CN108237707B - 可实现碳纤维束夹紧/剪切/重送功能的机构装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现碳纤维束夹紧/剪切/重送功能的机构装置，包括微型气缸、支撑件、第一连杆、第二连杆、第三连杆，切刀、重送机构、第一导轨滑块、第二导轨滑块、第三导轨滑块，凸轮与辅助锁紧机构；本发明夹紧剪切重送一体化装置可进行较为复杂的任务操作，仅有一个自由度，控制方式简单，响应迅速；本发明装置的剪切、夹紧和重送动作之间无干涉，切换迅速平顺，并且对于预浸丝的控制十分可靠，精度较高；由于该一体化装置只使用一个气缸进行控制，减轻了自动铺放设备的质量，降低了加工成本。

Description

可实现碳纤维束夹紧/剪切/重送功能的机构装置

技术领域

本发明涉及机构学，可应用于复合材料成型领域，具体来说，是一种可应用于自动铺丝头的装置，既可以对预浸丝进行夹紧、剪切又可以对预浸料进行重送。

背景技术

碳纤维复合材料相比其他传统材料，例如合金钢、铁、铝等，具有高比强度、高比模量、抗腐蚀性等优点，能大幅减轻产品重量并提高性能，可广泛应用于航空航天领域。然而，针对一些复杂的曲面结构件，传统的复合材料制造方法较为耗时、耗力。而从上世纪80年代由龙门机床或工业机械臂搭载的自动化碳纤维铺丝头(Automated Fiber Placement AFP)可高效高质地完成一些复杂曲面的碳纤维铺放工作，从而降低了复合材料的生产制造成本。其中，碳纤维铺丝机器人是一种应用于碳纤维成型的制造装备，每根纤维束经导向、张力控制，再顺次单独地通过剪切、夹紧、重送机构，最后聚集成丝带输送到压紧机构下方，由加热装置和压紧机构共同作用压实到芯模表面。

以往大多数系统均采用多驱动设计方案，通常需要包含多个驱动完成上述功能，虽然可以实现上述功能要求，但机械结构及运动控制较复杂，且铺丝头的体积和转动惯量较大，限制其碳纤维复合材料的铺放速度和铺放精度，也无法适用于小型复杂结构件的成型制造。因此，针对自动化纤维铺放系统的核心功能，设计一种简单小型、动作可靠的模块化剪切、夹紧重送一体装置，使自动铺丝机满足小型化、轻量化的需求具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，基于机构学，提出一种小型化装置，可依次实现夹紧、剪切和重送三个动作，应用于模块化自动铺放设备可有效地解决了现有铺放装置的铺放设备体积及转动惯量较大的缺陷，实现对预浸丝的精准控制同时简化控制系统的控制难度。

本发明夹紧剪切重送的一体化装置，具有由直线电机驱动，连杆之间相互作用实现夹紧剪切顺序动作，同时单向轴承与凸轮配合，实现预浸丝的重送动作。

自动铺放设备是基于自动缠绕机进行改造创新，即对每根预浸丝进行单独夹紧剪切、重送进行控制，预浸丝经由导向装置、张力调节装置等其他装置运送至压实装置前端进行压实，当控制器发出指令对铺放宽度进行调整，直线电机驱动连杆机构，带动夹紧块与切刀向前运动，将预浸丝夹紧并剪切；当剪断夹紧的预浸丝需要重新重送至压实装置前端时，直线电机反向运动，由于单向轴承的作用，带动凸轮转过推程角，重送轮被移动至前端，完成重送动作。本发明夹紧、剪切、重送动作由同一电机驱动完成，仅有一个自由度，运动之前无干涉且切换平顺。

