一种复合材料拉挤成型工艺参数实时监测装置及方法

技术领域

本发明涉及复合材料拉挤成型工艺技术领域，特别是涉及一种复合材料拉挤成型工艺参数实时监测装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

复合材料与传统材料相比具有比强度、比模量高，耐疲劳、耐腐蚀性能好等优点，被广泛应用于航空航天、汽车、轨道交通、船舶制造、风力发电等领域。复合材料拉挤成型工艺可以进行连续化复合材料成型，延纤维方向上保持了产品最大程度的综合力学性能，由于该工艺所生产产品的纵向力学特性优异、结构效率高、制造成本低、自动化程度较高、产品性能稳定等综合优点，近年来，复合材料拉挤成型工艺成为发展速度迅猛的生产成型工艺。拉挤工艺成型过程中，工艺参数的控制和稳定性决定了制品的质量的稳定和连续性。优化后的拉挤工艺参数应使拉挤过程中温度变化历程得到最佳控制，既使固化度达到要求，残余应力最小，又使能耗最低，固化时间短，生产效率高。而拉挤工艺过程最主要的部件是成型模具，因为材料的成型与固化均发生在模具内。因此，如何监视和获得成型模具内部温度、压力、摩擦力等工艺参数对保证制品的质量及后续工艺优化起到至关重要的作用。

目前，针对复合材料拉挤成型监测与控制的工艺参数主要聚焦在成型模具外的工艺参数上，如牵引张力、牵引速度、胶液粘度等，即使对固化温度的监测也主要采用监测加热器温度的方式，而非监测成型模具内的温度。而拉挤工艺过程中复合材料材料的成型与固化均发生在成型模具内，这些成型模具外的工艺参数易受外部干扰，无法准确反映成型模具内复合材料的固化状态。现阶段对于成型模具内工艺参数的实时监测方法也仅有埋入一次性光纤传感器这一种，但埋入光纤传感器会对复合材料成品质量有影响，并且其是一次性的传感器，在进行大规模生产时成本较高。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种复合材料拉挤成型工艺参数实时监测装置及方法；面向复合材料拉挤工艺监测需求，开发多参量数据采集及分析方法及系统，监测并获得复合材料拉挤工艺成型模具内部温度、压力、摩擦力等影响拉挤工艺的各项指标，为保证制品的质量及后续工艺优化提供了可靠的依据。

第一方面，本发明提供了一种复合材料拉挤成型工艺参数实时监测装置；

一种复合材料拉挤成型工艺参数实时监测装置，包括：

上位机，所述上位机分别与温度传感器、摩擦力传感器和压力传感器连接；所述上位机，被配置为：

通过设置在模具上的温度传感器，获取模具内部的温度数据；

通过设置在模具上的摩擦力传感器，获取模具内部的摩擦力数据；

通过设置在模具上的压力传感器，获取模具内部的压力数据；

所述上位机，对温度数据、摩擦力数据和压力数据进行预处理，并将三种数据进行曲线表示和故障报警。

第二方面，本发明提供了一种复合材料拉挤成型工艺参数实时监测方法；

一种复合材料拉挤成型工艺参数实时监测方法，包括：

通过打孔安装的方式设置在模具内部的温度传感器，获取模具内部的温度数据；

通过设置在模具上的摩擦力传感器，获取模具内部的摩擦力数据；

通过设置在模具固定螺钉位置上的压力传感器，获取模具内部的压力数据；

所述上位机，对温度数据、摩擦力数据和压力数据进行预处理，并将三种数据进行曲线表示和故障报警。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

所设计的复合材料拉挤成型工艺参数实时监测方法及系统能监测成型模具内的工艺参数，相较于成型模具外加热器温度、牵引力、牵引速率等工艺参数，其受外部干扰较小，更加直观反映复合材料的固化状态，更便于对拉挤成型工艺的控制及后续工艺优化。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例一的一种复合材料拉挤成型工艺参数实时监测系统结构图。

