CN109080171B - 一种用于复合材料自动铺放设备的切刀装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于复合材料自动铺放设备的切刀装置，包括切刀组件，驱动切刀组件滑动的驱动机构，以及为切刀组件提供滑动空间的的导向机构，所述导向机构包括：切刀挡块，底座，安装在底座上的盖板，以及安装在底座与盖板之间的切刀砧板；所述底座与切刀砧板的接触侧设有容纳切刀组件滑动的导向槽；所述切刀挡块安装在导向槽外侧，用于限制切刀组件滑出；所述切刀砧板相对于底座与盖板具有伸出部，所述伸出部上设有第一丝束导向孔；所述切刀挡块设有与第一丝束导向孔同轴的第二丝束导向孔，所述切刀挡块在靠近切刀砧板侧还设有切刀避让槽，所述切刀避让槽被第二丝束导向孔贯穿。该切刀装置具有稳固且紧凑的结构，引导切刀实现精确无误差的运动。

Description

一种用于复合材料自动铺放设备的切刀装置
技术领域
本发明属于复合材料自动铺放技术领域，具体涉及一种用于复合材料自动铺放设备的切刀装置。
背景技术
早期飞机复合材料构件制造大部分采用手工铺放，劳动强度大、材料浪费严重、生产效率低下、产品质量难以保证。而复合材料又具有较高的比强度和比模量、耐疲劳性能好、膨胀系数低、可设计性等优点，需要被广泛应用于航空航天领域。为了降低制造成本，提高生产效率，自动铺丝机就应世而生了。自动铺丝机根据复合材料构件铺层设计的要求，将碳纤维预浸料丝束逐层铺叠在模具表面上，然后将铺好的模具放在热压罐中进行固化。
自动铺丝机既可以铺放凸面也可以铺放凹面，还可以铺放复杂的双曲率构件。在纤维铺放过程中，任意纤维丝束可以被剪断和调用，能够严格按照要求执行切割丝束和增加丝束的功能，用来满足对铺层进行裁剪以适应构件边界等要求。故需要设计一个丝束剪切模块，该模块包括丝束夹紧、丝束切割、并将切割后的丝束重新送到丝束槽中等功能。然后将复合材料铺放到模具上进行加热加压。
自动铺丝机在国外已经发展了数十载，且相关技术已相当成熟。丝束剪切模块作为自动铺丝机的重要组成部分，也有相关的研究。由于自动铺丝机的铺放头是一个结构复杂，功能较多的机构，而丝束剪切结构又是铺放头的一个重要模块，铺放头的不同设计自然对应着不同的切刀结构。欧洲专利EP3192643A1公开了一种基于自动纤维铺放设备的刀片结构，是一种双向切割器，控制器指导致动器以便使得刀片向上或向下，刀片上升和下降时都可以对丝束进行切割。致动器的固定原件与刀片的附接孔进行固定，刀具并未设有相应的导向机构，无法精确控制刀具，误差较大。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于复合材料自动铺放设备的切刀装置，具有稳固且紧凑的结构，引导切刀实现精确无误差的运动。
本发明所提供的技术方案如下：
一种用于复合材料自动铺放设备的切刀装置，包括切刀组件，驱动切刀组件滑动的驱动机构，以及为切刀组件提供滑动空间的的导向机构，所述导向机构包括：切刀挡块，底座，安装在底座上的盖板，以及安装在底座与盖板之间的切刀砧板；
所述底座与切刀砧板的接触侧设有容纳切刀组件滑动的导向槽；所述切刀挡块安装在导向槽外侧，用于限制切刀组件滑出；所述切刀砧板相对于底座与盖板具有伸出部，所述伸出部上设有第一丝束导向孔；所述切刀挡块设有与第一丝束导向孔同轴的第二丝束导向孔，所述切刀挡块在靠近切刀砧板侧还设有切刀避让槽，所述切刀避让槽被第二丝束导向孔贯穿。
