碳纤维复合材料具有轻质、高强度、抗疲劳、耐腐蚀、导电导热以及膨胀系数小等一系列优点，广泛应用于航空航天制造领域［１］。随着复合材料使用的日益广泛，出现了多种高效率低成本的制造方法，如纤维铺放成型技术（ＦＰ）、树脂传递塑模技术（ＲＴＭ）、自动缠绕技术等［２－７］。其中，自动纤维丝束铺放技术（ＡＦＰ）是一种最重要的先进树脂基复合材料自动化成型技术，具有自动化程度高、能成型形状复杂的曲面结构件等优势，应用广泛［８］。其简要制作过程是将复合纤维丝束带一层一层地铺放在芯模表面，经过若干层的铺放，构件达到一定厚度，再经过热压处理即可得到复合材料零件［９］，ＥｌｅｃｔｒｏＩｍｐａｃｔ、Ｉｎｇｅｒ－ｓｏｌｌ、ＭＡＧＣｉｎｃｉｎｎａｔｉ等公司已经制造出自动纤维铺放机床［１０－１１］。但是，目前国内针对自动铺丝机的研究尚处于起步阶段，主要的研究方向集中在铺放工艺以及机床结构设计方面，如南京航空航天大学和哈尔滨工业大学已经建立了试验用的自动纤维铺放的原型机［１２－１４］，而针对铺丝过程检测的研究还不够充分。在碳纤维丝束带铺放过程中，每一个铺放行程完成后或者在丝束铺放过程中出现问题时，都需要对碳纤维丝束带进行剪断操作，然后才能开始下一个行程的铺放。随着在碳纤维丝束带铺放过程中剪断刀具磨损的增加，以及在剪断过程中纤维丝束带状态、位置等因素的随机波动，都可能造成碳纤维丝束带剪断不彻底的情况（类似于藕断丝连），这样会使铺丝机的铺丝头强行拉断残余的碳纤维丝束，从而导致设备故障，甚至不得不打开铺丝头，停机进行维护，严重影响铺放效率和质量。因此，碳纤维丝束带的剪断检测对铺放成型设备的正常运行至关重要，需要在每次执行剪断操作时同步进行剪断检测，如若发现剪断不彻底的情况，则需要再次驱动剪断机构对丝束带进行剪切。在碳纤维丝束带剪断过程中，需要同时剪断１～２万条碳纤维丝，而操作结束后没有剪断的碳纤维丝往往只有几根（甚至只有一根），直径只有数微米，采用计算机视觉或光探测等常规检测的方法很难发现没有被完全剪断的碳纤维丝。同时，在铺丝头的内部，其结构空间十分狭小，尺寸稍大的探测设备均无法应用。因此，需要针对碳纤维丝束带的剪断状态检测开发出一种新的方法。为了解决极细的碳纤维无法被识别的情况，本文提出了一种通过电信号检测碳纤维剪断状态的方法。由于碳纤维丝束带具有良好的导电性，可以在丝束带两端的导轮处连接检测电路，通过测量待剪断丝束带间的电压幅值变化，从而识别碳纤维丝束带是否完全剪断。
１丝束带剪断状态检测方法
１．１检测装置设计
在执行剪断操作之前，需要将两个带电极的导轮与待剪断碳纤维丝束带相接触，将其两端压紧，然后执行剪断操作，剪断刀具位于两个导轮之间，剪断检测的装置中包括检测电路以及数据采集卡，检测装置的简图如图１所示。在执行剪断检测的过程中，只需要将连接检测电路以及数据采集卡的导线接入铺丝头结构，就可以实现在狭小空间内的检测。
１．２检测电路设计
碳纤维丝束带可以等效为一个可变电阻Ｒ，通过实验测量，当丝束带完整连接时，每２００ｍｍ长度的电阻值约为１０Ω，当丝束带仅剩一丝连接时，其电阻变为５００Ω。进行剪断操作时，首先通过导轮压紧碳纤维丝束带，将两端固定，然后驱动剪断刀具进行剪断操作。在剪断过程中将两导轮作为电极，将丝束带与检测电路相连，检测电路中包括１个１２Ｖ稳压电源、３个分压电阻以及２个限流电阻，分压电阻以及分流电阻的作用是降低可能产生在铺丝头结构中的电压电流，具体的检测电路如图２所示。通过数据采集卡获取碳纤维丝束带两端的电压值，从而判断碳纤维丝束带是否完全剪断。碳纤维丝束带可以等效为１０Ω到无穷大的可变电阻Ｒ，两端的电压ＵＣ与电流ＩＣ为在图１电路中，３个分压电阻均为１ｋΩ，２个限流电阻为２０ｋΩ，代入Ｒ１～Ｒ５，当碳纤维丝束带电阻Ｒ在１０～５００Ω变化时，其两端的理论电压ＵＣ以及电流ＩＣ变化如图３所示。