本发明的优点在于：

(1)夹紧剪切重送一体化装置可进行较为复杂的任务操作，仅有一个自由度，控制方式简单，响应迅速；

(2)装置的剪切、夹紧和重送动作之间无干涉，切换迅速平顺，并且对于预浸丝的控制十分可靠，精度较高；

(3)由于该一体化装置只使用一个气缸进行控制，减轻了自动铺放设备的质量，降低了加工成本。

附图说明

图1是本发明一种可夹紧剪切重送一体化装置的结构前向示意图；

图2是本发明一种可夹紧剪切重送一体化装置进行夹紧任务时的轴测示意图；

图3是本发明一种可夹紧剪切重送一体化装置中构件的结构示意图；

图4是本发明一种可夹紧剪切重送一体化装置中执行重送动作时的剖面示意图；

图5是本发明一种可夹紧剪切重送一体化装置重送完成时回撤过程中的后视图；

图6是本发明中中心轴的结构示意图；

图7是本发明中单向轴承与凸轮的结构示意图；

图中：

1-微型气缸 2-支撑件 3-第一导轨滑块

4-第一连杆 5-第二连杆 6-第三连杆

7-切刀 8-重送机构 9-第二导轨滑块

10-凸轮 11-辅助夹紧机构 12-第三导轨滑块

13-基座 14-砧板 15-夹紧块

16-永磁铁 17-支撑板 18-重送电机

19-重送轮 20—杆件b 21-中心轴

22-杆件a 23-支撑架 24-重送辊轮

25-弹簧推杆 26-推杆 27-推杆支撑件

28-单向轴承 29-键

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明可夹紧剪切重送一体化装置(可实现碳纤维束夹紧/剪切/重送功能的机构装置)，如图1所示，安装在复合材料铺丝头末端压实辊上方，在碳纤维增强型树脂基复合材料经由供料机构、导向机构将单独的每束丝均经本发明装置，用同一气缸作为驱动实现对碳纤维复合材料进行夹紧、剪切和重送三个顺序动作，简化了对单束丝的控制。本发明可夹紧剪切重送一体化装置，包括微型气缸1、支撑件2、第一连杆4、第二连杆5、第三连杆6，切刀7、重送机构8、第一导轨滑块3、第二导轨滑块9、第三导轨滑块12，凸轮10与辅助锁紧机构11，如图1、图2所示。

所述微型气缸1轴线沿前后方向设置，活塞杆同轴连接支撑件2，支撑件2下方与导轨滑块9通过螺栓连接，在支撑件2沿轴线方向的面上安装第一导轨滑块3，第一导轨滑块3与第一连杆4的一端连接，第一连杆4的另一端与基座13通过中心轴21较细一端连接，第一连杆4与中心轴21较细一端过盈配合，具体安装方式如图4所示，中心轴21的结构示意图如图6所示，第一连杆4通过中间孔位与第二连杆5一端连接，第二连杆5的另一端与第三连杆6的一端连接，第三连杆6另一端与夹紧块15连接，安装座底部与第三导轨滑块12固连，且夹紧块15上安装有永磁铁16，其中第三连杆6为异形件，如图3所示，在装置运动的第一阶段通过磁力使得第三连杆6平面一端与永磁铁16接触，保证两者夹角不变，在装置运动的第二阶段夹紧块15与砧板14配合，当夹紧块15到达右端夹紧丝束，气缸1的推杆进一步运动时，永磁铁16与第三连杆6被分离。砧板14安装在重送机构8的侧面两块支撑板17上，支撑板17一侧安装有重送电机18，重送电机18通过联轴器与重送轮19连接并带动重送轮19转动。第一连杆4与中心轴21过盈配合，中心轴21与基座13通过深沟球轴承连接，凸轮10与单向轴承28外圈通过键29进行联接，单向轴承28内圈与中心轴21通过键29配合连接，凸轮与单向轴承的具体连接方式如图7所示，因此当单向轴承28内圈顺时针转动时，外圈保持不动，当单向轴承28内圈逆时针转动时，内圈带动外圈转动，在键的作用下带动凸轮10，推杆支撑件27与第三导轨滑块12固定连接，推杆26在推杆支撑件27的滑槽内滑动，且放置弹簧，弹簧力使得推杆26与凸轮10始终保持紧密接触，推杆另一端安装重送辊轮24，当推杆26运动到凸轮10远休止角时，重送辊轮24配合重送轮19将丝束重送至前端，实现重送动作，当推杆26运动到凸轮10近休止角时，在弹簧的作用下，推杆26带动重送辊轮24与重送轮19分离，具体实施方式如图5所示。辅助锁紧机构11包括杆件a22，支架23以及杆件b20，杆件a22一端与支架23连接，另一端与杆件b20连接，杆件b20的另一端与夹紧块15连接，当夹紧块15需要锁定时，辅助锁紧机构11中的杆件b20及杆件a22由夹紧块15带动，与弹簧推杆25配合，弹簧推杆25内置的弹簧可以提供足够的夹紧力。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

