CN114161740A - 一种自动检测铺丝头、铺丝机及其铺丝方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自动检测铺丝头、铺丝机及其铺丝方法，涉及铺丝设备技术领域，包括：张力控制机构、重送和加热机构、剪切机构以及滚压机构，张力控制机构、重送和加热机构、剪切机构以及滚压机构依次设置在框型连接架上，重送和加热机构与剪切机构之间设置有用于检测是否存在断丝、漏丝的检测机构，检测机构可拆卸的设置在框型连接架上；本发明中能够自动检测运送的丝束中是否存在断丝、漏丝的情况，当断丝、漏丝出现时，将信息传递至主控制系统，主控制系统停止所有零件的运作，工作人员在处理断丝、漏丝问题后，可再次启动整体装置运作，从源头上避免了断丝、漏丝对铺丝的影响，相应的提高了铺丝效果。

Description

一种自动检测铺丝头、铺丝机及其铺丝方法

技术领域

本发明涉及铺丝设备技术领域，特别是涉及一种自动检测铺丝头、铺丝机及其铺丝方法。

背景技术

纤维束自动铺放工艺(EP)由纤维束缠绕衔生而来，介于缠绕和自动铺带工艺之间，它将预浸丝束或窄预浸带通过自动铺带机在几乎没有张力情况下按一定角度铺放到模具表面，铺贴辊与制件表面紧密接触以压紧铺层，该工艺还可将纤维束铺放到旋转芯轴上，纤维束可以差动释放，并能切除和续加纤维，适于外形和尺寸变化很大的制件。

纤维束自动铺放工艺的优点是:能按制件形状铺放纤维束，无边角废料，节省了原材料；自动化铺放过程适于制造整体件，减少拼装零件数目，节约了制造和装配成本；纤维束可以根据需要铺设，能充分利用材料，这种工艺既适于制造形状复杂的制件如机身蒙皮、导管，也适于制造机翼、水平安定面等大尺寸平面蒙皮；既可用于热固性树脂复合材料成型，也适于热塑性树脂基复合材料原位压实，不需要热压罐和真空袋，淘汰了昂贵的模具，减少了劳动量，材料浪费减少到最低限度。

当前，纤维增强复合材料的铺放方式主要为手糊、真空袋、模压以及自动铺丝工艺，其中自动铺丝工艺主要指铺丝机铺丝，采用铺丝机铺放复合材料始于20世纪80年代末美国，有龙门式、机械人式以及混合型等多种形式，铺丝机的功能不断完善，性能不断进步，目前已经发展成为复合材料自动化成型技术的代表性主流设备，自动铺丝工艺的适应性较好，可用于制造具有复杂曲面的复合材料零部件，就铺丝机来说，各制造商的铺丝头构型不同但基本功能相似，都可以完成压辊铺纱、送纱、断纱、止纱、张力控制、温度控制及铺放压力控制等功能。

例如：申请号为“201610942387.1”，名称为“一种用于直升机旋翼防/除冰组件电热丝铺丝定位的铺丝头”的发明专利公开了一种铺丝头，包括：丝辊、导辊、电磁装置、导电滑环、风扇及用于预浸丝加热加速固化的电热线圈；电磁装置由定子磁体、转子线圈连接风扇扇叶构成；通过机械臂带动电磁装置旋转，产生电能对风扇及电热线圈供电，使预浸丝在热风及加热线圈作用下快速固化并精准铺设定位，但是在正常送丝过程中可能还会出现断丝、漏丝的情况，严重影响铺设效果。

申请号为“202110706928.1”，名称为“一种旋转剪切机构和自动铺丝成型的铺放头”的发明专利公开了一种铺丝头，包括电机、机座、法兰轴、主动齿轮、直线导轨、刀架组件、延长阶梯轴、被动齿轮、气缸套筒和气缸；它包括旋转剪切机构，重送机构、夹紧机构、第一导向滚轮、跳滚轮、第二导向滚轮、转接板、第三导向滚轮、料盘、压辊气缸、压辊和架体，电机壳体安装在机座上，法兰轴固定套装在电机的输出轴上，法兰轴与主动齿轮连接，气缸的活塞杆与延长阶梯轴的一端连接，刀架组件安装在延长阶梯轴的另一端上，气缸套筒的另一端与被动齿轮固定连接，主动齿轮与被动齿轮齿啮合，其依旧存在送丝过程中出现断丝、漏丝的情况，严重影响铺设效果的问题。

