CN107234817A - 一种可精密实时可控的铺丝压实装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可精密实时可控的压实装置，具有由伺服电机驱动，滚珠丝杠传动前后移动的压实辊；同时压实辊通过弹簧作用，实现前后方向上的被动移动。当碳纤维由碳纤维复合材料铺丝头经压实辊下方传送至模具表面后，控制压实辊与模具表面接触，由压实辊将预浸纱与模具贴合固化。压实辊的压实力由弹簧变形量得到，通过激光式位移传感器测量弹簧变形量，反馈至控制器，通过PID单位负反馈控制方法控制，控制压实伺服电机驱动滚珠丝杠转动，调节弹簧的压缩量，压实辊输出恒定压实力。本发明可精密实时可控的铺丝压实装置，控制方式简单，降低加工成本，可避免压实力突变的情况，受力更均匀，适应碳纤维各种角度铺放。

Description

一种可精密实时可控的铺丝压实装置
技术领域
本发明涉及复合材料成型领域，融合机构学，具体来说，是一种可应用于自动铺丝头的压实装置，可对铺放成型的碳纤维预浸料进行压实，并对压实力精准控制，可提高铺放材料的质量。
背景技术
先进复合材料(Advanced Composite Materials)具有高比强度、高比模量、良好抗疲劳性和抗腐蚀性等优点，既能减轻产品重量和节省成本，又能提高产品性能的理想材料，在军事和民用领域得到了广泛的应用。如航空领域中，据预测到2020年这一比例将达到70％-80％。随着国民国防快速发展导致复合材料用量逐年增长，碳纤维自动铺丝成型技术作为近几年来复合材料成型的一种重要方法，成为复合材料应用的关键，可以精确控制铺放温度、压实力及张力，因而可快速高效、高质地制备大型复杂变曲率曲面的结构件，提高了结构件的强度、刚度等力学性能，并且达到减重的效果，增加其经济效益，所以在复合材料成型方法中占据着更为重要的角色、且具有巨大的发展潜力。
碳纤维自动铺丝成型技术可用以制造具有凹面及凸面的复杂闭合壳体结构。目前，国内现有的碳纤维自动铺丝头只简单配备了气缸、液压缸或直线电机直接驱动压辊，对碳纤维进行压实成型，不能满足复杂曲面结构件的铺放要求，在曲率变化时可能造成纤维过度挤压或相邻纤维之间产生间隙等缺陷，因此降低了铺放的适应性。为了防止该问题的出现，如何解决复合材料成型时压实力的精准控制成为目前的研究热点之一，同时如何通过对机械结构的设计简化控制系统的控制难度也是该发明所解决的问题。
发明内容
本发明为了解决现有纤维铺放设备的压实机构因铺放复杂曲面而影响铺放效果，以及碳纤维自动铺丝设备铺放质量的稳定性差，常因压实力不均造成孔隙率增多，对丝束造成损伤影响铺放质量，提出一种可精密实时可控的压实装置。
本发明精密实时可控的铺丝压实装置，具有由伺服电机驱动，滚珠丝杠传动前后移动的压实辊；同时压实辊通过弹簧作用，实现前后方向上的被动移动。
当碳纤维增强型树脂基复合材料由碳纤维复合材料铺丝头经压实辊下方传送至模具表面后，控制压实辊与模具表面接触，由压实辊将预浸纱与模具贴合固化。压实辊的压实力由弹簧变形量得到，通过激光式位移传感器测量弹簧变形量，反馈至控制器，通过PID单位负反馈控制方法控制，控制压实伺服电机驱动滚珠丝杠转动，调节弹簧的压缩量，压实辊输出恒定压实力。
本发明的优点在于：
1、本发明可精密实时可控的铺丝压实装置，带有柔性储能元件(弹簧)，当铺放复杂曲面时压实力更均匀、缓解了压实力的突变，对压实力的控制更精准，相比用压力传感器配合气缸控制调节压实力的方法，应用该装置控制更为迅速、精准。
2、本发明可精密实时可控的铺丝压实装置，通过位置测量辅助完成压实力测量及控制；对压实力可进行控制精准；
附图说明
图1为本发明可精密实时可控的铺丝压实装置安装位置示意图；
图2为本发明可精密实时可控的铺丝压实装置整体结构侧视图；
图3为本发明可精密实时可控的铺丝压实装置整体结构俯视图。
1-压实伺服电机 2-减速箱 3-滚珠丝杠
4-弹簧 5-链接底板 6-支撑板
7-链接支撑板 8-支撑轴 9-导轨
10-导轨滑块 11-压实辊 12-电机支撑架
13-电机安装支架 14-法兰轴承座 15-立式轴承座
16-限位块 17-辊架 18-激光式位移传感器
19-碳纤维复合材料铺丝头 20-模具 21-底板
