CN110421871A - 一种自动铺丝机丝束减张机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自动铺丝机丝束减张机构，属于铺丝机技术领域，底座上端面设置有压紧轮组件，导向轮组件两端均与支撑板相连，支撑板上端安装有中间轮组件，中间轮组件上安装有摩擦轮组件，摩擦轮组件与中间轮组件配合使用进行动力传输，减张电机组件安装在支撑板侧壁上，减张电机组件为摩擦轮组件提供动力。本发明为了减少自动铺丝过程中的预浸料张力从而实现复杂曲面铺放，在铺丝头中增加一个减张机构，减小压辊处的纤维张力，本发明中间轮可以上下浮动，当中间轮不工作时，即压紧轮不需要对碳纤维进行压紧时，中间轮由于重力会下落，但由于浮动挡板的限位，中间轮下落的距离仅仅用于与摩擦轮分离，有效防止意外事故发生。
Description
技术领域
本发明涉及铺丝机技术领域，尤其涉及一种自动铺丝机丝束减张机构。
背景技术
自动铺丝技术在近三十年来得到了广泛应用和发展，已经成为复合材料成型自动化技术的典型代表。相对于自动铺带技术，自动铺丝工艺的适应性更好，可以用于制造具有复杂曲面的复合材料零件。就铺丝机来说，各制造商的铺丝头构型不同但基本功能相似，都可以完成压辊铺纱，送纱，断纱，止纱，张力控制，温度控制及铺放压力控制等功能。
在实际应用中，铺丝工艺经常出现曲面适应性不足的情况，特别是现有的自动铺丝设备与工艺在加工负曲率表面时往往不足以满足要求。现有铺放设备在铺放过程中需要给预浸料提供一定的张力通常为5N左右，在将带张力的预浸料铺贴在凹曲面的过程中，经常发生纤维架桥等缺陷，导致成型速度下降，成型质量不佳。
铺丝头中需要张力的部件主要有五个，按从纱箱到模具的纱路前后顺序分别为：
第一，热固性预浸料收卷在线轴上时，必须带有背衬膜以防止互相粘连，在铺放时需要将背衬膜剥去。目前铺丝机通常采用被动收膜法，一般来说预浸料张力越大收膜效果越好。
第二，在将预浸料从线轴引出到压辊的过程中，由于零部件布置的原因，预浸料需要经过多个导向轮多次变向，在这个过程中如果没有张力，预浸料可能从导向轮中脱出，造成设备故障。
第三，铺丝头与机床间通常通过直线导轨/压紧气缸相连，即铺丝头与机床是浮动连接的，这种浮动可以补偿掉铺丝路径沿零件曲面法向的误差，是必不可少的；然而预浸料纱团通常安装在机床上，导致铺丝头中的预浸料纱路长度是可变的，因此如果预浸料没有收卷张力，那么当纱路变短时，预浸料就会发生松脱，导致设备故障。
第四，铺丝机切断碳纤维通常有“剪”和“斩”两种方法。顾名思义，“剪”的办法原理类似于剪刀，对于剪刀来说，碳纤维的张力越大，剪切力越大，剪刀的双刃之间间隙越小，剪切的效果就越好。由于切断碳纤维会产生一定量的切屑，若剪刃间距过小，则切屑会聚集在切丝机构处，甚至会导致机构卡死。因此，商用铺丝机通常采用较大的剪刃间隙和气缸直径，维持一定张力，来提高切丝的可靠性。“斩”的方式即利用切刀把碳纤维在砧板上斩断，这种方式并不需要纤维张力，但这种方式下切刀与砧板发生刚性碰撞，这对零件的质量提出了较高要求。
第五，预浸料铺贴在模具上之前，需要在张力作用下在压辊上展平，否则成型的零件质量受影响，可能产生表面波纹等缺陷。
可见，五个对张力有要求的机构分别为：收膜机构，导向轮，压紧气缸与导轨，切丝机构，压辊。其中切丝机构与压辊间不宜再加入机构否则会增加最短铺丝长度，且铺放张力不宜减为零否则预浸料无法在压辊处展平，影响成型质量。通常铺丝机用一种摩擦片和测力弹簧结合的机构，在放纱轴处利用PID算法控制预浸料的张力。显而易见，直接调整PID参数来减少张力是不合适的，这将导致送纱路径下游的几个受张力影响的机构可靠性下降。因此，考虑开发一种可以减少张力的机构，将其布置在受张力影响的机构下游，使预浸料张力调节到一个合适的范围，使其在凹曲面铺放时不发生架桥(张力允许上限)，同时满足预浸料展平要求(张力允许下限)。
