CN107160712A - 一种数控铺丝装置 - Google Patents

Abstract

一种数控铺丝装置，包括铺放机构、预浸料带、位于铺放机构下方的模具及用于安装模具的转轴，铺放机构中，支撑架为L型结构，步进电机安装在支撑架长端上部，支撑架短端下部设置有P转轴，摇臂一端与P转轴连接，另一端与Q转轴一端连接，Q转轴另一端与叉形支架连接，叉形支架内安装有滚轮，滚轮内部填充有磁铁，伸缩滑杆一端固定在支撑架长端上，另一端安装在摇臂上，套筒套装在伸缩滑杆上；预浸料带穿过支撑架长端伸入摇臂后置于摇臂底部并延伸至滚轮下方的模具上，磁铁与模具之间产生吸引力，为铺丝提供滚压力，同时吸引力自动调节Q转轴转角以实现滚轮与模具面完美压合，对贴好的碳纤维条带进行滚压、粘实，有效降低自动铺丝系统难度。

Description

一种数控铺丝装置

技术领域

本发明涉及数控制造技术领域，尤其涉及一种数控铺丝装置。

背景技术

随着科技的飞速发展，碳纤维复合材料数控制造技术在航空、航天领域中已占有举足轻重的地位，相应的制造工艺方法有很多种，其中热压罐成型制造工艺以其技术成熟、产品质量稳定、性能优良而应用最为广泛；热压罐成型制造工艺一般步骤为：准备原材料→碳纤维预浸料铺贴成型→热压罐高温固化→零件后处理（切割、修补等），其中的第二步碳纤维预浸料铺贴成型往往是最关键的工序，需将预浸料按照预定方向、纹理等要求，一层一层的铺在模具上，传统的铺贴成型多采用手工操作；而随着铺贴曲面复杂性的提高与人工成本的上升，数控铺贴替代手工铺贴已成为一种必然趋势。

用于复杂曲面数控铺贴成型的装置称为自动铺丝系统（automatic fiberplacement），简称为AFP系统，自动铺丝系统属于国际前沿的制造技术，美国将其列为限制出口设备，自动铺丝系统原理和结构非常复杂，开发难度很高。如图1所示自动铺丝系统的工作原理图，包括丝束箱1、铺丝头2、模具3、转轴4、尾座5及导轨6，对于回转体的自动铺丝成型，目前的自动铺丝系统包含七个主动控制的自由度，并要求其中五个自由度具备联动功能，如图2所示，即七坐标五联动数控系统，下面带转轴4的是模具3，其余部分称为铺放头2，自动铺丝系统通过铺放头2与模具3之间的相对运动和相互作用以实现自动铺丝，自动铺丝系统实现的核心功能分为两个方面：第一个方面，将宽度约6.35mm的多条预浸料带7（含粘性基体）按设想的路径贴到模具3表面；第二个方面，就是用规定的滚压力对贴好的预浸料带7进行滚压、粘实；

为实现第一个功能，铺放头2需要根据指令到达模具3上的指定点，此时，铺放头2需要在机床丝杠驱动下进行X轴、Y轴和Z轴三个方向的线性位移，由于部分零件是回转体，那么模具3的下底面不易进行铺丝操作，需转动Y轴将模具3转到上面进行铺丝操作；另外，铺丝路径方向确定，常用的铺丝方向是与转轴Y成+45°或-45°，通过一号步进电机8的转动实现，也就是铺丝头2需要绕R轴转动；故实现第一个功能，需要控制X、Y、Z、和五个自由度；

为实现第二个功能，首先是要产生适当的滚压力，可通过二号步进电机9 的旋转，调节螺纹杆10的套筒旋合长度实现，当滚压力不够时，螺纹杆10外露部分需要伸长；当滚压力过大时，螺纹杆10外露部分变短，也就是要控制铺放头2的摇臂绕P转轴11转角；另外，为了使叉形压滚12的轮子与模具3曲面贴合，且压力均匀，通过三号步进电机13绕Q转轴14正转或反转使叉形压滚12的轮子与模具3表面充分贴合。故实现第二个功能需要控制和 两个自由度；

