CN107244079A - 一种碳纤维集成铺放装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种碳纤维集成铺放装置，包括位于底板上方的供料放卷机构、导向机构、张力调节机构、张力测量机构、重送机构、夹紧机构、剪切机构，以及底板下方的压实机构。供料放卷机构上的纤维经过重送机构、夹紧机构、剪切机构后，经压实机构的压实固化于模具表面上。上述传输过程中还经过导向机构进行导向，经张力调节机构被动调节纤维束张力，经张力测量机构对纤维束张力进行测量。上述压实机构通过弹簧弹力作用，被动调节压实机构的压实辊与模具表面间的距离，适应不同曲面的模具铺放要求以及实现对单丝束的控制要求。

Description

一种碳纤维集成铺放装置

技术领域

本发明涉及复合材料成型领域，具体来说，是一种碳纤维复合材料的铺放装置。

背景技术

高性能碳纤维树脂基复合材料(CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastics)是先进复合材料中用量最多、应用最广的一种材料。以碳纤维作为增强材料，高性能的树脂材料作为基体，经加工工艺等装置制成碳纤维制品，在增强产品的力学性能的同时，可以有效减轻产品的重量。而碳纤维的耐高温性、耐腐蚀性、防磁性及卓越的生物相容性等性能，成为现在航空航天等军用、民用领域所积极应用的一种复合材料。

最初，碳纤维材料的成型依靠于手糊成型，到目前为止，已经逐步发展到模压、喷射、等工艺方法。而自从上世纪80年代出现自动铺带技术(ATL Automated Tape Laying)和自动铺丝技术(AFP Automated Fiber Placement)，可按照模型承力方向在芯模表面进行铺层，提高成型的效率，同时可降低材料的浪费率，因而实现降低复合材料的生产成本，使其有更为广泛的应用。

现有的自动纤维铺放装置一般满足大型结构件的铺放，但对于结构小巧但相对复杂的构件来说，大型铺放装置就降低了装置的应用效率，且空间占地太大，并不能够满足设计的要求，而且在机构的可靠性及精度上来说还存在较大问题。因而该发明的铺放装置结构小巧紧凑，满足于小型结构件的铺放，降低制作成本。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种碳纤维集成铺放装置，满足小型复杂结构件的复合材料制品的快速成型要求而设计的，同时解决了目前现有机构的可靠性稳定性差等问题，其可靠、稳定性高，提高了铺放可靠性及精度。

本发明碳纤维集成铺放装置，包括供料放卷机构、导向机构、张力调节机构、张力测量机构、重送机构、夹紧机构、剪切机构与压实机构；其中，供料放卷机构、导向机构、张力调节机构、张力测量机构、重送机构、夹紧机构、剪切机构安装于底板一侧面上，压实机构安装于底板另一侧面上；

所述供料放卷机构由放卷伺服电机驱动放卷辊，实现放卷辊上缠绕的预浸纱的导送。导向机构位于供料放卷机构前方，具有位置低于放卷辊的导向轮，由导向轮实现预浸纱的导向。张力调节机构位于导向机构前方，用来对各束预浸纱的张力进行被动、快速响应调节，张力调节机构具有由弹簧支撑的张力调节辊，且使张力调节辊具有竖直方向移动副。张力测量机构位于张力调节机构前方，为安装有张力传感器的辊子，用来对各束预浸纱张力进行实时的准确测量。重送机构用来在预浸纱切断后再继续将预浸纱重送至压实机构前段；重送机构具有由重送电动缸驱动抬起与放下的重送轮，以及由步进电机驱动转动的重送辊轴；由重送电动缸驱动重送轮下移，实现将预浸纱夹紧于重送轮与重送辊轴间，进而通过步进电机驱动重送辊轴实现预浸纱的重送。夹紧机构用于夹紧预浸纱。剪切机构用于驱动切刀将预浸纱切断。

