CN113059829B - 一种热固性纤维预浸带隔离膜同步收集机构 - Google Patents

一种热固性纤维预浸带隔离膜同步收集机构 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种热固性纤维预浸带隔离膜同步收集机构，由电机驱动放带机构上的预浸带放带辊转动时，通过同步带传动，带动收膜机构中的收膜辊转动收集隔离膜。收膜机构中具有摩擦片，伴随放卷过程进行，预浸带料盘直径减小、收膜料盘直径增大，通过调整收膜机构同步轮与摩擦片的紧固程度，降低摩擦片动力传递能力，使得收膜辊与同步轮发生相对转动，保证放带线速度与收膜线速度一致，实现预浸带放料与隔离膜收集同步进行。本发明区别于传统双电机控制，只需一个电机进行控制，转速随料盘直径变化实时调整的控制方法，不易出现拉扯断带等现象，实现了对碳纤维增强型热固性树脂基复合材料预浸带隔离膜高效、稳定地同步分离及收集。

Description

一种热固性纤维预浸带隔离膜同步收集机构
技术领域
本发明涉及碳纤维增强热固性树脂基复合材料自动铺放领域，具体来说，是一种可实现热固性纤维预浸带隔离膜同步收集机构。
背景技术
与传统材料相比，轻质高强、比强度和比刚度更高的碳纤维增强型热固性树脂基复合材料在航空航天、交通运输、建筑工业等领域应用日益广泛，对其先进加工制造工艺的技术水平、经济性和自动化程度提出了更高的要求。纤维自动铺放设备可以高质高效地完成飞机S型进气道、发动机叶片、翼身融合体部分等复杂型面的复合材料结构件的整体制造，是近年来发展速度最快、发展前景最好的复合材料成型技术之一。
目前，典型的纤维自动铺放设备主要包括铺丝头、机器人平台、预浸带放卷装置等。自动铺放设备采用带有隔离膜的单向带预浸料，料盘安装在放带辊上。在铺放过程中，放带电机驱动放带辊转动，预浸料离开放带辊，经收膜辊将隔离膜与预浸料分离，预浸料继续传输至送料机构、压实机构等，而隔离膜在收膜辊处进行缠绕收集。
现有的预浸带放卷装置通常采用双电机分别驱动放带辊和收膜辊，一方面，增加了放卷装置的空间和重量，导致放卷装置不能与铺丝头集成、独立安置，预浸带需要长距离传输，张力波动较大，且传输过程中断带几率增加；另一方面，随着放卷过程的进行，放带料盘直径减小，收膜料盘直径增大，放带电机和收膜电机的转速需要实时调节，保证预浸料和隔离膜的线速度一致，控制方式复杂，一旦转速失调极易导致隔离膜堆积或拉断，可靠性较低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种热固性纤维预浸带隔离膜同步收集机构，只需要一个电机进行驱动，通过带传动和摩擦片传动配合的传动方式，实现了放带和收膜线速度保持一致，保证了预浸带隔离膜收集的高效可靠，且整体机构空间结构紧凑，使得放卷装置集成在铺丝头上，提高了预浸料传输的效率和稳定性。
本发明热固性纤维预浸带隔离膜同步收集机构，包括放卷装置支架以及由放带机构、收膜机构与同步带构成的放卷装置。
所述放卷装置支架用于安装放卷装置；放带机构具有放带辊以及放带辊轴端上套接的放带同步轮；收膜机构具有收膜辊与收膜辊轴端上套接的收膜同步轮；通过传动带连接放带同步轮与收膜同步轮，由电机驱动放带机构转动，通过传动带实现收膜机构的同步转动。
