CN104608397B - 复合材料铺放装置的铺放头结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料铺放装置的铺放头结构，包括：顺次设置的丝束导引模块、丝束固定模块、丝束重送模块、丝束切断模块、丝束集合模块、丝束加热模块和丝束施压模块，丝束导引模块将纤维丝束引入铺放头的丝束通道内，丝束固定模块将丝束固定夹紧，丝束重送模块用于增加所需的某路丝束，丝束切断模块用于在指定铺放位置切断丝束，丝束集合模块用于集合多束丝束进行紧密排列形成丝带，丝束加热模块用于控制丝束的粘度使之紧贴制品型面，丝束施压模块将丝束压紧到制品表面。本发明将铺放头结构通过进行模块化设计，解决了标准与定制要求之间的矛盾，具有较强的灵活性和通用性，且结构简单，成本较低，可以很好地提高设计制造效率和质量。

Description

复合材料铺放装置的铺放头结构

技术领域

本发明涉及机械设计、先进制造技术与纤维铺放技术等领域的纤维铺设装置，具体是涉及一种复合材料铺放装置的铺放头结构。

背景技术

自动纤维铺放技术作为一种先进的、前沿的复合材料制造技术，得到国内相关研究机构的广泛关注，并取得了一些研究成果。由于该项技术对于提高军事武器水平、加快国防建设和发展具有重要的现实意义，因此国外在这项技术上对我国严格封锁。

铺放设备的丝束铺放工作主要由铺放头完成，因此，铺放头的结构设计是纤维铺放装置设计工作的重点，目前，铺放头自身要完成丝束的导向、夹紧、重送、剪切、加热集合与施压等功能，最终将丝束铺放在芯模表面，但是，现有技术中铺放头结构较为复杂，且灵活性和通用性较差，成本较高，影响了制造效率和质量。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种复合材料铺放装置的铺放头结构，将铺放头结构进行模块化设计，通过标准的结构模块与功能模块的组合，由计算机辅助技术作依托，解决标准与定制要求之间的矛盾，具有较强的灵活性和通用性，且结构简单，成本较低，可以很好地提高设计制造效率和质量。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种复合材料铺放装置的铺放头结构，包括：顺次设置的丝束导引模块、丝束固定模块、丝束重送模块、丝束切断模块、丝束集合模块、丝束加热模块和丝束施压模块，所述丝束导引模块能够将丝束引入铺放头的丝束通道内，所述丝束固定模块能够对顺次经过的丝束进行夹紧固定，所述丝束重送模块能够传送增加所需的某路丝束，所述丝束切断模块能够在指定铺放位置切断丝束，所述丝束集合模块能够集合多束丝束进行紧密排列形成丝带，所述丝束加热模块能够控制丝束的粘度使之紧贴制品型面，所述丝束施压模块能够将丝束压紧到制品表面；所述丝束切断模块能够在指定铺放位置切断丝束的结构是：所述丝束切断模块包括外切刀、内切刀和切刀气缸，所述外切刀呈套筒状固定在铺放头内部，所述内切刀呈活塞式套设于所述外切刀内，所述内切刀与所述切刀气缸固定连接，所述内切刀和所述外切刀沿丝束通道方向均形成有切口，且所述内切刀的切口与所述外切刀的切口呈相对的坡口状。

作为本发明的进一步改进，设有两个所述切刀气缸，另设有连接板，两个所述切刀气缸的动力输出轴和所述内切刀分别与所述连接板固定连接。

作为本发明的进一步改进，所述丝束导引模块通过导向轮改变丝束的运动方向，使丝束进入丝束通道内。

作为本发明的进一步改进，所述丝束固定模块包括至少一夹紧气缸和固定块，所述固定块与所述夹紧气缸的动力输出轴固定连接，所述丝束通道的顶板上形成有与所述固定块相匹配的缺口，所述夹紧气缸驱动所述固定块伸入所述缺口内，将丝束压紧在所述丝束通道的底板上。

