CN114851596A - 一种铺丝头及铺丝机 - Google Patents

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夏献钊
张桂明
张骞
陈世军
耿洪波
沈志强
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    • Y02T50/40—Weight reduction

Abstract

本发明公开了一种铺丝头及铺丝机，其中铺丝头包括铺丝头支架、磁粉制动器、预浸带安装盘、加热机构和压力机构。磁粉制动器固定于铺丝头支架上，包括旋转轴。预浸带安装盘用于卷绕预浸带，并与旋转轴同轴固定相连。加热机构用于加热预浸带，包括辊轴和固定于辊轴上的加热装置。辊轴转动安装于铺丝头支架上，用于和预浸带安装盘释放的预浸带滚动接触。压力机构用于将预浸带压在铺放模具上。与现有技术相比，本发明不依靠送丝电机进行送丝，而是靠纤维本身的运动带动磁粉制动器运动，减小体积和重量，使其适用于小型结构件的铺放。

Description

一种铺丝头及铺丝机
技术领域
本发明涉及铺丝技术领域，特别是涉及一种铺丝头及铺丝机。
背景技术
近年来，先进树脂基复合材料由于具有高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀等特点，已经越来越广泛应用于航空航天等领域。自动铺放技术现已成为发展最快、最有效的复合材料成型技术之一。
现有技术中，铺丝机的铺丝头通常包括送丝电机和纤维卷轴，送丝电机与纤维卷轴传动相连，纤维卷轴上缠绕丝线。通过送丝电机带动纤维卷轴旋转，实现送丝功能。但是，这种结构体积、重量较大，成本和能耗较高，不适于材料测试件、缩比验证件等小型结构件的铺放加工。
发明内容
本发明的目的是提供一种铺丝头及铺丝机，不依靠送丝电机进行送丝，而是靠纤维本身的运动带动磁粉制动器运动，减小体积和重量，使其适用于小型结构件的铺放。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明公开了一种铺丝头，包括：
铺丝头支架；
固定于所述铺丝头支架上的磁粉制动器，所述磁粉制动器包括旋转轴；
用于卷绕预浸带的预浸带安装盘，所述预浸带安装盘与所述旋转轴同轴固定相连；
用于加热所述预浸带的加热机构，所述加热机构包括辊轴和固定于所述辊轴上的加热装置；所述辊轴转动安装于所述铺丝头支架上，用于和所述预浸带安装盘释放的所述预浸带滚动接触；
用于将所述预浸带压在铺放模具上的压力机构，所述压力机构包括铺放压辊、铺放压辊支架和第一直线驱动装置；所述铺放压辊转动安装于所述铺放压辊支架上，且与所述预浸带滚动接触，用于将所述预浸带压在所述铺放模具上；所述铺放压辊支架固定于所述第一直线驱动装置的驱动端；所述第一直线驱动装置固定于所述铺丝头支架上，所述驱动端能够沿上下方向直线运动。
优选地，所述预浸带安装盘包括定位盘、夹紧盘和紧固件；所述定位盘上设有相邻的第一轴段和第二轴段，所述第一轴段的直径小于所述第二轴段的直径，所述第一轴段用于卷绕所述预浸带；所述夹紧盘与所述定位盘通过所述紧固件固定相连，以将所述预浸带夹在所述第二轴段与所述夹紧盘之间。
优选地，还包括联轴器，所述联轴器的第一端与所述旋转轴固定相连，所述联轴器的第二端与所述定位盘固定相连。
优选地，所述第一直线驱动装置为气缸。
本发明还公开了一种铺丝机，包括上述的铺丝头，还包括：
桌台；
固定于所述桌台上的移动机构，所述移动机构与所述铺丝头支架固定相连，以移动所述铺丝头；
用于控制所述移动机构动作的控制器，所述控制器与所述移动机构电连接。
优选地，所述桌台包括台体和支架，所述台体固定于所述支架上。
优选地，所述移动机构包括第二直线驱动装置、立柱、第三直线驱动装置、第四直线驱动装置和旋转驱动装置；所述第二直线驱动装置固定于所述桌台上；所述立柱安装于所述第二直线驱动装置上，以在所述第二直线驱动装置的驱动下沿第一水平直线运动；所述第三直线驱动装置安装于所述立柱上；所述第四直线驱动装置安装于所述第三直线驱动装置上，以在所述第三直线驱动装置的驱动下沿第二水平直线运动；所述旋转驱动装置安装在所述第四直线驱动装置上，以在所述第四直线驱动装置的驱动下沿竖直方向运动；所述铺丝头支架安装于所述旋转驱动装置上，以在所述旋转驱动装置的驱动下绕竖直轴线旋转运动；其中，所述第一水平直线与所述第二水平直线相互垂直。