本发明中驱动机构在控制系统的控制下驱动切刀组件运动，切刀组件在导向槽内沿着切刀砧板向丝束方向滑动，当切刀组件到达切刀避让槽时，将位于第一丝束导向孔和第二丝束导向孔内的丝束快速切断。其中，切刀挡块能够对切刀组件进行限位，防止切刀组件滑出导向槽，提高了切刀组件的安全性和可靠性。切丝完成后，驱动机构驱动切刀组件收回，带动切刀组件回到原位。本发明中导向机构的结构稳固且紧凑，引导切刀组件实现精确无误差的运动。
本发明中所述切刀组件具有4-16组，所述底座上设有相应数量的导向槽；所述驱动机构与切刀组件数量相同，用于驱动对应的切刀组件滑动；所述切刀砧板设有相应数量的第一丝束导向孔；所述切刀挡块设有相应数量的第二丝束导向孔。切刀组件是由若干组相同组件并列装配而成，能够根据铺放丝束的数量任意增加或减少组件个数，每根丝束由各自对应的切刀组件进行剪切，分别由各自的驱动机构单独控制切刀组件的运动，从而实现增丝或减丝的功能。优选的，所述切刀组件具有8组。
本发明中所述切刀组件包括切刀底座和安装在切刀底座上的切刀，所述切刀底座带动切刀在导向槽内滑动，所述切刀能够进入切刀避让槽内对丝束进行剪切。作为改进，所述切刀的前端面设有倾斜角度，优选为0.8°，使得丝束更容易切断。
本发明中所述导向槽底部设有使得切刀组件抵靠在切刀砧板上的补偿机构。补偿机构自动对切刀组件进行补偿，推动切刀组件紧贴切刀砧板，从而消除切刀组件和切刀砧板之间的缝隙。补偿机构能够自动补偿由于相对滑动而造成的磨损误差，提高丝束切断精度。
本发明中所述补偿机构包括顶块，以及抵靠在顶块与底座间的压缩弹簧；所述顶块与切刀组件接触。
作为优选，所述补偿机构包括三组压缩弹簧，三组压缩弹簧沿着顶块长度方向依次设置。
作为优选，位于所述顶块两侧的压缩弹簧内设有第一导向轴，所述第一导向轴抵靠在顶块与底座间；位于所述顶块中间的压缩弹簧内设有第二导向轴，所述第二导向轴一端固定于顶块，另一端穿出底座并设有限位螺栓。通过限位螺栓与第二导向轴的配合作用，在拆装时可用于防止顶块滑出。
本发明中所述驱动机构包括支架，安装在支架上的空气活塞以及输出轴；所述输出轴与切刀组件连接，所述支架安装导向机构上。
本发明中所述第一丝束导向孔为长方形穿孔，所述长方形穿孔的一侧壁面为斜面。该斜面与切刀之间形成一个切向角度，便于剪断。
本发明中所述第二丝束导向孔为穿孔，所述穿孔顶部具有第一漏斗型开口；所述切刀避让槽内开设有与第二丝束导向孔同轴的第二漏斗型开口。漏斗型开口保证切丝完成后，再重新传送丝束时，能够使纤维丝束准确进入第二丝束导向孔中。
同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明中导向机构的结构稳固且紧凑，引导切刀组件实现精确无误差的运动。
(2)本发明中切刀组件是由若干组相同组件并列装配而成，能够根据铺放丝束的数量任意增加或减少组件个数，每根丝束由各自对应的切刀组件进行剪切，分别由各自的驱动机构单独控制切刀组件的运动，从而实现增丝或减丝的功能。
(3)本发明中补偿机构能够自动补偿由于相对滑动而造成的磨损误差，提高丝束切断精度。
附图说明
图1为实施例中切刀装置的立体图；
图2为实施例中切刀装置的侧视图；
图3为实施例中切刀装置的拆解图；
图4为实施例中切刀装置非剪切状态下的局部剖视图；
图5为实施例中切刀装置剪切状态下的局部剖视图。
