CN111438965A - 一种使用超声刀具裁切特定预浸料形状的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种使用超声刀具裁切特定预浸料形状的装置和方法，包括超声刀具头、定位销、气缸以及丝杠；超声刀具夹具上设置有超声刀具头；超声刀具头连接有第一驱动电机；超声刀具夹具包括连接板，连接板顶面上设置有顶板，连接板底面上设置有底板，顶板上开设有上端孔；底板上开设有定位销孔，连接板侧壁上开设有丝杠连接孔，丝杆的一端伸入丝杠连接孔内与定位销相连，另一端连接有第二驱动电机。本发明可以通过第二驱动电机驱动丝杠转动，丝杠带动超声刀具头夹具水平移动，可以裁切出特定形状的预浸料，超声刀具头的水平移动与预浸料运动合成，从而裁切出所需要的形状，弥补工程应用上“三角区域”缺陷，保证制备的构件性能达到使用要求。

Description

一种使用超声刀具裁切特定预浸料形状的装置和方法
技术领域
本发明属于树脂基碳纤维预浸料自动铺放工艺设备领域，具体涉及一种使用超声刀具裁切特定预浸料形状的装置和方法。
背景技术
树脂基碳纤维预浸料制备的样件具有高比强度，高比模量，轻质密度小，高抗疲劳强度，高耐腐蚀性等特点，目前树脂基碳纤维增强复合材料已经广泛应用在航空工业，风电发电叶片，汽车制造等大型工业领域。纤维自动铺放技术是自动铺丝成型技术和自动铺带成型技术的统称，是在纤维缠绕技术基础上发展起来的一种先进全自动化纤维铺放技术，可以实现大曲率、复杂异形体构件的制造，具有高铺放效率，高材料利用率，高自动化程度等特点。
纤维自动铺放技术在工程应用上需要实现满铺效果，但是由于在路径规划中，铺放过程中存在着“三角区域”，带材的宽度过大，无法实现满铺目的，在制得的样件中由于未实现满铺而产生缺陷，造成制件性能未达到使用要求的后果。
发明内容
本发明的目的在于解决上述技术问题，提出了一种使用超声刀具裁切特定预浸料形状的装置和方法，通过此装置可以裁切出规定几何形状的预浸料，并且通过改变超声刀具刃口角度以及降低分切区域温度，达到高质量，高精度裁切预浸料的目的。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种使用超声刀具裁切特定预浸料形状的装置，包括超声刀具头、超声刀具夹具、定位销、气缸以及丝杠；
其中，超声刀具夹具上设置有超声刀具头；超声刀具头连接有第一驱动电机；
超声刀具夹具包括连接板，连接板顶面上设置有顶板，连接板底面上设置有底板，顶板的长度大于底板的长度，顶板上开设有上端孔；底板上开设有定位销孔，连接板侧壁上开设有丝杠连接孔，丝杆的一端伸入丝杠连接孔内与定位销相连，另一端连接有第二驱动电机。
本发明进一步的改进在于，超声刀具头上设置有定位圆套。
本发明进一步的改进在于，定位圆套上开设有若干圆孔。
本发明进一步的改进在于，定位销包括水平板，水平板一端开设有气缸孔，另一端竖直设置有销；
气缸的螺杆穿过气缸孔；销穿过定位销孔，再穿过定位圆套的圆孔，当超声刀具头转动时，定位销插入固定圆套上的圆孔内，从而锁紧超声刀具头。
本发明进一步的改进在于，上端孔上设置有推力球轴承，超声刀具头穿过上端孔与推力球轴承过盈配合。
本发明进一步的改进在于，超声刀具头包括壳体，壳体一端设置有轴，轴上开设有键槽，轴的端面开设有螺纹孔；壳体另一端设置有刃口。
本发明进一步的改进在于，顶板的顶部设置有支撑杆，支撑杆的端部设置有冷气管道口，冷气管道口位于超声刀具头一侧，冷气管道口连接有冷气管道。
本发明进一步的改进在于，确定第一驱动电机和第二驱动电机需要转动的角度，从而通过第一驱动电机的转动来改变超声刀具头刃口的角度，通过第二驱动电机的转动使得超声刀具头在水平面内移动，丝杠的丝杠轴段插入丝杠连接孔内，丝杠的转动带动超声刀具头夹具在丝杠上移动，从而使超声刀具头在预浸料带材裁切出所需要的形状。
一种基于上述的使用超声刀具裁切特定预浸料形状的方法，包括以下步骤：
第一步：根据实际预浸料铺放过程中出现的三角区域，确定第一驱动电机的转动角度，确定第二驱动电机转动角度与速度，使其与预浸料本身铺放的速度匹配，超声刀具头刃口的运动轨迹为所要裁切的边缘形状；
