CN111455568A - 一种用于碳纤维的联动针刺成型设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于碳纤维的联动针刺成型设备，包括机架、回转臂支撑台、控制柜、垂直升降机械臂、水平横移机械臂和旋转双向刺针组件，其中：旋转双向刺针组件包括安装座，设置在安装座上的带抱闸的伺服电机，连接在带抱闸的伺服电机输出端的双向直线运动气缸，和连接在双向直线运动气缸的活塞杆上的刺针集成，所述刺针集成对应双向直线运动气缸运动方向的两端均设置有刺针。本发明通过机械臂带动针刺组件在三维空间内自由运动、回转台驱使模具旋转，从而使得针刺组件全方位、无死角地对模具上的碳纤维进行针刺作业，并且刺针一次可刺穿敷贴在模具上的多层碳纤维，有效的提高了针刺效率，同时具有结构简单、紧凑，占用空间小，操作方便的优点。

Description

一种用于碳纤维的联动针刺成型设备

技术领域

本发明涉及光伏面板行业的碳纤维模具的针刺成型设备技术领域，特别指一种用于碳纤维的联动针刺成型设备。

背景技术

直拉硅单晶炉和多晶铸锭炉等光伏设备热场材料的制造领域所需的模具传统上使用金属材料加工而成，制造的模具存在重量/强度比大、导热率高、使用寿命短等缺点。而碳纤维材料制品具有高强度、低热导率、长寿命、低密度（重量轻）、安全性高等优势，由此制成的保温件、结构件和发热体必将是直拉硅单晶炉和多晶铸锭炉等光伏设备热场材料的发展方向。

按照碳纤维材料的成型时是否添加胶水常规上可分为两种工艺：一种是在碳纤维敷层间涂抹胶水，使碳纤维敷层间进行结合，之后再通过加热、真空负压、模压、缠绕等工艺使碳纤维最终成型。另一种是碳纤维敷层间不添加胶水等粘合剂，采用针刺的方法使将定向或随机排列的碳纤维通过摩擦、抱合、粘合等方法组合，经过针刺机或者针刺机组在垂直碳纤维布面方向，反复地进行穿刺从而使碳纤维形成无纺布。使用胶水等粘合剂的成型工艺往往需要投入大型加热设备、真空负压仓等，投资巨大，需要占用大量的长房面积。而采用针刺成型工艺，设备的投入少，不需要占用太多的长房面积，更具有经济效益。

光伏面板行业碳纤维模具的需求日益增长，生产碳纤维的模具，需要对碳纤维布进行多次穿刺。当前在该领域，大量的还是由人工手工进行碳纤维布针刺作业，耗时长、针刺质量不稳定、模具产品的重复性差。而常规纺织行业现有的针刺机存在结构复杂、操作不便、占用空间大、只能进行二维平面维度的针刺等缺陷，并不适合光伏面板行业具有复杂三维曲面碳纤维模具针刺成型的场合。因此，有必要针对光伏面板行业碳纤维模具针刺成型发明设计一种自动化针刺机械设备。

CN109853138A公开了一种回转预制体柔性针刺机，该针刺机通过在长方形机架上设置X轴直线运动组件、Y轴直线运动组件，并在Y轴直线运动组件上设置针刺头摆动运动组件及针刺头，采用四轴联动机构实现顶部封闭、小批量、多品种回转预制体的针刺成型。但是该针刺机受长方形机架的影响，操作灵活性较差，而且框架结构的机架支撑不便于安装、移动和操作。同时该针刺机每次只能对短切纤维毡进行单层针刺，需在一层针刺完成后再铺上新的一层短切纤维毡，进行下一层的针刺，直到达到预定的预制体厚度，其劳动强度较大，效率较低，针刺产品质量不稳定。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术中存在的缺点和问题加以改进和创新，结合现有数控化、智能化技术，提供一种占用空间小、操作方便的用于碳纤维的联动针刺成型设备。

本发明的技术方案是构造一种包括机架，设置在机架顶部一端用于安装模具的回转臂支撑台，设置在机架顶部另一端的控制柜，设置在控制柜顶部的垂直升降机械臂，设置在垂直升降机械臂顶端的水平横移机械臂，和设置在水平横移机械臂对应模具一端的旋转双向刺针组件，其中：所述的旋转双向刺针组件包括安装座，设置在安装座上的带抱闸的伺服电机，连接在带抱闸的伺服电机输出端的双向直线运动气缸，和连接在双向直线运动气缸的活塞杆上的刺针集成，所述刺针集成对应双向直线运动气缸运动方向的两端均设置有刺针。

在其中一个实施例中，所述的刺针集成包括针盒和刺针，所述刺针可拆卸的安装在针盒的两端，且一端刺针多、一端刺针少。可拆卸的安装方便更换不同型号的刺针，也方便及时更换有损伤的刺针。刺针集成两侧的刺针数量设置不一样的，利于根据要加工的模具及产品的外形选择使用，确保针刺质量。

