CN105690801A - 一种碳纤维复合材料自动铺丝通用铺放装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维复合材料自动铺丝通用铺放装置，包括丝束铺丝单元、xyz三轴运动平台和法兰盘，所述丝束铺丝单元通过法兰盘与xyz三轴运动平台连接，所述丝束铺丝单元包含支撑盘，所述支撑盘上安装有丝束恒温箱，丝束恒温箱内设有若干个丝筒组件，丝筒组件绕固定在支撑盘上的丝筒心轴转动，所述丝筒组件上的丝束穿过位于支撑盘下方的丝束导向装置后依次进入转向架、夹紧模块、重送模块、剪切模块后，通过引导丝束的导路沟槽集合成丝带，通过加热模组和施压模块，丝束被压紧在工件表面，所述夹紧模块、重送模块、剪切模块均固定在支撑板上。本发明不仅能满足复杂的结构设计要求，相较手工铺层缩短制造周期，减少加工费用，节约人力物力。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维复合材料自动铺丝通用铺放装置，属于铺丝装置领域。
背景技术
现阶段国内复杂的铺放制品由于铺放设备的缺乏，只能通过手工来进行铺层。手工铺层难以避免的是其生产效率非常的低，而且铺层质量难以控制，常常会浪费材料。最重要的是手工铺层制造时间周期太长，加工费用高，同时会耗费大量的人力物力。而手工铺设不可能满足复杂的结构设计要求的。
已有的碳纤维铺放专利由于存在以下几点不足：定尺寸，不可更换，效率低，温度不能严格控制，本发明在现有基础上提出以下几点：1.根据被制造复材零件的大小选择不同丝筒个数的铺放装置；2.根据被加工的曲面特征选择不同的主运动平台；3.当丝筒丝束用完后更换铺丝装置，提高生产加工效率；4.可实现三级温控；5.通过测力和位移双传感器实现丝束恒张力的精确控制。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种碳纤维复合材料自动铺丝通用铺放装置，不仅能满足复杂的结构设计要求，相较手工铺层缩短制造周期，减少加工费用，节约人力物力。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种碳纤维复合材料自动铺丝通用铺放装置，包括丝束铺丝单元、xyz三轴运动平台和法兰盘，所述丝束铺丝单元通过法兰盘与xyz三轴运动平台连接，所述丝束铺丝单元包含支撑盘，所述支撑盘上安装有丝束恒温箱，丝束恒温箱内设有若干个丝筒组件，丝筒组件绕固定在支撑盘上的丝筒心轴转动，所述丝束恒温箱顶部安装有竖直铺丝头旋转轴，竖直铺丝头旋转轴与竖直伺服电机连接，竖直伺服电机与法兰盘连接，竖直铺丝头旋转轴一端与水平铺丝头旋转轴连接，水平铺丝头旋转轴与水平伺服电机连接，水平铺丝头旋转轴与丝束恒温箱固定连接；所述丝筒组件上的丝束穿过位于支撑盘下方的丝束导向装置后依次进入转向架、夹紧模块、重送模块、剪切模块后，通过引导丝束的导路沟槽集合成丝带，通过加热模组和施压模块，丝束被压紧在工件表面，所述夹紧模块、重送模块、剪切模块均固定在支撑板上，支撑板一端与转向架连接，另一端与施压模块连接。
作为优选，所述加热模组包括红外加热并列多灯管、测温传感器、温度控制器，所述温度控制器同时与红外加热并列多灯管和测温传感器连接。
作为优选，所述支撑板上设有若干个冷风喷头，冷风喷头与气流分配阀连接，气流分配阀通过管道与涡流管连接，涡流管通过管道与压缩机连接，通过压缩机压缩空气，在涡流管内产生冷空气，冷空气通过气流分配阀进入冷风喷口，对丝束进行冷却。目的是丝束传送过程中采用涡流管产生冷风对丝束进行冷却，目的是保持丝束在传送过程中保持一定的强度，不发生软化。