作为本发明的进一步改进，所述固定块与所述丝束通道的底板的材料均为聚四氟乙烯。

作为本发明的进一步改进，所述丝束重送模块包括主动送风机构和重送机构，所述主动送风机构由电磁阀控制是否向丝束通道内送风，且气流方向与输送丝束的方向相同；所述重送机构包括重送轮、重送压辊、重送电机、L型连杆和两个重送气缸，所述连杆的一端与所述重送压辊固定连接，所述连杆的另一端和拐角分别与两个所述重送气缸铰连接；两个所述重送气缸由电磁阀控制向相反方向运动，驱动所述连杆并带动所述重送压辊向所述重送轮运动，将丝束压到重送轮上；所述重送电机驱动所述重送轮转动并带动丝束传送。

作为本发明的进一步改进，所述丝束集合模块包括导向件和盖板，所述导向件上形成有供丝束通过的出丝口和若干个导向槽，每个所述导向槽形成一路丝束通道，若干个丝束通道汇集至所述出丝口，所述盖板封闭覆盖在若干个导向槽上。

作为本发明的进一步改进，设有四个所述导向槽，四个所述导向槽分为上下两组，上组的两个所述导向槽供一路、三路丝束通过，下组的两个所述导向槽供二路、四路丝束通过。

作为本发明的进一步改进，所述丝束加热模块设于所述出丝口处，对汇集至所述出丝口的丝束进行加热。

作为本发明的进一步改进，所述丝束施压模块包括施压气缸和施压压辊，所述施压气缸驱动所述施压压辊将所述丝束压紧在制品表面。

本发明的有益效果是：本发明提供一种复合材料铺放装置的铺放头结构，通过对丝束的导向、夹紧、重送、切断集合、加热、施压等功能进行模块化设计，实现了标准的结构模块与功能模块的组合，解决了标准与定制要求之间的矛盾，有较强的灵活性和通用性，极大地提高了设计制造效率和质量。其设计原则是力求以少数模块组成尽可能多的产品，并在满足要求的基础上使产品精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉，且模块结构、模块间的联系尽可能简单。模块化设计方法具有简化设计过程、实现资源共享、加快开发速度、提高生产效率等优点。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中丝束固定模块结构示意图；

图3为本发明中丝束重送模块结构示意图；

图4为本发明中丝束切断模块结构示意图；

图5为本发明中丝束集合模块一视角结构示意图；

图6为本发明中丝束集合模块另一视角结构示意图；

图7为本发明中丝束施压模块结构示意图。

结合附图，作以下说明：

10——丝束导引模块 101——导向轮

20——丝束固定模块 201——夹紧气缸

202——固定块 30——丝束重送模块

301——主动送风机构 302——重送机构

3021——重送轮 3022——重送压辊

3023——重送电机 3024——连杆

3025——重送气缸 40——丝束切断模块

401——外切刀 402——内切刀

403——切刀气缸 404——切口

405——连接板 50——丝束集合模块

501——导向件 5011——出丝口

5012——导向槽 502——盖板

60——丝束加热模块 70——丝束施压模块

701——施压气缸 702——施压压辊

80——丝束 801——一路丝束

802——三路丝束 803——二路丝束

804——四路丝束 90——丝束通道

901——顶板 902——底板

100——制品

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

参见图1，一种复合材料铺放装置的铺放头结构，包括：丝束导引模块10、丝束固定模块20、丝束重送模块30、丝束切断模块40、丝束集合模块50、丝束加热模块60和丝束施压模块70。所述丝束导引模块能够将丝束引入铺放头的丝束通道内，所述丝束固定模块能够对顺次经过的丝束进行夹紧固定，所述丝束重送模块能够传送增加所需的某路丝束，所述丝束切断模块能够在指定铺放位置切断丝束，所述丝束集合模块能够集合多束丝束进行紧密排列形成丝带，所述丝束加热模块能够控制丝束的粘度使之紧贴制品型面，所述丝束施压模块能够将丝束压紧到制品表面。工作时，所述丝束导引模块将纤维丝束经导向轮引入铺放头的丝束通道内，所述丝束固定模块将顺次经过丝束固定夹紧，所述丝束重送模块用于增加所需的某路丝束，所述丝束切断模块用于在指定铺放位置切断丝束，所述丝束集合模块用于集合多束丝束进行紧密排列形成丝带，所述丝束加热模块用于控制丝束的粘度使之紧贴制品型面，所述丝束施压模块将丝束压紧到制品表面。

