CN112339276A - 一种纤维增强热塑性预浸片材叠层成型生产线装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维增强热塑性预浸片材叠层成型生产线装置及工艺，所述生产线装置包括自动送料纠偏架、自动真空吸附裁床、搬运及焊接六轴机器人、叠层预成型平台，还包括：机器人真空吸咐、点焊枪装置，安装在搬运及焊接六轴机器人第六轴上，用于搬运、焊接叠层预浸料片材；预浸片材视觉对位、纠正装置，安装在叠层预成型平台上，用于精密控制预浸片材的尺寸位置与纤维角度方向；叠层真空吸咐台装置，安装在叠层预成型平台上，用于吸咐固定叠层中的预浸片材；超声点焊控制器装置，安装在叠层预成型平台内，用于控制机器人真空吸咐、点焊枪装置。本发明实现了轻量化汽车前地板预浸片材叠层成型的高效率低成本制造。

Description

一种纤维增强热塑性预浸片材叠层成型生产线装置及工艺

技术领域

本发明涉及轻量化复合材料制造技术领域，具体涉及一种纤维增强热塑性预浸片材叠层成型生产线装置及工艺。

背景技术

现代汽车设计有安全、舒适、节能和环保4项基本要求。碳纤维复合材料是新能源汽车必不可少的结构材料。汽车工业采用碳纤维复合材料替代金属材料，是提高汽车性能、实现汽车轻量化和节能减排的有效途径，已成为当前汽车设计的最重要发展方向。

碳纤维复合材料制作的汽车结构件、覆盖件、内饰等，可实现减重30％左右。高性能碳纤维制作的复合材料，其拉伸强度和层间剪切强度均较高，界面结构和性能优良，因此在汽车领域特别是新能源汽车上应用潜力巨大。随着宝马公司最新款电动汽车i3的正式上市(该车采用全碳纤维复合材料制成的车架重量仅为120kg)，势必将加速碳纤维在汽车行业特别是在电动汽车、混合动力车、CNG汽车等新能源汽车领域的应用。

由于碳纤维复合材料代替了原先汽车钢质材料结构件，而原先的汽车钢质结构件设计上通过点焊将零件翻边与其它的部件进行连接来实现提高结构强度与承载能力。碳纤维复合材料提高结构强度与承载能力的方式只有采用局部补强工艺来提高结构强度与承载能力，特别碳纤维汽车前地板结构件中的手刹区域、脚踏区域、充电器托盘区域设计上，都需要进行局部结构加厚或者在加厚基础上再通过改变纤维方向铺放方式来提高结构件强度与承载能力。

送料机是借助机器运动的作用力加力于材料，对材料进行运动运输的机器。送料机是轻工行业、重工业不可缺少的设备。随着技术的发展，自动纠偏送料机已经较为普及。

发明内容

针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种纤维增强热塑性预浸片材叠层成型生产线装置，集自动送料纠偏架、自动真空吸附裁床、搬运及焊接六轴机器人、叠层预成型平台为一体的生产线，从而实现轻量化汽车前地板预浸片材叠层成型的高效率低成本制造。

一种纤维增强热塑性预浸片材叠层成型生产线装置，包括自动送料纠偏架、自动真空吸附裁床、搬运及焊接六轴机器人、叠层预成型平台，还包括：

机器人真空吸咐、点焊枪装置，安装在所述搬运及焊接六轴机器人第六轴上，用于搬运、焊接叠层预浸料片材；

预浸片材视觉对位、纠正装置，安装在所述叠层预成型平台上，用于精密控制预浸片材的尺寸位置与纤维角度方向；

叠层真空吸咐台装置，安装在所述叠层预成型平台上，用于吸咐固定叠层中的预浸片材；

超声点焊控制器装置，安装在所述叠层预成型平台内，用于控制机器人真空吸咐、点焊枪装置。

自动送料纠偏架用于放置预浸卷筒片材，并带有自动跟踪纠偏功能，使得裁床牵引放卷过程中，预浸片材不会跑偏。

自动真空吸附裁床包括带有智能真空吸附功能的裁切台面，用于将展开后的预浸片材平整吸附在裁床台面上，整个裁切过程按事先规划设计好的叠层铺放方案进行全自动裁切。

搬运及焊接六轴机器人上的机器人真空吸咐、点焊枪装置吸取收料，搬运至预浸片材视觉对位、纠正装置上方进行尺寸位置与纤维角度方向的调整，最后搬移到叠层真空吸咐台装置上，进行叠层点焊。