第一阶段当夹紧指令发出时，在气缸1的作用力下，夹紧块15向右端运动，在第三连杆6和永磁铁16的共同作用使得第三连杆6与夹紧块15之间的角度在第一阶段被固定，凸轮10与中心轴21通过单向轴承28，顺时针转动时，凸轮10静止，杆件20与弹簧推杆25在第一阶段无接触；第二阶段，在气缸1的继续作用下，第三连杆6与夹紧块15带动杆件20及杆件22移动，与弹簧推杆25接触后并将弹簧不断压缩；第二个运动是夹紧剪切，夹紧块15经过第一阶段的运动，到达到右端点，此时弹簧推杆25的轴线与杆件20的夹角α(α＜θ，θ为两挡块间的摩擦角)，夹紧块15被锁定，弹簧处于被压缩状态为滑块提供足够的夹紧力，在气缸1的作用下，弹簧进一步被压缩，夹紧力增大，而杆件6绕转轴转动，因此第三连杆6上的切刀7作用于砧板14将丝束剪断，完成剪切动作，由于第一连杆4顺时针运动凸轮10继续保持静止；第三个运动是重送解锁，当丝带宽度需要增大时，需要重送第i束丝束，此时气缸向反方向运动，与第一阶段的运动过程相反，第一连杆4在朝逆时针运动时通过单向轴承28带动凸轮10进行转动，当夹紧块15与永磁铁16接触时，切刀7完全收回，凸轮10转过推程运动角，推杆26带动重送辊轮24向前运动，与重送轮19接触对丝束进行重送，保证丝束重送时纤维不会在张力的作用下撤回；第四个运动是重送完成后，在气缸1的作用下，第二导轨滑块9继续向左运动，凸轮10转过一定量回程运动角，由于弹簧的作用推杆26与凸轮10保持紧密接触，并推动凸轮10转过回程运动角的剩余部分，此时重送辊轮24与重送轮19不再接触，机构回到初始状态。

Claims (4)

1.可实现碳纤维束夹紧/剪切/重送功能的机构装置，其特征在于：包括微型气缸、支撑件、第一连杆、第二连杆、第三连杆，切刀、重送机构、第一导轨滑块、第二导轨滑块、第三导轨滑块，凸轮与辅助锁紧机构；

微型气缸的活塞杆同轴连接支撑件，支撑件下方与第二导轨滑块连接，在支撑件沿轴线方向的面上安装第一导轨滑块，第一导轨滑块与第一连杆的一端连接，第一连杆的另一端与基座通过中心轴较细一端连接，其中第一连杆与中心轴较细一端过盈配合，第一连杆通过中间孔位与第二连杆一端连接，第二连杆的另一端与第三连杆的一端连接，第三连杆另一端与夹紧块连接，安装座底部与第三导轨滑块固连，且夹紧块上安装有永磁铁，砧板安装在重送机构的侧面两块支撑板上，支撑板一侧安装有重送电机，重送电机通过联轴器与重送轮连接并带动重送轮转动；第一连杆与中心轴过盈配合，中心轴与基座通过深沟球轴承连接，凸轮与单向轴承外圈通过键进行联接，单向轴承内圈与中心轴通过键配合连接，推杆支撑件与第三导轨滑块固定连接，推杆在推杆支撑件的滑槽内滑动，且放置弹簧，弹簧力使得推杆与凸轮始终保持紧密接触，推杆另一端安装重送辊轮，当推杆运动到凸轮远休止角时，重送辊轮配合重送轮将丝束重送至前端，实现重送动作，当推杆运动到凸轮近休止角时，在弹簧的作用下，推杆带动重送辊轮与重送轮分离，辅助锁紧机构包括杆件a，支架以及杆件b，杆件a一端与支架连接，另一端与杆件b连接，杆件b的另一端与夹紧块连接。

2.根据权利要求1所述的可实现碳纤维束夹紧/剪切/重送功能的机构装置，所述的装置在运动的第一阶段时，通过磁力使得第三连杆平面一端与永磁铁接触，保证两者夹角不变，装置在运动的第二阶段夹紧块与砧板配合，当夹紧块到达右端夹紧丝束，气缸的推杆进一步伸出运动时，永磁铁与第三连杆被分离。

3.根据权利要求1所述的可实现碳纤维束夹紧/剪切/重送功能的机构装置，所述的凸轮与中心轴通过单向轴承连接，单向轴承内圈顺时针转动时，外圈保持不动，当单向轴承内圈逆时针转动时，内圈带动外圈转动，在键的作用下带动凸轮。

4.根据权利要求1所述的可实现碳纤维束夹紧/剪切/重送功能的机构装置，所述的夹紧块需要锁定时，辅助锁紧机构中的杆件b及杆件a由夹紧块带动，与弹簧推杆配合，弹簧推杆内置的弹簧提供夹紧力。