所述压实机构前段具有压实辊，用来对模具表面上的预浸纱进行压实。压实机构中压实辊可通过柔性弹簧弹力作用被动调节与模具间的距离，弹簧弹力由位移传感器测量。

本发明的优点在于：

1、本发明碳纤维集成铺放装置，采用集成设计，空间占用较小、便于拆卸；

2、本发明碳纤维集成铺放装置，通过主动、被动张力调节机构相结合，响应速度快，因而可更为精准地调节张力。

3、本发明碳纤维集成铺放装置，通过激光式位移传感器代替压力传感器，节省了空间，提高了测量精度。

4、本发碳纤维集成铺放装置，采用电力驱动代替气动驱动，降低了对工作环境的噪声污染以及控制难度。

5、本发明碳纤维集成铺放装置，与三自由度精密式工作台结合，可以实现小型三维模型碳纤维复合材料的快速成型制造。

6、本发明碳纤维集成铺放装置中，适应不同曲面的模具铺放要求以及实现对单丝束的控制要求。

附图说明

图1是本发明碳纤维集成铺放装置整体结构示意图；

图2是本发明碳纤维集成铺放装置中导向机构结构示意图；

图3是本发明碳纤维集成铺放装置中张力调节机构结构示意图；

图4是本发明碳纤维集成铺放装置中张力测量机构结构示意图；

图5是本发明碳纤维集成铺放装置中重送机构正视结构示意图；

图6是本发明碳纤维集成铺放装置中重送机构A-A剖视结构示意图；

图7是本发明碳纤维集成铺放装置中夹紧机构结构示意图；

图8是本发明碳纤维集成铺放装置中剪切机构结构示意图；

图9是本发明碳纤维集成铺放装置中一体化预浸纱传送通道结构示意图。

图10是本发明碳纤维集成铺放装置中压实机构侧视结构示意图；

图11是本发明碳纤维集成铺放装置中压实机构俯视结构示意图。

1-供料放卷机构 2-导向机构 3-张力调节机构

4-张力测量机构 5-重送机构 6-夹紧机构

7-剪切机构 8-压实机构 9-底板

10-模具 101-放卷伺服电机 102-放卷辊

103-电机支架 201-导向轮 202-导向轴

203-导向支撑架 301-导轨支撑杆 302-导轨

303-滑块 304-浮动支架 305-弹簧

306-张力调节辊 401-传感器支架 402-辊子

403-传感器安装底座 404-张力传感器 405-侧辊支座

501-重送电动缸 502-连接件 503-步进电机

504-重送辊轴 505-重送轮 506-重送机构支撑架

601-夹紧电动缸 602-夹紧靴 603-夹紧支撑架

604-预浸纱传送通道A 701-刀具安装架 702-推拉式电磁铁

703-切刀 704-挡板 705-电磁铁安装架

706-预浸纱传送通道B 707-缝隙 801-压实伺服电机

802-减速箱 803-滚珠丝杠 804-弹簧

805-链接底板 806-支撑板 807-链接支撑板

808-支撑轴 809-导轨 810-导轨滑块

811-压实辊 812-电机支撑架 813-电机安装支架

814-法兰轴承座 815-立式轴承座 816-限位块

817-辊架 818-激光式位移传感器

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明碳纤维集成铺放装置，包括供料放卷机构1、导向机构2、张力调节机构3、张力测量机构4、重送机构5、夹紧机构6、剪切机构7与压实机构8，如图1所示，以上各个机构均固定于底板9之上，各个机构相互配合完成碳纤维预浸料的传送、固化、压实功能。上述供料放卷机构1、导向机构2、张力调节机构3、张力测量机构4、重送机构5、夹紧机构6、剪切机构7安装于底板9一侧面上，压实机构8安装于底板9另一侧面上。

