CN116278053A - 一种碳纤维带铺放机的铺放头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维带铺放机的铺放头，它包括输送装置、滚压装置；所述的滚压装置包括至少一个柔性滚压装置；所述的柔性滚压装置包括一内部液体柔性袋、一柔性袋调节装置，所述的柔性袋调节装置可以调节柔性袋与碳纤维带接触部位的形状和压力；所述的柔性滚压装置用于将纤维铺设固定到指定位置。还提供一种碳纤维带铺放机的铺放头的铺放方法。本发明采用柔性袋替代传统的铺放压辊，相对于传统的铺放压辊，柔性袋可以更好的与芯模表面贴合，同时柔性袋内部的液体可以使得柔性袋具有一定的韧性，使得碳纤维带可以更好的与芯模表面贴合，通过调节柔性袋移动装置，可以控制柔性袋与芯模之间的压力，以保证纤维带铺放过程中有稳定的压力。

Description

一种碳纤维带铺放机的铺放头

技术领域

本发明涉及一种碳纤维带生产技术领域，具体为一种碳纤维带铺放机的铺放头。

背景技术

复合材料是将多种单一材料复合在一起形成的组合型材料。碳纤维这种复合材料在工程中应用日益广泛。碳纤维模件就是碳纤维带按照输送、加热、施压贴紧、剪切、重送等工序制作的。

纤维自动铺放技术（AFP）诞生于20世纪80年代，此后国内外研究出自动铺放机，并投入使用。目前，国内限制薄壁结构碳纤维带铺放的技术关键在于碳纤维带铺放头的核心部位—“贴紧-剪切-重送”的控制精度问题，故进行技术开发对于发展国内薄壁碳纤维带铺放技术有着重要意义。目前大多数应用研究集中于大尺寸低曲率薄壁结构，对于小尺寸复杂自由曲面薄壁结构的铺放研究较少。其关键技术主要包括铺放系统的设计，铺放温度的控制，铺放路径规划算法的完善，铺放平台精度保证等。

发明内容

本发明的目的是为解决现有市面上复合材料铺放机大多数在使用的过程中抓取多层纤维布精度不高、小尺寸复杂自由曲面薄壁结构的铺放精度低的问题，而提供了一种碳纤维带铺放机的铺放头。

一种碳纤维带铺放机的铺放头，它包括输送装置、滚压装置；所述的滚压装置包括至少一个柔性滚压装置；所述的柔性滚压装置包括一内部液体柔性袋、一柔性袋调节装置，所述的柔性袋调节装置可以调节柔性袋与碳纤维带接触部位的形状和压力；所述的柔性滚压装置用于将纤维铺设固定到指定位置。

所述的柔性袋的袋体呈条形，纵截面为葫芦状；上部与固定在固定夹上；所述的固定夹安装在柔性袋移动装置的输出端。

所述的柔性袋内还设有柔性袋形状控制装置，所述的柔性袋形状控制装置用于控制柔性袋的局部凸起和凹陷。

所述的柔性袋形状控制装置为贴附于袋体内表面上的管状腔道；所述的管状腔道的整体呈圆弧形，截面呈矩形；所述的管状腔道包括交错设置的第一腔道和第二腔道。

所述的第二腔道的中部设有隔断；所述的阻隔将第二腔道分割成左右两个小腔道。

所述的固定夹上设有与第一腔道和第二腔道连接的气源接孔；所述的第一腔道和第二腔道内装填有气体。

所述的气源接孔的一端与第一腔道和第二腔道连接，并与第一腔道和第二腔道的内部腔体空间相互联通，另一端与气源连接；所述的柔性袋的两侧设有挤压辊，且两个挤压辊之间的距离固定。

所述的管状腔道为耐高温的柔性材料卷制而成；所述的管状腔道的外侧壁粘接在袋体的内表面；所述的柔性袋形状控制装置包括设置在柔性袋内部的柔性管，所述的柔性管贴附于柔性袋的内壁上，上部与气源连接。

