CN115635761A - 一种三维曲面预制件生产设备及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维曲面预制件生产设备及制造方法，包括控制系统和机械部件，所述机械部件包括机座、安装在机座上的高度调节机构、支承在高度调节机构上的针梁以及安装在针梁上的针刺机构，所述机械部件还包括安装在机座上的滑轨传动机构以及安装在滑轨传动机构上的芯模运动机构。通过上述方式，本发明提供的三维曲面预制件生产设备及制造方法，可以通过将非织造纤维连续片材在芯模上均匀缠绕后，针刺成型三维曲面预制件等非织造材料曲面零件，其运行平稳，在针刺加工复杂曲面预制件时可直接成型，纤维毛网均匀性好，可以满足产品质量的生产要求，取代人工，提高生产效率，大大降低了废边角料的产生，保证加工尺寸的精度，且能实现量产。

Description

一种三维曲面预制件生产设备及制造方法

技术领域

本发明涉及非织造机械三维曲面预制体针刺的成形方法和装备设计与制造领域，特别是涉及一种三维曲面预制件生产设备及制造方法。

背景技术

随着非织造材料科学技术的不断发展，非织造材料在航空航天、工业、农业和交通运输等各个领域应用越来越广泛。在当今航空航天领域，复杂的曲面形状零件如子弹头、导弹等飞行器在高速飞行过程中，因为空气摩擦等因素，飞行器的头部的温度会急速升高，如果采用具有隔热耐高温，不影响信号输送的非织造材料作为防护材料已成为发展趋势。

目前，加工非织造材料预制件由于其外形结构多种多样，现有方法通先通过特种平板针刺机进行针刺毡加工成型，经碳化处理形成碳制品，再经过加工中心车削成型多种形状的壳体，加工过程中会产生大量的废边角料；还有专利 CN201811307475.X 公开的一种导弹壳体专用针刺机，将需要针刺成型的导弹壳体制成模具，模芯通过旋转电机转动，与摆动电机配合与针梁平行，对锥体进行一列行的上下针刺，但锥体顶端针刺区域更小，针刺效率低，不能实现三维曲面锥体预制件的批量生产；成型产品下料时，只能在针刺机内部使用起吊工具或托架，不能转向下料。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种三维曲面预制件生产设备及制造方法，以解决背景技术中存在的问题。

解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种三维曲面预制件生产设备，包括控制系统和机械部件，所述机械部件包括机座、安装在机座上的高度调节机构、支承在高度调节机构上的针梁以及安装在针梁上的针刺机构，

所述高度调节机构包括固定到机座的多个高度调节步进电机、下端与高度调节步进电机连接并且上端连接到针梁的高度调节丝杆、下端固定到机座并且上部滑动连接到针梁的多个高度调节导柱；

所述针刺机构包括固定在针梁上的异步电机、与异步电机连接并且通过支撑轴承连接到针梁的水平转轴、连接到水平转轴的多个针刺板凸轮机构、连接到针刺板凸轮机构下端的针刺板、下端与针刺板连接并且上部滑动连接到针梁的多个针刺板导柱、连接到水平转轴的多个剥毛板凸轮机构、连接到剥毛板凸轮机构下端的剥毛板、下端与剥毛板连接并且上部滑动连接到针梁的剥毛板导柱；

所述机械部件还包括安装在机座上的滑轨传动机构以及安装在滑轨传动机构上的芯模运动机构，其中：

所述滑轨传动机构包括垂直伸出滑轨、水平移动滑轨、与垂直伸出滑轨和水平移动滑轨相配合的滑块、固定在滑块上的滑板以及分别驱动垂直移动和水平移动的电机；

所述芯模运动机构包括芯模自转及摆动机构以及设置在芯模自转及摆动机构下方的芯模旋转机构，所述芯模自转及摆动机构包括预制件芯模、设置在预制件芯模下方用来克服预制件芯模针刺力的芯模支撑装置、设置在预制件芯模内的芯棒、连接在芯棒底部的芯棒底座、用于安装芯棒底座的固定旋转座、与芯棒底座传动连接的芯模自转电机以及与芯棒底座传动连接的芯模摆动电机，所述芯模旋转机构包括凸轮分割器，所述固定旋转座连接在凸轮分割器上；