为了提高自动化程度、提高工作效率，作为优选，所述机器人真空吸咐、点焊枪装置包括：海绵真空吸盘、吸台底座、超声波点焊枪装置、距离感应传感器以及机器人第六轴联接座架，所述海绵真空吸盘粘接在吸台底座底面，所述超声波点焊枪装置通过升降滑台控制点焊枪沿轴向运动，机器人第六轴联接座架与吸台底座相连固定在搬运及焊接六轴机器人上。

作为优选，所述吸台底座包括：带有密封条的吸盘体、安装在吸盘体上的密封盖板、以及安装在密封盖板上的抽真空胶管接头。

作为优选，所述吸盘体内部为中空结构，有利于形成真空腔体，整个面能有足够的真空抽力，底部设置有38组真空吸咐孔，四周设计有环形密封槽，密封条与密封槽紧密贴合，密封盖板安装面采用凹面沉台设计深度10mm，海棉真空吸盘安装面采用凹面沉台设计深度4mm。

为了提高控制精度，作为优选，所述吸台底座上安装有距离感应传感器，用于检测吸台底座底平面与工作台面之间的距离。

为了实现紧凑型、模块化结构设计，作为优选，所述叠层真空吸咐台装置包括真空吸台、抽风管和旋涡风机，所述真空吸台安装在叠层预成型平台上，底部通过抽风管与设于叠层预成型平台内的旋涡风机连接。

作为优选，所述真空吸台还包括在吸台面上的多组抽风小孔，有利于产生真空吸力。

作为优选，所述预浸片材视觉对位、纠正装置包括：安装在叠层预成型平台上的视觉检测相机、安装在视觉检测相机上方的防护玻璃以及布置在视觉检测相机两侧的光源模组，用于打光照射的预浸片材。

进一步优选，所述光源模组安装在叠层预成型平台上的支架上，两端设置锁紧轴座，用于根据光源的照射角度进行任意角度转动调节。

本发明还提供了一种纤维增强热塑性预浸片材叠层成型生产线工艺，使用所述的纤维增强热塑性预浸片材叠层成型生产线装置，包括：

自动送料纠偏架上放置预浸卷筒片材，在自动跟踪纠偏功能作用下，自动真空吸附裁床牵引放卷预浸卷筒片材，预浸片材在自动真空吸附裁床上真空吸附并自动裁切后，机器人真空吸咐、点焊枪装置吸取收料，搬运至预浸片材视觉对位、纠正装置上方进行尺寸位置与纤维角度方向的调整，最后搬移到叠层真空吸咐台装置上，进行叠层点焊。

作为优选，所述超声点焊控制器装置控制超声焊接时间，相同树脂，厚度为0.2～0.5mm的预浸片材设置焊接时间0.8～0.9秒，厚度小于0.2mm的预浸片材设置焊接时间1.0～1.1秒。

为了提高预浸片材叠层成型控制精度，作为优选，所述预浸片材视觉对位、纠正装置控制预浸片材的尺寸位置与纤维角度方向的方法为：

设置图形基准标定值E，再根据预浸片材的实际值F和图形基准标定值E进行比对，通过中心点位置计算与边缘夹角计算后，再通过PLC系统控制搬运及焊接六轴机器人进行运动调整，从而实现预浸片材叠层成型的精密控制，具体控制过程如下：

(1)设定初始图形中心点坐标位置值X0、Y0，图形上端边缘与X轴方向角度A0；

(2)下一个视觉检测图形中心点坐标值X1、Y1，以及图形上端边缘与X轴方向夹角A1；

(3)计算X＝X1-X0，Y＝Y1-Y0，A＝A1-A0，其中正数表示顺时针旋转，负数表示逆时针旋转；

(4)控制搬运及焊接六轴机器人进行坐标位置及角度调整。

为了提高碳纤维汽车前地板局部铺层强度与承载能力，作为优选，所述预浸片材叠层方式包括：0度纤维方向预浸片材，45度纤维方向预浸片材，90度纤维方向预浸片材的叠层顺序方式，可按铺层补强度与承载能力进行混合搭配叠层。

本发明与现有技术相比，主要优点包括：

本发明的纤维增强热塑性预浸片材叠层成型生产线装置，实现了卷筒自动纠偏送料、全自动真空吸附裁床裁切以及机器人搬运焊接、视觉定位纠偏、叠层预成型，且结构简单、易于实现，能够快速、高效、大批量地生产碳纤维复合材料轻量化汽车前地板预浸片材叠层成型制件，具有优良的应用前景。

