CN112123818B - 一种用于热塑性复合材料铺放头的多丝束放卷装置 - Google Patents

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一种用于热塑性复合材料铺放头的多丝束放卷装置，它涉及一种放卷装置，具体涉及一种用于热塑性复合材料铺放头的多丝束放卷装置。本发明为了解决在丝束不扭曲的情况下各丝束的料盘无法独立控制的问题。本发明包括活动放卷模块、滑轨副、固定放卷模块和安装板；滑轨副和固定放卷模块并排设置在安装板的下表面，活动放卷模块与滑轨副滑动连接，固定放卷模块与安装板的下表面固定连接。本发明属于热塑性复合材料自动铺放领域。

Description

一种用于热塑性复合材料铺放头的多丝束放卷装置
技术领域
本发明涉及一种放卷装置，具体涉及一种用于热塑性复合材料铺放头的多丝束放卷装置，属于热塑性复合材料自动铺放领域。
背景技术
纤维铺放是高性能树脂基复合材料的成型方式之一，其过程是将带状纤维预浸料从料盘或纱架中引出，经过施压、加热，使其固化到模具表面。纤维铺放技术一般用于飞行器壳体、承力结构等工件的成型。近些年来材料技术的发展使得热塑性复合材料的受到了广泛的关注，相比与传统热固性复合材料，它具有高强度、高韧性、材料可重复加工以及可焊接等优势。然而，由于热塑性预浸料熔点高、丝束较硬等特点使得铺放技术难度以及对铺放设备的要求随之提升。
传统纱架集成式多丝束铺放头中的各个料筒的放卷机构一般分散布置，丝束从纱架输送到压辊的路径中会发生空间上的扭曲。质地较硬的热塑性预浸料在受扭曲后会受到损坏，从而影响铺放质量。并且过度弯折、扭曲导致的丝束翘曲会使其在剪切、重送及导向槽中输送不顺畅，导致丝束堵塞、重送失败等问题。因此传统多丝束铺放设备并不适用于热塑性复合材料。与热固性预浸料不同，热塑性预浸料一般制作成料盘形式存放，同时要求铺放设备各个辊子的轴线平行，其目的是为避免丝束输送时材料扭曲打捻。目前绝大多数热塑性铺放设备仅支持单丝束铺放，并且现有的放卷机构无法实现多个料盘同轴并排布置情况下的独立控制。
发明内容
本发明为解决在丝束不扭曲的情况下各丝束的料盘无法独立控制的问题，进而提出一种用于热塑性复合材料铺放头的多丝束放卷装置。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括活动放卷模块、滑轨副、固定放卷模块和安装板；滑轨副和固定放卷模块并排设置在安装板的下表面，活动放卷模块与滑轨副滑动连接，固定放卷模块与安装板的下表面固定连接。
进一步的，活动放卷模块与固定放卷模块结构相同，均包括第三轴承、第四轴承、第一放卷轴、第二放卷轴、第一料盘、第二料盘、支撑板、传动机构、第一驱动机构和第二驱动机构；
支撑板竖直设置，且支撑板的上端与安装板的下表面固定连接，所述第一驱动机构和所述第二驱动机构并排安装在支撑板的一侧，第一放卷轴的一端与所述第一驱动机构连接，第一料盘固定套装在第一放卷轴的另一端，第二放卷轴通过第三轴承和第四轴承套装在第一放卷轴上，第二料盘固定套装在第二放卷轴上，第二放卷轴通过所述传动机构与所述第二驱动机构连接。
进一步的，所述第一驱动机构包括第一行星减速器和第一伺服电机，第一行星减速器固定安装在支撑板的一侧，第一伺服电机的转动轴与第一行星减速器的输入轴连接，第一行星减速器的输出轴与第一放卷轴的一端固定连接。
进一步的，所述第二驱动机构包括第二行星减速器和第二伺服电机，第二行星减速器固定安装在支撑板的一侧，第二伺服电机的转动轴与第二行星减速器的输入轴连接，第二行星减速器的输出轴通过所述传动机构与第二放卷轴连接。
进一步的，所述传动机构包括第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮固定套装在第二放卷轴上，第二齿轮固定套装在第二行星减速器的输出轴上，第一齿轮与第二齿轮啮合。
进一步的，第一料盘与第二料盘结构相同，均包括两个料盘侧板、预浸带卷、料盘内圈和多个沉头螺丝；两个料盘侧板并排设置，料盘内圈设置在两个料盘侧板之间，每个料盘侧板的内侧面通过多个沉头螺丝与料盘内圈连接，预浸带卷套装在料盘内圈上。