本实施例中，丝束导引模块10主要的结构是通过导向轮101来改变丝束的运动方向，使丝束80顺利进入丝束通道90。

参见图1和图2，丝束固定模块是在铺放过程中，由于任意路丝束都具有一定张力，当进行丝束切断动作时，需在切断之前通过丝束固定模块固定住丝束未被切断的部分，以防止其在张力的作用下收回。本实施例中，所述丝束固定模块包括至少一夹紧气缸201和固定块202，所述固定块与所述夹紧气缸的动力输出轴固定连接，所述丝束通道的顶板901上形成有与所述固定块相匹配的缺口，所述夹紧气缸驱动所述固定块伸入所述缺口内，将丝束压紧在所述丝束通道的底板902上。本实施例中采用夹紧气缸 201带动固定块202可直接将丝束压紧在丝束通道的底板902上，较佳的，固定块和丝束通道的底板在夹紧丝束的位置使用F4（聚四氟乙烯）材质，以防止丝束与固定块、丝束通道的底板粘结。该设计方案具有结构简单、占用空间小、夹紧动作迅速、可靠性高的优点，这种结构由于没有采用增力机构，为了达到要求的夹紧力，可选用大功率气缸，也可以使用两套丝束固定模块或者增加夹紧气缸的数量的方法解决这个问题。

参见图1和图3，本实施例中，所述丝束重送模块包括主动送风机构301和重送机构302，所述主动送风机构由电磁阀控制是否向丝束通道内送风，且气流方向与输送丝束的方向相同；所述重送机构包括重送轮3021、重送压辊3022、重送电机3023、L型连杆3024和两个重送气缸3025，所述连杆的一端与所述重送压辊固定连接，所述连杆的另一端和拐角分别与两个所述重送气缸铰连接；两个所述重送气缸由电磁阀控制向相反方向运动，驱动所述连杆并带动所述重送压辊向所述重送轮运动，将丝束压到重送轮上；所述重送电机驱动所述重送轮转动并带动丝束传送。当需要增加某路丝束时，主动送风机构送风，重送电机驱动重送轮转动，重送气缸驱动重送压辊将丝束压到重送轮上，丝束在重送轮与重送压辊的挤压作用下运动，最终到达压辊下方与制品表面接触。具体工作过程如下：控制系统发出丝束重送信号后，两个电磁阀同时控制两个重送气缸3025的气缸杆向相反方向运动，其中一个重送气缸的气缸杆伸出，另一个重送气缸的气缸杆收回。此时，安装在连杆3024上的重送压辊3022运动，将丝束80压紧到单向旋转的重送轮3021上，丝束80通过重送压辊3022和重送轮3021的挤压，在摩擦力的作用下向出丝口方向运动，同时辅助以风吹。重送轮3021由重送电机3023驱动，同时控制重送丝束的长度。当丝束80到达重送压辊3022下方时，两个重送气缸3025同时控制向各自的相反方向运动，重送压辊3022抬起，当前路丝束重送动作结束。该设计方案的特点如下：（1）机构简单，重送压辊动作迅速；（2）重送机构与主动送风机构共同作用，保证了丝束的可靠重送；（3）两个重送气缸通过连杆控制重送压辊运动，扩大了重送压辊的运动范围，提高了重送压辊对丝束的压紧力；（4）连杆的铰链设计在气缸杆上，减少了机构对铺放头侧板或底板的依赖，装配、维修方便，更符合模块化的设计思想。