所述供料放卷机构1包括放卷伺服电机101、放卷辊102与电机支架103，如图1所示。其中，放卷伺服电机101安装于底板9上设置的电机支架103上，输出轴上同轴安装放卷辊102。放卷辊102上缠绕有预浸纱；通过放卷伺服电机101驱动放卷辊102转动。供料放卷机构1为n 个，n为正整数，n≥1，使本发明碳纤维集成铺放装置实现n束预浸纱的导送。

所述导向机构2位于供料放卷机构1前方，包括导向轮201、导向轴202与导向支撑架203，如图2所示。其中，导向轴202两端固定于底板9上设置的导向支撑架203左右侧板上。导向轴202上同轴安装有n个导向轮201，导向轮201通过深沟球轴承与导向轴202相连。导向轮201 周向上开有导向槽204，防止预浸纱导送过程中由导向轮201上脱出。上述n个导向轮201的轴线的竖直高度低于n个供料放卷机构中放卷辊102的轴线；由此，n个供料放卷机构1中的预浸纱分别牵引至n个导向轮201处，并由导向轮201底部绕过导向轮201，由导向轮201实现各束预浸纱的导向。同时在每个导向轮201正下方安装有张力传感器，根据各个张力传感器获取的毫伏级别电压信号，实现对每束预浸纱的张力主动控制。在进行预浸纱导送时，可预先将预浸纱外部包覆的衬纸端部与导向轮201粘结在一起，由此导送过程中，导向轮201的转动可实现衬纸和预浸纱分离，使衬纸卷到导向轮201上，完成衬纸的收回，省去单独设置收膜机构的空间。

所述张力调节机构3为n个，位于导向机构2前方，分别用来对各束预浸纱的张力进行被动、快速响应调节。张力调节机构3包括导轨支撑杆301、导轨302、滑块303、浮动支架304、弹簧305与张力调节辊306，如图3所示。其中，导轨支撑杆301垂直于底板9设置，固定于底板9上。导轨支撑杆301上安装有与其平行的导轨302，导轨302采用微型直线滚珠丝杠导轨。导轨302上滑动配合安装有滑块303。浮动支架304的底部套于导轨支撑杆301上，侧部固定安装于滑块303上。弹簧305套于导轨支撑杆301上，弹簧305顶部与底部分别与浮动支架304 底部和底板9间接触，由此通过弹簧305实现浮动支架304的支撑，以及在浮动支架304与底板9间距发生变化后的浮动支架304的归位。张力调节辊306一端通过深沟球轴承安装于浮动支架304侧部，通过轴肩与轴用弹性挡圈对张力调节辊306轴向定位。预浸纱经导向机构2后由张力调节辊306上方绕过张力调节辊306，经过张力调节辊306进行传送；当预浸纱的张力改变时，浮动支架304会沿导轨支撑杆301滑动，弹簧305的压缩量随之改变。预浸纱的张力张力调节机构3

所述张力测量机构4为n个，位于张力调节机构3前方，分别用来在各个张力调节机构进行被动张力调节后，对各束预浸纱张力进行实时的准确测量，进而配合供料放卷机构1实现对各束预浸纱进行精准的主动调节。张力测量机构4包括传感器支架401、辊子402、底座403 与张力传感器404，如图4所示。辊子402为三个，轴线平行设置，由前至后设置，为两个侧辊与一个中部辊；其中，中部辊轴线竖直高度高于两侧辊轴线。两侧辊两端通过深沟球轴承分别安装于底板9上设置底座403上。中部辊通过深沟球轴承安装于传感器支架401顶部，传感器支架401底部通过张力传感器404与底座403通过锁紧螺母固定。预浸纱经张力调节机构 3后，依次由后部侧辊下方-中部辊上方-前部侧辊下方绕过三个辊子；由此，通过三个辊子 402可保证预浸纱与辊子402的角度保持不变，使得张力传感器404对预浸纱张力的测量更为精准，可减小误差。