作为优选，所述支撑盘上设有若干个张力测力传感器和位移作动器，所述张力测力传感器包括绕线辊轴和压电晶体测力头，所述位移作动器包括伺服微型直线电机和位移头，所述位移头与张力测力传感器的绕线辊轴相连，位移头与伺服微型直线电机连接，丝束缠绕在绕线辊轴上，当丝束张力需要自动调整时，伺服微型直线电机的驱动头移动从而位移头带动绕线辊轴移动，调节丝束张力，这样可实现丝束恒张力，避免丝束抖动。
作为优选，所述丝筒组件包含丝筒，丝束缠绕在丝筒表面，丝束层与层之间通过塑料薄膜隔开，丝筒套在丝筒心轴上，丝筒通过丝筒驱动电机驱动丝筒转动放丝，每个丝筒组件旁边设有剥膜辊轴，丝束间塑料剥膜由剥膜辊轴缠绕收集。
作为优选，所述夹紧模块包含夹紧轮轴、位于夹紧轮轴上的夹紧下压轮组和固定在支撑板上的夹紧弯板，所述夹紧弯板与夹紧固定板连接，夹紧固定板上安装有若干个夹紧气缸，夹紧气缸与夹紧压轮连接，通过夹紧气缸带动夹紧压轮运动从而与夹紧下压轮组配合压紧丝束。
作为优选，所述重送模块包含重送轮轴和固定在支撑板上的重送弯板，所述重送弯板与重送固定板连接，重送固定板上安装有重送气缸，重送气缸与重送轮连接，所述重送轮轴上套有重送滚筒，重送气缸运动带动重送轮移动，夹在重送轮和重送滚筒之间的丝束通过重送滚筒带动移动。
作为优选，所述剪切模块包含固定在支撑板上的剪切弯板和剪切固定板，剪切固定板上安装有剪切气缸，剪切气缸与剪切刀片连接，剪切刀片下面垫有砧板，丝束在剪切刀片与砧板穿过，在气缸驱动下剪切刀片下移与砧板配合剪切丝束。
作为优选，所述施压模块包括圆柱形施压滚子和驱动力矩电机，圆柱形施压滚子安装在连接板上并通过驱动力矩电机绕连接板转动，连接板与支撑板连接。
作为优选，所述xyz三轴运动平台为桁架式机床平台、卧式机床平台、桥式机床平台、六自由度机械手平台中的一种。
有益效果：本发明的碳纤维复合材料自动铺丝通用铺放装置，具有以下优点：
1、根据被制造复材零件的大小选择不同丝筒个数的铺放装置；
2、根据被加工的曲面特征选择不同的主运动平台，桁架式机床平台、卧式机床平台、桥式机床平台、六自由度机械手平台，法兰盘实现与不同运动平台的连接，碳纤维丝束铺放装置作为运动平台的末端执行部件，其端部两旋转轴可实现AB两个方向的旋转，与运动平台的XYZ三个方向的运动共同组成五轴联动，通过五轴联动可达空间曲面的任意位置，从而可用于制造碳纤维零件的复杂曲面；
3、当丝筒丝束用完后更换铺丝装置，提高生产加工效率；
4、可实现三级温控，采用三级温控方案，包括丝筒恒温箱、导路涡流二次冷却、末端红外加热软化。丝束恒温箱实现温度范围10℃到20℃范围之内可调控，用于保持丝束的力学性能，防止发生粘结。并在丝束导出恒温箱后经过的路径中采用涡流冷风管实现二次冷却(控制温度25℃以下)。在末端铺放处通过加热模组对碳纤维丝束软化，以实现易于辊压成型。加热模组采用多灯管并列红外加灯，根据不同的树脂种类加热到相应的玻璃化温度(40℃以上)。
5、通过测力和位移双传感器实现丝束恒张力的精确控制。
附图说明
图1为本发明中丝束铺丝单元的结构示意图。
图2为图1的仰视图。
图3为图1的俯视图。
图4为移动龙门式式机床平台的结构示意图。
图5为桥式机床平台的结构示意图。
图6为卧式机床平台的结构示意图
图7为六自由度机械手平台的结构示意图。
图8为图1中剪切模块的结构示意图。
图9为图1中重送模块的结构示意图。
图10为图1中夹紧模块的结构示意图。
图11为冷却系统的结构示意图。