其中，1、导向机构；101、底座；102、盖板；103、切刀砧板；104、切刀挡块；105、导向槽；106、伸出部；107、切刀避让槽；108、第一丝束导向孔；109、第二丝束导向孔；110、第二漏斗型开口；111、第一漏斗型开口；2、切刀组件；201、切刀；202、切刀底座；3、驱动机构；301、支架；302、输出轴；303、空气活塞；4、补偿机构；401、顶块；402、压缩弹簧；403、第二导向轴；404、第一导向轴；405、限位螺栓；5、纤维丝束。
具体实施方式
下面结合具体的实施例以及附图对本发明作进一步说明。
如图1～3所示，用于复合材料自动铺放设备的切刀装置由切刀组件2，驱动机构3，导向机构1和补偿机构4组成。其中，切刀组件2一共有八组，相应的，驱动机构3和补偿机构4也设有八组。由于上述八组切刀组件2、驱动机构3和补偿机构4的结构均分别相同，所以图3中省略了部分相同的结构，驱动机构3、补偿机构4和切刀组件2仅给出一组。
如图4～5所示，导向机构1包括：切刀挡块104，底座101，固定安装在底座101上的盖板102，以及安装在底座101与盖板102之间的切刀砧板103。底座101与切刀砧板103的接触侧开设有容纳切刀组件2滑动的导向槽105，导向槽105同样平行地设有八组，分别用于安装八组切刀组件2。切刀挡块104安装在导向槽105外侧，用于限制切刀组件2滑出。
切刀砧板103相对于底座101与盖板102具有伸出部106，伸出部106上设有八个与切刀组件2对应的第一丝束导向孔108。第一丝束导向孔108为长方形穿孔，长方形穿孔的一侧壁面为斜面，该斜面与切刀201之间形成一个切向角度，便于剪断。切刀挡块104上也开设有与第一丝束导向孔108同轴的八个第二丝束导向孔109。第二丝束导向孔109为穿孔，穿孔顶部具有第一漏斗型开口111。切刀挡块104在靠近切刀砧板103侧还开设有切刀避让槽107，切刀避让槽107被第二丝束导向孔109贯穿。纤维丝束5分别穿过第一丝束导向孔108、切刀避让槽107以及第二丝束导向孔109。切刀避让槽107内开设有与第二丝束导向孔109同轴的第二漏斗型开口110。漏斗型开口保证切丝完成后，再重新传送纤维丝束5时，能够使纤维丝束5准确进入第二丝束导向孔109内。
切刀组件2包括切刀底座202和安装在切刀底座202上的切刀201。切刀的前端面设有倾斜角度，具体为0.8°，使得纤维丝束5更容易被切断。切刀201紧贴在切刀砧板103上。切刀底座202带动切刀201在导向槽105内沿着切刀砧板103滑动，切刀201能够进入切刀避让槽107内对纤维丝束5进行剪切。
八个导向槽105底部分别对应设有使得切刀组件2抵靠在切刀砧板103上的八组补偿机构4。补偿机构4自动对切刀组件2进行补偿，推动切刀组件2紧贴切刀砧板103，从而消除切刀组件2和切刀砧板103之间的缝隙。补偿机构4能够自动补偿由于相对滑动而造成的磨损误差，提高丝束切断精度。
补偿机构4包括顶块401，压缩弹簧402，第一导向轴404以及第二导向轴403。顶块401与切刀底座202的接触面为平面，避免给两者滑动造成阻力。每组补偿机构4内分别设有三组压缩弹簧402，压缩弹簧402则抵靠在顶块401与底座101之间。三组压缩弹簧402沿着顶块401长度方向依次设置。位于顶块401两侧的压缩弹簧402内设有第一导向轴404，第一导向轴404抵靠在顶块401与底座101之间。位于顶块401中间的压缩弹簧402内设有第二导向轴403，第二导向轴403一端固定于顶块401，另一端穿出底座101并设有限位螺栓405，通过限位螺栓405与第二导向轴403的配合作用，在拆装时可用于防止顶块401滑出。