所述重送机构5具有n套，均安装在重送机构支撑架506内，用来在预浸纱切断后再继续将预浸纱重送至压实机构前段。重送机构5包括重送电动缸501、连接件502、步进电机503、重送辊轴504与重送轮505，如图5、图6所示。其中，重送机构支撑架506包括两个具有顶板与两侧板的U型架，前后设置，固定安装于底板9上。重送电动缸501采用笔试电动缸，其缸体端与后支架座铰接，通过后支架座吊装于后部U型架的顶板上。后部U型架内部下方空间用来放置张力测量机构4，使张力测量机构4位于后部U型架内，进而缩短传送距离，提高可靠性。重送电动缸501的输出端与三角形连接件502的A端铰接，连接件502的B端与前支架座铰接，使重送电动缸501的输出端通过前支架座吊装于前U型架顶面。连接件502的C端上安装有重送轮505。重送辊轴504两端通过深沟球轴承安装于前U型架两侧板上，通过安装于前部U型架侧板上的步进电机503驱动转动。重送辊轴504上沿轴向设计有环形台肩，使重送辊轴504上沿轴向形成n个环形凹槽，分别用来设置n束预浸纱，限制了预浸纱在重送辊轴504轴向上的位置。预浸纱经张力测量机构4后，由重送辊轴504上方绕过，置于重送辊轴504上的凹槽内。当重送电动缸501的输出端收缩时，重送轮会落下至重送辊轴504上的凹槽内，与重送辊轴504相互接触，将预浸纱夹紧于重送轮505与重送辊轴504之间。此时，由步进电机503驱动重送辊轴504转动，通过重送轮505与重送辊轴504间夹紧所产生的摩擦力，在重送辊轴504旋转的过程中对预浸纱进行重送。当重送完成时，重送电动缸501的输出端伸长，带动重送轮505抬起。

所述夹紧机构6为n个，用来在剪切后将预浸纱加紧，防止预浸纱在张力的作用下抽回。夹紧机构6安装于夹紧支撑架603上，包括夹紧电动缸601与夹紧靴602，如图7所示。其中，夹紧支撑架603为矩形框架结构，具有顶部吊装板，整体固定安装于底板9上。夹紧电动缸601 竖直设置，缸体端通过支架座吊装于夹紧支撑架603的顶部吊装板；夹紧电动缸601的输出端端部固定安装有夹紧靴602；同时位于夹紧靴子下方，加紧支撑架底边上开有U型凹槽，内部安装有槽形预浸纱传送通道A604，保证在传送过程中预浸纱的传送方向并增加预浸纱控制的可靠性，且在剪切动作之后防止预浸纱在张力的作用下回撤。

所述剪切机构7为n个，均安装于电磁铁安装架705上，分别用来对各束预浸纱剪切，调整输出预浸纱的总宽度，如图8所示。剪切机构7包括刀具安装架701、推拉式电磁铁702与切刀703。其中，电磁铁安装架705为矩形框架结构，底部安装于底板9上。推拉式电磁铁702 上端通过螺母固定安装于电磁铁安装架705顶边，下端连接刀具安装架701，刀具安装架701 下部安装有切刀703；通过刀具安装架701将推拉式电磁铁702与切刀703相连。电磁铁安装架705底边上开有U型凹槽，内部安装有预浸纱传送通道B706，预浸纱传动通道B706为筒状结构，内部用来穿过预浸纱，且预浸纱传送通道B706上，位于切刀703刀刃下方位置处，设计有供切刀703插入的缝隙707，当切刀703插入缝隙707后，可将预浸纱传送通道B706内部截断。预浸纱经重送机构5后，经预浸纱传动通道A604与预浸纱传动通道B706传送至模具10 表面上，在重送机构5重送完毕后，控制夹紧电动缸601的输出端伸长，带动夹紧靴602下移夹紧预浸纱；随后控制推拉式电磁铁702使切刀插入缝隙，由切刀刀刃将预浸纱切断，切断后立刻由推拉式电磁铁702控制切到归位，最终由压实机构8在模具10表面进行压实。重送机构5开始重送时，夹紧电动缸601的输出端缩回。上述重送机构5、夹紧机构6与剪切机构7紧贴设计，节约空间，且夹紧机构6与剪切机构7中的预浸纱传动通道A606和预浸纱传动通道 B706可设计为一体结构，如图9所示。

