CN105904744A - 一种基于碳纤维的复杂敏感元自动化制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于碳纤维的复杂敏感元自动化制造装置，包括：工作台；升降和平移模块，安装在工作台上；水平移动台，水平移动地安装在工作台上，顶面安装有用于铺丝的托板；储丝模块；铺丝模块，安装在升降和平移模块的动力输出端，用于在托板上铺设来自储丝模块的纤维丝；预浸模块，布置在储丝模块与铺丝模块之间的纤维丝路径上用于对纤维丝进行预处理；树脂填充模块，形成用于容纳碳纤维敏感元的树脂层；本发明的基于碳纤维的复杂敏感元自动化制造装置代替人工涂脂和铺丝过程，克服因过多引入人工不可控因素导致所制造传感器重复性差及效率低下问题，易于实现批量化制造。

Description

一种基于碳纤维的复杂敏感元自动化制造装置

技术领域

本发明涉及碳纤维传感器制造技术领域，特别是涉及一种基于碳纤维的复杂敏感元自动化制造装置。

背景技术

碳纤维(Carbon Fiber，简称CF)，是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。碳纤维具有许多优良的性能，如轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳、腐蚀性好，热膨胀系数小且具有各向异性及良好的导电导热性能等。碳纤维丝在拉应变下其电阻随应变呈正比例增加，在压应变下电阻随应变的增加而呈正比例减小，呈现出良好的导电性和压阻效应，具有良好的自感知特性。

例如公开号为CN103422587A的专利文献公开了一种碳纤维电阻传感层智能监测免维护屈曲约束支撑，包括耗能钢芯、GFRP约束段、波形节、成型泡沫、传感层电极和碳纤维智能传感层，所述GFRP约束段的两端设有波形节，GFRP约束段和波形节的内部中心设有耗能钢芯，GFRP约束段沿耗能钢芯对称布置，所述碳纤维智能传感层位于GFRP约束段内，碳纤维智能传感层平行设置在耗能钢芯的长边两侧，碳纤维智能传感层与耗能钢芯之间留有间隙，碳纤维智能传感层与传感层电极连接，碳纤维智能传感层与GFRP约束段连接形成整体结构的空隙内填充有成型泡沫。上述装置具有结构合理、自重轻、耐腐蚀、免维护、能智能监控的特点。

已有研究将碳纤维作为敏感元，设计制造碳纤维智能层，用于大型结构件的健康监测，取得了良好的效果。为了制造出性能优良的智能层格栅，有研究者提出制造此类格栅的方法，申请公布号CN 105082557 A的专利文献公开了一种格栅的制造方法，该制造方法包括：在用于制造格栅的模具内铺设碳纤维预浸料；在该碳纤维预浸料上方形成超材料微结构层；进行合模，并使树脂材料进入该模具内；对该模具内的树脂材料进行固化，之后进行脱模。上述方法通过在模具中加入碳纤维和树脂材料，并对模具内的树脂材料进行固化，不仅能够使格栅具备理想的强度和成型好的特性，而且能够让格栅在面对电磁波时展现出更好的特性，此外，通过上述的方法制造的格栅的密度可以被控制在较低范围，因此.不会显著增加格栅的重量，保证了格栅的轻便性，让格栅便于加工和运输。

但上述方法只对制造过程进行了细化，目前制造智能层格栅时大多采用手工方式，过程繁杂且由于过多引入不可控人为因素，导致所制造传感器重复性差，需对制造的每一个传感器进行标定，不易实现批量化。因此，建立一种高效可控自动化装置对于制造碳纤维传感器，特别是对于碳纤维丝复杂布置结构传感器具有十分重要的意义。

发明内容

本发明提供了一种基于碳纤维的复杂敏感元自动化制造装置，实现自动化批量生产碳纤维敏感元，制造的重复性好、效率高。

一种基于碳纤维的复杂敏感元自动化制造装置，包括：

工作台；

升降和平移模块，安装在工作台上；

水平移动台，水平移动地安装在工作台上，顶面安装有用于铺丝的托板；在水平移动台上设有可拆卸托板，便于制造好的碳纤维智能层传感元的后续处理，如填加电极、进一步固化等。