发明内容
本发明为了解决带张力的预浸料铺贴在凹曲面的过程中，经常发生纤维架桥的缺陷，导致成型速度下降，成型质量不佳的技术问题，进而提供一种自动铺丝机丝束减张机构。
发明技术方案：
一种自动铺丝机丝束减张机构，包括：底座、止纱轮组件、中间轮组件、摩擦轮组件、导向轮组件和减张电机组件，
所述底座上端面设置有止纱轮组件，止纱轮组件两侧均设置有支撑板，导向轮组件两端均与支撑板相连，支撑板上端安装有中间轮组件，中间轮组件上安装有摩擦轮组件，摩擦轮组件与中间轮组件配合使用进行动力传输，减张电机组件安装在支撑板侧壁上，减张电机组件为摩擦轮组件提供动力。
进一步，所述压紧轮组件为多个止纱轮机构并排相连，止纱轮机构包括：铰支座、铰接轴、弹簧柱塞、止纱轮、单向轴承、止纱气缸支撑柱、弹簧柱塞支撑柱和安装板，所述底座上安装有铰支座，铰支座左右侧壁上均安装有铰接轴，铰支座两侧设置有安装板，安装板侧壁与铰接轴相连，安装板中部安装有止纱轮转轴，止纱轮通过单向轴承安装在止纱轮转轴上，安装板两端分别安装有止纱气缸支撑柱和弹簧柱塞支撑柱，铰支座一端安装有弹簧柱塞，弹簧柱塞位于弹簧柱塞支撑柱的正下方，止纱气缸垂直安装在底座下端面，止纱气缸的输出端穿过底座置于止纱气缸支撑柱正下方。
进一步，所述导向轮组件包括导向轮和导向转轴，所述导向转轴两端与支撑板相连，导向转轴的轴线与压紧转轴的轴线相互平行，导向转轴安装有多个导向轮，导向轮数量与压紧轮数量相同并且位置相对应。
进一步，所述中间轮组件包括：U型安装框架、铰接块、中间轮、中间轮U型架浮动挡板和固定板，所述U型安装框架安装在固定板上，固定板上并排安装有多个铰接块，铰接块位于U型安装框架开口端处，中间轮U型架的开口端与铰接块一端铰接，U型安装框架下端面封闭端安装有浮动挡板，浮动挡板对中间轮U型架的封闭端进行限位，浮动挡板与中间轮U型架之间存有间隙，中间轮U型架上安装有中间轮，中间轮轮轴轴线与止纱轮转轴的轴线相互平行，中间轮的数量与止纱轮数量相同并且位置相对应。
进一步，所述摩擦轮组件包括：轴承座、摩擦转轴和摩擦轮，所述摩擦转轴两端均通过轴承座固定在固定板上端面，摩擦转轴的轴线与中间轮轮轴轴线相互平行，摩擦转轴上安装有多个摩擦轮，摩擦轮的数量与中间轮的数量相同并且位置相对应，摩擦转轴的一端与减张电机组件输出端相连，摩擦轮与中间轮相贴合，摩擦转轴与摩擦轮相对转动。
进一步，所述减张电机组件包括：减张电机和减速器，所述减速器通过支架与支撑板侧壁相连，减张电机的输出端与减速器的输入端相连，减速器的输出端与摩擦转轴的一端相连。
本发明对于现有技术具有以下有益效果：
本发明为了实现复杂曲面铺放，在铺丝头的压紧气缸和切丝机构间插入一个减张机构，减少铺丝头铺放到模具表面的预浸料张力。
本发明中间轮可以上下浮动，当中间轮不工作时，即止纱轮不需要对碳纤维进行压紧时，中间轮由于重力会下落，但由于浮动挡板的限位，中间轮下落的距离仅仅用于与摩擦轮分离，有效防止意外事故发生。
本发明采用中间轮解决了减张时摩擦轮和摩擦转轴会摩擦发热，如果让摩擦轮和预浸料直接接触可能会导致预浸料粘在摩擦轮上，中间轮起到热隔绝作用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的爆炸图；
图3是本发明工作状态示意图；
图4是本发明止纱轮组件的结构示意图；
图5是本发明中间轮组件的结构示意图；
图6是本发明受力分析示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明进行详细说明。