所述的柔性管包括交替设置的第一柔性管和第二柔性管，所述的第一柔性管和第二柔性管用于通入气体，通过气体压力控制气囊的形状。

所述的第二柔性管的中部设有隔断，用于阻隔第二柔性管，使得第二柔性管位于阻隔的左右两侧的腔体不连通。

所述的柔性袋调节装置包括设置于柔性袋中部两侧的挤压辊，挤压柔性袋。

所述的挤压辊呈圆柱形；所述的挤压辊的上部还设有与挤压辊固定连接的挤压平板；所述的挤压平板位于挤压辊的上侧，与位于挤压辊上部的柔性袋相互对应设置；所述的柔性袋两侧的挤压辊的一端部设有齿轮，且两个齿轮相互啮合；所述的挤压辊的另一侧设有驱动电机，驱动电机用于驱动挤压辊的旋转。

一种碳纤维带铺放机的铺放头的铺放方法，它包括：

S01：对芯模进行形状扫描，确定芯模的表面曲率半径；

S02：设定运行轨迹，将芯模的表面曲率半径与柔性袋位于挤压辊下部的袋体的截面曲率半径相互比较；

S03：在铺放头运行至曲率半径小的位置时，控制第一腔道和第二腔道的充放气情况使得柔性袋表面与芯模的表面贴合；

S04：铺放完毕。

所述的S02步骤中，包括如下步骤：

S021：若芯模的表面曲率半径小于袋体的截面曲率半径执行S031，若芯模的表面曲率半径大于袋体的截面曲率半径执行S032；

S022：根据铺放头的运行，依次将曲率半径较小的位置进行标记，记为A1、A2......

S023：根据铺放头的运行轨迹和运行速度，计算出柔性袋到达每个位置标记点的时间，在一次铺放过程中，将柔性袋的边缘第一次接触到标记位置的时间点记为T1-A1，将柔性袋的边缘最后一次接触到标记位置的时间点记为T3-A1，将柔性袋的中部接触到标记位置的最低或最高位置的时间点记为T2-A1；

S024：根据柔性袋的第一腔道和第二腔道按照从左至右顺序进行标记，记为QD1、QD2、QD3......；其中奇数序号为第一腔道，偶数序号为第二腔道；将第二腔道的左腔道记为QD2L、右腔道记为QD2R。

所述的S03步骤包括如下步骤：

S031：铺放头按照设定轨迹运行，当铺放头运行在T1-A1～T3-A3以外的时间时，第一腔道充气，既QD1、QD3、QD5......充气，第二腔道处于不充气状态；

S032：当运行至T1-A1～T2-A1时间段时，第二腔道的右腔道QD2R充气，左腔道记为QD2L、第一腔道处于不充气状态；同时，控制挤压辊的挤压平板的位置，使挤压平板位于不挤压柔性袋的状态；

S033：当运行至T2-A1～T3-A1时间段时，第二腔道的左腔道QD2L充气，右腔道QD2R、第一腔道处于不充气状态；同时，控制挤压辊的挤压平板的位置，使挤压平板位于挤压柔性袋的状态；

S034：当标记位置A1、A2......的宽度小于柔性袋的宽度时，根据标记位置相对柔性袋的位置，控制对应腔道QD1、QD2、QD3......的充气和不充气的状态。

本发明提供了一种碳纤维带铺放机的铺放头，它包括输送装置、滚压装置；所述的滚压装置包括至少一个柔性滚压装置；所述的柔性滚压装置包括一内部液体柔性袋、一柔性袋调节装置，所述的柔性袋调节装置可以调节柔性袋与碳纤维带接触部位的形状和压力；所述的柔性滚压装置用于将纤维铺设固定到指定位置。还提供一种碳纤维带铺放机的铺放头的铺放方法，本设计采用柔性袋替代传统的铺放压辊，相对于传统的铺放压辊，柔性袋可以更好的与芯模表面贴合，同时柔性袋内部的液体可以使得柔性袋具有一定的韧性，使得纤维带可以更好的与芯模表面贴合，通过调节柔性袋移动装置，可以控制柔性袋与芯模之间的压力，以保证纤维带铺放过程中有稳定的压力。