在其中一个实施例中，所述的双向直线运动气缸的活塞杆头部设置有L形法兰板，所述刺针集成安装于该法兰板上。采用L形的法兰板使得活塞杆的运动方向与刺针的运动方向高度一致，并且便于安装，确保了刺针运行平稳有效。

在其中一个实施例中，所述的带抱闸的伺服电机的输出端设置有联轴器，联轴器另一端连接有带法兰的旋转轴，所述双向直线运动气缸设置在该旋转轴的法兰上，并由带抱闸的伺服电机驱动旋转进而调整刺针与模具的角度。采用联轴器和带法兰的旋转轴来连接伺服电机与双向直线运动气缸及刺针集成，使得安装传动更加平稳，有利于刺针角度的调整。

所述的带抱闸的伺服电机的输出端设置有联轴器，联轴器另一端连接有带法兰的旋转轴，所述双向直线运动气缸设置在该旋转轴的法兰上，并由带抱闸的伺服电机驱动旋转进而调整刺针与模具的角度。

在其中一个实施例中，所述的水平横移机械臂包括安装支架和设置在安装支架上的直线驱动总成和工作滑台总成，其中：所述的直线驱动总成包括设置在安装支架内的滚珠丝杠，装配在滚珠丝杠上的丝杠螺母，设置在安装支架一端连接并驱动滚珠丝杠旋转的伺服电机，和平行滚珠丝杠设置在安装支架内的丝杠直线导轨；所述的工作滑台总成包括设置在安装支架内部丝杠螺母上的内置工作滑台，一端连接在内置工作滑台上的滑台直线导轨，和设置在滑台直线导轨另一端且位于安装支架外部的外置工作滑台；所述的丝杠直线导轨和滑台直线导轨均与滚珠丝杠轴向方向一致。通过电机驱动丝杠旋转带动螺母沿丝杠水平移动，进而带动导轨水平横移来实现对旋转双向刺针组件的X轴向位置调整，采用该结构调整方便、精确，运行平稳。

优选的，所述的丝杠直线导轨平行滚珠丝杠均布至少两根，每根丝杠直线导轨均贯穿内置工作滑台，且各丝杠直线导轨贯穿内置工作滑台的位置均设有丝杠导轨轴承。通过多丝杠直线导轨及导轨轴承设置，能更好的保证丝杠直线往复运动的平稳性。

优选的，所述的滑台直线导轨沿滚珠丝杠轴向方向均布至少两根，每根滑台直线导轨一端固定连接在内置工作滑台上，另一端穿过安装支架伸出并固定连接在外置工作滑台上，且各滑台直线导轨穿过安装支架的位置均设有滑台导轨轴承和圆柱密封圈。通过滑台直线导轨及导轨轴承设置，能更好的保证工作滑台直线往复运动的平稳性；圆柱密封圈可以实现滑台直线导轨在直线往复过程中的密封。

本发明的优点及有益效果：

本发明通过机械臂带动针刺组件在三维空间内自由运动、回转台驱使模具旋转，从而使得针刺组件全方位、无死角地对模具上的碳纤维进行针刺作业，具有结构简单、紧凑，占用空间小，操作方便的优点。本发明中碳纤维敷贴在模具上，刺针是沿着垂直于模具任一曲面的切面做直线往复运动，因此，刺针一次可刺穿敷贴在模具上的多层碳纤维，有效的提高了针刺效率。针刺组件通过双向动作直线气缸实现直线往复运动，通过带抱闸伺服电机实现刺针组件的角度调节，从而实现了刺针重复针刺碳纤维的目的。刺针组件的两头还分布布置不同数量刺针，以满足不同曲率曲面的针刺，具有运动稳定可靠、效率高、覆盖面广、不易断针的优点。

附图说明

图1是本发明主视结构示意图。

图2是本发明俯视结构示意图。

图3是本发明旋转双向刺针组件结构示意图。

图4是本发明水平横移机械臂结构示意图。

附图序号说明：

1、机架，2、控制柜，3、垂直升降机械臂，4、水平横移机械臂，4-1、伺服电机，4-2、安装支架，4-3、滚珠丝杠，4-4、丝杠螺母，4-5、内置工作滑台，4-6、直线轴承，4-7、滑台直线导轨，4-8、丝杠直线导轨，4-9、外置工作滑台，5、旋转双向刺针组件，5-1、刺针集成，5-2、双向直线运动气缸，5-3、带法兰的旋转轴，5-4、安装座，5-5、带抱闸的伺服电机，5-6、法兰板，6、模具，7、回转臂支撑台。