实施例一，结合附图1和3进行说明：一种自动铺丝机丝束减张机构，包括：底座1、止纱轮组件2、中间轮组件3、摩擦轮组件4、导向轮组件5和减张电机组件6，
所述底座1上端面设置有止纱轮组件2，止纱轮组件2两侧均设置有支撑板7，导向轮组件5两端均与支撑板7相连，支撑板7上端安装有中间轮组件3，中间轮组件3上安装有摩擦轮组件4，摩擦轮组件4与中间轮组件3配合使用进行动力传输，减张电机组件6安装在支撑板7侧壁上，减张电机组件6为摩擦轮组件4提供动力，如此设置，将动力从摩擦轮组件4传递到中间轮组件3，通过中间组件3抵抗预浸料上的张力，从而满足凹曲面铺放要求。
实施例二：在实施例一的基础上结合附图4进行说明，所述止纱轮组件2为多个止纱轮机构并排相连，止纱轮机构包括：铰支座2-1、铰接轴2-2、弹簧柱塞2-3、止纱轮2-4、单向轴承2-5、止纱气缸支撑柱2-6、弹簧柱塞支撑柱2-7和安装板2-8，所述底座1上安装有铰支座2-1，铰支座2-1左右侧壁上均安装有铰接轴2-2，铰支座2-1两侧设置有安装板2-8，安装板2-8侧壁与铰接轴2-2相连，安装板2-8中部安装有止纱轮转轴2-10，止纱轮2-4通过单向轴承2-5安装在止纱轮转轴2-10上，安装板2-8两端分别安装有止纱气缸支撑柱2-6和弹簧柱塞支撑柱2-7，铰支座2-1一端安装有弹簧柱塞2-3，弹簧柱塞2-3位于弹簧柱塞支撑柱2-7的正下方，止纱气缸2-9垂直安装在底座1下端面，止纱气缸2-9的输出端穿过底座1置于止纱气缸支撑柱2-6正下方，如此设置，铰接轴2-2、止纱气缸支撑柱2-6和弹簧柱塞支撑柱2-7三者构成了杠杆原理，止纱气缸支撑柱2-6为动力输入点，铰接轴2-2为支点，弹簧柱塞支撑柱2-7为阻力输入点，止纱气缸2-9气缸为输入动力，弹簧柱塞2-3为阻力输入，可以有效调节止纱轮2-4的位置，止纱轮2-4安装在一个摆动杠杆上，可放大止纱气缸2-9作用力。弹簧柱塞2-3支撑，这样压紧轮2-4在压紧气缸2-9不工作的情况下可以被弹簧柱塞2-3顶离中间轮，使中间轮和压紧轮2-4间产生间隙，便于换料时穿纱。
实施例三：在实施例二的基础上结合附图2进行说明，所述导向轮组件5包括导向轮5-1和导向转轴5-2，所述导向转轴5-2两端与支撑板7相连，导向转轴5-2的轴线与止纱轮转轴2-10的轴线相互平行，导向转轴5-2安装有多个导向轮5-1，导向轮5-1数量与压紧轮2-4数量相同并且位置相对应。
实施例四：在实施例二的基础上结合附图5进行说明，所述中间轮组件3包括：U型安装框架3-1、铰接块3-2、中间轮3-3、中间轮U型架3-4浮动挡板3-5和固定板3-6，所述U型安装框架3-1安装在固定板3-6上，固定板3-6上并排安装有多个铰接块3-2，铰接块3-2位于U型安装框架3-1开口端处，中间轮U型架3-4的开口端与铰接块3-2一端铰接，U型安装框架3-1下端面封闭端安装有浮动挡板3-5，浮动挡板3-5对中间轮U型架3-4的封闭端进行限位，浮动挡板3-5与中间轮U型架3-4之间存有间隙，中间轮U型架3-4上安装有中间轮3-3，中间轮3-3轮轴轴线与止纱轮转轴2-10的轴线相互平行，中间轮3-3的数量与止纱轮2-4数量相同并且位置相对应，如此设置，采用中间轮3-3传递力的作用是因减张时摩擦轮和摩擦转轴会摩擦发热，如果让摩擦轮和预浸料直接接触可能会导致预浸料粘在摩擦轮上，中间轮3-3起到热隔绝作用，同时中间轮3-3可以上下浮动，当整个装置停工时，中间轮由于重力会下落，但由于浮动挡板的限位，中间轮下落的距离仅仅用于与摩擦轮分离，有效防止意外事故发生。