因此人们亟需一种能够自行检测丝束情况，保证铺丝效果的自动检测铺丝头。

发明内容

本发明的目的是提供一种自动检测铺丝头、铺丝机及其铺丝方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够自行检测丝束情况，保证铺丝效果。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种自动检测铺丝头，包括张力控制机构、重送和加热机构、剪切机构以及滚压机构，所述张力控制机构、所述重送和加热机构、所述剪切机构以及所述滚压机构依次设置在框型连接架上，所述重送和加热机构与所述剪切机构之间设置有用于检测是否存在断丝、漏丝的检测机构，所述检测机构可拆卸的设置在所述框型连接架上。

优选的，所述检测机构为红外线检测器。

本发明还提供一种应用上述铺丝头的自动检测铺丝头、铺丝机及其铺丝方法，包括环形铺丝机构以及模具承载机构，所述环形铺丝机构包括可沿自身轴向位移，且可绕自身轴线转动的圆环、具有六自由度以上的机械臂以及铺丝头，所述机械臂一端连接在所述圆环的内壁面上，另一端朝向所述圆环的轴线设置，所述铺丝头设置在所述机械臂远离所述圆环的一端，所述模具承载机构的模具夹持端位于所述圆环的轴线上，且当所述模具夹持端与模具连接后，所述模具位于所述圆环内部。

优选的，还包括第一滑轨以及滑动设置在所述第一滑轨上方的圆环底座，所述圆环底座的顶部设置有与所述圆环相匹配的槽体，所述圆环设置在所述槽体内，所述圆环的外表面为齿状结构，所述槽体底部设置有与所述齿状结构相啮合的齿轮，所述齿轮的轴线与所述圆环的轴线平行，所述圆环底座内设置有驱动所述齿轮转动的驱动电机，所述第一滑轨与所述圆环的轴线平行。

优选的，所述圆环底座包括两个对称设置的Z字型结构，所述Z字型结构上设置有所述槽体，所述Z字型结构底部与所述第一滑轨滑动连接。

优选的，还包括用于储存铺设用丝束的储丝锭，所述储丝锭设置在所述圆环的内壁面上，且靠近所述机械臂设置，所述储丝锭的丝束与所述张力控制机构连接。

优选的，所述模具承载机构包括两个横跨在所述圆环轴向两侧的支撑台，所述支撑台顶部设置有用于固定所述模具的连接部。

优选的，还包括第二滑轨，所述支撑台的底部滑动设置在所述第二滑轨上，所述第二滑轨与所述圆环的轴线平行。

优选的，所述模具两端设置有支撑杆，所述模具通过所述支撑杆与所述模具承载机构连接。

本发明还提供一种环形铺丝机床的铺丝方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将模具两端的支撑杆分别安装在圆环轴向两端的支撑台上，系统控制圆环运动，直至压力辊对应模具的任一表面的一端，系统控制机械臂使压力辊的底面与模具表面平行；

S2：系统控制启动输送辊和红外线加热器，输送辊输送丝束，压力辊开始进行铺丝，同时系统控制圆环底座沿第一滑轨运动，通过机械臂带动压力辊沿模具表面运动，完成单线铺丝，单线铺丝过程中，通过控制机械臂的姿态以及圆环的角度、位置，使压力辊的底面始终与模具表面平行；

S3：调整圆环的角度、位置以及机械臂的姿态，使压力辊对应前次铺丝的侧方未铺丝位置，重复S2步骤，直至完成模具所有平面的铺丝；

S4:在铺丝过程中，检测机构时刻检测丝束是否出现断丝、漏丝，当断丝、漏丝出现时，将信息传递至主控制系统，主控制系统停止所有零件的运作，工作人员在处理断丝、漏丝问题后，可再次启动整体装置运作。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、本发明中在重送和加热机构与剪切机构之间设置检测机构，能够自动检测运送的丝束中是否存在断丝、漏丝的情况，当断丝、漏丝出现时，将信息传递至主控制系统，主控制系统停止所有零件的运作，工作人员在处理断丝、漏丝问题后，可再次启动整体装置运作，从源头上避免了断丝、漏丝对铺丝的影响，相应的提高了铺丝效果。

2、本发明中利用可沿自身轴向位移，且可绕自身轴线转动的圆环带动机械臂进行运动，并配合机械臂自身的姿态调整，能够实现在模具不动的情况下，控制机械臂端部的铺丝头沿着模具的任意表面进行铺丝，当需要对模具的不同表面进行铺丝时，仅需控制圆环带动机械臂，进而带动铺丝头运动至对应待铺丝表面即可，节省了翻转模具的时间，大大提高了铺丝效率，而且由于在整个铺丝过程中模具是不动的，运动的仅仅是机械臂以及圆环的运动，而圆环的内壁面是环形结构，系统通过控制圆环运动进而获取机械臂基点的技术难度较低，通过获得的机械臂基点控制机械臂的端部的运动轨迹的技术难度也相对降低，即本申请相对于模具转动配合机械臂姿态调整，需要配合模具转动后的表面数据以及机械臂运动数据来说，大大降低了对技术的要求，有利于降低生产成本，而且能够相应的提高数据精度，进而提高铺丝效果。