图2为本发明实施例一的成型模具温度监测传感器布置方式。

图3为本发明实施例一的成型模具摩擦力监测传感器安装方式。

图4为本发明实施例一的成型模具压力监测传感器安装方式。

图5为本发明实施例一的PT100温度传感器三线制转换电路原理图。

图6(a)和图6(b)为本发明实施例一的用于监测摩擦力的拉力传感器弹性结构示意图和电阻应变片的展开分布图。

图7(a)和图7(b)为本发明实施例一的用于监测摩擦力的拉力传感器X、Y两个方向应变片转换电路结构图。

图8(a)和图8(b)为本发明实施例一的压力传感器结构图。

图9为本发明实施例一的压力传感器转换电路图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实施例所有数据的获取都在符合法律法规和用户同意的基础上，对数据的合法应用。

实施例一

本实施例提供了一种复合材料拉挤成型工艺参数实时监测装置；

如图1所示，一种复合材料拉挤成型工艺参数实时监测装置，包括：

上位机，所述上位机分别与温度传感器、摩擦力传感器和压力传感器连接；所述上位机，被配置为：

通过设置在模具上的温度传感器，获取模具内部的温度数据；

通过设置在模具上的摩擦力传感器，获取模具内部的摩擦力数据；

通过设置在模具上的压力传感器，获取模具内部的压力数据；

所述上位机，对温度数据、摩擦力数据和压力数据进行预处理，并将三种数据进行曲线表示和故障报警。

进一步地，所述温度传感器，包括：热电阻，所述热电阻第一端部通过电阻r1与电源E的正极连接；所述热电阻的第二端部连接第一导线和第二导线，其中，第一导线通过电阻r2与电源U的第一端连接；电源U的第二端通过电阻r4与电源E的正极连接；电源U的第二端通过电阻r5与电源E的负极连接；第二导线通过电阻r3与电阻Rx的第一端连接；电阻Rx的第二端与电源E的负极连接。

温度传感器通过打孔安装的方式安装于模具内部，如附图2所示。拉挤成型工艺的模具内部根据复合材料的固化程度不同分为预热区、凝胶区和固化区，三个区域温度是不同的，所以在三个温区至少各安装一个温度传感器。

进一步地，对模具内复合材料与模具间摩擦力的检测，转换为对模具受到的横向拉力的检测。如图3所示，模具与支架的连接处均安装有摩擦力传感器。

所述摩擦力传感器，包括：X方向应变转换电路和Y方向应变转换电路；其中，X方向与Y方向是同一水平面上相互垂直的两个方向。

摩擦力传感器可以测量X、Y两个方向上的力，通过计算合力可以得到需要测量的沿复合材料牵引方向上的力，即为图3中的力F1-F4。

拉挤生产过程中，模具内复合材料与模具间的摩擦力会导致模具与模具支架间有水平方向力的作用，通过在模具与支架之间安装摩擦力传感器可以测量这个水平作用力。

如图7(a)所示，所述X方向应变转换电路，包括：依次连接的电阻R1、R3、R7和R5；R1与R5连接，其中，R1与R3的连接点与第一输出端U

如图7(b)所示，所述Y方向应变转换电路，包括：依次连接的电阻R2、R4、R8和R6；R2与R6连接，其中，R2与R4的连接点与第二输出端U

其中，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7和R8，这些电阻都是电阻式应变片，都是安装于用于检测模具内摩擦力的拉力传感器内部，拉力传感器的样式图3中已经给出，图6(a)是拉力传感器内部的柱式弹性结构，电阻式应变片R1-R8都是粘贴于柱式弹性结构的外侧面，图6(b)是弹性结构的侧面展开图，图中标出了R1-R8这些电阻式应变片的粘贴方式和位置。

进一步地，如图4所示，复合材料拉挤成型工艺的模具一般为金属，但并不是一个完整的整体，是由两个及以上的部分组装而成。连接方式一般为螺栓连接。拉挤生产平板及类平板形状的复合材料时，模具一般为上下两部分螺栓连接而成。复合材料相应模具组成部分会超过2个。图4即为模具截面图，中间为要生产的复合材料截面图，模具由三个部分螺栓连接而成，图4中画出了三个位置上的螺栓。通过图4中所示的环式压力传感器来测量每个螺栓的应力，从而计算出模具内部压力。

进一步地，所述压力传感器，为轮毂结构；所述轮毂结构，包括：内环和外环，所述内环与外环之间通过四个轮辐连接，所述轮辐为长方体结构，四个轮辐分别设置在轮毂上、下、左和右四个位置上，每个轮辐的一侧贴有电阻式应变片，每个轮辐的另外一侧贴有温度补偿应变片；