储丝模块；

铺丝模块，安装在升降和平移模块的动力输出端，用于在托板上铺设来自储丝模块的纤维丝；

预浸模块，布置在储丝模块与铺丝模块之间的纤维丝路径上用于对纤维丝进行预处理；

树脂填充模块，形成用于容纳碳纤维敏感元的树脂层。

本发明通过设置纤维丝驱动箱和树脂填充模块，驱动纤维丝运动，代替人工涂脂和铺丝过程，克服因过多引入人工不可控因素导致所制造传感器重复性差及效率低下问题，易于实现批量化制造。

为了准确、灵活、稳定地输出纤维丝，优选的，所述铺丝模块包括：

安装座，与升降和平移模块的动力输出端固定连接；

纤维丝驱动箱，固定在所述安装座上；

铺丝头，安装在所述纤维丝驱动箱下方，所述纤维丝驱动箱将储丝模块的纤维丝牵引至铺丝头并驱动纤维丝自该铺丝头出丝。本发明中纤维丝驱动箱直接安装在动力输出端上，距离所述铺丝头的出丝口很近，可以稳定有效输送纤维丝。

为了制造结构多样的敏感元，优选的，所述铺丝模块还包括安装在纤维丝驱动箱的下方且水平转动的回转台以及回转台驱动装置，所述回转台中间开设有过丝孔，所述纤维丝驱动箱输出的纤维丝穿过该过丝孔至铺丝头，所述树脂填充模块安装在所述回转台的周向边缘上。

优选的，所述升降和平移模块包括：

两根立柱，间隔地固定在工作台上，至少一根立柱上设有升降机构；

横梁，两端安装在两根立柱上，通过升降机构实现上下移动；

平移机构，安装在横梁上，具有所述的动力输出端。升降平移机构种类很多，例如滚珠丝杆。

通过设置水平移动台、回转台、横梁、立柱，从而实现三维运动精准控制，可实现制造碳纤维复杂布置结构传感元，如U形、S形、蛇形等，实现碳纤维传感元多样化，大大拓展应用领域。

驱动回转台转动的结构很多，为了便于回转台的安装和灵活转动，优选的，所述回转台驱动装置包括：

齿轮盘，固定在回转台的下方；

内轴承，固定在纤维丝驱动箱底部，所述齿轮盘安装在内轴承上；

蜗杆，与齿轮盘的周向轮齿啮合；

蜗杆座，用于安装蜗杆且与所述内轴承固定连接；

蜗杆转动动力源，动力源一般可以采用驱动电机。

树脂液可通过各种方式挤出，如气体(外接气泵)，螺杆式(电机驱动)等，为了简化结构，便于使用以及均匀涂布树脂，优选的，所述树脂填充模块包括：

树脂液箱，安装在所述回转台的周向边缘上，侧面设有进气口，底面设有树脂出口；

树脂铺刷，进口端与树脂出口连接；

橡胶刮，固定在树脂铺刷的一侧边上。树脂铺刷和铺丝头对齐。所述树脂铺刷与树脂液箱通过螺纹连接，便于更换不同树脂铺刷，如不同宽度，不同大小出脂嘴等，以适应不同尺寸碳纤维传感元的制造要求。

所述回转台在蜗杆驱动电机驱动下带动树脂填充模块旋转至恰当位置，确保树脂铺刷始终位于纤维丝后方(以纤维丝运动方向为前方)，采用这种设置可以适应纤维丝各个运动方向，从而实现复杂敏感元的制造。