所述压实机构8用来对模具表面上的预浸纱进行压实，提高其力学性能。压实机构8包括压实伺服电机801、减速箱802、滚珠丝杠803、弹簧804、链接底板805、支撑板806、链接支撑板807、支撑轴808、导轨809、导轨滑块810与压实辊811，如图10、图11所示。

所述压实伺服电机801轴线沿前后方向设置，输出轴同轴连接减速箱802，通过螺栓将压实伺服电机801与减速箱802共同固定于电机支撑架812上，同时电机支撑架812固定安装于底板9上设置的电机安装支架813后侧面上，实现压实伺服电机801、减速箱802与底板9三者间的定位。

所述滚珠丝杠803与减速箱802的输出轴同轴设置，滚珠丝杠803的光轴部分通过联轴器与减速箱802的输出轴同轴连接。滚珠丝杠803一端与具有圆形侧的法兰轴承座814相连，由法兰轴承座814支撑，该法兰轴承座814可通过螺栓固定在电机安装支架813前侧面上。滚珠丝杠803的另一端与具有方形支撑侧的立式轴承座815相连，由立式轴承座815支撑，该立式轴承座815可通过螺栓固定安装在底板9上。

上述滚珠丝杠803上具有螺纹套接的螺母，该螺母上固定有一块支撑板806；同时滚珠丝杠803上还套有两块链接支撑板807，两块链接支撑板807分别位于螺母的前后位置，且两块链接支撑板807底端通过螺钉与水平设置的链接底板805固定。两块链接支撑板807间通过两根支撑轴808相连；两根支撑轴808位于滚珠丝杠803两侧，轴线与滚珠丝杠803轴线平行，且共处于同一水平面上。两根支撑轴808两端分别与两块链接支撑板807固定，同时还分别穿过支撑板806左右两侧。

所述弹簧804具有四根，其中两根弹簧804套在滚珠丝杆803左侧的支撑轴806上，分别位于两块链接支撑板807与支撑板806之间；另两根弹簧804套在滚珠丝杆803右侧的支撑轴 806上，同样位于两块链接支撑板807与支撑板806之间。

所述导轨809沿前后方向设置，固定安装于底板9上。导轨809上安装有微型导轨滑块 810，使导轨滑块810可沿导轨滑动。导轨滑块810与滚珠丝杠803上的螺母固定连接。由此，通过压实伺服电机801驱动滚珠丝杠810转动，支撑板806沿滚珠丝杠轴线前后移动，压缩弹簧804，且通过导轨滑块810与导轨809间的配合进行导向，最终带动两块链接支撑板807与链接底板805整体前后移动。上述导轨809上安装有限位块816，通过限位块816 对导轨滑块810的移动范围进行限位。

所述压实辊811通过轴承套接于压实辊轴上，压实辊811轴两端分别固定于左右两侧辊架817前端，左右两侧辊架817后端固定于前方的链接支撑板807上。当压实辊811与模具10表面接触，产生的压力导致弹簧804变形，可通过在支撑板806上安装激光式位移传感器818测量弹簧804的变形量，由于弹簧804属于线性弹性体，因而压实力可由弹簧804 变形量得到，将反馈的弹簧804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801驱动滚珠丝杠803转动，移动螺母的位置以调节弹簧804的压缩量，使得前侧的链接支撑板807输出恒定压实力。

综上，当模具为复杂曲面时，会导致压实机构8的压实力突变破坏预浸纱的铺放质量，而本发明中压实机构中采用柔性弹簧，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801转动滚珠丝杠803，由螺母带动压实辊811移动，可有效提高铺放制品的质量，提高铺放速度提高效率。