所述控制系统连接芯模自转电机、芯模摆动电机、高度调节步进电机、异步电机、以及分别驱动垂直移动和水平移动的电机。

在本发明一个较佳实施例中，所述预制件芯模通过芯模摆动电机进行180°摆动，所述预制件芯模通过凸轮分割器进行芯模360°多工位旋转。

在本发明一个较佳实施例中，所述针刺板的刺针布置有三排，当预制件芯模的形状为锥体形，所述针刺板布针方式为中间一列加装针套，使中间刺针深度低于二边；当预制件芯模的形状为腰鼓形针板布方式为针刺板两侧二列加装针套，中间刺针深度高于二边。

在本发明一个较佳实施例中，所述预制件芯模通过芯模自转电机驱动，预制件芯模自转360°，完成整个预制件针刺。

在本发明一个较佳实施例中，所述垂直伸出滑轨配合驱动垂直移动的电机，可以使带针刺完成后的预制件芯模移出针刺区域，通过芯模自转及摆动机构进行摆动，可以使预制件芯模移动至平行面进而方便针刺完成的预制件下机。

在本发明一个较佳实施例中，所述芯模支撑装置包括支撑丝杆和支撑板，所述支撑板和支撑丝杆的顶端通过转轴连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述针刺机构还包括固定到针梁并且与针刺板导柱滑动连接的针刺板直线轴承、以及固定到针梁并且与剥毛板导柱滑动连接的剥毛板直线轴承。

在本发明一个较佳实施例中，所述控制系统包括可编程逻辑控制器。

在本发明一个较佳实施例中，当所述预制件芯模的形状为腰鼓形时，预制件芯模通过芯模旋转机构90⁰转向配合水平方向移动并摆动一定角度，针刺机构根据工艺要求自动升降定位后，利用纵向移动实现内圆弧逐段针刺，达到要求后再利用横向移动实行顶端针刺。

为解决上述技术问题，本发明还提出了一种三维曲面预制件的制造方法，包括以下步骤：

a、预制件芯模加工生产完成后，先将预制件芯模安装在芯棒上固定，在预制件芯模上手工铺设第一层毛网，将毛网整圈包覆预制件芯模上，并且固定稳妥，开启电控操作，针梁上下移动，芯棒转动一周，毛网长度按预制件芯模周长截取，毛网宽度100mm；

完成一周针刺后，预制件芯模水平移动至需针刺区域，芯模支撑装置移动到针梁下，芯模自转及摆动机构向上移动，使预制件芯模与针梁平行，完成第二段铺网，长度按预制件芯模周长截取，直至整个预制件芯模铺网针刺完成，铺设第二层毛网时，起网毛网宽度为80mm，后边毛网宽度仍为100mm，采用上述同样方式完成第二层毛网针刺，铺设第三层毛网，宽度与第一层相同，第四层与第二层相同，这样保证每层毛网接缝处针刺密度；

c、针刺到预制件需要厚度后，芯模支撑装置下降，芯棒底座旋转90⁰至设备外，顺利取下预制件芯模。

本发明的有益效果是：本发明指出的一种三维曲面预制件生产设备及制造方法，可以通过将非织造纤维连续片材在芯模上均匀缠绕后，针刺成型三维曲面预制件等非织造材料曲面零件，其运行平稳，在针刺加工复杂曲面预制件时可直接成型，纤维毛网均匀性好，可以满足产品质量的生产要求，取代人工，提高生产效率，大大降低了废边角料的产生，保证加工尺寸的精度，且能实现量产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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它的附图，其中：