本发明的有益效果是：本发明避免了目前多丝束铺放设备输送丝束时的丝束扭曲，支持铺放头中所有导向辊、送料辊的平行布置，对热塑、热固性预浸带都普遍适用；本发明主体由两个放卷模块组成，每个放卷模块分别由两个伺服电机分别对两个料盘驱动，能够实现对四路丝束提供各自独立的张力；本发明可通过移动活动的放卷模块将两个放卷模块错开，从而方便更换料盘操作及检测维修；本发明兼顾了四个料盘同轴并排布置和各料盘的独立控制，结构紧凑，有利于减小纱架集成式铺放头的体积；本发明支持8丝束以内铺放头中的模块化拓展，例如在4丝束铺放头中仅需要去掉两组活动放卷模块。
附图说明
图1是本发明整体结构的轴测图；
图2是本发明在更换料盘状态的轴测图；
图3是本发明中固定放卷机构的轴测图；
图4是本发明中固定放卷机构的剖视图；
图5是为本发明中料盘与第一放料轴连接处正面的半剖视图；
图6是本发明在热塑性复合材料多丝束铺放头中的应用示意图。
图中1-紧定扳手，2-活动放卷模块，3-滑轨副，4-固定放卷模块，5-安装板，401-第一轴承，402-法兰座，403-第二轴承，404-第三轴承，405-第四轴承，406-第一放卷轴，407-第二放卷轴，408-第一齿轮，409-第一料盘，410-第二料盘，411-第二齿轮，412-支撑板，413-第二行星减速器，414-第一行星减速器，415-第二伺服电机，416-第一伺服电机，4091-料盘侧板，4092-预浸带卷，4093-料盘内圈，417-球头柱塞，4094-沉头螺丝，6-第一固定辊，7-第二固定辊，8-跳辊模块，9-第二固定辊，10-夹紧机构，11-重送机构，12-剪切机构，13-加热器，14-压辊，15-施压气缸，16-连接板。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种用于热塑性复合材料铺放头的多丝束放卷装置包括活动放卷模块2、滑轨副3、固定放卷模块4和安装板5；滑轨副3和固定放卷模块4并排设置在安装板5的下表面，活动放卷模块2与滑轨副3滑动连接，固定放卷模块4与安装板5的下表面固定连接。
固定放卷模块4通过螺钉直接固定在安装板5上，活动放卷模块2安装在滑轨副3的滑块上，滑轨副3通过螺钉固定在安装板5上，构成了整个多丝束放卷机构。滑轨副上设有紧定扳手1，从而实现活动放卷机构2能沿导轨相对于安装板5移动，并且可通过紧定扳手1锁定活动放卷模块2的位置；固定放卷模块4和活动放卷模块2的功能是为各自的两个料盘提供相互独立的反向力矩。铺放设备正常工作时活动放卷模块2位于滑轨副3靠近内侧的一端，与固定放卷模块4对称布置，四个具有反向力矩的料盘分别同时工作，实现四丝束各自独立的独立张力控制；当设备更换料盘时，将紧定扳手1解锁，并将活动放卷模块2拉出至外侧一端，如图2所示；此时固定放卷模块4和活动放卷模块2相互错开，可以进行更换料盘操作。
具体实施方式二：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种用于热塑性复合材料铺放头的多丝束放卷装置的活动放卷模块2与固定放卷模块4结构相同，均包括第三轴承404、第四轴承405、第一放卷轴406、第二放卷轴407、第一料盘409、第二料盘410、支撑板412、传动机构、第一驱动机构和第二驱动机构；
支撑板412竖直设置，且支撑板412的上端与安装板5的下表面固定连接，所述第一驱动机构和所述第二驱动机构并排安装在支撑板412的一侧，第一放卷轴406的一端与所述第一驱动机构连接，第一料盘409固定套装在第一放卷轴406的另一端，第二放卷轴407通过第三轴承404和第四轴承405套装在第一放卷轴406上，第二料盘410固定套装在第二放卷轴407上，第二放卷轴407通过所述传动机构与所述第二驱动机构连接。
法兰座402通过螺钉固定在支撑板412上，第一轴承401和第二轴承403外圈与法兰座402固定连接，内圈与第一放卷轴406固定连接，实现第一放卷轴406的自由转动。第二放卷轴为空心轴，第三轴承404和第四轴承405外圈固定安装在第二放卷轴407内部，内圈套在第一放卷轴406头部，从而实现第二放卷轴407空套在第一放卷轴406上。因此第一放卷轴406与第二放卷轴407之间的轴承滚动摩擦可忽略，如此设置实现了两个放卷轴彼此相互独立转动、互不影响；