3、本发明中将储丝锭设置在圆环的内壁面上，使得供丝机构与铺丝机构设置为一体结构，提高了装置的结构紧凑性，而且此时可将整体装置设置在密闭的腔室中，通过系统控制整个模具的铺丝，可保障工作环境洁净、完全，避免外界环境对铺丝的污染。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明环形铺丝机床的机构示意图；

图2为本发明环形铺丝机床的正视图；

图3为本发明铺丝头结构示意图；

其中，1、圆环；2、机械臂；3、铺丝头；4、储丝锭；5、模具；6、圆环底座；7、第一滑轨；8、支撑台；9、第二滑轨；10、张力控制机构；11、重送和加热机构；12、剪切机构；13、滚压机构；14、导丝辊；15、输送辊；16、红外线加热器；17、滚动刀；18、压力辊；19、照明灯；20、检测机构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种自动检测铺丝头、铺丝机及其铺丝方法，以解决现有技术存在的问题，能够自行检测丝束情况，保证铺丝效果。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考如图1～3所示，本发明提供一种自动检测铺丝头，包括张力控制机构10、重送和加热机构11、剪切机构12以及滚压机构13，张力控制机构10、重送和加热机构11、剪切机构12以及滚压机构13依次设置在框型连接架上，重送和加热机构11为输送辊15，输送辊15上方设置红外线加热器16，剪切机构12为滚动刀17、气动刀、激光切割器或超声切割器等，滚压机构13为压力辊18，重送和加热机构11与剪切机构12之间设置有用于检测是否存在断丝、漏丝的检测机构20，检测机构20可拆卸的设置在框型连接架上，便于后续维护、更换，丝束依次经过张力控制机构10、重送和加热机构11、检测机构20以及剪切机构12与滚压机构13连接，检测机构20自动检测运送的丝束中是否存在断丝、漏丝的情况，当断丝、漏丝出现时，将信息传递至主控制系统，主控制系统停止所有零件的运作，工作人员在处理断丝、漏丝问题后，可再次启动整体装置运作，从源头上避免了断丝、漏丝对铺丝的影响，相应的提高了铺丝效果。

检测机构20可为红外线检测器，或者其他用于检测断丝、漏丝的检测器。

压力辊18一侧可设置照明灯19。

张力控制机构10可以为若干个转速可单独调节的导丝辊14，通过调节不同导丝辊14的转速，调节输送丝束的张力，也可以是其他可调节丝束张力的机构。

本发明还提供一种应用上述铺丝头的环形铺丝机床，包括环形铺丝机构以及模具承载机构，环形铺丝机构包括可沿自身轴向位移，且可绕自身轴线转动的圆环1、具有六自由度以上的机械臂2以及铺丝头3，机械臂2一端连接在圆环1的内壁面上，另一端朝向圆环1的轴线设置，机械臂2可与圆环1的内壁面可拆卸连接，便于后续的维护处理，铺丝头3设置在机械臂2远离圆环1的一端，铺丝头3与机械臂2可拆卸连接，便于后续更换铺丝头3，模具承载机构的模具夹持端位于圆环1的轴线上，且当模具夹持端与模具5连接后，模具5位于圆环1内部，利用可沿自身轴向位移，且可绕自身轴线转动的圆环1带动机械臂2进行运动，并配合机械臂2自身的姿态调整，能够实现在模具5不动的情况下，控制机械臂2端部的铺丝头3沿着模具5的任意表面进行铺丝，当需要对模具5的不同表面进行铺丝时，仅需控制圆环1带动机械臂2，进而带动铺丝头3运动至对应待铺丝表面即可，节省了翻转模具5的时间，大大提高了铺丝效率，而且由于在整个铺丝过程中模具5是不动的，运动的仅仅是机械臂2以及圆环1的运动，而圆环1的内壁面是环形结构，系统通过控制圆环1运动进而获取机械臂基点的技术难度较低，通过获得的机械臂基点控制机械臂2的端部的运动轨迹的技术难度也相对降低，即本申请相对于模具5转动配合机械臂2姿态调整，需要配合模具5转动后的表面数据以及机械臂2运动数据来说，大大降低了对技术的要求，有利于降低生产成本，而且能够相应的提高数据精度，进而提高铺丝效果。