附图说明

图1为实施例的纤维增强热塑性预浸片材叠层成型生产线装置的结构示意图；

图2为实施例的搬运及焊接六轴机器人的结构示意图；

图3为实施例的叠层预成型平台的结构示意图；

图4为实施例的机器人真空吸咐、点焊枪装置的结构示意图；

图5为实施例的成型平台机架的结构示意图；

图6为实施例的叠层真空吸咐台装置的结构示意图；

图7为实施例的预浸片材视觉对位、纠正装置的结构示意图；

图8为实施例的超声点焊控制器装置的结构示意图；

图9为实施例的吸台底座的结构示意图；

图10为实施例的吸盘体的结构示意图；

图11为实施例的叠层补强裁切方式示意图；

图12为实施例的视觉对位纠正系统识别示意图；

图中：自动送料纠偏架1，自动真空吸附裁床2，搬运及焊接六轴机器人3，机器人本体31，机器人真空吸咐、点焊枪装置32，吸台底座321，吸盘体321.1，密封条321.3，密封盖板321.4，抽真空胶管接头321.5，超声波点焊枪座322，机器人第六轴联接座架323，超声波点焊枪装置324，气缸滑台支板325，升降滑台326，距离感应传感器327，海棉真空吸盘328，机器人安装座33，叠层预成型平台4，成型平台机架40，叠层真空吸咐台装置41，真空吸台411，抽风管412，旋涡风机413，预浸片材视觉对位、纠正装置42，铝型材支架421，光源模组422，锁紧轴座423，视觉检测相机424，防护玻璃425，超声点焊控制器装置43。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。

如图1～3所示，本实施例的纤维增强热塑性预浸片材叠层成型生产线装置，包括沿生产线依次设置自动送料纠偏架1，自动真空吸附裁床2，搬运及焊接六轴机器人3，叠层预成型平台4。自动送料纠偏架1，用于放置预浸筒卷片材，并带有自动跟踪纠偏功能，使得裁床牵引放卷过程中，预浸片材不会跑偏。自动真空吸附裁床2，包括带有智能真空吸附功能的裁切台面，用于将展开后预浸料片材平整吸附在裁床台面上，整个裁切过程按事先规划设计好的叠层铺放方案进行全自动裁切。搬运及焊接六轴机器人3，包括机器人本体31；机器人真空吸咐、点焊枪装置32，安装在搬运及焊接六轴机器人3第六轴上，用于搬运、焊接叠层预浸料片材；机器人安装座33，用于固定安装机器人本体31。叠层预成型平台4，包括成型平台机架40；叠层真空吸咐台装置41，安装在叠层预成型平台4上；预浸片材视觉对位、纠正装置42，安装在叠层预成型平台4上，用于精密控制预浸片材的尺寸位置与纤维角度方向；超声点焊控制器装置43，安装在叠成预成型平台4机箱内，用于控制超声焊接枪及焊接时间的设置。

如图4所示，机器人真空吸咐、点焊枪装置32包括：吸台底座321、超声波点焊枪座322、距离感应传感器327，以及机器人第六轴联接座架323，海棉真空吸盘328采用双面胶粘贴在吸台底座321上，超声波点焊枪装置324采用螺丝锁紧固定在超声波点焊枪座322上，分别固定在气缸滑台支板325上的四组升降滑台326控制超声波点焊枪座322沿轴向上下运动完成点焊工作，距离感应传感器327安装在吸台底座321上，用于检测吸台底座321底平面与工作台面之间的距离，机器人第六轴联接座架323与吸台底座321相连固定在机器人第六关节轴上。

如图5所示，成型平台机架40，采用铝合金型材制成，四周封有门板，方便开启控制内部的超声点焊控制器装置43，以及内部的叠层真空吸咐台装置41中的真空旋涡风机413的操作调节，底部安装福马轮既能固定支撑又可滚轮移动，方便高度调节与机架位置移动。

如图6所示，叠层真空吸咐台装置41，包括旋涡风机413，固定在成型平台机架40上的真空吸台411以及连接二者的抽风管412，从而实现叠层真空吸咐。真空吸台411还包括在吸台面上的多组抽风小孔，有利于产生真空吸力。如图7所示，预浸片材视觉对位、纠正装置42包括：安装在成型平台机架40面上的视觉检测相机424，安装在视觉检测相机424上方的防护玻璃425，以及布置在视觉检测相机424两侧的光源模组422，用于打光照射的预浸片材；光源模组安装在铝型材支架421上，两端设置锁紧轴座423，可以根据光源的照射角度效果进行任意角度转动调节。