图1是本发明一种三维曲面预制件生产设备一较佳实施例的结构示意图；

图2是本发明一种三维曲面预制件生产设备的后视图；

图3是针刺板的结构示意图；

图4是预制件芯模为腰鼓形的三维曲面预制件生产设备的结构示意图；

图5是腰鼓形预制件芯模针刺时的结构示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，本发明实施例包括：

一种三维曲面预制件生产设备，包括控制系统和机械部件，所述机械部件包括机座1、安装在机座1上的高度调节机构、支承在高度调节机构上的针梁2以及安装在针梁2上的针刺机构，所述机械部件还包括安装在机座1上的滑轨传动机构以及安装在滑轨传动机构上的芯模运动机构。

所述芯模运动机构包括芯模自转及摆动机构以及设置在芯模自转及摆动机构下方的芯模旋转机构，所述芯模自转及摆动机构包括形状可随工件形状改变的预制件芯模3、设置在预制件芯模3下方用来克服预制件芯模针刺力的芯模支撑装置5、设置在预制件芯模3内的芯棒8、连接在芯棒8底部的芯棒底座9、用于安装芯棒底座9的固定旋转座10、与芯棒底座9传动连接的芯模自转电机6以及与芯棒底座9传动连接的芯模摆动电机7。

所述芯模旋转机构包括凸轮分割器11，凸轮分割器11包括芯模旋转电机，所述固定旋转座10连接在凸轮分割器11上，从而带动固定旋转座10转动，进而实现预制件芯模3多工位360°的旋转。

所述芯模自转电机6与芯棒底座9传动连接，从而带动芯棒8的转动，进而实现预制件芯模3的360°自转，完成整个预制件针刺。

所述芯模摆动电机7与芯棒底座9传动连接，从而带动芯棒8的摆动，进而实现预制件芯模3的180°摆动，如图1-2所示，预制件芯模3摆动一定角度使预制件被刺部位与针梁2平行，配合针梁2上下移动完成针刺动作。

所述芯模支撑装置5包括支撑丝杆51和支撑板52，所述支撑板52和支撑丝杆51的顶端通过转轴53连接，支撑丝杆51可被驱动进行上下运动。

所述滑轨传动机构包括一对垂直伸出滑轨12、一对水平移动滑轨13、五对与滑轨相配合的滑块14、两个驱动垂直和水平移动的电机15、16。所述垂直伸出滑轨12固定在机座1上，垂直伸出滑板通过滑块14与垂直伸出滑轨12连接，通过电机15驱动丝杠运动，从而带动预制件芯模3进行前后方向移动，所述水平移动滑轨13固定在垂直伸出滑板上，水平移动滑板通过滑块14与水平移动滑轨13连接，通过电机16驱动丝杠运动，从而带动预制件芯模3进行水平方向移动。垂直伸出滑轨12配合驱动垂直移动的电机15，可以使带针刺完成后的预制件芯模3移出针刺区域，通过芯模自转及摆动机构进行摆动，可以使预制件芯模3移动至水平面进而方便针刺完成的预制件下机。

所述高度调节机构包括4个高度调节步进电机17、18（第3、4个受到遮挡而未示出）、4根高度调节丝杆19、20（第3、4个受到遮挡而未示出）、4个高度调节丝杆螺母21、22（第3、4个受到遮挡而未示出）、4根高度调节导柱23、24（第3、4个受到遮挡而未示出）。4个高度调节步进电机分别安装在机座1四个角附近，其转轴垂直于机座1平面，4个高度调节步进电机的转轴分别与4根高度调节丝杆的下端连接，4根高度调节丝杆的上端分别与4个高度调节丝杆螺母连接，4个高度调节丝杆螺母固定到针梁2。分别位于机座1四个角附近的4根高度调节导柱的下端固定到机座1，必须确保4个高度调节导柱垂直于机座1平面。例如，如图1中所示，固定到机座1的高度调节步进电机17与高度调节丝杆19下端连接，高度调节丝杆19上端连接到高度调节丝杆螺母21，高度调节丝杆螺母21固定到针梁2；高度调节导柱23的下端固定到机座1，在4个高度调节步进电机的驱动下，通过4根高度调节丝杆的传递，并且通过4根高度调节导柱的定位导向，能够实现针梁2的平稳上下升降。其中，4个高度调节丝杆优选为梯形丝杆。