为了灵活稳定地输送纤维丝，优选的，所述纤维丝驱动箱包括：

箱体，一侧面设有进丝口，底面设有出丝口；

一对调整辊，安装在箱体外且与所述进丝口相对布置，用于引导纤维丝进入所述进丝口；

导向轮组，安装在箱体内将来自进丝口的纤维丝引导并送至所述出丝口，包括至少一个输送纤维丝的驱动轮；所述导向轮组包括调整方向的第一导向轮，承接来自第一导向轮的纤维丝的一对第二导向轮，其中一个第二导向轮为驱动轮与转动动力源连接。

转动动力源，带动驱动轮转动，转动动力源可以采用驱动电机。

为了使铺丝头灵活转动，优选的，所述铺丝头包括一对压辊以及用于安装压辊的支架，所述纤维丝驱动箱底部固定连接有连杆，所述支架水平转动安装在该连杆末端。

为了方便调节铺丝头的高度，铺丝头结构如下：所述铺丝头包括一对压辊、用于安装压辊的支架、过度杆和连接杆，所述连接杆与纤维丝驱动箱底部凸台螺纹固定连接，所述支架水平转动安装在与该连接杆连接的过度杆末端，为了方便控制涂刷树脂厚度以及更换铺丝头压辊，所述铺丝头连接杆和过度杆设有销孔。

优选的，所述预浸模块包括：

预浸缸，固定在横梁上，用于盛装预浸液，相对两侧设有过丝孔；

第一张紧机构，分别固定在安装有过丝孔的预浸缸的侧边上；

第二张紧机构，设置在预浸缸内限制纤维丝始终通过预浸液。

本发明使用时，碳纤维丝起始端可通过各种方式进行固定，如胶粘、夹紧等，作为优选，所述碳纤维丝通过橡胶夹子进行初始固定，操作简单方便。

本发明的有益效果：

本发明的基于碳纤维的复杂敏感元自动化制造装置代替人工涂脂和铺丝过程，克服因过多引入人工不可控因素导致所制造传感器重复性差及效率低下问题，易于实现批量化制造。

附图说明

图1是本发明的基于碳纤维的复杂敏感元自动化制造装置的立体结构示意图。

图2是图1中驱动箱、树脂液箱及回转台的立体结构示意图。

图3是图2中纤维丝驱动箱的立体结构示意图。

图4是图2中回转台及其驱动装置的立体结构示意图。

图5为图2中回转台及其驱动装置另一个角度的立体结构示意图。

图6是图1中预浸缸的立体结构示意图。

图7是图6中A部分的放大立体结构示意图。

图8是图1中铺丝头的立体结构示意图。

图9是图1中树脂铺刷的立体结构示意图。

图10是图1中树脂铺刷的剖视结构示意图。

图11是本发明装置的工作过程示意图。

图12是U形碳纤维传感元的结构示意图。

图13是蛇形碳纤维传感元的结构示意图。

图中各附图标记为：

1.工作台，2.立柱，3.驱动电机，4.导轨滑块，5.树脂液箱，6.驱动箱，7.回转台，8.横梁，9.预浸缸，10.支架，11.驱动电机，12.立柱，13.滚珠丝杠，14.纤维丝卷，15.橡胶夹，16.横柱，17.驱动电机，18.纤维丝，19.水平移动台，20.托板，21.横柱，22.铺丝头，23.树脂铺刷，24.预浸液，25.张紧机构，26.固化树脂，51.进气口，52.树脂出口，61.调整轮，62.驱动电机，63.箱体，64.凸台，65.螺孔，66.轴承，67.橡胶轮，71，驱动电机，72.蜗杆座，73.齿轮盘，74.蜗杆，75.螺孔，76.内轴承，91.过丝孔，92.张紧轮，221.压辊支架，222.连接杆，223.过度杆，224.压辊，225.销孔，231.橡胶刮，232.座体，233.螺母，234.出脂嘴。