优选地，所述第二直线驱动装置包括X轴电机和X轴直线模组，所述X轴电机安装于所述X轴直线模组上；所述第三直线驱动装置包括Y轴电机和Y轴直线模组，所述Y轴电机安装于所述Y轴直线模组上；所述第四直线驱动装置包括Z轴电机和Z轴直线模组，所述Z轴电机安装于所述Z轴直线模组上；所述旋转驱动装置包括旋转驱动电机；所述X轴电机、所述Y轴电机、所述Z轴电机和所述旋转驱动电机均与所述控制器电连接。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
由于预浸带被加热机构加热后具有黏性，在铺放压辊的压力作用下黏附在铺放模具上。随着铺丝头支架的移动，卷绕在安装盘上的预浸带被牵拉，实现预浸带的送进。由于磁粉制动器具有制动能力，可在预浸带安装盘旋转时通过旋转轴对预浸带安装盘施加阻尼力，以保持预浸带的张紧。由于该机构不需使用电机送进预浸带，能够降低制造成本，并降低能耗。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施例铺丝头的结构示意图；
图2为本实施例铺丝头在工作状态的示意图；
图3为预浸带安装盘的爆炸图；
图4为本实施例铺丝机的示意图；
图5为铺丝轨迹示意图；
附图标记说明：1-桌台；2-四轴龙门架；3-铺丝头；4-预浸带；11-支架；12-台体；21-第三直线驱动装置；22-第二直线驱动装置；23-第四直线驱动装置；24-A轴；25-立柱；26-旋转盘；31-铺丝头支架；32-磁粉制动器；33-加热机构；34-压力机构；35-预浸带安装盘；211-Y轴电机；212-Y轴直线模组；221-X轴电机；222-X轴直线模组；231-Z轴电机；232-Z轴直线模组；241-旋转驱动电机；242-电机座；341-气缸；342-铺放压辊支架；343-铺放压辊；351-定位盘；352-夹紧盘。
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铺丝头及铺丝机，不依靠送丝电机进行送丝，而是靠纤维本身的运动带动磁粉制动器运动，减小体积和重量，使其适用于小型结构件的铺放。
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例对本发明作进一步详细的说明。
参照图1～图3，本实施例提供一种铺丝头3，包括铺丝头支架31、磁粉制动器32、预浸带安装盘35、加热机构33和压力机构34。
其中，磁粉制动器32固定于铺丝头支架31上，磁粉制动器32包括旋转轴。预浸带安装盘35用于卷绕预浸带4，预浸带安装盘35与旋转轴同轴固定相连。加热机构33用于加热预浸带4，加热机构33包括辊轴和固定于辊轴上的加热装置。辊轴转动安装于铺丝头支架31上，用于和预浸带安装盘35释放的预浸带4滚动接触。压力机构34用于将预浸带4压在铺放模具上，压力机构34包括铺放压辊343、铺放压辊支架342和第一直线驱动装置。铺放压辊343转动安装于铺放压辊支架342上，且与预浸带4滚动接触，用于将预浸带4压在铺放模具上。铺放压辊支架342固定于第一直线驱动装置的驱动端。第一直线驱动装置固定于铺丝头支架31上，驱动端能够沿上下方向直线运动。
该铺丝头3的工作原理如下：通过牵引预浸带安装盘35上卷绕的预浸带4的端部，使预浸带4绕过辊轴和铺放压辊343，预浸带4在铺放压辊343的压力下以速度V被铺放到铺放模具上。由于预浸带4被加热机构33加热后具有黏性，在铺放压辊343的压力作用下黏附在铺放模具上。随着铺丝头支架31的移动，卷绕在安装盘上的预浸带4被牵拉，实现预浸带4的送进。由于磁粉制动器32具有制动能力，可在预浸带安装盘35旋转时通过旋转轴对预浸带安装盘35施加阻尼力F，以保持预浸带4的张紧。由于该机构不需使用电机送进预浸带4，能够降低制造成本，并降低能耗。
预浸带安装盘35的类型有多种，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。本实施例中，预浸带安装盘35包括定位盘351、夹紧盘352和紧固件。定位盘351上设有相邻的第一轴段和第二轴段，第一轴段的直径小于第二轴段的直径，第一轴段用于卷绕预浸带4。夹紧盘352与定位盘351通过紧固件固定相连，以将预浸带4夹在第二轴段与夹紧盘352之间，通过第二轴段与夹紧盘352对预浸带4进行轴向定位。此处的紧固件可以是螺钉，也可以是螺栓螺母组件等其它类型的紧固件。