如图8所示，超声点焊控制器装置43，由四组超声点焊控制器组成，分别控制四组超声波点焊枪装置324，根据工艺要求，超声点焊控制器装置43可进行超声焊接时间设定，厚度0.3mm预浸料设置焊接时间为0.8～0.9秒，厚度0.15mm预浸料的设置焊接时间为1.0～1.1秒。

如图9所示，吸台底座321包括吸盘体321.1；安装在吸盘体321.1上的密封条321.3，密封条321.3环形状贴合内侧壁，宽度5mm；安装在吸盘体321.1上的密封盖板321.4以及安装在密封盖板321.4上的抽真空胶管接头321.5；在密封盖板321.4对面，与吸盘体321.1用双面胶粘接的海棉真空吸盘328。

如图10所示，吸盘体321.1内部为中空结构，有利于形成真空腔体，整个面能有足够的真空抽力，底部设置有38组真空吸咐孔，四周设计有环形密封槽，密封条321.3贴合密封槽，密封盖板安装面采用凹面沉台设计深度10mm，海棉真空吸盘安装面采用凹面沉台设计深度4mm。

使用本实施例的纤维增强热塑性预浸片材叠层成型生产线装置进行纤维增强热塑性预浸片材叠层成型生产线工艺，包括：

自动送料纠偏架1上放置预浸卷筒片材，在自动跟踪纠偏功能作用下，自动真空吸附裁床2牵引放卷预浸卷筒片材，预浸片材在自动真空吸附裁床2上真空吸附并自动裁切后，机器人真空吸咐、点焊枪装置32吸取收料，搬运至预浸片材视觉对位、纠正装置42上方进行尺寸位置与纤维角度方向的调整，最后搬移到叠层真空吸咐台装置41上，进行叠层点焊。

如图11所示，本实施例预浸片材按叠层强度及承载力的设计方案进行预成型叠层，先在裁床幅面上裁切所规划的片材，然后进行自动裁切，整个过程裁床台面都是真空吸咐着，以防裁切好材料位置移动，然后根据自动真空吸附裁床2与搬运及焊接六轴机器人3进行通讯控制，发送裁切片材的坐标位置，让机器人自动根据坐标位置实施吸取收料，然后搬运到预浸片材视觉对位、纠正装置42上方进行视觉检测及识别比对，进行微调修正，并通过PLC计算发指令给机器人，通过机器人控制关节轴转动得到修正值，最后再搬移到真空吸台411上，同时通过机器人真空吸咐、点焊枪装置32进行叠层点焊，第一层铺放时不用点焊，直接放置利用真空吸台411的真空吸力将其固定在台面上，叠层铺放顺序，第一层先铺纤维方向+45度片材，第二层铺纤维方向0度片材，第三层铺纤维方向90度片材，第四层铺纤维方向-45度片材，最后一层铺纤维方向0度片材，纤维增强热塑性轻量化汽车前地板预浸片材叠层成型总共铺设5层。

如图12所示，预浸片材视觉对位、纠正装置42带有视觉对位纠正系统，用于精密控制预浸片材的尺寸位置与纤维角度方向，视觉对位纠正系统中设置一个图形基准标定值E，再根据预浸片材的实际值F和图形基准标定值E进行比对，通过中心点位置计算与边缘夹角计算，然后由PLC系统控制搬运及焊接六轴机器人3进行运动调整，从而实现预浸片材叠层成型的精密控制，具体控制过程如下：

(1)设定初始图形中心点坐标位置值X0、Y0，图形上端边缘与X轴方向角度A0；

(2)下一个视觉检测图形中心点坐标值X1、Y1，以及图形上端边缘与X轴方向夹角A1；

(3)计算X＝X1-X0，Y＝Y1-Y0，A＝A1-A0，其中正数表示顺时针旋转，负数表示逆时针旋转；

(4)控制六轴机器人进行X轴、Y轴坐标位移、以及角度旋转调整。

此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种纤维增强热塑性预浸片材叠层成型生产线装置，包括自动送料纠偏架、自动真空吸附裁床、搬运及焊接六轴机器人、叠层预成型平台，其特征在于，还包括：