第二步：通入冷气，将冷气输送至待裁切区域；
第三步：第一驱动电机转动至第一步中确定的角度，确定超声刀具头裁切最佳刃口角度；
第四步：第二驱动电机转动至第一步中确定的角度时，丝杠的转动速度与预浸料带材的输送速度相匹配，能够裁剪出特定形状的预浸料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明可以通过第二驱动电机驱动丝杠转动，丝杠带动超声刀具头夹具水平移动，可以裁切出特定形状的预浸料，超声刀具头的水平移动与预浸料运动合成，从而裁切出所需要的形状，弥补工程应用上“三角区域”缺陷，保证制备的构件性能达到使用要求；本发明通过定位销锁定与释放超声刀具头的周向转动，可以改变超声刀具头刃口的方向，确定最佳裁切角度，使得裁切后预浸料端口平整，不改变预浸料本身特性；本发明通过在超声刀具头夹具上设置冷气管道入口，降低裁切区域的温度，保证裁切预浸料效果更佳，并且可以提高超声刀具头的使用寿命，减少了超声刀刀具头上粘附的树脂。
附图说明
图1是本发明装置的三维示意图；
图2是超声刀具头夹具的三维示意图；
图3是定位销的三维示意图；
图4是定位圆套的三维示意图；
图5是超声刀具头的三维示意图；
图6是丝杠的三维示意图；
图7是电机固定端盖的三维示意图；
图8是“三角区域”平面示意图。
图中：1是第一驱动电机；2是第一电机固定端盖；3是推力球轴承；4是定位圆套；5是定位销；6是超声刀具头；7是气缸；8是第二电机固定端盖；9是第二驱动电机；10是端盖；11是丝杠；12是超声刀具头夹具；13是上端孔；14是冷气管道口；15是定位销孔；16是丝杠连接孔；17是销；18是气缸孔；19是超声刀刀具头安装孔；20是紧定螺钉孔；21是圆孔；22是螺纹孔1；23是键槽1；24是键槽2；25是螺纹孔2；26为丝杠轴；27是第二驱动电机固定孔；28是第二电机固定端盖固定孔；29是丝杠轴孔；30是顶板，31是底板，32是连接板，S为铺放平面；S1为已铺放区域；S2为待铺放区域；S0为“三角区域”。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细地说明。
参见图1，本发明提供的使用超声刀具裁切特定预浸料形状的装置包括超声刀具头6，超声刀具夹具12，定位圆套4，定位销5、气缸7、第一驱动电机1、有第二驱动电机9以及丝杠11；
其中，丝杠11上设置有超声刀具夹具12，超声刀具夹具12上设置有超声刀具头6；第一驱动电机1与超声刀具头6连接，
参见图2，超声刀具夹具12包括连接板32，连接板32顶面上设置有顶板30，连接板32底面上设置有底板31，顶板30的长度大于底板31的长度，顶板30上开设有上端孔13，顶板30的顶部设置有支撑杆，支撑杆的端部设置有冷气管道口14，冷气管道口14连接有冷气管道。
底板31上开设有定位销孔15，连接板30侧壁上开设有丝杠连接孔16，丝杆11的一端伸入丝杠连接孔16内，另一端连接有第二驱动电机9。
参见图3，定位销5包括水平板，水平板一端开设有气缸孔18，另一端竖直设置有销17。
参见图4，定位圆套4上开设有若干圆孔，销17在气缸7的作用下，穿过销孔15，并伸入到定位圆套4的圆孔21内，用于限定超声刀具头6的周向运动。
定位圆套4通过紧定螺钉固定在超声刀具头6上。
超声刀具头6穿过超声刀具头夹具12的上端孔13，上端孔13上设置有推力球轴承3，推力球轴承3与超声刀具头6过盈配合。
超声刀具头6上端与第一驱动电机1连接，第一驱动电机1与第一电机固定端盖2连接。
丝杠11一端与第二驱动电机9连接，丝杆11端口与端盖10连接，端盖10设置在第二驱动电机9外侧，第二驱动电机9与第二电机固定端盖8连接，第二电机固定端盖8连接在外设固定台上。
参见图1，第一驱动电机1与第一电机固定端盖2连接，超声刀具头6上端穿过第一电机固定端盖2并与第一驱动电机1连接，丝杠11穿过第二电机固定端盖8并且与第二驱动电机9连接，同时端盖10用于固定丝杠11。
参见图8，本装置的预浸料铺放平面为S，其中S1为已经铺放的区域，根据工程需要，待铺放区域S2与已经铺放区域S1之间存在一个夹角，由于预浸料的形状为长方形，由此产生了所谓的“三角区域”S0，使得预浸料未满铺整个铺放平面S。