参见图1和图4，在铺放零件的局部结构或结束一次铺放的位置，铺放工艺要求丝束部分切断或全部切断，此时，铺放头结构的丝束切断模块工作，丝束的切断动作由带有切刀的剪切机构在气缸驱动下完成，电磁阀接受控制系统指令在指定铺放位置切断丝束。本实施例中，丝束切断模块包括外切刀401、内切刀402和切刀气缸403，所述外切刀呈套筒状固定在铺放头内部，所述内切刀呈活塞式套设于所述外切刀内，所述内切刀与所述切刀气缸固定连接，所述内切刀和所述外切刀沿丝束通道方向均形成有切口404，且所述内切刀的切口与所述外切刀的切口呈相对的坡口状。较佳的，设有两个所述切刀气缸，另设有连接板405，两个所述切刀气缸的动力输出轴和所述内切刀分别与所述连接板固定连接。上述结构中，丝束切断模块的切刀设计成活塞式结构，内切刀是活塞，由切刀气缸驱动，外切刀是套筒，固定在铺放头丝束通道内部，丝束在内、外切刀的切口内通过，切口设计成坡口作为切刀的刃口，内、外切刀的相对运动产生切断丝束的效果，为延长使用寿命切刀采用工具钢材质。由于内切刀直接连接到切刀气缸杆上，需要切刀气缸的驱动力较大，所以选用两个薄型气缸通过连接板 连接作为驱动源。该设计方案结构简单，切断动作迅速。在切断丝束过程中机床铺放运动不必停止，从而节省了时间，提高了工作效率。不易出现丝束卡住、未切断的情况。使用了两个薄型气缸，提高了机构切断丝束的能力，同时最大限度地减少了机构体积。活塞式内、外切刀的结构形式，使得机构在不工作状态下，丝束通道的密封性能良好，减少了丝束重送时主动送风的损失。

参见图1、图5和图6，丝束集合模块在丝束经过以上各个模块后，在集合模块中集合成多束丝束紧密排列的丝带。本实施例中，丝束集合模块包括导向件501和盖板502，所述导向件上形成有供丝束通过的出丝口5011和若干个导向槽5012，每个所述导向槽形成一路丝束通道，若干个丝束通道汇集至所述出丝口，所述盖板封闭覆盖在若干个导向槽上。较佳的，设有四个所述导向槽，四个所述导向槽分为上下两组，上组的两个所述导向槽供一路801、三路802丝束通过，下组的两个所述导向槽供二路803、四路804丝束通过。上述结构中，每路丝束在导向槽中通过，导向槽的宽度略大于单束丝束宽度。导向槽分上下两组共四路间隔布置，上组是一路、三路丝束的通道，下组是二路、四路丝束的通道。导向槽最终在出丝口位置相互靠拢，起到汇集丝束的作用，同时在导向槽的背面覆盖盖板封闭导向槽。

丝束加热模块是由于纤维丝束在加热模块之前处于低粘度或基本上无粘性状态，为确保丝束能够在丝束通道内顺利通过并到达压辊下方，丝束经加热装置加热后具有一定粘性，确保压辊有效压紧丝带使之紧贴制品型面，典型的纤维铺放机床通过控制加热温度控制丝束的粘度。本实施例中，丝束加热模块设于出丝口处，对汇集至所述出丝口的丝束进行加热。

参见图7，本实施例中，丝束施压模块包括施压气缸701和施压压辊702，所述施压气缸驱动所述施压压辊将所述丝束压紧在制品表面。丝束施压模块通过施加一定压力的施压压辊将丝束压紧到制品表面，对铺层起到铺平压实、层间连接和排除空气的作用，以消除内层纤维在宽度方向上的间隙，同时通过控制施压气缸的气压达到控制施压压辊压力的目的。由于气体的可压缩性，施压压辊可以在施压方向上小范围上下运动，起到补偿铺放机构位置误差、防止压辊与芯模刚性接触损坏芯模的作用。如果对施压压辊的压力要求不严格，可以将施压气缸更换成弹簧，不控制施压压辊的压力。较佳的，施压压辊为刚性压辊，与制品表面成点接触或者线接触，当曲面曲率较小时，可以近似为线接触，当曲面曲率较大时，接触位置近似成一点。所以该设计方案适合于曲面曲率小或者丝束数量少的铺放情况，否则施压压辊两端位置（凸曲面情况）或者施压压辊中间位置（凹曲面情况）的丝束易出现压不实或压不上的情况，影响制品质量。这种施压机构的设计方案具有结构简单、压辊压力控制方便、制造成本低廉的特点。