图12为检测系统结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1至图4所示，本发明的碳纤维复合材料自动铺丝通用铺放装置，包括丝束铺丝单元、xyz三轴运动平台和法兰盘，所述丝束铺丝单元通过法兰盘与xyz三轴运动平台连接，所述丝束铺丝单元包含支撑盘14，所述支撑盘14上安装有丝束恒温箱13，丝束恒温箱13内设有若干个丝筒组件12，丝筒组件12绕固定在支撑盘14上的丝筒心轴11转动，所述丝束恒温箱13顶部安装有竖直铺丝头旋转轴8，竖直铺丝头旋转轴8与竖直伺服电机9连接，竖直铺丝头旋转轴8一端与水平铺丝头旋转轴10连接，水平铺丝头旋转轴10与水平伺服电机连接，水平铺丝头旋转轴10与丝束恒温箱13固定连接；所述丝筒组件12上的丝束穿过位于支撑盘14下方的丝束导向装置后依次进入转向架2、夹紧模块3、重送模块4、剪切模块5后，通过引导丝束的导路沟槽集合成丝带，通过加热模组7和施压模块6，丝束被压紧在工件表面，所述夹紧模块3、重送模块4、剪切模块5均固定在支撑板上，支撑板一端与转向架2连接，另一端与施压模块6连接，丝束导向装置为丝束导向滚轮15，转向架2设有丝束轨道。
在本发明中，所述施压模块包括圆柱形施压滚子和驱动力矩电机，圆柱形施压滚子安装在连接板上并通过驱动力矩电机绕连接板转动，连接板与支撑板14连接。所述加热模组包括红外加热并列多灯管20、测温传感器、温度控制器，红外加热并列多灯管20外的壳体与连接板连接，所述温度控制器同时与红外加热并列多灯管20和测温传感器连接，通过测温传感器实时检测加热模块热量产生的温度，通过温度控制器控制红外加热并列多灯管20，使得加热模块产生的温度在一个范围内波动，使得铺丝效果更好。
在本发明中，如图12所示的检测系统，包括位于支撑盘14上的若干个张力测力传感器和位移作动器，所述张力测力传感器包括绕线辊轴21和压电晶体测力头22，所述位移作动器包括伺服微型直线电机23和位移头24，所述位移头24与张力测力传感器的绕线辊轴21相连，位移头24与伺服微型直线电机23连接，丝束缠绕在绕线辊轴21上，当丝束张力需要自动调整时，伺服微型直线电机23的驱动头移动从而位移头24带动绕线辊轴21移动，调节丝束张力，这样可实现丝束恒张力，避免丝束抖动。
在本发明中，如图11所示的冷却系统，包括位于支撑板14上的若干个冷风喷头61，冷风喷头61与气流分配阀62连接，气流分配阀62通过管道与涡流管63连接，涡流管63通过管道与压缩机64连接，通过压缩机64压缩空气，在涡流管63内产生冷空气，冷空气通过气流分配阀62进入冷风喷口，对丝束进行冷却，目的是丝束传送过程中采用涡流管产生冷风对丝束进行冷却，目的是保持丝束在传送过程中保持一定的强度，不发生软化。
在本发明中，所述丝筒组件12包含丝筒，丝束缠绕在丝筒表面，丝束层与层之间通过塑料薄膜隔开，丝筒套在丝筒心轴11上，丝筒通过丝筒驱动电机驱动丝筒转动放丝，每个丝筒组件12旁边设有剥膜辊轴16，丝束间塑料剥膜由剥膜辊轴16缠绕收集。
在本发明中，如图10所示，所述夹紧模块3包含夹紧轮轴31、位于夹紧轮轴31上的夹紧下压轮组37和固定在支撑板上的夹紧弯板32，所述夹紧弯板32与夹紧固定板33连接，夹紧固定板33上安装有若干个夹紧气缸34，夹紧气缸34通过夹紧压轮架35与夹紧压轮36连接，通过夹紧气缸34带动夹紧压轮36运动从而与夹紧下压轮组37配合压紧丝束。
在本发明中，如图9所示，所述重送模块4包含重送轮轴41和固定在支撑板上的重送弯板46，所述重送弯板46与重送固定板45连接，重送固定板45上安装有重送气缸43，重送气缸43与重送轮44连接，所述重送轮轴41上套有重送滚筒，重送气缸43运动带动重送轮44移动，夹在重送轮44和重送滚筒之间的丝束通过重送滚筒带动移动。