设定四个电阻式应变片分别为C1、C2、C3和C4；

设定四个温度补偿应变片分别为T1、T2、T3和T4；

C1与C2相互连接，C3与C4相互连接，T1与T2相互连接，T3与T4相互连接，C1与T2相互连接，C2与T3相互连接，C3与T1相互连接，C4与T4相互连接；C1与T2的连接点与输出端U

应变片在传感器内部，粘贴于传感器内部的弹性结构上，弹性结构在外力作用下会产生形变。本申请中涉及的应变片都是电阻式应变片，在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化。可以得到电阻-形变-应力的对应关系，从而通过应变片电阻值的变化计算应力。这里测压力用到的环式力传感器和测摩擦力用到的拉力传感器内部都有应变片。

温度补偿应变片用于补偿因温度的变化导致的形变对应变片电阻值的影响，主要为了消除温度的干扰。

本发明系统结构如附图1所示，实时监测系统主要包括多参量传感器网络和上位机软件两个部分。

多参量传感器网络包括温度、压力、摩擦力三种传感器及数据采集装置。其中温度、压力、摩擦力传感器安装于拉挤生产线成型模具上，用于监测拉挤成型过程中模具内的温度、压力和摩擦力变化；数据采集装置温度、摩擦力和压力数据进行同步采集，并进行数据通讯，将数据发送给上位机。

温度、压力、摩擦力传感器的安装方式及检测原理如下：

(1)温度传感器。针对模具内部多温区温度监测需求，设计多通道温度传感器，采用模具打孔安装的方式，在关键位置(拉挤成型工艺的模具内部根据复合材料的固化程度不同分为预热区、凝胶区和固化区，三个区域温度是不同的，所以需要在三个温区各安装一个温度传感器。另外，若模具较大，需要在一个温区设置多个温度传感器)安装高精度温度传感器，如附图2所示。温度测量范围0～400℃，安装方式可选择螺装、胶装等方式。

(2)摩擦力传感器。为了监测模具与纤维材料之间的摩擦力，将模具用多个三维力传感器进行支撑固定，从而将摩擦力转化为横向拉力进行监测。通过传感器及数据采集装置，获得生产过程中模具在横向受拉力情况，传感器测量范围0～200kg，传感器安装方式，如附图3所示。

(3)压力传感器。由于模具内部具有高温、填充树脂胶水、压力、摩擦等因素，其内部压力难以直接测量，本方案通过间接测量的方式对模具内部压力进行测量，将模具内部压力转化为螺栓紧固力，在模具固定螺栓处安装环形测力传感器，测量范围0～20kN，如附图4所示，通过多测点压力信息分析，获得模具内部压力信息。

上位机软件是在工控机上开发的数据分析与可视化软件，实现多通道多参量数据的实时采集、曲线显示、参数趋势分析、故障报警、数据存储等功能。

由于复合材料拉挤工艺模具存在温度高且分布不均匀、填充环氧树脂胶水、存在摩擦等因素，需要选择合适的温度、压力和摩擦力传感器，并设计专用的安装工装和传感器网络。

被测模具具有复杂的热力耦合特性，需要对多参量数据融合分析方法进行研究。首先，模具的温度空间分布不均匀，需要对温度数值进行空间和时间融合分析；其次，模具的摩擦力转化为多个承力点的横向拉力，需要综合空间位置、方向和大小对模具的摩擦力进行间接测量；最后，模具的压力转化为螺栓的应力，需要结合螺栓的安装位置、形式、方向等因素，对模具的内部压力进行评价。

根据拉挤工艺模具装置参数测量要求，考虑现场温度补偿和电磁屏蔽需求，开展多参量数据采集放大、滤波、电阻电压转换、数模转换、通讯和中央控制器电路等模块设计，并开发控制器软件代码，实现多参量传感信号的数据转换和采集功能，并将数据发送给上位机。

根据检测需求，基于LabVIEW软件开发平台，设计并开发复合材料拉挤工艺模具状态参量监测应用软件。首先，通过与数据采集装置通讯，获得被测信号原始信息；其次，结合数据分析方法，编写数据处理代码，获得被测模具状态信息；然后，对被测参量进行实时曲线显示，对故障进行报警；最后，对数据进行存储。