预浸带安装盘35与旋转轴同轴固定相连的连接方式有多种，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。本实施例中，该铺丝头3还包括联轴器，联轴器的第一端与旋转轴固定相连，联轴器的第二端与定位盘351固定相连，通过联轴器实现旋转轴与预浸带安装盘35之间的传动。
本实施例中，第一直线驱动装置优选为气缸341。气缸341优选为三轴带导杆气缸，其具有更高的抗扭转及抗侧向载荷能力。根据实际需要的不同，本领域技术人员也可以选择其它类型的第一驱动装置，例如直线电机。
本实施例中，加热装置优选为电阻丝式加热装置，并固定于辊轴内部。根据实际需要的不同，本领域技术人员也可以选择其它类型的加热装置，或将加热装置固定于辊轴外。
参照图4～图5，本实施例提供一种铺丝机，包括上述的铺丝头3，还包括桌台1、移动机构和控制器。其中，铺放模具和移动机构固定于桌台1上。移动机构与铺丝头支架31固定相连，以移动铺丝头3，使铺丝头3在铺放模具上铺丝。控制器与移动机构电连接，以控制移动机构的动作。
该铺丝机在使用时，由铺丝头3实现铺丝，由移动机构对铺丝头3进行移动，以得到特定的铺放形状。由于该铺丝机的铺丝头3不需使用电机送进预浸带4，能够降低制造成本，并降低能耗。
桌台1的类型有多种，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。本实施例中，桌台1包括台体12和支架11，台体12固定于支架11上。
为了使铺丝头3的移动更加灵活，本实施例中，移动机构为四轴龙门架2，能够将铺丝头3沿X轴、Y轴、Z轴平移，以及使铺丝头3绕竖直轴线旋转。其中，X轴和Y轴均为水平直线，Z轴为竖直直线，X轴、Y轴、Z轴相互垂直。本实施例中，移动机构包括第二直线驱动装置22、立柱25、第三直线驱动装置21、第四直线驱动装置23和旋转驱动装置24。第二直线驱动装置22固定于桌台1上。立柱25安装于第二直线驱动装置22上，以在第二直线驱动装置22的驱动下沿第一水平直线(即X轴)运动。第三直线驱动装置21安装于立柱25上。第四直线驱动装置23安装于第三直线驱动装置21上，以在第三直线驱动装置21的驱动下沿第二水平直线运动(即Y轴)。旋转驱动装置24安装在第四直线驱动装置23上，以在第四直线驱动装置23的驱动下沿竖直方向(即Z轴)运动。铺丝头支架31安装于旋转驱动装置24上，以在旋转驱动装置24的驱动下绕竖直轴线(与Z轴平行)旋转运动。
具体的，第二直线驱动装置22包括X轴电机221和X轴直线模组222，X轴电机221安装于X轴直线模组222上。第三直线驱动装置21包括Y轴电机211和Y轴直线模组212，Y轴电机211安装于Y轴直线模组212上。第四直线驱动装置23包括Z轴电机231和Z轴直线模组232，Z轴电机231安装于Z轴直线模组232上。旋转驱动装置24包括旋转驱动电机241、电机座242和旋转盘26，旋转驱动电机241固定于电机座242上，电机座242安装于第四直线驱动装置23上，第四直线驱动装置23能够驱动电机座242上下移动。旋转驱动电机241的输出轴与旋转盘26固定相连，旋转盘26的轴线竖直设置，旋转盘26与铺丝头支架31固定相连，以驱动铺丝头支架31以旋转盘26的轴线为中心旋转。X轴电机221、Y轴电机211、Z轴电机231和旋转驱动电机241均与控制器电连接。电机与直线模组的安装方式为本领域公知常识，故此处不再赘述。
铺放台工作前，X，Y，Z轴零点确定方式如下：
①X轴和Y轴：将铺放压辊343旋转至与X轴垂直，与Y轴平行，且铺放压辊343中心点与铺放件零点位置垂直方向上重合。
②Z轴：在调整好X轴和Y轴后，在气缸341无压力且处于零行程时将Z轴直线模组232下降至离铺放模具距离为D，气缸341行程为L，要求D＜L(本实施例中D＝0.5L)，在铺放时气缸341充气，使铺放压辊343软接触在铺放模具上。保证铺放压力完全由气缸341提供，避免造成碰撞损坏。
曲线轨迹的G代码生成方式如下：
铺放工作时，两个工步间G代码格式基本为：G01 X(Xn)Y(Yn)Z(Zn)A(An)。其中G01代表后面的数值为绝对坐标，Xn、Yn、Zn为下一点的X轴、Y轴、Z轴绝对坐标值。An为铺丝头3在移动到下一点的过程中的绝对铺放角度，采用两点坐标差值的正弦值作为铺放绝对角度，以保证铺放压辊343的径向与轨迹处处保持同向。若下一点的X、Y或Z坐标为0，则可以省略X坐标值、Y坐标值或Z坐标值(也可以不省略)。若当前点与下一点之间仅涉及Z坐标的变化，不涉及铺放角度的变化，则可以省略A坐标值(也可以不省略)。例如G01 Z35表示下一点的X坐标和Y坐标均为0，Z坐标为35，对铺放角度没有要求。