在本发明中，如图8所示，所述剪切模块5包含固定在支撑板上的剪切弯板53和剪切固定板52，剪切固定板52上安装有剪切气缸51，剪切气缸51与剪切刀片54连接，剪切刀片54下面垫有砧板55，丝束在剪切刀片54与砧板55穿过，在气缸驱动下剪切刀片54下移与砧板55配合剪切丝束。
在本发明中，移动龙门式机床平台包含X轴移动导轨、X轴移动电机和立柱，所述立柱位于X轴移动导轨内，立柱通过X轴移动电带动在X轴移动导轨内移动，立柱上安装有横梁，横梁上安装有Y轴滑动座，横梁通过Z轴移动伺服电机带动在立柱上上下移动，Y轴滑动座与Y轴移动伺服电机连接，通过Y轴移动伺服电机带动Y轴滑动座在横梁上往返运动，Y轴滑动座上通过法兰与丝束铺丝单元连接，从而可以调整丝束铺丝单元在xyz三轴上移动。
本发明在铺设丝束时，纤维丝束从丝筒组件12进入丝束导向滚轮15从而进入铺放头的丝束轨道内，依次经过夹紧模块3、重送模块4、剪切模块5，通过引导丝束的导路沟槽集合成丝带，通过加热模组7和施压模块6，丝束被压紧在工件表面。各条纤维丝束在他们自己的丝路互相没有干预，进行独立的控制，进而依照特定的命令协调。其中各路丝束的剪切和重送独立控制，可以避免相近的纤维丝束间的重合。利用计算机控制移动龙门式机床平台的运动，待运动平台位置确定后在控制铺放装置中丝束的运动，从而实现整个铺丝过程。
实施例2
如图5所示，本实施例中仅仅xyz三轴运动平台为桥式机床平台，桥式机床平台包含平台底座，平台底座上设有一对立柱，立柱上设有X轴轨道，X轴轨道上安装有横梁，横梁上设有Y轴轨道，Y轴轨道内安装有滑块，横梁设有Y轴移动伺服电机，通过Y轴移动伺服电机带动滑块沿Y轴轨道，滑块上设有Z轴旋转伺服电机，通过Z轴旋转伺服电机带动滑块上下移动，滑块通过法兰与丝束铺丝单元连接。
实施例3
如图6所示，本实施例中仅仅xyz三轴运动平台为卧式机床平台，卧式机床平台包含底座，底座上设有水平轴轨道，水平轴轨道上安装有立柱，立柱通过水平轴移动伺服电机带动移动，立柱上设有竖直导轨，竖直导轨上安装有滑块，滑块通过法兰与丝束铺丝单元连接，滑块与竖直轴移动伺服电机连接，滑块通过竖直轴移动伺服电机带动移动。
实施例4
如图7所示，本实施例中仅仅xyz三轴运动平台为六自由度机械手平台，六自由度机械手平台通过法兰与丝束铺丝单元连接。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种碳纤维复合材料自动铺丝通用铺放装置，其特征在于：包括丝束铺丝单元、xyz三轴运动平台和法兰盘，所述丝束铺丝单元通过法兰盘与xyz三轴运动平台连接，所述丝束铺丝单元包含支撑盘，所述支撑盘上安装有丝束恒温箱，丝束恒温箱内设有若干个丝筒组件，丝筒组件绕固定在支撑盘上的丝筒心轴转动，所述丝束恒温箱顶部安装有竖直铺丝头旋转轴，竖直铺丝头旋转轴与竖直伺服电机连接，竖直伺服电机与法兰盘连接，竖直铺丝头旋转轴一端与水平铺丝头旋转轴连接，水平铺丝头旋转轴与水平伺服电机连接，水平铺丝头旋转轴与丝束恒温箱固定连接；所述丝筒组件上的丝束穿过位于支撑盘下方的丝束导向装置后依次进入转向架、夹紧模块、重送模块、剪切模块后，通过引导丝束的导路沟槽集合成丝带，通过加热模组和施压模块，丝束被压紧在工件表面，所述夹紧模块、重送模块、剪切模块均固定在支撑板上，支撑板一端与转向架连接，另一端与施压模块连接。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料自动铺丝通用铺放装置，其特征在于：所述加热模组包括红外加热并列多灯管、测温传感器、温度控制器，所述温度控制器同时与红外加热并列多灯管和测温传感器连接。