本发明针对纤维铺放装置的铺放头在实现丝束夹紧、重送、切断功能的同时，还要完成丝束导向、加热、集合、施压等辅助工作，针对这些功能要求，将铺放头结构模块化设计。通过标准的结构模块与功能模块的组合，由计算机辅助技术作依托，解决了标准与定制要求之间的矛盾，有较强的灵活性和通用性，极大地提高了设计制造效率和质量。其设计原则是力求以少数模块组成尽可能多的产品，并在满足要求的基础上使产品精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉，且模块结构、模块间的联系尽可能简单。模块化设计方法具有简化设计过程、实现资源共享、加快开发速度、提高生产效率等优点。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种复合材料铺放装置的铺放头结构，其特征在于，包括：顺次设置的丝束导引模块(10)、丝束固定模块(20)、丝束重送模块(30)、丝束切断模块(40)、丝束集合模块(50)、丝束加热模块(60)和丝束施压模块(70)，所述丝束导引模块能够将丝束(80)引入铺放头的丝束通道(90)内，所述丝束固定模块能够对顺次经过的丝束进行夹紧固定，所述丝束重送模块能够传送增加所需的某路丝束，所述丝束切断模块能够在指定铺放位置切断丝束，所述丝束集合模块能够集合多束丝束进行紧密排列形成丝带，所述丝束加热模块能够控制丝束的粘度使之紧贴制品型面，所述丝束施压模块能够将丝束压紧到制品表面；所述丝束切断模块能够在指定铺放位置切断丝束的结构是：所述丝束切断模块包括外切刀(401)、内切刀(402)和切刀气缸(403)，所述外切刀呈套筒状固定在铺放头内部，所述内切刀呈活塞式套设于所述外切刀内，所述内切刀与所述切刀气缸固定连接，所述内切刀和所述外切刀沿丝束通道方向均形成有切口(404)，且所述内切刀的切口与所述外切刀的切口呈相对的坡口状；

所述丝束固定模块包括至少一夹紧气缸(201)和固定块(202)，所述固定块与所述夹紧气缸的动力输出轴固定连接，所述丝束通道的顶板(901)上形成有与所述固定块相匹配的缺口，所述夹紧气缸驱动所述固定块伸入所述缺口内，将丝束压紧在所述丝束通道的底板(902)上；

所述固定块与所述丝束通道的底板的材料均为聚四氟乙烯。

2.根据权利要求1所述的复合材料铺放装置的铺放头结构，其特征在于：设有两个所述切刀气缸，另设有连接板(405)，两个所述切刀气缸的动力输出轴和所述内切刀分别与所述连接板固定连接。

3.根据权利要求1所述的复合材料铺放装置的铺放头结构，其特征在于：所述丝束导引模块通过导向轮(101)改变丝束的运动方向，使丝束进入丝束通道内。

4.根据权利要求1所述的复合材料铺放装置的铺放头结构，其特征在于：所述丝束重送模块包括主动送风机构(301)和重送机构(302)，所述主动送风机构由电磁阀控制是否向丝束通道内送风，且气流方向与输送丝束的方向相同；所述重送机构包括重送轮(3021)、重送压辊(3022)、重送电机(3023)、L型连杆(3024)和两个重送气缸(3025)，所述连杆的一端与所述重送压辊固定连接，所述连杆的另一端和拐角分别与两个所述重送气缸铰连接；两个所述重送气缸由电磁阀控制向相反方向运动，驱动所述连杆并带动所述重送压辊向所述重送轮运动，将丝束压到重送轮上；所述重送电机驱动所述重送轮转动并带动丝束传送。

5.根据权利要求1所述的复合材料铺放装置的铺放头结构，其特征在于：所述丝束集合模块包括导向件(501)和盖板(502)，所述导向件上形成有供丝束通过的出丝口(5011)和若干个导向槽(5012)，每个所述导向槽形成一路丝束通道，若干个丝束通道汇集至所述出丝口，所述盖板封闭覆盖在若干个导向槽上。

6.根据权利要求5所述的复合材料铺放装置的铺放头结构，其特征在于：设有四个所述导向槽，四个所述导向槽分为上下两组，上组的两个所述导向槽供一路(801)、三路(802)丝束通过，下组的两个所述导向槽供二路(803)、四路(804)丝束通过。

7.根据权利要求5所述的复合材料铺放装置的铺放头结构，其特征在于：所述丝束加热模块设于所述出丝口处，对汇集至所述出丝口的丝束进行加热。

8.根据权利要求1所述的复合材料铺放装置的铺放头结构，其特征在于：所述丝束施压模块包括施压气缸(701)和施压压辊(702)，所述施压气缸驱动所述施压压辊将所述丝束压紧在制品表面。