具体实施方式

下面结合各附图，对本发明做详细描述：

如图1所示，本发明的基于碳纤维的复杂敏感元自动化制造装置，包括：

工作台1，工作台1上设有两根立柱2、立柱12，两根横柱16、横柱21，两根立柱之一12设有驱动电机11和滚珠丝杠13，另一根立柱2设有导轨滑块4，导轨滑块4和滚珠丝杠13上设有横梁8，滚珠丝杠13驱动横梁8升降，横梁8设有滚珠丝杠和驱动电机3，上述结构形成升降和平移模块，横梁8的滚珠丝杠的螺母为动力输出端；两根横柱之一16设有驱动电机17和滚珠丝杠，另一根横柱21设有导轨滑块，导轨滑块和滚珠丝杠上设有水平移动台19；

纤维丝驱动箱6，设置在所述横梁8滚珠丝杠的螺母上，能够沿横梁8水平移动；

树脂液箱5，设置在所述回转台7上，用于盛放树脂液；

预浸缸9，固定在横梁8上，用于盛放预浸液，对纤维丝18进行预浸；

支架10，设置在工作台1上，作为储丝模块用于放置纤维丝卷14。

如图2和3所示，纤维丝驱动箱6包括：箱体63，箱体63侧面设有驱动电机62和调整轮61，箱体63内设有导向轮组用于牵引纤维丝，导向轮组的导向轮采用橡胶轮，增大摩擦力，驱动电机62与其中一个橡胶轮连接，该橡胶轮作为驱动轮，从而控制纤维丝18输出速度；

箱体63下部设有回转台7和铺丝头22，回转台7中心为中空形成过丝孔，铺丝头22穿过过丝孔与箱体63连接；树脂液箱5侧面设有进气口51，下部设有树脂出口52，树脂出口52连接有树脂铺刷23。

如图3所示，纤维丝驱动箱6的箱体63内部的导向轮组布置，每个导向轮包括：用于牵引纤维丝的橡胶轮67，安装橡胶轮67的转轴以及轴承66，箱体63下方设有凸台64和螺纹孔65，凸台64带有出丝孔且连接铺丝头22。

如图4和5所示，回转台7的驱动装置包括内轴承76、齿轮盘73、蜗杆74、驱动电机71和蜗杆座72，齿轮盘73与回转台7螺纹固定连接，蜗杆座72和内轴承76螺纹连接，内轴承76通过螺栓与箱体63上的螺纹孔65固定连接，驱动电机71和蜗杆74设置在蜗杆座72上，齿轮盘73绕内轴承76旋转。

如图6和7所示，预浸模块包括：预浸缸9，预浸缸9的两侧设有过丝孔91和张紧轮92，内部设有张紧机构25，张紧机构25采用单个张紧轮限制纤维丝18始终能够通过预浸液24；

如图8所示，铺丝头22包括一对压辊224、压辊支架221、过度杆223和连接杆222构成；压辊支架221和过度杆223通过螺栓松连接，使压辊支架221水平转动、换向自如；连接杆222和箱体63下方凸台64螺纹固定连接；过度杆223和连接杆222上设有销孔225，可方便调整铺丝头高度和更换铺丝头压辊。

如图9和10所示，树脂铺刷23包括橡胶刮231、座体232、螺母233和出脂嘴234；橡胶刮231通过螺钉固定；螺母233和树脂液箱5上的树脂出口52连接。

本实施例的工作过程如下：

如图1所示，将购置纤维丝卷14安装在支架10上，纤维丝18依次经过预浸缸9右侧张紧轮92、右侧过丝孔91、张紧机构25、左侧过丝孔91、左侧张紧轮92、纤维丝驱动箱6右侧调整轮61、箱体内上橡胶轮67、下橡胶轮67、凸台64、铺丝头22、压辊224；将事先配置好的预浸液24倒入预浸缸9中至覆盖张紧机构25；将事先配置好的树脂液倒入树脂液箱5；将托板20固定在水平移动台19上；根据需要制备的碳纤维智能层结构，设置各驱动电机控制程序完成整个准备过程。