控制圆环1沿自身轴向位移、绕自身轴线转动的方式为：设置第一滑轨7以及滑动设置在第一滑轨7上方的圆环底座6，圆环底座6的顶部设置有与圆环1相匹配的槽体，圆环1设置在槽体内，圆环1的外表面为齿状结构，槽体底部设置有与齿状结构相啮合的齿轮，齿轮的轴线与圆环1的轴线平行，圆环底座6内设置有驱动齿轮转动的驱动电机，第一滑轨7与圆环1的轴线平行；或者直接利用若干根伸缩杆，伸缩杆与圆环1轴线平行，且伸缩端均设置在圆环1的外壁面上，伸缩杆的固定端设置在支撑架上，伸缩杆的伸缩端通过一个连接部与圆环1外壁面连接，连接部一端固定设置在伸缩杆的伸缩端上，另一端设置有与圆环1外壁面相匹配的槽体，圆环1的外表面为齿状结构，槽体底部设置有与齿状结构相啮合的齿轮，齿轮的轴线与圆环1的轴线平行，连接部内设置有驱动齿轮转动的驱动电机。

当采用圆环底座6支撑并驱动圆环1运动时，圆环底座6包括两个对称设置的Z字型结构，Z字型结构上设置有环形槽，Z字型结构底部与滑轨滑动连接，利用Z字型结构对圆环1进行支撑，利用结构本身提高支撑的稳定性。

为了制作一体式的铺丝机，还设置用于储存铺设用丝束的储丝锭4，储丝锭4设置在圆环1的内壁面上，且靠近机械臂2设置，储丝锭4的丝束与张力控制机构10连接，使得供丝机构(即储丝锭4)与铺丝机构设置为一体结构，提高了装置的结构紧凑性，而且此时可将整体装置设置在密闭的腔室中，通过系统控制整个模具5的铺丝，可保障工作环境洁净、安全，避免外界环境对铺丝的污染。

储丝锭4内的丝束集成为筒状结构，由丝束做切向退绕形成，丝束为扁平状结构。

为了保证对模具5的稳定支撑，模具承载机构包括两个横跨在圆环1轴向两侧的支撑台8，支撑台8顶部设置有用于固定模具5的连接部。

还设置有第二滑轨9，支撑台8的底部滑动设置在第二滑轨9上，第二滑轨9与圆环1的轴线平行，通过设置第二滑轨9，使模具5可通过支撑台8在第二滑轨9上沿圆环1的轴线方向运动，避免在实际铺丝过程中出现铺丝死角的问题。

为了完整的对模具5进行铺丝，整体技术方案中模具5两端设置有支撑杆，模具5通过支撑杆与模具承载机构连接，使模具5本身能够径向无遮挡的设置在圆环1内。

本发明还提供一种环形铺丝机床的铺丝方法，包括以下步骤：

S1：将模具5两端的支撑杆分别安装在圆环1轴向两端的支撑台8上，系统控制圆环1运动，直至压力辊18对应模具5的任一表面的一端，系统控制机械臂2使压力辊18的底面与模具5表面平行；

S2：系统控制启动输送辊15和红外线加热器16，输送辊15输送丝束，压力辊18开始进行铺丝，同时系统控制圆环底座6沿第一滑轨7运动，通过机械臂2带动压力辊18沿模具5表面运动，完成单线铺丝，单线铺丝可按照按照0°、±45°、90°四个方向设计铺丝方向进行铺丝，单线铺丝过程中，通过控制机械臂2的姿态以及圆环1的角度、位置，使压力辊18的底面始终与模具5表面平行；

S3：单线铺丝完成后，剪切机构12切断丝束，调整圆环1的角度、位置以及机械臂2的姿态，使压力辊18对应前次铺丝的侧方未铺丝位置，重复S2步骤，每次只铺设一个方向的丝束，相邻两丝束间距误差保证在±2mm，按设计确定铺设层数，直至完成模具5所有平面的铺丝；

S4:在铺丝过程中，检测机构20时刻检测丝束是否出现断丝、漏丝，当断丝、漏丝出现时，将信息传递至主控制系统，主控制系统停止所有零件的运作，工作人员在处理断丝、漏丝问题后，可再次启动整体装置运作。