实施例五：在实施例四的基础上结合附图2进行说明，所述摩擦轮组件4包括：轴承座4-1、摩擦转轴4-2和摩擦轮4-3，所述摩擦转轴4-2两端均通过轴承座4-1固定在固定板3-6上端面，摩擦转轴4-2的轴线与中间轮3-3轮轴轴线相互平行，摩擦转轴4-2上安装有多个摩擦轮4-3，摩擦轮4-3的数量与中间轮3-3的数量相同并且位置相对应，摩擦转轴4-2的一端与减张电机组件6输出端相连，摩擦轮4-3与中间轮3-3相贴合，摩擦转轴4-2与摩擦轮4-3相对转动，如此设置，摩擦转轴4-2与摩擦轮4-3产生相对摩擦力用于平衡预浸料的张力。
实施例六：在实施例五的基础上结合附图2进行说明，所述减张电机组件6包括：减张电机6-1和减速器6-2，所述减速器6-2通过支架与支撑板7侧壁相连，减张电机6-1的输出端与减速器6-2的输入端相连，减速器6-2的输出端与摩擦转轴4-2的一端相连。
工作方式：
预浸料在铺丝机其他组件的拉力作用下从右至左运动，每个止纱轮2-4上方穿过一根预浸料，止纱气缸2-9工作，推动止纱气缸支撑柱2-6从而带动止纱轮2-4向上运动将预浸料压紧，预浸料带动中间轮3-3转动，从而带动摩擦轮4-3转动，减张电机6-1带动摩擦转轴4-2转动，摩擦转轴4-2的转向与摩擦轮4-3转向相同，通过数控系统控制摩擦转轴转速，使其旋转角速度始终大于摩擦轮在预浸料带动下的被动旋转角速度，由于摩擦转轴4-2与摩擦轮4-3会产生摩擦，产生的摩擦力由中间轮3-3传递给预浸料，由于预浸料上的张力与摩擦力方向相反，将预浸料上的张力进行平衡从消减预浸料上的张力，起到了减张力的作用。
预浸料张力平衡原理：
利用压紧气缸2-9将预浸料夹紧在止纱轮2-4和中间轮3-3之间，预浸料从右向左前进。中间轮3-3可以上下浮动，压紧力通过中间轮3-3传导到摩擦轮4-3之上。摩擦轮4-3直接穿在一根摩擦转轴4-2之上，摩擦转轴4-2以大于最大铺丝速度的速度逆时针旋转，止纱轮2-4采用单向轴承2-5与压紧转轴2-10连接，仅能逆时针旋转。由于止纱轮2-4仅能逆时针旋转，因此当止纱轮2-4对预浸料的静摩擦力大于纤维张力时，预浸料无法被张力向后抽回，设摩擦转轴4-2和摩擦轮4-3之间的摩擦系数为μ，预浸料张力为Ft，止纱轮2-4对中间轮3-3的压力为Fp，则在这种工况下，各轮受力情况如图6所示：
可见，压紧力传导到摩擦轮4-3和摩擦转轴4-2之间，由于摩擦转轴4-2逆时针旋转且旋转角速度永远大于摩擦轮在预浸料作用下产生的被动旋转角速度，因此摩擦转轴4-2与摩擦轮4-3间将产生一个滑动摩擦力，其大小为Fp·μ，这个摩擦力将对摩擦轮4-3产生一个驱动力矩T＝Fp·μ·r。当匀速铺丝时，摩擦轮4-3力矩平衡，因此中间轮3-3对摩擦轮4-3有一个摩擦力由于摩擦轮4-3和中间轮3-3间的最大静摩擦力为Fp·μ，由于R>r，故这个数值大于f，因此打滑发生在摩擦轮4-3和摩擦转轴4-2之间而不是摩擦轮4-3和中间轮3-3之间。由于中间轮3-3此时也匀速转动，故中间轮3-3对预浸料的驱动力也等于f。因此，当经过减张机构后，预浸料的张力将变为：
可见，当Ft＞f时，经过减张机构的预浸料运动状态不变，但张力减少。通过调整压紧力Fp的大小，即调整止纱气缸2-9的气压，就可以自由调整丝束张力的大小。由于摩擦转轴4-2转速始终大于最大铺丝速度，因此穿在同一根摩擦转轴4-2上的一系列摩擦轮4-3互相不影响，均可独立起到减张作用。
Claims (6)
1.一种自动铺丝机丝束减张机构，包括：底座(1)、止纱轮组件(2)、中间轮组件(3)、摩擦轮组件(4)、导向轮组件(5)和减张电机组件(6)，其特征在于，