具体实施方式

本发明结构和工作原理：

本发明成型设备包括内置有转台电机的转台；垂直于转台的顶部有用于固定模具的旋转轴，轴端有外螺纹，拧紧螺母可以固定模具；转台下部刚性连接有传动轴与转台电机的输出轴连接并随转台电机的输出轴旋转，模具位于转台夹具的正上方，模具上卷绕有待针刺作业的碳纤维。位于模具一侧是机械臂位移部分，机械臂可进行水平和垂直方向位移，行程范围覆盖针刺模具所需的位移。机械臂上有用于对模具上的碳纤维进行针刺作业的针刺组件。

本发明针刺组件包括安装座、带抱闸的伺服电机、联轴器、轴承座、带法兰的旋转轴、双向直线运动气缸、刺针集成。带抱闸的伺服电机通过联轴器与带法兰的旋转轴进行连接，双向直线运动气缸安装在旋转轴的法兰面上，刺针集成再安装在双向直线运动气缸活塞杆头部的法兰板上。带抱闸的伺服电机驱动带法兰的旋转轴和双向直线运动气缸旋转，以调整刺针与模具的角度，保证刺针与模具表面曲面的切面垂直。刺针集成两侧的刺针数量是不一样的，一端多，一端少。当针刺尺寸大且外形规格的面时，将直线气缸旋转180°，使刺针数量较多的这面刺向模具；当需要对曲面进行针刺的时候，将直线气缸反向旋转180°，使刺针数量较少的这面刺向模具。加工时，碳纤维敷贴在模具上，刺针是沿着垂直于模具任一曲面的切面做直线往复运动，因此，刺针一次可刺穿敷贴在模具上的多层碳纤维，有效的提高了针刺效率。

机械臂的水平移动部分由伺服电机-滚珠丝杠机构实现直线运动，由伺服电机、安装支架、滚珠丝杠、丝杠螺母、内置工作滑台、直线轴承、滑台直线导轨、丝杠直线导轨、外置工作滑台、圆柱密封圈等组成。水平横移机械臂采用内、外两工作滑台，取消了常规布置上的侧向唇形密封圈，只需要圆柱密封圈就能起到密封效果，且工作滑台动作时只有滑台直线导轨伸出，综合起来密封效果比长条形唇形密封圈密封效果更好。水平横移机械臂还采用双组导轨结构，安装支架沿着丝杠轴向方向设置有丝杠直线导轨，增加了安装支架的刚性，减少了安装支架及丝杠的挠曲；同时工作滑台上有设有滑台直线导轨，与丝杠直线导轨一起形成双重导向作用，直线精度更高。通过该水平横移机械臂配合，使得旋转双向刺针组件调整更加简单，运行平稳，精度高。

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被认为是“设置”或“连接”在另一个元件上，它可以是直接设置或连接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文中所使用的所有的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在于限制本发明。

实施例：

如图1、2所示，本针刺成型设备包括机架1，设置在机架1顶部一端用于安装模具6的回转臂支撑台7，设置在机架1顶部另一端的控制柜2，设置在控制柜2顶部的垂直升降机械臂3，设置在垂直升降机械臂3顶端的水平横移机械臂4，和设置在水平横移机械臂4对应模具6一端的旋转双向刺针组件5。本例中，垂直升降机械臂采用滚珠丝杠升降结构，具体的采用内置工作滑台布置在丝杠-导轨安装箱体内部，内置工作滑台通过导轨沿着丝杠轴线方向伸出安装箱体并连接一个外置工作滑台。回转臂支撑台采用电机通过减速机减速增大扭矩后直接驱动回转臂旋转的结构。

具体的，如图3所示，旋转双向刺针组件5包括安装座5-4，设置在安装座5-4上的带抱闸的伺服电机5-5，连接在带抱闸的伺服电机5-5输出端的双向直线运动气缸5-2，和连接在双向直线运动气缸5-2的活塞杆上的刺针集成5-1，其中刺针集成5-1对应双向直线运动气缸5-2运动方向的两端均设置有刺针。

更具体的，如图3所示，刺针集成5-1包括针盒和刺针，刺针可拆卸的安装在针盒的两端，且一端刺针多、一端刺针少。双向直线运动气缸5-2的活塞杆头部设置有L形法兰板5-6，刺针集成5-1安装于该法兰板5-6上。带抱闸的伺服电机5-5的输出端设置有联轴器，联轴器另一端连接有带法兰的旋转轴5-3。双向直线运动气缸5-2设置在该旋转轴的法兰上，并由带抱闸的伺服电机5-5驱动旋转进而调整刺针与模具的角度。