上述收膜轴与收膜同步轮之间通过收膜辊的轴端上套接的摩擦片和键片传递运动。摩擦片与键片之间的摩擦力由压紧弹簧进行调节，压紧弹簧压缩使摩擦片与键片之间摩擦力满足要求时，收膜同步轮、摩擦片、键片之间不发生相对转动，收膜轴与收膜同步轮保持同步转动；当压紧弹簧压力减小，摩擦力不满足要求时，收膜同步轮与键片之间存在相对转动，同步轮在收膜轴上打滑。
本发明的优点在于：
1、本发明热固性纤维预浸带隔离膜同步收集机构，在预浸料放卷装置的放带辊和收膜辊之间采用同步带传动和摩擦片传动结合的传动方式，当放带料盘和收膜料盘直径发生变化时，放带和收膜的线速度随之改变，调整摩擦片与键片之间的摩擦力，使得收膜辊与同步轮发生相对转动，保证放带与收膜的线速度一致；
2、本发明热固性纤维预浸带隔离膜同步收集机构，仅由一个力矩电机驱动，减小了放卷装置的空间和重量，使得装置可以集成到铺丝头上，极大地缩短了预浸带传输距离，提高了送带的效率和稳定性；
3、本发明热固性纤维预浸带隔离膜同步收集机构，避免了双电机驱动方式，在铺放过程中，不需要根据料盘直径的变化对放带电机和收膜电机的转速实时调整，控制方式更加简单可靠。
附图说明
图1为本发明热固性纤维预浸带隔离膜同步收集机构结构示意图；
图2为本发明热固性纤维预浸带隔离膜同步收集机构中放带机构结构示
意图；
图3为本发明热固性纤维预浸带隔离膜同步收集机构中收膜机构结构示
意图；
图4为本发明热固性纤维预浸带隔离膜同步收集机构中放带机构与收膜机构传动方式示意图；
图5为本发明热固性纤维预浸带隔离膜同步收集机构中收膜轴在铺放过程中直径变化示意图。
图中：
1-放卷装置支架 2-放带机构 3-收膜机构
4-同步带 5-放带料盘 6-收膜料盘
7-预浸带 8-隔离膜 201-放带辊
202-放带法兰 203-放带单力矩电机 204-放带同步轮
205-联轴器 206-密封轴承A 301-收膜辊
302-调整母 303-调整轮 304-键套
305-压紧弹簧 306-收膜同步轮 307-收膜法兰
308-键片 309-摩擦片 310-挡片
311-密封轴承B
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明热固性纤维预浸带隔离膜同步收集机构，包括放卷装置支架1以及由放带机构2、收膜机构3与同步带4构成的放卷装置，如图1所示。
所述放卷装置支架1为板状结构，安装在碳纤维自动铺丝头上外侧基板上，可与基板设计为一体结构。放卷装置支架1上可安装多组放卷装置2，用来实现多丝束控制。
所述放带机构2包括放带辊201、放带法兰202、放带单力矩电机203、放带同步轮204与联轴器205，如图1、图2所示。
其中，放带辊201为气涨轴结构，位于放卷装置支架1下部。放带辊201顶部轴端穿过放卷装置支架1上的开孔后，与安装在放卷装置支架上的筒状框架结构放带法兰底面开孔间通过上下两个密封轴承A206连接，实现放带辊201在放卷装置支架1上的定位。放带单力矩电机203固定安装于放带法兰202顶面，输出轴朝向放卷装置支架1，且垂直于放卷装置支架1设置。放带单力矩电机203输出轴通过单膜片联轴器205与，放带辊201的轴端顶部同轴连接，通过放带单力矩电机203驱动放带辊201转动。放带同步轮204位于放带法兰202中部筒状框架内，通过平键与放带轴201的轴端侧面开设的键槽配合连接，实现放带同步轮204与放带轴201的轴端间的固定，保证放带轴201与放带同步轮204间同步转动。