所述底座(1)上端面设置有止纱轮组件(2)，止纱轮组件(2)两侧均设置有支撑板(7)，导向轮组件(5)两端均与支撑板(7)相连，支撑板(7)上端安装有中间轮组件(3)，中间轮组件(3)上安装有摩擦轮组件(4)，摩擦轮组件(4)与中间轮组件(3)配合使用进行动力传输，减张电机组件(6)安装在支撑板(7)侧壁上，减张电机组件(6)为摩擦轮组件(4)提供动力。
2.根据权利要求1所述一种自动铺丝机丝束减张机构，其特征在于，所述止纱轮组件(2)为多个止纱轮机构并排相连，止纱轮机构包括：铰支座(2-1)、铰接轴(2-2)、弹簧柱塞(2-3)、止纱轮(2-4)、单向轴承(2-5)、止纱气缸支撑柱(2-6)、弹簧柱塞支撑柱(2-7)和安装板(2-8)，所述底座(1)上安装有铰支座(2-1)，铰支座(2-1)左右侧壁上均安装有铰接轴(2-2)，铰支座(2-1)两侧设置有安装板(2-8)，安装板(2-8)侧壁与铰接轴(2-2)相连，安装板(2-8)中部安装有止纱轮转轴(2-10)，止纱轮(2-4)通过单向轴承(2-5)安装在止纱轮转轴(2-10)上，安装板(2-8)两端分别安装有止纱气缸支撑柱(2-6)和弹簧柱塞支撑柱(2-7)，铰支座(2-1)一端安装有弹簧柱塞(2-3)，弹簧柱塞(2-3)位于弹簧柱塞支撑柱(2-7)的正下方，止纱气缸(2-9)垂直安装在底座(1)下端面，止纱气缸(2-9)的输出端穿过底座(1)置于止纱气缸支撑柱(2-6)正下方。
3.根据权利要求2所述一种自动铺丝机丝束减张机构，其特征在于，所述导向轮组件(5)包括导向轮(5-1)和导向转轴(5-2)，所述导向转轴(5-2)两端与支撑板(7)相连，导向转轴(5-2)的轴线与压紧转轴(2-10)的轴线相互平行，导向转轴(5-2)安装有多个导向轮(5-1)，导向轮(5-1)数量与压紧轮(2-4)数量相同并且位置相对应。
4.根据权利要求2所述一种自动铺丝机丝束减张机构，其特征在于，所述中间轮组件(3)包括：U型安装框架(3-1)、铰接块(3-2)、中间轮(3-3)、中间轮U型架(3-4)浮动挡板(3-5)和固定板(3-6)，所述U型安装框架(3-1)安装在固定板(3-6)上，固定板(3-6)上并排安装有多个铰接块(3-2)，铰接块(3-2)位于U型安装框架(3-1)开口端处，中间轮U型架(3-4)的开口端与铰接块(3-2)一端铰接，U型安装框架(3-1)下端面封闭端安装有浮动挡板(3-5)，浮动挡板(3-5)对中间轮U型架(3-4)的封闭端进行限位，浮动挡板(3-5)与中间轮U型架(3-4)之间存有间隙，中间轮U型架(3-4)上安装有中间轮(3-3)，中间轮(3-3)轮轴轴线与止纱轮转轴(2-10)的轴线相互平行，中间轮(3-3)的数量与止纱轮(2-4)数量相同并且位置相对应。
5.根据权利要求4所述一种自动铺丝机丝束减张机构，其特征在于，所述摩擦轮组件(4)包括：轴承座(4-1)、摩擦转轴(4-2)和摩擦轮(4-3)，所述摩擦转轴(4-2)两端均通过轴承座(4-1)固定在固定板(3-6)上端面，摩擦转轴(4-2)的轴线与中间轮(3-3)轮轴轴线相互平行，摩擦转轴(4-2)上安装有多个摩擦轮(4-3)，摩擦轮(4-3)的数量与中间轮(3-3)的数量相同并且位置相对应，摩擦转轴(4-2)的一端与减张电机组件(6)输出端相连，摩擦轮(4-3)与中间轮(3-3)相贴合，摩擦转轴(4-2)与摩擦轮(4-3)相对转动。
6.根据权利要求5所述一种自动铺丝机丝束减张机构，其特征在于，所述减张电机组件(6)包括：减张电机(6-1)和减速器(6-2)，所述减速器(6-2)通过支架与支撑板(7)侧壁相连，减张电机(6-1)的输出端与减速器(6-2)的输入端相连，减速器(6-2)的输出端与摩擦转轴(4-2)的一端相连。
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