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明精密实时可控的铺丝压实装置，如图1所示，安装在碳纤维复合材料铺丝头19的整体安装板18背面，在碳纤维增强型树脂基复合材料由碳纤维复合材料铺丝头19传送至模具20表面上，经过本发明铺丝压实装置对碳纤维复合材料进行压实，提高其力学性能。本发明精密实时可控的铺丝压实装置，包括压实伺服电机1、减速箱2、滚珠丝杠3、弹簧4、链接底板5、支撑板6、链接支撑板7、支撑轴8、导轨9、导轨滑块10与压实辊11，如图2、图3所示。
所述压实伺服电机1轴线沿前后方向设置，输出轴同轴连接减速箱2，通过螺栓将压实伺服电机1与减速箱2共同固定于电机支撑架12上，同时电机支撑架12固定安装于底板21上设置的电机安装支架13后侧面上，实现压实伺服电机1、减速箱2与底板21三者间的定位。
所述滚珠丝杠3与减速箱2的输出轴同轴设置，滚珠丝杠3的光轴部分通过联轴器与减速箱2的输出轴同轴连接。滚珠丝杠3一端与具有圆形侧的法兰轴承座14相连，由法兰轴承座14支撑，该法兰轴承座14可通过螺栓固定在电机安装支架13前侧面上。滚珠丝杠3的另一端与具有方形支撑侧的立式轴承座15相连，由立式轴承座15支撑，该立式轴承座15可通过螺栓固定安装在底板21上。
上述滚珠丝杠3上具有螺纹套接的螺母，该螺母上固定有一块支撑板6；同时滚珠丝杠3上还套有两块链接支撑板7，两块链接支撑板7分别位于螺母的前后位置，且两块链接支撑板7底端通过螺钉与水平设置的链接底板5固定。两块链接支撑板7间通过两根支撑轴8相连；两根支撑轴8位于滚珠丝杠3两侧，轴线与滚珠丝杠3轴线平行，且共处于同一水平面上。两根支撑轴8两端分别与两块链接支撑板7固定，同时还分别穿过支撑板6左右两侧。
所述弹簧4具有四根，其中两根弹簧4套在滚珠丝杆3左侧的支撑轴6上，分别位于两块链接支撑板7与支撑板6之间；另两根弹簧4套在滚珠丝杆3右侧的支撑轴6上，同样位于两块链接支撑板7与支撑板6之间。
所述导轨9沿前后方向设置，固定安装于底板21上。导轨9上安装有微型导轨滑块10，使导轨滑块10可沿导轨滑动。导轨滑块10与滚珠丝杠3上的螺母固定连接。由此，通过压实伺服电机1驱动滚珠丝杠10转动，支撑板6沿滚珠丝杠轴线前后移动，压缩弹簧4，且通过导轨滑块10与导轨9间的配合进行导向，最终带动两块链接支撑板7与链接底板5整体前后移动。上述导轨9上安装有限位块16，通过限位块16对导轨滑块10的移动范围进行限位。
所述压实辊11通过轴承套接于压实辊轴上，压实辊11轴两端分别固定于左右两侧辊架17前端，左右两侧辊架17后端固定于前方的链接支撑板7上。当碳纤维增强型树脂基复合材料由碳纤维复合材料铺丝头19经压实辊11下方传送至模具20表面后，控制压实辊11与模具20表面接触，由压实辊11将预浸纱与模具20贴合固化；且在压实辊11与模具20表面接触后，产生压力导致弹簧4变形，通过激光式位移传感器18测量弹簧的变形量；由于弹簧4属于线性弹性体，因而压实力可由弹簧4变形量得到，将反馈的弹簧4变形量输入控制器，通过PID单位负反馈控制方法控制，控制压实伺服电机1驱动滚珠丝杠3转动，移动螺母的位置以调节弹簧4的压缩量，使得压实辊11输出恒定压实力。
当模具20为复杂曲面时，会导致本发明铺丝压实装置的压实力突变破坏预浸纱的铺放质量，而本发明铺丝压实装置中采用柔性的弹簧4，可快速有效减弱突变的压实力，并且在驱动器的快速响应下驱动压实伺服电机1转动滚珠丝杠3，由螺母带动压实辊11移动，可有效提高铺放制品的质量，提高铺放速度提高效率。

Claims (3)

1.一种精密实时可控的铺丝压实装置，其特征在于：具有由伺服电机驱动，滚珠丝杠传动前后移动的压实辊；同时压实辊通过弹簧作用，实现前后方向上的被动移动。
2.如权利要求1所述一种精密实时可控的铺丝压实装置，其特征在于：弹簧的变形量由激光式位移传感器测量。
3.如权利要求1所述一种精密实时可控的铺丝压实装置，其特征在于：压实辊的压实力由弹簧变形量得到，将弹簧变形量输入控制器，通过PID单位负反馈控制方法控制，控制压实伺服电机驱动滚珠丝杠转动，调节弹簧的压缩量，压实辊输出恒定压实力。
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