如图5所示，若铺丝头3在同一轨迹内移动，在Path1内从1点移动到2点，则Xn＝X2，Yn＝Y2，tan(An)＝(Y2-Y1)/(X2-X1)；
如图5所示，若铺丝头3需要更换轨迹，从Path1末端3点移动到Path2首端4点，则Xn＝X4，Yn＝Y4，tan(An)＝(Y5-Y4)/(X5-X4)。且在此过程中Z轴直线模组232向上抬起，并运行至4点正上方，然后下降完成更换轨迹。G代码示例程序如下：
G01 Z35
G01 X-200Y150 A48
G01 Z0
为了保证铺放轨迹足够平滑，G代码相邻两点的坐标X向距离应足够小，且小于预浸带4的带宽。本实施例中，预浸带4带宽为6mm，相邻两点间距采用5mm。根据实际需要的不同，本领域技术人员也可选择其它尺寸的带宽。
本说明书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 (8)

1.一种铺丝头，其特征在于，包括：
铺丝头支架；
固定于所述铺丝头支架上的磁粉制动器，所述磁粉制动器包括旋转轴；
用于卷绕预浸带的预浸带安装盘，所述预浸带安装盘与所述旋转轴同轴固定相连；
用于加热所述预浸带的加热机构，所述加热机构包括辊轴和固定于所述辊轴上的加热装置；所述辊轴转动安装于所述铺丝头支架上，用于和所述预浸带安装盘释放的所述预浸带滚动接触；
用于将所述预浸带压在铺放模具上的压力机构，所述压力机构包括铺放压辊、铺放压辊支架和第一直线驱动装置；所述铺放压辊转动安装于所述铺放压辊支架上，且与所述预浸带滚动接触，用于将所述预浸带压在所述铺放模具上；所述铺放压辊支架固定于所述第一直线驱动装置的驱动端；所述第一直线驱动装置固定于所述铺丝头支架上，所述驱动端能够沿上下方向直线运动。
2.根据权利要求1所述的铺丝头，其特征在于，所述预浸带安装盘包括定位盘、夹紧盘和紧固件；所述定位盘上设有相邻的第一轴段和第二轴段，所述第一轴段的直径小于所述第二轴段的直径，所述第一轴段用于卷绕所述预浸带；所述夹紧盘与所述定位盘通过所述紧固件固定相连，以将所述预浸带夹在所述第二轴段与所述夹紧盘之间。
3.根据权利要求2所述的铺丝头，其特征在于，还包括联轴器，所述联轴器的第一端与所述旋转轴固定相连，所述联轴器的第二端与所述定位盘固定相连。
4.根据权利要求1所述的铺丝头，其特征在于，所述第一直线驱动装置为气缸。
5.一种铺丝机，包括如权利要求1-4任意一项所述的铺丝头，其特征在于，还包括：
桌台；
固定于所述桌台上的移动机构，所述移动机构与所述铺丝头支架固定相连，以移动所述铺丝头；
用于控制所述移动机构动作的控制器，所述控制器与所述移动机构电连接。
6.根据权利要求5所述的铺丝机，其特征在于，所述桌台包括台体和支架，所述台体固定于所述支架上。
7.根据权利要求5所述的铺丝机，其特征在于，所述移动机构包括第二直线驱动装置、立柱、第三直线驱动装置、第四直线驱动装置和旋转驱动装置；所述第二直线驱动装置固定于所述桌台上；所述立柱安装于所述第二直线驱动装置上，以在所述第二直线驱动装置的驱动下沿第一水平直线运动；所述第三直线驱动装置安装于所述立柱上；所述第四直线驱动装置安装于所述第三直线驱动装置上，以在所述第三直线驱动装置的驱动下沿第二水平直线运动；所述旋转驱动装置安装在所述第四直线驱动装置上，以在所述第四直线驱动装置的驱动下沿竖直方向运动；所述铺丝头支架安装于所述旋转驱动装置上，以在所述旋转驱动装置的驱动下绕竖直轴线旋转运动；其中，所述第一水平直线与所述第二水平直线相互垂直。
8.根据权利要求7所述的铺丝机，其特征在于，所述第二直线驱动装置包括X轴电机和X轴直线模组，所述X轴电机安装于所述X轴直线模组上；所述第三直线驱动装置包括Y轴电机和Y轴直线模组，所述Y轴电机安装于所述Y轴直线模组上；所述第四直线驱动装置包括Z轴电机和Z轴直线模组，所述Z轴电机安装于所述Z轴直线模组上；所述旋转驱动装置包括旋转驱动电机；所述X轴电机、所述Y轴电机、所述Z轴电机和所述旋转驱动电机均与所述控制器电连接。
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