所述机座1上通过焊接方式固定安装有框架25，所述框架25对四个高度调节导柱进行固定。通过增加框架25，确保四个高度调节导柱滑动精度，针梁2上下运动过程中，有框架25固定，不会出现振动而影响针刺产品质量，确保了针刺产品的密度。

所述针刺机构包括异步电机26、水平转轴27、剥毛板凸轮机构28和29、针刺板凸轮机构30和31、支撑轴承32、33、34和35，剥毛板36，针刺板37，针刺板导柱38、针刺板直线轴承39、剥毛板导柱40以及剥毛板直线轴承41。其中，异步电机26安装到针梁2，并且通过传动皮带42和皮带轮43、44传动连接到水平转轴27，水平转轴20通过4个支撑轴承32、33、34和35支撑在针梁2上；剥毛板凸轮机构28、29连接到水平转轴27，并且下端连接到剥毛板36，剥毛板36与剥毛板导柱40的下端连接，剥毛板导柱40与固定到针梁2的剥毛板直线轴承41滑动连接，以起到定位导向的作用；针刺板凸轮机构30、31连接到水平转轴27上且位于剥毛板凸轮机构28和29之间，并且下端连接到针刺板37，针刺板37与针刺板导柱38的下端连接，针刺板导柱38分别与固定到针梁2的针刺板直线轴承39滑动连接，起到导向定位的作用；剥毛板36位于针刺板37下方。刺针连接到针刺板37，并且在加工中可以伸出（即穿过）剥毛板36或者从其中缩回。

针刺加工过程中，在异步电机26驱动下，通过传动皮带42和皮带轮43、44的传动，水平转轴27旋转，并且带动剥毛板凸轮机构28、29中的剥毛板凸轮（未示出）和针刺板凸轮机构30、31中的针刺板凸轮（未示出）旋转，剥毛板凸轮和针刺板凸轮分别带动剥毛板凸轮机构28、29下端连接的剥毛板36以及针刺板凸轮机构30、31下端连接的针刺板37运动，其中，剥网板36运行位移图的相位比针板37运行位移图的相位超前。针刺时，剥毛板36先向下压，然后针刺板37下压；恢复升起时，针刺板37先升起，然后剥毛板36升起。

如图3所示，所述针刺板37的刺针布置有三排，当预制件芯模3的形状为锥体形（如图1-2所示），针刺板37布针方式为中间一列加装针套，使中间刺针深度低于二边，例：中间一排针深8mm，两侧二排针深10mm；当预制件芯模3的形状为腰鼓形（如图4所示），针刺板37布针方式为两侧二列加装针套，中间刺针深度高于二边，例：中间一排针深10mm，两侧二排针深8mm，这样针梁2上下一次移动，完成三排毛网的针刺动作，针刺效率提高60%。

如图5所示，当所述预制件芯模3的形状为腰鼓形时，预制件芯模3通过芯模旋转机构90⁰转向配合水平方向移动并摆动一定角度，针刺机构根据工艺要求自动升降定位后，利用纵向移动实现内圆弧逐段针刺，达到要求后再利用横向移动实行顶端针刺。