下面，详细阐述温度、压力和摩擦力检测的具体实施方式：

(1)温度检测

本实施例采用电阻测温法，采用PT100作为温度敏感元件，将温度信息转化为电阻值的变化，再通过精密转换电路，将电阻值转化为电压值，通过模数转换，最终实现温度值的数字化。PT100温度感测器是一种以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器,属于正电阻系数，它的阻值会随着温度的变化而改变，其输出信号与温度变量之间有一给定的连续函数关系，只要获得PT100的电阻值，即可计算得到当前的温度值。

采用三线制电阻-电压转换电路，原理图如附图5所示，其中Rpt100为电阻式温度传感器PT100。在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用。采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。由于测量热电阻的电路一般是不平衡电桥，热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线(从热电阻到数据采集装置)也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。

(2)摩擦力检测

本实施例首先将摩擦力转化为水平拉力，再采用基于弹性结构的力传感器对该拉力进行监测。用于监测摩擦力的拉力传感器首先将拉力转化为应变值，通过电阻应变敏感元件，将应变值转化为电阻值，再通过转换电路，转化为数字信号，最终实现对拉力的测量。

传感器弹性体底面固定，顶面与被测模具刚性连接，当模具对弹性体施加水平方向的横向拉力(X方向)时，弹性体的左右两侧发生大小相等、方向相反的应变，通过测量该应变，即可获得弹性体所受的拉力大小。同样的道理，可以测量前后方向(Y方向)的拉力。

在实际测量过程中，温度变化和竖直方向的拉压力会对测量结果造成影响，为了消除该误差，分别在测量X方向和Y方向的传感单元粘贴4只应变传感器，如附图6(b)所示，R1、R5、R3、R7用于测量X方向弹性体所受的拉力，R2、R6、R4、R8用于测量Y方向弹性体所受的拉力，其中R1、R2、R3、R4的安装位置在柱面上分别相差90°，通过R1、R3信号差分和R2、R4信号差分可以消除竖直方向拉压力对测量结果的影响，类似的，由于材料泊松比不为0，R5、R7差分和R6、R8差分能够进一步提高系统测量的灵敏度。

图6(b)即为柱面的侧面展开图，R1、R2、R3、R4的安装位置在柱面上分别相差90°就是说R1在R3对面，R2在R4对面。柱面受到水平方向的拉力时会产生形变，形变导致4个电阻式应变片产生不同的电阻变化。R1和R3可用于检测水平方向X上的拉力，R2和R4可用于检测水平方向Y上的拉力。X、Y在同一水平面但相互垂直。

为了将电阻应变值转化为电压信号，本项目设计差分式电桥电路，如附图7(a)和图7(b)所示，通过转换电路，实现电阻差分、温度补偿等功能，输出电压值正比于差分应变值，即正比于横向拉力，实现对横向拉力的信号转换与采集。

图6(a)、图6(b)、图7(a)和图7(b)中应变片R1和R3可用于检测水平方向X上的拉力，应变片R2和R4可用于检测水平方向Y上的拉力，R5、R6、R7、R8为温度补偿应变片。

下面解释X方向上电阻差分和温度补偿的实现方法，Y方向上同理。

需要测量的是水平方向的拉力，竖直方向的应力是干扰因素。柱形弹性结构如附图6(a)所示，其受到水平方向X上的拉力时会产生形变，使得应变片R1和R3产生相反的应变，R1和R3的阻值变化也相反；而弹性结构受到竖直方向的应力时，R1和R3会产生相同的应变，它们的阻值变化也相同。图7(a)电路中将R1和R3串联，在R1和R3产生相同变化时，图中ax点的电压不变，从而消除竖直方向拉压力对测量结果的影响。

检测时，若R1和R3温度不同，他们因温度产生的应变不同，R1和R3的电阻值也会产生不同的变化。若只检测附图7(a)中ax点的电压，温度产生的干扰就会影响最终结果。R1与R5安装位置相近，R3与R7安装位置相近，可以认为应变片R1和R5所处温度相同，应变片R3和R7所处温度相同。若只考虑R1和R3的温度发生变化，ax和ay处电压发生相同变化。但是由于温度补偿应变片R5和R7在柱形弹性结构的侧面为水平安装，如附图6(b)所示，弹性结构在受到水平方向上的拉力时R5和R7不发生形变。也就是说，ax处电压受水平方向X上的拉力和温度影响，ay处电压只受温度影响。因此，ax和ay间电压U