机器人真空吸咐、点焊枪装置，安装在所述搬运及焊接六轴机器人第六轴上，用于搬运、焊接叠层预浸料片材；

预浸片材视觉对位、纠正装置，安装在所述叠层预成型平台上，用于精密控制预浸片材的尺寸位置与纤维角度方向；

叠层真空吸咐台装置，安装在所述叠层预成型平台上，用于吸咐固定叠层中的预浸片材；

超声点焊控制器装置，安装在所述叠层预成型平台内，用于控制机器人真空吸咐、点焊枪装置。

2.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性预浸片材叠层成型生产线装置，其特征在于，所述机器人真空吸咐、点焊枪装置包括：海绵真空吸盘、吸台底座、超声波点焊枪装置、距离感应传感器以及机器人第六轴联接座架，所述海绵真空吸盘粘接在吸台底座底面，所述超声波点焊枪装置通过升降滑台控制点焊枪沿轴向运动，机器人第六轴联接座架与吸台底座相连固定在搬运及焊接六轴机器人上。

3.根据权利要求2所述的纤维增强热塑性预浸片材叠层成型生产线装置，其特征在于，所述吸台底座包括：带有密封条的吸盘体、安装在吸盘体上的密封盖板、以及安装在密封盖板上的抽真空胶管接头。

4.根据权利要求2所述的纤维增强热塑性预浸片材叠层成型生产线装置，其特征在于，所述吸台底座上安装有距离感应传感器，用于检测吸台底座底平面与工作台面之间的距离。

5.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性预浸片材叠层成型生产线装置，其特征在于，所述叠层真空吸咐台装置包括真空吸台、抽风管和旋涡风机，所述真空吸台安装在叠层预成型平台上，底部通过抽风管与设于叠层预成型平台内的旋涡风机连接。

6.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性预浸片材叠层成型生产线装置，其特征在于，所述预浸片材视觉对位、纠正装置包括：安装在叠层预成型平台上的视觉检测相机、安装在视觉检测相机上方的防护玻璃以及布置在视觉检测相机两侧的光源模组，用于打光照射的预浸片材。

7.根据权利要求6所述的纤维增强热塑性预浸片材叠层成型生产线装置，其特征在于，所述光源模组安装在叠层预成型平台上的支架上，两端设置锁紧轴座，用于根据光源的照射角度进行任意角度转动调节。

8.一种纤维增强热塑性预浸片材叠层成型生产线工艺，其特征在于，使用权利要求1～7任一权利要求所述的纤维增强热塑性预浸片材叠层成型生产线装置，包括：

自动送料纠偏架上放置预浸卷筒片材，在自动跟踪纠偏功能作用下，自动真空吸附裁床牵引放卷预浸卷筒片材，预浸片材在自动真空吸附裁床上真空吸附并自动裁切后，机器人真空吸咐、点焊枪装置吸取收料，搬运至预浸片材视觉对位、纠正装置上方进行尺寸位置与纤维角度方向的调整，最后搬移到叠层真空吸咐台装置上，进行叠层点焊。

9.根据权利要求8所述的纤维增强热塑性预浸片材叠层成型生产线工艺，其特征在于，所述超声点焊控制器装置控制超声焊接时间，相同树脂，厚度为0.2～0.5mm的预浸片材设置焊接时间0.8～0.9秒，厚度小于0.2mm的预浸片材设置焊接时间1.0～1.1秒。

10.根据权利要求8所述的纤维增强热塑性预浸片材叠层成型生产线工艺，其特征在于，所述预浸片材视觉对位、纠正装置控制预浸片材的尺寸位置与纤维角度方向的方法为：

设置图形基准标定值E，再根据预浸片材的实际值F和图形基准标定值E进行比对，通过中心点位置计算与边缘夹角计算后，再通过PLC系统控制搬运及焊接六轴机器人进行运动调整，从而实现预浸片材叠层成型的精密控制，具体控制过程如下：

(1)设定初始图形中心点坐标位置值X0、Y0，图形上端边缘与X轴方向角度A0；

(2)下一个视觉检测图形中心点坐标值X1、Y1，以及图形上端边缘与X轴方向夹角A1；

(3)计算X＝X1-X0，Y＝Y1-Y0，A＝A1-A0，其中正数表示顺时针旋转，负数表示逆时针旋转；

(4)控制搬运及焊接六轴机器人进行坐标位置及角度调整。

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