第一放卷轴406头部固定连接有第一料盘409。第一放卷轴406尾部连接有第一行星减速器414和第一伺服电机416，第一行星减速器414通过螺钉安装在支撑板412上。工作时第一伺服电机416通过第一行星减速器414将反向力矩直接作用在第一放卷轴406上，实现对第一料盘409中预浸带的张力控制。
第二放卷轴407头部固定连接有第二料盘410，尾部与第一齿轮408固定连接。第二伺服电机415和第二行星减速器413通过螺钉安装在支撑板412上，第二行星减速器413的输出轴上固定连接有第二齿轮411。第一齿轮408与第二齿轮411齿数相等并相互啮合，从而实现了第二伺服电机415经第二行星减速器413，再经过传动比为1的齿轮副对第二料盘410中预浸带的张力控制。从而每个放卷模块都各自实现了对两个料盘的独立张力控制。
其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种用于热塑性复合材料铺放头的多丝束放卷装置的所述第一驱动机构包括第一行星减速器414和第一伺服电机416，第一行星减速器414固定安装在支撑板412的一侧，第一伺服电机416的转动轴与第一行星减速器414的输入轴连接，第一行星减速器414的输出轴与第一放卷轴406的一端固定连接。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种用于热塑性复合材料铺放头的多丝束放卷装置的所述第二驱动机构包括第二行星减速器413和第二伺服电机415，第二行星减速器413固定安装在支撑板412的一侧，第二伺服电机415的转动轴与第二行星减速器413的输入轴连接，第二行星减速器413的输出轴通过所述传动机构与第二放卷轴407连接。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式五:结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种用于热塑性复合材料铺放头的多丝束放卷装置的所述传动机构包括第一齿轮408和第二齿轮411，第一齿轮408固定套装在第二放卷轴407上，第二齿轮411固定套装在第二行星减速器413的输出轴上，第一齿轮408与第二齿轮411啮合。其它组成及连接关系与具体实施方式二、三或四相同。
具体实施方式六：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种用于热塑性复合材料铺放头的多丝束放卷装置的第一料盘409与第二料盘410结构相同，均包括两个料盘侧板4091、预浸带卷4092、料盘内圈4093和多个沉头螺丝4094；两个料盘侧板4091并排设置，料盘内圈4093设置在两个料盘侧板4091之间，每个料盘侧板4091的内侧面通过多个沉头螺丝4094与料盘内圈4093连接，预浸带卷4092套装在料盘内圈4093上。
两个料盘侧板4091通过沉头螺丝4094固定在料盘内圈4093上，作用是将预浸带限制在料盘槽内。第一放卷轴406头部开有外花键，料盘侧板4091为激光切割钢板材质，内部带有内花键。内外花键配合，固定了第一料盘409的旋转自由度，使其不能相对于第一放卷轴406旋转。
第一放卷轴406头部外花键的各凸起处钻有安装孔，球头柱塞417位于安装孔内，与第一放卷轴406的安装孔过盈配合连接，目的是防止其脱出。料盘内圈4093上钻有径向定位孔，当此定位孔与球头柱塞417的滚珠对齐时，滚珠卡入定位孔中，使第一料盘409难以发生轴向窜动，实现了料盘的轴向定位。同时球头柱塞417内部弹簧的弹力通过滚珠作用到料盘内圈4093上，实现了第一放卷轴406与第一料盘409之间的涨紧。
其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
工作原理