(3)压力检测。

本实施例首先利用螺栓结构将模具内部压力转换为螺栓应力，在通过环式力传感器，对螺栓的应力进行监测，进而实现对模具内部压力的准确测量。螺栓直接穿过该传感器结构，螺栓的预紧力直接施加在环装传感器上。

环装压力传感器也是基于弹性结构的力传感器，其弹性结构如附图8(a)所示，该弹性体为“轮辐式”，由内环、外环和4只轮辐组成，当力作用在轮毂的上端面和轮圈的下端面时，矩形辐条产生平行四边形的变形应变，如附图8(b)所示，测量该应变就可以实现对压力的监测。

为了监测弹性体结构的应变，在四条轮辐上粘贴C1、C2、C3和C4应变片，如附图8(a)所示，该应变片研主应变方向，为了消除温度变化对测量造成的影响，在4条轮辐上增加温度补偿应变片T1、T2、T3和T4。转换电路原理如附图9所示，利用差分电桥结构，一方面，将4只应变测量传感器的电阻值变化转化为电压值Usc的变化，另一方面，利用4只温度补偿传感器，实现对温度变化因素的补偿。

本发明结合拉挤工艺特点和成型模具结构，设计出成型模具内温度、压力、摩擦力多参量检测方案，实现了拉挤工艺生产过程中，成型模具内部工艺参数的实时监测，避免了常规拉挤工艺控制参数受外部干扰大的问题。实时监测到的成型模具内工艺参数，能更好地反映出复合材料的固化状态，为更精确的拉挤工艺控制和后续工艺优化提供了依据。

实施例二

本实施例提供了一种复合材料拉挤成型工艺参数实时监测方法；

一种复合材料拉挤成型工艺参数实时监测方法，包括：

通过打孔安装的方式设置在模具内部的温度传感器，获取模具内部的温度数据；

通过设置在模具上的摩擦力传感器，获取模具内部的摩擦力数据；

通过设置在模具固定螺钉位置上的压力传感器，获取模具内部的压力数据；

所述上位机，对温度数据、摩擦力数据和压力数据进行预处理，并将三种数据进行曲线表示和故障报警。

进一步地，所述通过打孔安装的方式设置在模具内部的温度传感器，获取模具内部的温度数据；具体包括：

PT100阻值随着温度上升而成匀速的增长，但他们之间的关系并不是简单的正比的关系，而趋近于一条抛物线，铂电阻的阻值随温度的变化而变化的计算公式为：

R

R

R

在温度0≤t<850℃时，根据公式(2)求解得到温度值为：

进一步地，所述通过设置在模具上的摩擦力传感器，获取模具内部的摩擦力数据；具体包括：

模具内摩擦力

其中，n为安装于模具和模具支架之间的拉力传感器个数，

其中，系数k

进一步地，所述通过设置在模具固定螺钉位置上的压力传感器，获取模具内部的压力数据；具体包括：

模具内压力

其中，n为安装于模具内连接螺栓上的环式压力传感器个数，

其中，系数k

进一步地，所述对温度数据、摩擦力数据和压力数据进行预处理，并将三种数据进行曲线表示和故障报警；具体包括：

数据显示主要由曲线显示和模型显示两种。曲线显示即以时间为横轴绘制出温度-时间、摩擦力-时间、压力-时间图像；模型显示为在模具的三维模型上对温度、摩擦力和压力分别实时显示，用不同颜色代表不同的温度、摩擦力和压力数值。两种数据显示方式都会随时间不断更新。

在检测结果显示的同时，系统会将计算得到的检测结果和各传感器的原始数据存储，方便后续对拉挤生产工艺的分析和优化。

系统需要预先根据经验和对拉挤工艺的仿真结果设定各个温度传感器的正常温度范围、正常摩擦力范围、正常压力范围，当检测到的温度、摩擦力和压力数据超出正常范围时触发报警。提醒操作人员拉挤成型工艺控制出现了问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。