3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料自动铺丝通用铺放装置，其特征在于：所述支撑板上设有若干个冷风喷头，冷风喷头与气流分配阀连接，气流分配阀通过管道与涡流管连接，涡流管通过管道与压缩机连接，通过压缩机压缩空气，在涡流管内产生冷空气，冷空气通过气流分配阀进入冷风喷口，对丝束进行冷却。
4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料自动铺丝通用铺放装置，其特征在于：所述支撑盘上设有若干个张力测力传感器和位移作动器，所述张力测力传感器包括绕线辊轴和压电晶体测力头，所述位移作动器包括伺服微型直线电机和位移头，所述位移头与张力测力传感器的绕线辊轴相连，位移头与伺服微型直线电机连接，丝束缠绕在绕线辊轴上，当丝束张力需要自动调整时，伺服微型直线电机的驱动头移动从而位移头带动绕线辊轴移动，调节丝束张力。
5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料自动铺丝通用铺放装置，其特征在于：所述丝筒组件包含丝筒，丝束缠绕在丝筒表面，丝束层与层之间通过塑料薄膜隔开，丝筒套在丝筒心轴上，丝筒通过丝筒驱动电机驱动丝筒转动放丝，每个丝筒组件旁边设有剥膜辊轴，丝束间塑料剥膜由剥膜辊轴缠绕收集。
6.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料自动铺丝通用铺放装置，其特征在于：所述夹紧模块包含夹紧轮轴、位于夹紧轮轴上的夹紧下压轮组和固定在支撑板上的夹紧弯板，所述夹紧弯板与夹紧固定板连接，夹紧固定板上安装有若干个夹紧气缸，夹紧气缸与夹紧压轮连接，通过夹紧气缸带动夹紧压轮运动从而与夹紧下压轮组配合压紧丝束。
7.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料自动铺丝通用铺放装置，其特征在于：所述重送模块包含重送轮轴和固定在支撑板上的重送弯板，所述重送弯板与重送固定板连接，重送固定板上安装有重送气缸，重送气缸与重送轮连接，所述重送轮轴上套有重送滚筒，重送气缸运动带动重送轮移动，夹在重送轮和重送滚筒之间的丝束通过重送滚筒带动移动。
8.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料自动铺丝通用铺放装置，其特征在于：所述剪切模块包含固定在支撑板上的剪切弯板和剪切固定板，剪切固定板上安装有剪切气缸，剪切气缸与剪切刀片连接，剪切刀片下面垫有砧板，丝束在剪切刀片与砧板穿过，在气缸驱动下剪切刀片下移与砧板配合剪切丝束。
9.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料自动铺丝通用铺放装置，其特征在于：所述施压模块包括圆柱形施压滚子和驱动力矩电机，圆柱形施压滚子安装在连接板上并通过驱动力矩电机绕连接板转动，连接板与支撑板连接。
10.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料自动铺丝通用铺放装置，其特征在于：所述xyz三轴运动平台为桁架式机床平台、卧式机床平台、桥式机床平台、六自由度机械手平台中的一种。
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