所述控制系统包括可编程逻辑控制器(PLC)，预设含有多种操作模式的可编程逻辑控制器程序；本发明的控制系统还包括连接到异步电机的变频器、以及与芯模自转电机、芯模摆动电机、芯模旋转电机、垂直伸出和水平移动电机以及高度调节步进电机连接的步进控制系统；并且，变频器和步进控制系统分别连接到可编程逻辑控制器。在本设备的自动控制中，可编程逻辑控制器控制变频器和步进控制系统的运行，由变频器调频控制异步电机以调节针刺机构的运动速度，根据预制件芯模的外形结构，由步进控制系统调节预制件芯模的自转速度、摆动角度以及旋转角度，调节针梁2的升降速度和升降高度。

如图1-2所示，本发明还提出了一种三维曲面预制件的制造方法，包括以下步骤：

a、预制件芯模3加工生产完成后，先将预制件芯模3安装在芯棒8上固定，在预制件芯模3上手工铺设第一层毛网，第一层毛网约150g/m² ，将毛网整圈包覆预制件芯模3上，并且固定稳妥，开启电控操作，针梁2上下移动，芯棒8转动一周，毛网长度按预制件芯模3周长截取，毛网宽度100mm；

b、完成一周针刺后，预制件芯模3水平移动至需针刺区域，芯模支撑装置5移动到针梁2下，芯模自转及摆动机构向上移动，使预制件芯模3与针梁2平行，完成第二段铺网，长度按预制件芯模3周长截取，直至整个预制件芯模3铺网针刺完成，铺设第二层毛网时，起网毛网宽度为80mm，后边毛网宽度仍为100mm，采用上述同样方式完成第二层毛网针刺，铺设第三层毛网，宽度与第一层相同，第四层与第二层相同；也就是说：第一层毛网毛网宽度为100mm，第二层毛网：起网毛网宽度为80mm，后边毛网宽度仍为100mm，第三层毛网毛网宽度为100mm，第四层毛网：起网毛网宽度为80mm，后边毛网宽度仍为100mm，这样保证每层毛网接缝处针刺密度；

c、针刺到预制件设定厚度后，芯模支撑装置5下降，芯棒底座旋转90⁰至设备外，顺利取下预制件芯模。

综上所述，本发明指出的一种三维曲面预制件生产设备及制造方法，可以通过将非织造纤维连续片材在芯模上均匀缠绕后，针刺成型三维曲面预制件等非织造材料曲面零件，其运行平稳，在针刺加工复杂曲面预制件时可直接成型，纤维毛网均匀性好，可以满足产品质量的生产要求，取代人工，提高生产效率，大大降低了废边角料的产生，保证加工尺寸的精度，且能实现量产。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种三维曲面预制件生产设备，包括控制系统和机械部件，所述机械部件包括机座、安装在机座上的高度调节机构、支承在高度调节机构上的针梁以及安装在针梁上的针刺机构，

所述高度调节机构包括固定到机座的多个高度调节步进电机、下端与高度调节步进电机连接并且上端连接到针梁的高度调节丝杆、下端固定到机座并且上部滑动连接到针梁的多个高度调节导柱；

所述针刺机构包括固定在针梁上的异步电机、与异步电机连接并且通过支撑轴承连接到针梁的水平转轴、连接到水平转轴的多个针刺板凸轮机构、连接到针刺板凸轮机构下端的针刺板、下端与针刺板连接并且上部滑动连接到针梁的多个针刺板导柱、连接到水平转轴的多个剥毛板凸轮机构、连接到剥毛板凸轮机构下端的剥毛板、下端与剥毛板连接并且上部滑动连接到针梁的剥毛板导柱；