通过PC上位机确定第一驱动电机和第二驱动电机需要转动的角度，从而可以通过第一驱动电机的转动来改变超声刀具头刃口的角度，通过第二驱动电机的转动来使得超声刀具头在水平面内移动。
参见图2和图5，超声刀具头6穿过超声刀具头夹具12的上端孔13，推力球轴承3与超声刀具头6过盈配合，推力球轴承3下边缘贴附在超声刀具头夹具12的上端面，实现超声刀具头可以沿着周向转动。
参见图2，图3和图4，定位圆套4通过紧定螺钉穿过紧定螺钉孔20固定在超声刀具头6上，气缸7的螺杆穿过定位销5的气缸孔18，并通过螺母固定，另一侧销17穿过超声刀具头夹具12下端的定位销孔15，再穿过定位圆套4的圆孔21，定位圆套4的圆周上均匀分布有16个圆孔，当超声刀具头6转动时，定位销5可以插入固定圆套对应的圆孔21内，从而锁紧超声刀具头6。
参见图5和图7，超声刀具头6包括壳体，壳体一端设置有轴，轴上开设有键槽23，轴的端面开设有螺纹孔22，用于与第一驱动电机1的端盖相连。壳体另一端设置有刃口。
第一电机固定端盖2上开设有丝杠轴孔29，轴穿过第一电机固定端盖2的丝杠轴孔29，再伸入第一驱动电机1内固定，键槽23与第一驱动电机1内键槽通过键将超声刀具头6与第一驱动电机连接，第一电机固定端盖2通过第二驱动电机固定孔27与第一驱动电机连接，第二电机固定端盖固定孔28与外部夹具连接。
参加图2和图6，丝杠11的丝杠轴26段插入超声刀具头夹具12的孔16内，丝杠11的转动带动超声刀具头夹具12在丝杠11上移动，可以与预浸料带材的运动匹配以裁切出所需要的形状。
参见图1和图6，丝杠11的光轴段插入第二电机固定端盖8,再穿过第二驱动电机9内，丝杠24上的键槽24与第二驱动电机9内键槽通过键连接，传动扭矩，丝杠11的轴端通过与端盖10之间的螺母连接。
参见图1和图2，超声刀具头夹具12上设置有冷气管道口14，冷气管道口14与外界通过螺纹气管接头连接并且通入冷气，冷气管道口14冷气出口的位置可以根据超声刀具安装的位置进行定制，可以确定最佳的冷气输入方向，对于裁切区域及刀具头有一个冷却效果，提高裁切的质量。
参见图1和图2，所述的使用超声刀刀具裁切特定预浸料形状的装置具体安装步骤为：
1)参见图4和图5，定位圆套4套入超声刀具头6内，于合适位置通过紧定螺钉固定，紧定螺钉穿过定位圆套4的孔20并拧紧，将紧定螺钉固定在超声刀具头6的合适位置；
2)参加图2和图5，超声刀具头6穿入超声刀具头夹具12的孔13内，再套入推力球轴承3，推力球轴承3与超声刀具头6之间为过盈配合，将推力球轴承3固定在超声刀具头6杆部合适位置；
3)参见图5和图7，第一电机固定端盖2通过孔27与第一驱动电机1螺栓连接，连接为一体的第一驱动电机1与第一电机固定端盖2再插入超声刀具头6的带键槽23的轴段部分，通过平键连接，再使用螺栓将端盖与超声刀具头的螺纹孔22连接固定；
4)参见图2和图6，丝杠11通过超声刀具头夹具12的孔16内，丝杠11的带键槽24的轴段插入已经连接在一起的第二驱动电机9和第二电机固定端盖8内，通过键连接在一起，再使用螺栓将端盖与丝杠的螺纹孔25连接；
5、参见图1，图2和图3，气缸7穿过定位销5的孔18，通过螺母锁紧，销17再穿过超声刀具头夹具12的孔15和定位圆套的孔21中，冷气入口孔14中安装好螺纹气管接头，外部与冷气管道连接，通入冷气。
一种基于上述装置的使用超声刀具裁切特定预浸料形状的方法，包括以下步骤：
第一步：根据实际预浸料铺放过程中出现的“三角区域”S0，确定第一驱动电机1的转动角度，以达到最好的裁切刃口偏转角度，确定第二驱动电机转动角度与速度，使其与预浸料本身铺放的速度匹配，刀具刃口的运动轨迹为所要裁切的边缘形状；
第二步：通入冷气，将冷气输送至待裁切区域，以达到最好的裁切质量；
第三步：松开定位销5，第一驱动电机1转动至规定角度(规定角度即为第一步中确定的转动角度)，锁紧定位销5，裁切最佳刃口角度确定；
第四步：第二驱动电机9转动至规定角度(规定角度即为第一步中确定的转动角度)时，丝杠7的转动速度与预浸料带材的输送速度相匹配，可以裁剪出特定形状的预浸料。
本发明中能裁剪出三角区域的预浸料形状，同样的，本发明也可以实现其他特定形状的预浸料的裁剪。