综上，自动铺丝系统需要控制X、Y、Z、、、和 七个自由度，根据实际需要，其中X、Y、Z、和 要求具备联动功能，无论从硬件还是软件角度来看，自动铺丝系统的开发、制造和使用都是高难度。因此，降低自动铺丝系统的开发难度、制造成本和使用难度十分必要。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种数控铺丝装置，以解决上述背景技术中的缺点。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种数控铺丝装置，包括铺放机构、预浸料带、位于铺放机构下方的模具及用于安装模具的转轴，其中，铺放机构包括步进电机、叉形支架、滚轮、支撑架、P转轴、摇臂、伸缩滑杆、Q转轴及套筒，支撑架为L型结构，步进电机安装在支撑架长端上部，支撑架短端下部设置有P转轴，摇臂一端与P转轴连接，另一端与Q转轴一端连接，Q转轴另一端与叉形支架连接，叉形支架内安装有滚轮，滚轮内部填充有套装在金属台阶轴上的环形磁铁，伸缩滑杆一端固定在支撑架长端上，另一端安装在摇臂上，套筒套装在伸缩滑杆上；预浸料带穿过支撑架长端伸入摇臂后置于摇臂底部并延伸至滚轮下方的模具上。

在本发明中，步进电机通过步进电机R轴安装在支撑架长端上部。

在本发明中，环形磁铁为强磁材料制成，并在环形磁铁外包裹有硅胶层，通过控制环形磁铁外包裹的硅胶层厚度，以产生符合要求的均匀滚压力，促使滚轮与模具贴合均匀、稳定。

在本发明中，模具为导磁材料制成。

在本发明中，支撑架短端内侧设置有用于固定预浸料带的卡扣。

在本发明中，伸缩滑杆固定在支撑架长端的一端设置有止动头。

在本发明中，准备铺丝前，首先将铺放机构置于模具上方的指定点，在通过数控机床丝杠驱动铺放机构进行X、Y、Z轴三个方向线性位移，当待铺丝的零件为回转体时，转动转轴的Y轴将模具底面转至上面在进行铺丝操作；铺丝方向与转轴的Y轴成+45°和-45°，铺放机构绕步进电机R轴转动，同时控制X、Y、Z、和五个自由度，以将多条预浸料带按预定路径贴至模具表面；

滚轮内部填充的环形磁铁，使滚轮与模具之间产生吸引力，为铺丝提供滚压力，伸缩滑杆为滚轮提供导向与止动辅助，Q转轴在套筒内（-45°~45°）自由旋转，滚轮与模具之间的吸引力自动调节Q转轴转角，在磁力作用下自主实现滚轮与模具面完美压合，对贴好的预浸料带进行滚压、粘实。

有益效果：本发明在滚轮内部填充环形磁铁，利用磁力作用，使滚轮与模具之间产生吸引力，为铺丝提供滚压力，并通过伸缩滑杆为滚轮提供导向与止动辅助，同时滚轮与模具之间的吸引力自动调节Q转轴转角，促进滚轮与模具面完美压合，对贴好的碳纤维条带进行滚压、粘实，从而将七自由度五联动系统降低为五坐标三联动系统，有效降低自动铺丝系统的开发难度、制造成本和使用难度。

附图说明

图1是现有自动铺丝系统的工作原理图。

图2是现有自动铺丝系统的七坐标五联动示意图。

图3是本发明的较佳实施例的结构示意图。

图4是本发明的较佳实施例中的滚轮结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图3～4的一种数控铺丝装置，包括铺放机构、预浸料带1、模具2及转轴3，模具2安装在转轴3上，并位于铺放机构下方，铺放机构包括步进电机4、步进电机R轴5、叉形支架6、滚轮7、支撑架8、P转轴9、摇臂10、伸缩滑杆11、Q转轴12、套筒13、硅胶层14、环形磁铁15、金属台阶轴16及止动头17，支撑架8为L型结构，步进电机4通过步进电机R轴5安装在支撑架8长端上部，支撑架8短端下部设置有P转轴9，摇臂10一端与P转轴9连接，另一端与Q转轴12一端连接， Q转轴12另一端与叉形支架6连接，叉形支架6内安装有滚轮7，滚轮7内部填充有套装在金属台阶轴16上的环形磁铁15，伸缩滑杆11一端设置有止动头17并固定在支撑架8长端上，另一端安装在摇臂10上，Q转轴12与伸缩滑杆11上分别套装有套筒13；预浸料带1穿过支撑架8长端伸入摇臂10后置于摇臂10底部并延伸至滚轮7下方的模具2上。

