大问题，还能应用于石英玻璃纤维、高分子量聚乙烯、普通棉纱等特殊与普通纤维。该绕纱机作为样机结构合理、绕纱稳定，能很好地完成碳纤维纱线织造前的绕纱准备工作，但作为标准产品机，仍需在绕纱效率、结构、外观上进一步优化与完善。参考文献1王犇.复合材料的应用与展望J.中国新技术新产品，2018（6）：40.2代彦彦，张国利.现代纺织复合材料概述J.纺织科技进展，2020（4）：1.3闵雯，吴杏梅，张颖欣，等.织物用新型纤维的研究现状及发展趋势J.轻纺工业与技术，2019，48（8）：57.4关奇功.浅析新型纺织纤维材料种类以及发展方向J.山东工业技术，2015（22）：40.5张健，揣雪冰.碳纤维的发展及其应用现状J.化工管理，2017（23）：60.6毛海峰.航空复合材料：关键技术成最大软肋N.经济参考报，2010-11-16（005）.7黄纯可，余乐铭，刘杨生，等.汽车轻量化用碳纤维复合材料国内外应用现状J.时代汽车，2022（3）：21.8杨建恒，侯建荣，韩笑.国产碳纤维织物织造工艺技术探讨J.高科技纤维与应用，2012，37（4）：35.9胡玉才.国内外新型自动络筒机发展综述J.现代纺织技术，2014，22（3）：52.（编辑：李俊慧）图 8绕纱工艺流程图 9绕纱效果试验组序号试验样品数纱线磨损个数纱线磨损率/%150051250071.4350040.8450061.2550030.6650030.6750020.4850040.8950030.61050051表 1纱线样品磨损率设备上电穿纱工作放置空纱管纱线端部固定设备启动状态检测开始卷绕断纱检测纱线往复电机停止纱管卷绕电机停止计数检测纱线往复电机运转纱管卷绕电机运转卷绕结束剪断纱线固定纱线端部取走纱管Design and Research of an Automatic Carbon Fiber Bobbin Winding MachineZhou Zhan（Wuhan Dingdahui Technology Co.,Ltd.,Wuhan Hubei 430200）Abstract:In this paper,a fully automatic carbon fiber yarn winding scheme is proposed in view of the uneven winding of large carbon fiberyarn,the large amount of hairiness in the process of winding,the low winding efficiency and the large winding workload.First,the tensionmechanism is used to provide a certain tension to the yarn,and then the yarn feeding reciprocating mechanism and the winding mechanismare used to cooperate with each other to evenly wind the carbon fiber yarn on the small yarn tube,and finally the control system ensuresthe automatic operation of the equipment.This scheme greatly reduces the wear of carbon fiber in the winding process,and greatly improvesthe winding efficiency and reduces the labor intensity of work