具体的，如图4所示，水平横移机械臂包括安装支架4-2和设置在安装支架4-2上的直线驱动总成和工作滑台总成。

更具体的，直线驱动总成包括设置在安装支架4-2内的滚珠丝杠4-3，装配在滚珠丝杠4-3上的丝杠螺母4-4，设置在安装支架4-2一端连接并驱动滚珠丝杠4-3旋转的伺服电机4-1，和平行滚珠丝杠4-3设置在安装支架4-2内的丝杠直线导轨4-8。本例中，丝杠直线导轨4-8平行滚珠丝杠4-3均布三根，每根丝杠直线导轨4-8均贯穿内置工作滑台4-5，且各丝杠直线导轨4-8贯穿内置工作滑台4-5的位置均设有丝杠导轨轴承。

更具体的，工作滑台总成包括设置在安装支架4-2内部丝杠螺母4-4上的内置工作滑台4-5，一端连接在内置工作滑台4-5上的滑台直线导轨4-7，和设置在滑台直线导轨4-7另一端且位于安装支架4-2外部的外置工作滑台4-9。本例中，滑台直线导轨4-7沿滚珠丝杠4-3轴向方向均布至少两根，每根滑台直线导轨4-7一端固定连接在内置工作滑台4-5上，另一端穿过安装支架4-2伸出并固定连接在外置工作滑台4-9上，且各滑台直线导轨4-7穿过安装支架4-2的位置均设有滑台导轨轴承4-6和圆柱密封圈。

上述的丝杠直线导轨4-8和滑台直线导轨4-7均与滚珠丝杠4-3轴向方向一致。

另外，本例中控制柜包括的控制系统和控制电路均为现有技术，控制系统和控制电路连接并控制回转臂支撑台、垂直升降机械臂、水平横移机械臂及旋转双向刺针组件工作。本例中其它未详尽的组成部件亦为现有技术。

本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (7)

1.一种用于碳纤维的联动针刺成型设备，其特征在于包括机架，设置在机架顶部一端用于安装模具的回转臂支撑台，设置在机架顶部另一端的控制柜，设置在控制柜顶部的垂直升降机械臂，设置在垂直升降机械臂顶端的水平横移机械臂，和设置在水平横移机械臂对应模具一端的旋转双向刺针组件，其中：

所述的旋转双向刺针组件包括安装座，设置在安装座上的带抱闸的伺服电机，连接在带抱闸的伺服电机输出端的双向直线运动气缸，和连接在双向直线运动气缸的活塞杆上的刺针集成，所述刺针集成对应双向直线运动气缸运动方向的两端均设置有刺针。

2.根据权利要求1所述的用于碳纤维的联动针刺成型设备，其特征在于所述的刺针集成包括针盒和刺针，所述刺针可拆卸的安装在针盒的两端，且一端刺针多、一端刺针少。

3.根据权利要求1或2所述的用于碳纤维的联动针刺成型设备，其特征在于所述的双向直线运动气缸的活塞杆头部设置有L形法兰板，所述刺针集成安装于该法兰板上。

4.根据权利要求1所述的用于碳纤维的联动针刺成型设备，其特征在于所述的带抱闸的伺服电机的输出端设置有联轴器，联轴器另一端连接有带法兰的旋转轴，所述双向直线运动气缸设置在该旋转轴的法兰上，并由带抱闸的伺服电机驱动旋转进而调整刺针与模具的角度。

5.根据权利要求1所述的用于碳纤维的联动针刺成型设备，其特征在于所述的水平横移机械臂包括安装支架和设置在安装支架上的直线驱动总成和工作滑台总成，其中：

所述的直线驱动总成包括设置在安装支架内的滚珠丝杠，装配在滚珠丝杠上的丝杠螺母，设置在安装支架一端连接并驱动滚珠丝杠旋转的伺服电机，和平行滚珠丝杠设置在安装支架内的丝杠直线导轨；

所述的工作滑台总成包括设置在安装支架内部丝杠螺母上的内置工作滑台，一端连接在内置工作滑台上的滑台直线导轨，和设置在滑台直线导轨另一端且位于安装支架外部的外置工作滑台；

所述的丝杠直线导轨和滑台直线导轨均与滚珠丝杠轴向方向一致。

6.根据权利要求5所述的用于碳纤维的联动针刺成型设备，其特征在于所述的丝杠直线导轨平行滚珠丝杠均布至少两根，每根丝杠直线导轨均贯穿内置工作滑台，且各丝杠直线导轨贯穿内置工作滑台的位置均设有丝杠导轨轴承。

7.根据权利要求5所述的用于碳纤维的联动针刺成型设备，其特征在于所述的滑台直线导轨沿滚珠丝杠轴向方向均布至少两根，每根滑台直线导轨一端固定连接在内置工作滑台上，另一端穿过安装支架伸出并固定连接在外置工作滑台上，且各滑台直线导轨穿过安装支架的位置均设有滑台导轨轴承和圆柱密封圈。

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