在图３中，当电阻Ｒ在１０～５００Ω范围内变化时，其两端电压逐渐增加，通过的电流逐渐减小。当碳纤维丝束带完全连接时，其两端电压为０．９８３４ｍＶ，通过碳纤维丝束带的电流为９８．３４μＡ；当丝束带仅剩一丝连接时，其电阻为５００Ω，其两端电压为４８．５８ｍＶ，通过碳纤维丝束带的电流为９７．１７μＡ；当碳纤维丝束带完全剪断时，其等效电阻为无穷大，根据式（１）、式（２）可得其两端电压为４Ｖ，相对于４８．５８ｍＶ的电压有明显增加，通过碳纤维丝束带的电流为０Ａ。无论碳纤维丝束带通断，电路中的电流都很小，因此不会对铺丝头产生不良影响。
２电压信号的采集与处理
２．１电压信号的采集
在铺丝头进行剪断操作期间，通过数据采集卡采集待剪断碳纤维丝束带两端电压信号，设置采样数为１０００，采集时间为１ｓ。当碳纤维丝束带完全被剪断时，采集得到的信号如图４所示，当碳纤维丝束带未被完全剪断，仅剩一丝连接时，采集得到的信号如图５所示。
２．２电压信号的处理
当碳纤维丝束带完全剪断时，获得的信号如图４所示。从采集的信号中可以看出，在大约０．１４ｓ时进行剪断操作，此时碳纤维丝束带两端电压有一个明显的跃升，此后两端电压幅值保持在４Ｖ不变。当碳纤维丝束带未被完全剪断时，获得的信号如图５所示，在大约０．２ｓ时进行剪断操作，此时碳纤维丝束带两端电压有小幅变化，与完全剪断时的幅值相比，其幅值的变化很小。为了识别出碳纤维丝束带是否被完全剪断，需要分析采集到的电压信号幅值，但是在图４和图５中，获取的信号中会存在一些干扰的噪声，因此需要对信号进行去噪处理。首先分析两个电信号的傅里叶变换ＦＦＴ频谱，如图６和图７所示，从频谱中可以发现，电压信号的峰值频率为０、５０Ｈｚ以及其倍频１００、１５０和２００Ｈｚ，主要的信号为０Ｈｚ的直流信号以及５０Ｈｚ的交流信号。为了滤除噪声的干扰，可以对电压信号进行低通滤波，其截止频率设置为６０Ｈｚ，然后测量滤波后信号的幅值，由于测量中会存在一些干扰和误差等不确定因素，因此设置判断电压阈值为１Ｖ，即当测量电压大于１Ｖ时认为碳纤维丝束带被完全剪断。当丝速带完全剪断时，采集的电压信号经过低通滤波后得到的结果如图８所示，丝束带未完全剪断的处理结果如图９所示。在图８的情况中，采集得到的电压为４．３７７Ｖ，大于设置的阈值１Ｖ，认定此时丝束带完全剪断，与实际情况相符。在图９的情况中，采集得到的电压为０．０６７９７Ｖ，小于设置的阈值１Ｖ，认定此时丝束带未被完全剪断，与实际情况相符，此时丝束带未剪断部分为０．２ｍｍ。
３检测结果校核
为了验证碳纤维丝束带剪断检测方法的准确性，需要对该方法的检测结果进行校核。对１０条丝束带分别进行剪断操作，使其分别剩余０．５、１．０、１．５、２．０、２．５、３．０、３．５、４．０、４．５和７．０ｍｍ（完整丝束带），在剪断过程中测量电压信号的峰值。测量剪断后碳纤维丝束带电阻，将其代入式（１）计算对应的理论电压，测量结果如表１和图１０所示。从对比结果可以看出，当丝束带剪断剩余量较少时，误差较大，但最大绝对误差仍小于１０ｍＶ，说明检测结果较为准确。
４结论
本文为解决极细的纤维丝束无法准确识别是否完全剪断的问题，提出了一种基于电信号检测的方法。根据碳纤维丝束带具有良好的导电特性，在执行剪断操作过程中，采集、识别碳纤维丝束带两端的电压信号，进而可以判断碳纤维丝束带是否被完全剪断，这种电信号检测方法可以实现在狭小空间内的精确测量，具有简单可靠的优点。实验结果表明，本文方法能快速计量经济论文有效地识别出碳纤维丝束带的剪断情况，可以很好地满足实际工程应用需要。
作者：陶祎春 贾书海 段玉岗 张小辉 陈花玲 单位：西安交通大学机械工程学院