驱动机构包括支架301，安装在支架301上的空气活塞303以及空气活塞303的输出轴302，空气活塞303的输出轴302与切刀底座202固定连接，支架301则安装导向机构1上，支架301两端分别固定安装在底座101和盖板102上。
工作过程如下：
如图4所示，切刀装置随着自动铺放设备地启动开始工作，纤维丝束5依次穿过第一丝束导向孔108、切刀避让槽107以及第二丝束导向孔109，并向下传送铺叠至模具上，纤维丝束5处于张紧状态。此时，切刀组件2处于初始状态，切刀201位于导向槽105内，并未进入切刀避让槽107内。
如图5所示，自动铺放设备内的控制系统发出切丝指令，空气活塞303提供动力驱动输出轴302，输出轴302则推动切刀底座202快速往前推动一个行程，切刀201随着切刀底座202快速向前运动，切刀201到达切刀避让槽107内，对目标纤维丝束5快速切断。
完成剪切后，空气活塞303带动切刀组件2回到初始状态，根据控制系统的指令，重复切丝过程，直到把复合材料构件加工完毕。

Claims (6)

1.一种用于复合材料自动铺放设备的切刀装置，包括切刀组件，驱动切刀组件滑动的驱动机构，以及为切刀组件提供滑动空间的导向机构，其特征在于，所述导向机构包括：切刀挡块，底座，安装在底座上的盖板，以及安装在底座与盖板之间的切刀砧板；
所述底座与切刀砧板的接触侧设有容纳切刀组件滑动的导向槽；所述切刀挡块安装在导向槽外侧，用于限制切刀组件滑出；所述切刀砧板相对于底座与盖板具有伸出部，所述伸出部上设有第一丝束导向孔；所述切刀挡块设有与第一丝束导向孔同轴的第二丝束导向孔，所述切刀挡块在靠近切刀砧板侧还设有切刀避让槽，所述切刀避让槽被第二丝束导向孔贯穿；
所述导向槽底部设有使得切刀组件抵靠在切刀砧板上的补偿机构；所述补偿机构包括顶块，以及抵靠在顶块与底座间的压缩弹簧；所述顶块与切刀组件接触；所述第二丝束导向孔为穿孔，所述穿孔顶部具有第一漏斗型开口；所述切刀避让槽内开设有与第二丝束导向孔同轴的第二漏斗型开口；
所述第一丝束导向孔为长方形穿孔，所述长方形穿孔的一侧壁面为斜面。
2.根据权利要求1所述的用于复合材料自动铺放设备的切刀装置，其特征在于，所述切刀组件具有4-16组，所述底座上设有相应数量的导向槽；所述驱动机构与切刀组件数量相同，用于驱动对应的切刀组件滑动；所述切刀砧板设有相应数量的第一丝束导向孔；所述切刀挡块设有相应数量的第二丝束导向孔。
3.根据权利要求1所述的用于复合材料自动铺放设备的切刀装置，其特征在于，所述切刀组件包括切刀底座和安装在切刀底座上的切刀，所述切刀底座带动切刀在导向槽内滑动，所述切刀能够进入切刀避让槽内对丝束进行剪切。
4.根据权利要求1所述的用于复合材料自动铺放设备的切刀装置，其特征在于，所述补偿机构包括三组压缩弹簧，三组压缩弹簧沿着顶块长度方向依次设置。
5.根据权利要求4所述的用于复合材料自动铺放设备的切刀装置，其特征在于，位于所述顶块两侧的压缩弹簧内设有第一导向轴，所述第一导向轴抵靠在顶块与底座间；位于所述顶块中间的压缩弹簧内设有第二导向轴，所述第二导向轴一端固定于顶块，另一端穿出底座并设有限位螺栓。
6.根据权利要求1所述的用于复合材料自动铺放设备的切刀装置，其特征在于，所述驱动机构包括支架，安装在支架上的空气活塞以及输出轴；所述输出轴与切刀组件连接，所述支架安装导向机构上。
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