铺丝时要求：

(1)间隙精度：

单向铺放时，即每次铺丝均从模具5同一端开始，相邻两丝束带间间隙均匀，所有偏差与设定值偏差方向一致(正偏差或负偏差)，偏差值≤0.5mm；双向铺放时，即后次铺丝的起始位置为前次铺丝起始位置所在模具5一端的另一端，两带间间隙均匀，偏差值≤±0.5mm，相邻丝束间不搭接，单个间隙

≤0.5mm。

(2)铺丝路径要求：

铺丝机应可任意角度上双向铺放，角度误差在±0.1°以内。

(3)铺层形式要求：

铺丝机应能够完成具有曲面外形(如C型梁、机身壁板等)的铺层和加强层的铺放，铺层应无褶皱、无气泡，根据工艺需求，可以选择工装上表面是否铺贴工艺材料。

根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种自动检测铺丝头，包括张力控制机构、重送和加热机构、剪切机构以及滚压机构，所述张力控制机构、所述重送和加热机构、所述剪切机构以及所述滚压机构依次设置在框型连接架上，其特征在于，所述重送和加热机构与所述剪切机构之间设置有用于检测是否存在断丝、漏丝的检测机构，所述检测机构可拆卸的设置在所述框型连接架上。

2.根据权利要求1所述的环形铺丝机床，其特征在于，所述检测机构为红外线检测器。

3.一种应用如权利要求1或2所述的铺丝头的环形铺丝机床，其特征在于，包括环形铺丝机构以及模具承载机构，所述环形铺丝机构包括可沿自身轴向位移，且可绕自身轴线转动的圆环、具有六自由度以上的机械臂以及所述铺丝头，所述机械臂一端连接在所述圆环的内壁面上，另一端朝向所述圆环的轴线设置，所述铺丝头设置在所述机械臂远离所述圆环的一端，所述模具承载机构的模具夹持端位于所述圆环的轴线上，且当所述模具夹持端与模具连接后，所述模具位于所述圆环内部。

4.根据权利要求3所述的环形铺丝机床，其特征在于，还包括第一滑轨以及滑动设置在所述第一滑轨上方的圆环底座，所述圆环底座的顶部设置有与所述圆环相匹配的槽体，所述圆环设置在所述槽体内，所述圆环的外表面为齿状结构，所述槽体底部设置有与所述齿状结构相啮合的齿轮，所述齿轮的轴线与所述圆环的轴线平行，所述圆环底座内设置有驱动所述齿轮转动的驱动电机，所述第一滑轨与所述圆环的轴线平行。

5.根据权利要求4所述的环形铺丝机床，其特征在于，所述圆环底座包括两个对称设置的Z字型结构，所述Z字型结构上设置有所述槽体，所述Z字型结构底部与所述第一滑轨滑动连接。

6.根据权利要求3所述的环形铺丝机床，其特征在于，还包括用于储存铺设用丝束的储丝锭，所述储丝锭设置在所述圆环的内壁面上，且靠近所述机械臂设置，所述储丝锭的丝束与所述张力控制机构连接。

7.根据权利要求3所述的环形铺丝机床，其特征在于，所述模具承载机构包括两个横跨在所述圆环轴向两侧的支撑台，所述支撑台顶部设置有用于固定所述模具的连接部。

8.根据权利要求7所述的环形铺丝机床，其特征在于，还包括第二滑轨，所述支撑台的底部滑动设置在所述第二滑轨上，所述第二滑轨与所述圆环的轴线平行。

9.根据权利要求3所述的环形铺丝机床，其特征在于，所述模具两端设置有支撑杆，所述模具通过所述支撑杆与所述模具承载机构连接。

10.一种环形铺丝机床的铺丝方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将模具两端的支撑杆分别安装在圆环轴向两端的支撑台上，系统控制圆环运动，直至压力辊对应模具的任一表面的一端，系统控制机械臂使压力辊的底面与模具表面平行；

S2：系统控制启动输送辊和红外线加热器，输送辊输送丝束，压力辊开始进行铺丝，同时系统控制圆环底座沿第一滑轨运动，通过机械臂带动压力辊沿模具表面运动，完成单线铺丝，单线铺丝过程中，通过控制机械臂的姿态以及圆环的角度、位置，使压力辊的底面始终与模具表面平行；

S3：调整圆环的角度、位置以及机械臂的姿态，使压力辊对应前次铺丝的侧方未铺丝位置，重复S2步骤，直至完成模具所有平面的铺丝；

S4:在铺丝过程中，检测机构时刻检测丝束是否出现断丝、漏丝，当断丝、漏丝出现时，将信息传递至主控制系统，主控制系统停止所有零件的运作，工作人员在处理断丝、漏丝问题后，可再次启动整体装置运作。

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