在本实施例中，环形磁铁15选用强磁材料制成，并在环形磁铁15外包裹有硅胶层14，通过控制环形磁铁15外包裹的硅胶层14厚度，以产生符合要求的均匀滚压力，促使滚轮7与模具2贴合均匀、稳定。

在本实施例中，模具2采用导磁材料制成，包括钢材。

在本实施例中，准备铺丝前，首先将铺放机构置于模具2上方的指定点，在通过数控机床丝杠驱动铺放机构进行X、Y、Z轴三个方向线性位移，当待铺丝的零件为回转体时，转动转轴3的Y轴将模具2底面转至上面在进行铺丝操作；铺丝方向与转轴3的Y轴成+45°和-45°，铺放机构绕步进电机R轴5转动，同时控制X、Y、Z、和五个自由度，以将多条预浸料带1按预定路径贴至模具2表面；

通过在滚轮7内部填充环形磁铁15，使滚轮7与模具2之间产生吸引力，为铺丝提供滚压力，并通过伸缩滑杆11为滚轮提供导向与止动辅助，Q转轴12在套筒13内（-45°~45°）自由旋转，滚轮7与模具2之间的吸引力自动调节Q转轴12转角，从而不需要步进电机控制，在磁力作用下自主实现滚轮7与模具2面完美压合，对贴好的预浸料带1进行滚压、粘实，比采取步进电机控制贴合状态更好。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种数控铺丝装置，其特征在于，包括铺放机构、预浸料带、位于铺放机构下方的模具及用于安装模具的转轴，其中，铺放机构包括步进电机、叉形支架、滚轮、支撑架、P转轴、摇臂、伸缩滑杆、Q转轴及套筒，支撑架为L型结构，步进电机安装在支撑架长端上部，支撑架短端下部设置有P转轴，摇臂一端与P转轴连接，另一端与Q转轴一端连接，Q转轴另一端与叉形支架连接，叉形支架内安装有滚轮，滚轮内部填充有套装在金属台阶轴上的磁铁，伸缩滑杆一端固定在支撑架长端上，另一端安装在摇臂上，Q转轴与伸缩滑杆上分别套装有套筒；预浸料带穿过支撑架长端伸入摇臂后置于摇臂底部并延伸至滚轮下方的模具上。

2.根据权利要求1所述的一种数控铺丝装置，其特征在于，步进电机通过步进电机R轴安装在支撑架长端上部。

3.根据权利要求1所述的一种数控铺丝装置，其特征在于，磁铁为强磁材料制成。

4.根据权利要求3所述的一种数控铺丝装置，其特征在于，磁铁为环形磁铁。

5.根据权利要求4所述的一种数控铺丝装置，其特征在于，环形磁铁外包裹有硅胶层。

6.根据权利要求1所述的一种数控铺丝装置，其特征在于，模具为导磁材料制成。

7.根据权利要求1所述的一种数控铺丝装置，其特征在于，支撑架短端内侧设置有用于固定预浸料带的卡扣。

8.根据权利要求1所述的一种数控铺丝装置，其特征在于，伸缩滑杆固定在支撑架长端的一端设置有止动头。

9.根据权利要求1～8任一项所述的一种数控铺丝装置，其特征在于，准备铺丝前，首先将铺放机构置于模具上方的指定点，在通过数控机床丝杠驱动铺放机构进行X、Y、Z轴三个方向线性位移，当待铺丝的零件为回转体时，转动转轴的Y轴将模具底面转至上面在进行铺丝操作；铺丝方向与转轴的Y轴成+45°和-45°，铺放机构绕步进电机R轴转动，同时控制X、Y、Z、和五个自由度，以将多条预浸料带按预定路径贴至模具表面；

滚轮内部填充的环形磁铁，使滚轮与模具之间产生吸引力，为铺丝提供滚压力，伸缩滑杆为滚轮提供导向与止动辅助，Q转轴在套筒内自由旋转，滚轮与模具之间的吸引力自动调节Q转轴转角，在磁力作用下自主实现滚轮与模具面完美压合，对贴好的预浸料带进行滚压、粘实。