其特征在于，所述机械部件还包括安装在机座上的滑轨传动机构以及安装在滑轨传动机构上的芯模运动机构，其中：

所述滑轨传动机构包括垂直伸出滑轨、水平移动滑轨、与垂直伸出滑轨和水平移动滑轨相配合的滑块、固定在滑块上的滑板以及分别驱动垂直移动和水平移动的电机；

所述芯模运动机构包括芯模自转及摆动机构以及设置在芯模自转及摆动机构下方的芯模旋转机构，所述芯模自转及摆动机构包括预制件芯模、设置在预制件芯模下方用来克服预制件芯模针刺力的芯模支撑装置、设置在预制件芯模内的芯棒、连接在芯棒底部的芯棒底座、用于安装芯棒底座的固定旋转座、与芯棒底座传动连接的芯模自转电机以及与芯棒底座传动连接的芯模摆动电机，所述芯模旋转机构包括凸轮分割器，所述固定旋转座连接在凸轮分割器上；

所述控制系统连接芯模自转电机、芯模摆动电机、高度调节步进电机、异步电机、以及分别驱动垂直移动和水平移动的电机。

2.根据权利要求1所述的三维曲面预制件生产设备，其特征在于，所述预制件芯模通过芯模摆动电机进行180°摆动，所述预制件芯模通过凸轮分割器进行芯模360°多工位旋转。

3.根据权利要求1所述的三维曲面预制件生产设备，其特征在于，所述针刺板的刺针布置有三排，当预制件芯模的形状为锥体形，所述针刺板布针方式为中间一列加装针套，使中间刺针深度低于二边；当预制件芯模的形状为腰鼓形，所述针刺板布针方式为针刺板两侧二列加装针套，中间刺针深度高于二边。

4.根据权利要求1所述的三维曲面预制件生产设备，其特征在于，所述预制件芯模通过芯模自转电机驱动，预制件芯模自转360°，完成整个预制件针刺。

5.根据权利要求1所述的三维曲面预制件生产设备，其特征在于，所述垂直伸出滑轨配合驱动垂直移动的电机，可以使带针刺完成后的预制件芯模移出针刺区域，通过芯模自转及摆动机构进行摆动，可以使预制件芯模移动至水平面进而方便针刺完成的预制件下机。

6.根据权利要求1所述的三维曲面预制件生产设备，其特征在于，所述芯模支撑装置包括支撑丝杆和支撑板，所述支撑板和支撑丝杆的顶端通过转轴连接。

7.根据权利要求1所述的三维曲面预制件生产设备，其特征在于，所述针刺机构还包括固定到针梁并且与针刺板导柱滑动连接的针刺板直线轴承、以及固定到针梁并且与剥毛板导柱滑动连接的剥毛板直线轴承。

8.根据权利要求1所述的三维曲面预制件生产设备，其特征在于，所述控

制系统包括可编程逻辑控制器。

9.根据权利要求3所述的三维曲面预制件生产设备，其特征在于，当所述预制件芯模的形状为腰鼓形时，预制件芯模通过芯模旋转机构90⁰转向配合水平方向移动并摆动一定角度，针刺机构根据工艺要求自动升降定位后，利用纵向移动实现内圆弧逐段针刺，达到要求后再利用横向移动实行顶端针刺。

10.一种三维曲面预制件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、预制件芯模加工生产完成后，先将预制件芯模安装在芯棒上固定，在预制件芯模上手工铺设第一层毛网，将毛网整圈包覆预制件芯模上，并且固定稳妥，开启电控操作，针梁上下移动，芯棒转动一周，毛网长度按预制件芯模周长截取，毛网宽度100mm；

b、完成一周针刺后，预制件芯模水平移动至需针刺区域，芯模支撑装置移动到针梁下，芯模自转及摆动机构向上移动，使预制件芯模与针梁平行，完成第二段铺网，长度按预制件芯模周长截取，直至整个预制件芯模铺网针刺完成，铺设第二层毛网时，起网毛网宽度为80mm，后边毛网宽度仍为100mm，采用上述同样方式完成第二层毛网针刺，铺设第三层毛网，宽度与第一层相同，第四层与第二层相同，这样保证每层毛网接缝处针刺密度；

c、针刺到预制件设定厚度后，芯模支撑装置下降，芯棒底座旋转90⁰至设备外，顺利取下预制件芯模。

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