所述收膜机构3包括收膜辊301、调整母302、调整轮303、键套304、压紧弹簧305、收膜同步轮306与收膜法兰307，如图1、图3所示。
其中，收膜辊301同为气涨轴结构，位于放卷装置支架1下部。收膜辊301顶部轴端穿过放卷装置支架1上的开孔后，与安装在放卷装置支架上的收膜法兰307中心孔间通过上下两个密封轴承B311连接，实现收膜辊301在放卷装置支架1上的定位。
收膜辊301的轴端上由上至下套接有调整母302、调整轮303、键套304、压紧弹簧305、收膜同步轮306与收膜法兰307。
收膜同步轮306与收膜辊301的轴端间无连接可自由转动；同时收膜辊301的轴端上，位于收膜同步轮306上下两侧，朝向收膜同步轮306方向依次套有键片308、摩擦片309与挡片310。其中，键片308通过其内圈相对位置设计的凸起与收膜辊301的轴端侧壁周向相对位置设计的竖直方向滑槽配合，实现两者间周向定位，由键片308传递动力至收膜辊301，如图4所示。摩擦片309上下两侧分别与键片308和挡片310贴合，挡片310与收膜同步轮306贴合；由此利用摩擦片309的摩擦力，将收膜同步轮306的转动传递到键片308上，进而带动收膜辊301转动，实现收膜同步轮306与收膜辊301间的传动。
上述键片308、摩擦片309、挡片310三者间以及三者同收膜同步轮306间的压紧力由压紧弹簧305配合收膜辊301的轴端上设计的轴肩提供；压紧弹簧305底端与键片308接触，顶端深入到键套304下表面沿周向开设的凹槽，实现压紧弹簧305的定位。收膜同步轮306下侧的键片308接触与轴肩接触，由轴肩限制其向下的位移。
调整轮303的内螺纹与收膜轴302顶部螺纹端螺纹配合连接，调整轮303底面与键套304顶端接触，通过转动调整轮303可实现键套304轴向位置控制，进而调整调整压紧弹簧305的压紧程度，进而对摩擦传动进行控制；调整母302的内螺纹与收膜轴302顶端螺纹端螺纹配合连接，通过转动调整母302，使调整母302底端与调整轮304顶面接触，锁紧调整轮303的轴向位移。
上述放带辊201上安装有带有隔离膜8的碳纤维增强型热固性树脂基预浸带7的放带料盘5，收膜辊301上安装有用来缠绕收集隔离膜8的收膜料盘6。由于放带辊201和收膜辊301均为气涨轴结构，通过充气后膨胀，将料盘芯轴锁紧，通过摩擦实现料盘与辊间的同步转动。
所述同步带4套于放带同步轮204与收膜同步轮306之间，三者构成本发明的传动机构通过同步带4实现放带同步轮204和收膜同步轮306间的传动。
自动铺丝头进行铺放时，通过放带单力矩电机203输出恒定力矩，驱动放带辊201旋转，在碳纤维预浸带7传输过程中提供与运动方向反向的张紧力。带有隔离膜8的热固性纤维预浸带7从放带料盘5放卷后开始传输，在收膜料盘6处隔离膜8与预浸料分离，隔离膜8收卷到收膜料盘6上，预浸带继续传输，实现隔离膜8的分离及收集。放卷的初始阶段，放带料盘5直径大于收膜料盘6直径，随着铺丝过程的进行，带有隔离膜8的预浸带7被消耗，收集到的隔离膜8增多，收膜料盘6直径大于放带料盘5直径，如图5所示。由于放带料盘5和收膜料盘6直径发生变化，若采用单一的同步带传动结构，传动比为定值，会导致随直径变化放带和收膜的线速度无法保持一致；随着收膜料盘6直径与放带料盘5直径的比值逐渐增大，隔离膜8收卷的线速度大于预浸料放卷的线速度，造成隔离膜8受拉断裂，放卷动作出现故障，进而影响碳纤维复合材料自动铺放效率。因此本发明中设计同步带4传动比i为：i=d1/d2；d1、d2分别为放带同步轮204与收膜同步轮306的直径。