附图说明

图1为本发明一种碳纤维带铺放机的铺放头结构简图；

图2为本发明一种碳纤维带铺放机的铺放头的滚压装置主视图；

图3为本发明一种碳纤维带铺放机的铺放头的滚压装置右视图；

图4为本发明一种碳纤维带铺放机的铺放头的滚压装置A-A剖视图；

图5为本发明一种碳纤维带铺放机的铺放头的滚压装置柔性袋截面图；

图6为本发明一种碳纤维带铺放机的铺放头的滚压装置柔性袋截面图；

图7为本发明一种碳纤维带铺放机的铺放头的滚压装置柔性袋内腔道排布示意图；

图8为本发明一种碳纤维带铺放机的铺放头的滚压装置在平面上的铺放纤维带示意图；

图9为本发明一种碳纤维带铺放机的铺放头的滚压装置在标记位置的T1-A1到T2-A1时间点铺放纤维带示意图；

图10为本发明一种碳纤维带铺放机的的铺放头滚压装置在标记位置的T2-A1到T3-A1时间点铺放纤维带示意图。

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。

实施例1：

请参阅附图1-10，一种碳纤维带铺放机的铺放头，它包括输送装置、滚压装置；

所述的输送装置包括导向轮1、夹紧模块2、重送模块3、剪切模块4、加热模块5；

所述的纤维带依次经由导向轮1、夹紧模块2、重送模块3、剪切模块4、加热模块5，输送至滚压装置，并经由滚压装置将纤维带铺放至芯模制品上；

所述的滚压装置6包括：固定架61、柔性袋62、柔性袋移动装置63、挤压辊64；

所述的固定架61包括矩形框架611，所述的矩形框架611由四块钢板组合而成，所述的矩形框架611的上部设有移动装置固定板612；

所述的柔性袋移动装置63固定在移动装置固定板612上；

所述的柔性袋移动装置63为推杆电机或移动气缸；

所述的柔性袋62固定在柔性袋移动装置63的输出推杆上；

所述的柔性袋62包括固定夹621，所述的固定夹621的截面呈U形；

所述的柔性袋62还包括袋体622；

所述的袋体622呈条形，截面为葫芦状；

所述的袋体622的材质为耐高温的陶瓷纤维布；

所述的袋体622的内部装填有液体；

所述的袋体622内表面上设有用于控制柔性袋形状控制装置；

所述的柔性袋形状控制装置为贴附于袋体622内表面上的管状腔道623；

所述的管状腔道623为耐高温的柔性材料卷制的而成；

所述的管状腔道623的外侧壁粘接在袋体622的内表面；

所述的管状腔道623的整体呈圆弧形，截面呈矩形；

所述的管状腔道623包括第一腔道6231和第二腔道6232；

所述的第一腔道6231和第二腔道6232相互交错设置；

所述的第二腔道6232的中部设有隔断6233；

所述的隔断6233为设置在第二腔道6232的中部的粘接点；

所述的阻隔6233将第二腔道6232分割成左右两个小腔道；

所述的固定夹621上设有与第一腔道6231和第二腔道6232连接的气源接孔6211；

所述的第一腔道6231和第二腔道6232内装填有气体；

所述的气源接孔6211的一端与第一腔道6231和第二腔道6232连接，并于第一腔道6231和第二腔道6232的内部腔体空间相互联通，另一端与气源连接；

所述的柔性袋62的两侧设有挤压辊64，且两个挤压辊64之间的距离固定；

所述的挤压辊64位于袋体622的中部；

所述的挤压辊64呈圆柱形，挤压辊64铰接安装在固定架61上，与固定夹621平行设置；

所述的挤压辊64的上部还设有挤压平板641；

所述的挤压平板641与挤压辊64固定连接，且挤压平板641靠近柔性袋62一侧的平面与挤压辊64相切设置；

所述的挤压平板641位于挤压辊64的上侧，与位于挤压辊64上部的柔性袋62相互对应设置；

所述的柔性袋62的两侧的挤压辊64的一端部设有齿轮643，且两个齿轮643相互啮合；

所述的挤压辊的另一侧设有驱动电机642，驱动电机642用于驱动挤压辊64的旋转。

实施例2：

请参见附图1-10，一种碳纤维带铺放机的铺放头的铺放方法，它包括：

S01：对芯模8进行形状扫描，确定芯模的表面曲率半径；

S02：设定运行轨迹，将芯模的表面曲率半径与柔性袋62位于挤压辊64下部的袋体的截面曲率半径相互比较；

S03：在铺放头运行至曲率半径小的位置时，控制第一腔道6231和第二腔道6232的充放气情况使得柔性袋62表面与芯模的表面贴合；

S04：铺放完毕；

所述的S02步骤中，包括如下步骤：

S021：若芯模的表面曲率半径小于袋体的截面曲率半径执行S031，若芯模的表面曲率半径大于袋体的截面曲率半径执行S032；

S022：根据铺放头的运行，依次将曲率半径较小的位置进行标记，记为A1、A2......