本发明碳纤维集成铺放压实装置安装在机器人的末端法兰盘，通过对机器人与碳纤维集成铺放压实装置进行协调控制，将预浸纱传送至压实机构8中压实辊811下方，由压实机构 8控制压实辊811将预浸纱与模具10贴合固化。当压实机构8压实完毕后，预浸纱通过重送机构5再次重送至压实辊811处，再次进行压实操作；循环上述过程实现预浸纱在模具 10上的自动铺放。

Claims (8)

1.一种碳纤维集成铺放装置，其特征在于：包括供料放卷机构、导向机构、张力调节机构、张力测量机构、重送机构、夹紧机构、剪切机构与压实机构；其中，供料放卷机构、导向机构、张力调节机构、张力测量机构、重送机构、夹紧机构、剪切机构安装于底板一侧面上，压实机构安装于底板另一侧面上；

所述供料放卷机构由放卷伺服电机驱动放卷辊，实现放卷辊上缠绕的预浸纱的导送；

所述导向机构位于供料放卷机构前方，具有位置低于放卷辊的导向轮，由导向轮实现预浸纱的导向；

所述张力调节机构位于导向机构前方，用来对各束预浸纱的张力进行被动、快速响应调节，张力调节机构具有由弹簧支撑的张力调节辊，且使张力调节辊具有竖直方向移动副；

所述张力测量机构位于张力调节机构前方，为安装有张力传感器的辊子，用来对各束预浸纱张力进行实时的准确测量；

所述重送机构用来在预浸纱切断后再继续将预浸纱重送至压实机构前段；重送机构具有由重送电动缸驱动抬起与放下的重送轮，以及由步进电机驱动转动的重送辊轴；由重送电动缸驱动重送轮下移，实现将预浸纱夹紧于重送轮与重送辊轴间，进而通过步进电机驱动重送辊轴实现预浸纱的重送；

所述夹紧机构用于夹紧预浸纱；

所述剪切机构用于驱动切刀将预浸纱切断；

所述压实机构前段具有压实辊，用来对模具表面上的预浸纱进行压实。

2.如权利要求1所述一种碳纤维集成铺放装置，其特征在于：导向轮周向上开有导向槽，预浸纱置于导向槽内。

3.如权利要求1所述一种碳纤维集成铺放装置，其特征在于：导向轮正下方安装有张力传感器对预浸纱的张力主动控制。

4.如权利要求1所述一种碳纤维集成铺放装置，其特征在于：张力调节机构包括导轨支撑杆、导轨、滑块、浮动支架、弹簧与张力调节辊；其中，导轨安装于导轨支撑杆上，导轨上滑动配合安装有滑块；浮动支架套于导轨支撑杆上，且固定于滑块上；浮动支架由套于导轨支撑杆上的弹簧支撑；张力调节辊通过轴承安装于浮动支架上。

5.如权利要求1所述一种碳纤维集成铺放装置，其特征在于：张力测量机构具有3个辊子，包括两侧辊与一个安装张力传感器的中部辊；两侧辊位置低于中部辊。

6.如权利要求1所述一种碳纤维集成铺放装置，其特征在于：重送机构中，电动缸缸体端吊装于重送机构的安装框架上；重送电动缸的输出端与三角形连接件的A端铰接，连接件的B端与前支架座铰接，使重送电动缸的输出端通过前支架座吊装重送机构的安装框架上；连接件的C端上安装有重送轮。

7.如权利要求1所述一种碳纤维集成铺放装置，其特征在于：张力测量机构置于重送机构安装框架内。

8.如权利要求1所述一种碳纤维集成铺放装置，其特征在于：压实机构中压实辊可通过柔性弹簧弹力作用被动调节与模具间的距离，弹簧弹力由位移传感器测量。