本发明中由于收膜同步轮306与收膜辊301的轴端间不通过平键等连接方式进行周向固定，而是采用摩擦片309的传动形式，将收膜同步轮306的转动通过挡片310、摩擦片309传递给键片308，进而带动收膜辊301与收膜料盘转动，对隔离膜8进行收集；当压紧弹簧305处于压缩状态时，挡片310、摩擦片309与键片308之间产生正压力FN，当三者之间存在相对转动趋势时，正压力会转化为摩擦力f：f=μFN；
当摩擦力满足：f≥f最小静摩擦力（f最小静摩擦力为挡片310、键片308与摩擦片309三者保持同步转动状态所需要的最小静摩擦力，其包括两部分：一是收膜料盘6转动需要克服的摩擦阻力；二是当放带线速度与收膜线速度不一致时，隔离膜8收卷过快，预浸带7放卷滞后，预浸带7对隔离膜8的拉力）时，键片208保持随收膜同步轮306同步转动的状态，通过摩擦片309将收膜同步轮306的运动完全传递至收膜辊301，收膜辊301转速n2与放带辊201转速n1的比值为：n2/n1=i=d1/d2
当挡片310、键片308与摩擦片309之间的摩擦力不满足最小摩擦力要求时，此时f＜f最小静摩擦力，挡片310、键片208与收膜同步轮306之间发生相对转动，收膜同步轮306的转动不能完全传递到收膜辊301，造成收膜同步轮306在轴上发生打滑，收膜辊301转速n2与放带辊201转速n1的比值为：n2/n1＜i=d1/d2。
本发明热固性纤维预浸带隔离膜同步收集机构实现隔离膜同步收集具体步骤如下：
a、将放带料盘5安装在放带辊201上，将料盘轴芯锁紧。用来收集隔离膜8的收膜料盘6安装在收膜辊301上，将料盘轴芯锁紧；
b、放带单力矩电机203驱动放带辊201转动，带有隔离膜8的预浸带7进行放带，放带同步轮204与收膜同步轮306之间的同步带4将放带轴201的转动传递给收膜同步轮306，收膜同步轮306通过挡片310、摩擦片309将转动传递给键片308，带动收膜辊301转动，将隔离膜8与预浸带7分离，隔离膜8在收膜辊301上进行收卷，预浸带7继续传输至其他机构；
c、随着放卷过程的进行，放带料盘5直径减小，收膜料盘6直径增大，如果继续保持之前的转速比（i），隔离膜8收卷的线速度与预浸带7放卷的线速度之间的比值会越来越大，隔离膜8极易拉断，此时，通过调整轮303对键套304的位置进行调整，减小压紧弹簧305的压缩程度，使得摩擦片309产生的摩擦力减小，挡片310、键片308与收膜同步轮306之间发生相对转动，当隔离膜8受到的拉力过大时，收膜同步轮306在收膜辊301的轴端上打滑，收膜辊301与放带辊201之间的传动比小于i，避免隔离膜8受到的拉力过大。
d、隔离膜8的收卷线速度一直有超过预浸带7放带线速度的趋势，通过调节摩擦片309的传动能力，使得隔离膜8的收集速度一直受到预浸带7的放带速度限制，保证收卷线速度与放卷线速度保持一致。
本发明一种热固性纤维预浸带隔离膜同步收集机构，通过单力矩电机驱动203、同步带4传动与摩擦片309传动结合的传动方式，既实现了预浸带7放卷线速度与隔离膜8收集线速度保持一致，避免了速度不同导致的隔离膜8堆积或者拉断等现象，影响铺放效率，又减小了放卷装置的空间和质量，使得装置可以集成在铺丝头上，排除了远距离预浸带7传输张力波动大、断带等因素的干扰，实现了在热固性碳纤维预浸带放卷过程中对预浸带7的隔离膜8高效、稳定地同步收集。