本发明可以使用超声刀具裁切出特定的预浸料形状，以解决自动铺放设备应用时的“三角区域”缺陷，超声刀具的使用使得裁切的质量更高，裁切的精度更高，且可以根据需要改变超声刀具头的偏转角度，以确定最佳的裁切刃口偏转角度，冷气输入可以实现低温裁切，减少了树脂粘附，且提高了裁切的质量。
以上所述仅为本发明实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种使用超声刀具裁切特定预浸料形状的装置，其特征在于，包括超声刀具头(6)、超声刀具夹具(12)、定位销(5)、气缸(7)以及丝杠(11)；
其中，超声刀具夹具(12)上设置有超声刀具头(6)；超声刀具头(6)连接有第一驱动电机(1)；
超声刀具夹具(12)包括连接板(32)，连接板(32)顶面上设置有顶板(30)，连接板(32)底面上设置有底板(31)，顶板(30)的长度大于底板(31)的长度，顶板(30)上开设有上端孔(13)；底板(31)上开设有定位销孔(15)，连接板(30)侧壁上开设有丝杠连接孔(16)，丝杆(11)的一端伸入丝杠连接孔(16)内与定位销(5)相连，另一端连接有第二驱动电机(9)。
2.根据权利要求1所述的一种使用超声刀具裁切特定预浸料形状的装置，其特征在于，超声刀具头(6)上设置有定位圆套(4)。
3.根据权利要求2所述的一种使用超声刀具裁切特定预浸料形状的装置，其特征在于，定位圆套(4)上开设有若干圆孔。
4.根据权利要求3所述的一种使用超声刀具裁切特定预浸料形状的装置，其特征在于，定位销(5)包括水平板，水平板一端开设有气缸孔(18)，另一端竖直设置有销(17)；
气缸(7)的螺杆穿过气缸孔(18)；销(17)穿过定位销孔(15)，再穿过定位圆套(4)的圆孔(21)，当超声刀具头(6)转动时，定位销(5)插入固定圆套上的圆孔(21)内，从而锁紧超声刀具头(6)。
5.根据权利要求1所述的一种使用超声刀具裁切特定预浸料形状的装置，其特征在于，上端孔(13)上设置有推力球轴承(3)，超声刀具头(6)穿过上端孔(13)与推力球轴承(3)过盈配合。
6.根据权利要求1所述的一种使用超声刀具裁切特定预浸料形状的装置，其特征在于，超声刀具头(6)包括壳体，壳体一端设置有轴，轴上开设有键槽(23)，轴的端面开设有螺纹孔(22)；壳体另一端设置有刃口。
7.根据权利要求1所述的一种使用超声刀具裁切特定预浸料形状的装置，其特征在于，顶板(30)的顶部设置有支撑杆，支撑杆的端部设置有冷气管道口(14)，冷气管道口(1)位于超声刀具头(6)一侧，冷气管道口(14)连接有冷气管道。
8.根据权利要求1所述的一种使用超声刀具裁切特定预浸料形状的装置，其特征在于，确定第一驱动电机和第二驱动电机需要转动的角度，从而通过第一驱动电机的转动来改变超声刀具头刃口的角度，通过第二驱动电机的转动使得超声刀具头在水平面内移动，丝杠(11)的丝杠轴(26)段插入丝杠连接孔(16)内，丝杠(11)的转动带动超声刀具头夹具(12)在丝杠(11)上移动，从而使超声刀具头在预浸料带材裁切出所需要的形状。
9.一种基于权利要求1所述的使用超声刀具裁切特定预浸料形状的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：根据实际预浸料铺放过程中出现的三角区域，确定第一驱动电机(1)的转动角度，确定第二驱动电机转动角度与速度，使其与预浸料本身铺放的速度匹配，超声刀具头刃口的运动轨迹为所要裁切的边缘形状；
第二步：通入冷气，将冷气输送至待裁切区域；
第三步：第一驱动电机(1)转动至第一步中确定的角度，确定超声刀具头裁切最佳刃口角度；
第四步：第二驱动电机(9)转动至第一步中确定的角度时，丝杠(7)的转动速度与预浸料带材的输送速度相匹配，能够裁剪出特定形状的预浸料。
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徐东亮等: "碳纤维预浸带自动铺放超声切割器的研究", 《机械制造》 *

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