如图11所示，将纤维丝18一端用橡胶夹15固定，启动设备，各驱动电机按照设定程序自动完成铺丝涂脂过程，即可制备出精准控制下的碳纤维智能层传感元。

如图12和13所示，为利用本装置制造的两种传感元结构U形和蛇形。将所制造的传感元进行后处理，如放入鼓风干燥箱中进一步固化，添加电极，进一步封装等获得所需传感器。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于碳纤维的复杂敏感元自动化制造装置，其特征在于，包括：

工作台；

升降和平移模块，安装在工作台上；

水平移动台，水平移动地安装在工作台上，顶面安装有用于铺丝的托板；

储丝模块；

铺丝模块，安装在升降和平移模块的动力输出端，用于在托板上铺设来自储丝模块的纤维丝；

预浸模块，布置在储丝模块与铺丝模块之间的纤维丝路径上用于对纤维丝进行预处理；

树脂填充模块，形成用于容纳碳纤维敏感元的树脂层。

2.如权利要求1所述的基于碳纤维的复杂敏感元自动化制造装置，其特征在于，所述铺丝模块包括：

安装座，与升降和平移模块的动力输出端固定连接，

纤维丝驱动箱，固定在所述安装座上；

铺丝头，安装在所述纤维丝驱动箱下方，所述纤维丝驱动箱将储丝模块的纤维丝牵引至铺丝头并驱动纤维丝自该铺丝头出丝。

3.如权利要求2所述的基于碳纤维的复杂敏感元自动化制造装置，其特征在于，所述铺丝模块还包括安装在纤维丝驱动箱的下方且水平转动的回转台以及回转台驱动装置，所述回转台中间开设有过丝孔，所述纤维丝驱动箱输出的纤维丝穿过该过丝孔至铺丝头，所述树脂填充模块安装在所述回转台的周向边缘上。

4.如权利要求3所述的基于碳纤维的复杂敏感元自动化制造装置，其特征在于，所述回转台驱动装置包括：

齿轮盘，与所述回转台螺纹固定连接；

内轴承，固定在纤维丝驱动箱底部，所述齿轮盘安装在内轴承上；

蜗杆，与齿轮盘的周向轮齿啮合；

蜗杆座，用于安装蜗杆且与所述内轴承固定连接；

蜗杆转动动力源。

5.如权利要求3所述的基于碳纤维的复杂敏感元自动化制造装置，其特征在于，所述树脂填充模块包括：

树脂液箱，安装在所述回转台的周向边缘上，侧面设有进气口，底面设有树脂出口；

树脂铺刷，进口端与树脂出口连接；

橡胶刮，固定在树脂铺刷的一侧边上。

6.如权利要求3所述的基于碳纤维的复杂敏感元自动化制造装置，其特征在于，所述纤维丝驱动箱包括：

箱体，一侧面设有进丝口，底面设有出丝口；

一对调整辊，安装在箱体外且与所述进丝口相对布置，用于引导纤维丝进入所述进丝口；

导向轮组，安装在箱体内将来自进丝口的纤维丝引导并送至所述出丝口，包括至少一个输送纤维丝的驱动轮；

转动动力源，带动驱动轮转动。

7.如权利要求2所述的基于碳纤维的复杂敏感元自动化制造装置，其特征在于，所述铺丝头包括一对压辊以及用于安装压辊的支架，所述纤维丝驱动箱底部固定连接有连杆，所述支架水平转动安装在该连杆末端。

8.如权利要求1所述的基于碳纤维的复杂敏感元自动化制造装置，其特征在于，所述升降和平移模块包括：

两根立柱，间隔地固定在工作台上，至少一根立柱上设有升降机构；

横梁，两端安装在两根立柱上，通过升降机构实现上下移动；

平移机构，安装在横梁上，具有所述的动力输出端。

9.如权利要求8所述的基于碳纤维的复杂敏感元自动化制造装置，其特征在于，所述预浸模块包括：

预浸缸，固定在横梁上，用于盛装预浸液，相对两侧设有过丝孔；

第一张紧机构，分别固定在安装有过丝孔的预浸缸的侧边上；

第二张紧机构，设置在预浸缸内限制纤维丝始终通过预浸液。