此热塑性多丝束铺放头中共有八丝束，两边各有四路丝束，在压辊14处汇集在一起。这样能够使输送过程中相邻预浸带都具有一定的空隙，方便布置其他动作模块。为说明工作原理，现以左边四路丝束为例进行介绍。丝束从活动放卷模块2和固定方卷模块4中引出，经第一固定辊导向绕过跳辊模块8，在经过第二固定辊7、第三固定辊8送入导向块。导向块左右侧布置有夹紧、剪切、重送装置，功能是实现每条预浸带的增减控制。最后加热器13将热塑性树脂基体融化，通过压辊14和施压气缸14将预浸带铺放到模具上。
放卷机构中所有第一伺服电机416和第二伺服电机415采用转矩控制模式。跳辊模块8由四个相互独立的跳辊组成，每个跳辊由气缸驱动，并带有直线电位计用于反馈位移。跳辊的初始位置在气缸行程中间处，跳辊气缸由比例阀控制使其压力恒定。当跳辊位置变化时，其直线电位计的阻值变化，将信号反馈到控制器中，此时控制器改变对伺服电机的输出信号大小，从而改变伺服电机的输出扭矩，进而控制料盘转动直至跳辊回到初始位置。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于热塑性复合材料铺放头的多丝束放卷装置，其特征在于：所述一种用于热塑性复合材料铺放头的多丝束放卷装置包括活动放卷模块(2)、滑轨副(3)、固定放卷模块(4)和安装板(5)；滑轨副(3)和固定放卷模块(4)并排设置在安装板(5)的下表面，活动放卷模块(2)与滑轨副(3)滑动连接，固定放卷模块(4)与安装板(5)的下表面固定连接；
活动放卷模块(2)与固定放卷模块(4)结构相同，均包括第三轴承(404)、第四轴承(405)、第一放卷轴(406)、第二放卷轴(407)、第一料盘(409)、第二料盘(410)、支撑板(412)、传动机构、第一驱动机构和第二驱动机构；
支撑板(412)竖直设置，且支撑板(412)的上端与安装板(5)的下表面固定连接，所述第一驱动机构和所述第二驱动机构并排安装在支撑板(412)的一侧，第一放卷轴(406)的一端与所述第一驱动机构连接，第一料盘(409)固定套装在第一放卷轴(406)的另一端，第二放卷轴(407)通过第三轴承(404)和第四轴承(405)套装在第一放卷轴(406)上，第二料盘(410)固定套装在第二放卷轴(407)上，第二放卷轴(407)通过所述传动机构与所述第二驱动机构连接；
所述第一驱动机构包括第一行星减速器(414)和第一伺服电机(416)，第一行星减速器(414)固定安装在支撑板(412)的一侧，第一伺服电机(416)的转动轴与第一行星减速器(414)的输入轴连接，第一行星减速器(414)的输出轴与第一放卷轴(406)的一端固定连接；
所述第二驱动机构包括第二行星减速器(413)和第二伺服电机(415)，第二行星减速器(413)固定安装在支撑板(412)的一侧，第二伺服电机(415)的转动轴与第二行星减速器(413)的输入轴连接，第二行星减速器(413)的输出轴通过所述传动机构与第二放卷轴(407)连接；
所述传动机构包括第一齿轮(408)和第二齿轮(411)，第一齿轮(408)固定套装在第二放卷轴(407)上，第二齿轮(411)固定套装在第二行星减速器(413)的输出轴上，第一齿轮(408)与第二齿轮(411)啮合。
2.根据权利要求1所述一种用于热塑性复合材料铺放头的多丝束放卷装置，其特征在于：第一料盘(409)与第二料盘(410)结构相同，均包括两个料盘侧板(4091)、预浸带卷(4092)、料盘内圈(4093)和多个沉头螺丝(4094)；两个料盘侧板(4091)并排设置，料盘内圈(4093)设置在两个料盘侧板(4091)之间，每个料盘侧板(4091)的内侧面通过多个沉头螺丝(4094)与料盘内圈(4093)连接，预浸带卷(4092)套装在料盘内圈(4093)上。
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Inventor after: Sun Shouzheng

Inventor after: Li Xinyu

Inventor after: Han Zhenyu

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