Claims (3)

1.一种热固性纤维预浸带隔离膜同步收集机构，其特征在于：包括放卷装置支架以及由放带机构、收膜机构与同步带构成的放卷装置；
所述放卷装置支架用于安装放卷装置；放带机构具有放带辊以及放带辊轴端上套接的放带同步轮；收膜机构具有收膜辊与收膜辊轴端上套接的收膜同步轮；通过传动带连接放带同步轮与收膜同步轮，由电机驱动放带机构转动，通过传动带实现收膜机构的同步转动；
上述收膜辊的轴端上由上至下套接有调整母、调整轮、键套、压紧弹簧、收膜同步轮与收膜法兰；
收膜同步轮与收膜辊的轴端间无连接可自由转动；同时收膜辊的轴端上，位于收膜同步轮上下两侧，朝向收膜同步轮方向依次套有键片、摩擦片与挡片；其中，键片通过其内圈相对位置设计的凸起与收膜辊的轴端侧壁周向相对位置设计的竖直方向滑槽配合，实现两者间周向定位，由键片传递动力至收膜辊；摩擦片上下两侧分别与键片和挡片贴合，挡片与收膜同步轮贴合；由此利用摩擦片的摩擦力，将收膜同步轮的转动传递到键片上，进而带动收膜辊转动，实现收膜同步轮与收膜辊间的传动；
上述键片、摩擦片、挡片三者间以及三者同收膜同步轮间的压紧力由压紧弹簧配合收膜辊的轴端上设计的轴肩提供；压紧弹簧的压紧力通过收膜辊的轴端上安装的调整轮与键套配合进行调节，调整轮、键套与弹簧三者间相接，通过转动调整轮调节键套在收膜辊轴向位置，实现压紧弹簧的压紧力调节；摩擦片与键片之间的摩擦力由压紧弹簧进行调节，压紧弹簧压缩使摩擦片与键片之间摩擦力满足要求时，收膜同步轮、摩擦片、键片之间不发生相对转动，收膜轴与收膜同步轮保持同步转动；当压紧弹簧压力减小，摩擦力不满足要求时，收膜同步轮与键片之间存在相对转动，同步轮在收膜轴上打滑；
调整轮的内螺纹与收膜轴顶部螺纹端螺纹配合连接，调整轮底面与键套顶端接触，通过转动调整轮可实现键套轴向位置控制，进而调整压紧弹簧的压紧程度，进而对摩擦传动进行控制；调整母的内螺纹与收膜轴顶端螺纹端螺纹配合连接，通过转动调整母，使调整母底端与调整轮顶面接触，锁紧调整轮的轴向位移；
在进行隔离膜同步收集时，将放带料盘安装在放带辊上，将料盘轴芯锁紧；用来收集隔离膜的收膜料盘安装在收膜辊上，将料盘轴芯锁紧；驱动放带辊转动，带有隔离膜的预浸带进行放带，放带同步轮与收膜同步轮之间的同步带将放带轴的转动传递给收膜同步轮，收膜同步轮通过挡片、摩擦片将转动传递给键片，带动收膜辊转动，将隔离膜与预浸带分离，隔离膜在收膜辊上进行收卷，预浸带继续传输至其他机构；随着放卷过程的进行，放带料盘直径减小，收膜料盘直径增大，此时，通过调整轮对键套的位置进行调整，减小压紧弹簧的压缩程度，使得摩擦片产生的摩擦力减小，挡片、键片与收膜同步轮之间发生相对转动，当隔离膜受到的拉力过大时，收膜同步轮在收膜辊的轴端上打滑，避免隔离膜受到的拉力过大；隔离膜的收卷线速度一直有超过预浸带放带线速度的趋势，通过调节摩擦片的传动能力，使得隔离膜的收集速度一直受到预浸带的放带速度限制，保证收卷线速度与放卷线速度保持一致。
2.如权利要求1所述一种热固性纤维预浸带隔离膜同步收集机构，其特征在于：放带辊与收膜辊均为气涨轴结构。
3.如权利要求1所述一种热固性纤维预浸带隔离膜同步收集机构，其特征在于：放带同步轮直径大于收膜同步轮直径。
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