S023：根据铺放头的运行轨迹和运行速度，计算出柔性袋到达每个位置标记点的时间，在一次铺放过程中，将柔性袋的边缘第一次接触到标记位置的时间点记为T1-A1，将柔性袋的边缘最后一次接触到标记位置的时间点记为T3-A1，将柔性袋的中部接触到标记位置的最低或最高位置的时间点记为T2-A1；

S024：根据柔性袋的第一腔道6231和第二腔道6232按照从左至右顺序进行标记，记为QD1、QD2、QD3......；其中奇数序号为第一腔道6231，偶数序号为第二腔道6232；将第二腔道6232的左腔道记为QD2L、右腔道记为QD2R；

所述的S03步骤包括如下步骤：

S031：铺放头按照设定轨迹运行，当铺放头运行在T1-A1～T3-A3以外的时间时，第一腔道6231充气，既QD1、QD3、QD5......充气，第二腔道6232处于不充气状态；

S032：当运行至T1-A1～T2-A1时间段时，第二腔道6232的右腔道QD2R充气，左腔道记为QD2L、第一腔道6231处于不充气状态；同时，控制挤压辊64的挤压平板641的位置，使挤压平板641位于不挤压柔性袋的状态；

S033：当运行至T2-A1～T3-A1时间段时，第二腔道6232的左腔道QD2L充气，右腔道QD2R、第一腔道6231处于不充气状态；同时，控制挤压辊64的挤压平板641的位置，使挤压平板641位于挤压柔性袋的状态；

S034：当标记位置A1、A2......的宽度小于柔性袋的宽度时，根据标记位置相对柔性袋的位置，控制对应腔道QD1、QD2、QD3......的充气和不充气的状态。

使用过程中，本设计采用柔性袋替代传统的铺放压辊，相对于传统的铺放压辊，柔性袋可以更好的与芯模表面贴合，同时柔性袋内部的液体可以使得柔性袋具有一定的韧性，使得纤维带可以更好的与芯模表面贴合，通过调节柔性袋移动装置63，可以控制柔性袋与芯模之间的压力，以保证纤维带铺放过程中有稳定的压力。

Claims (15)

1.一种碳纤维带铺放机的铺放头，其特征在于：它包括输送装置、滚压装置；所述的滚压装置包括至少一个柔性滚压装置；所述的柔性滚压装置包括一内部液体柔性袋、一柔性袋调节装置，所述的柔性袋调节装置可以调节柔性袋与纤维带接触部位的形状和压力；所述的柔性滚压装置用于将纤维铺设固定到指定位置。

2.根据权利要求1所述的一种碳纤维带铺放机的铺放头，其特征在于：所述的柔性袋的袋体呈条形，纵截面为葫芦状；上部固定在固定夹上；所述的固定夹安装在柔性袋移动装置的输出端。

3.根据权利要求2所述的一种碳纤维带铺放机的铺放头，其特征在于：所述的柔性袋内还设有柔性袋形状控制装置，所述的柔性袋形状控制装置用于控制柔性袋的局部凸起和凹陷。

4.根据权利要求3所述的一种碳纤维带铺放机的铺放头，其特征在于：所述的柔性袋形状控制装置为贴附于袋体内表面上的管状腔道；所述的管状腔道整体呈圆弧形，铅垂截面呈矩形；所述的管状腔道包括交错设置的第一腔道和第二腔道。

5.根据权利要求4所述的一种碳纤维带铺放机的铺放头，其特征在于：所述的第二腔道的中部设有隔断；所述的阻隔将第二腔道分割成左右两个小腔道。

6.根据权利要求5所述的一种碳纤维带铺放机的铺放头，其特征在于：所述的固定夹上设有与第一腔道和第二腔道连接的气源接孔；所述的第一腔道和第二腔道内装填有气体。

7.根据权利要求6所述的一种碳纤维带铺放机的铺放头，其特征在于：所述的气源接孔的一端与第一腔道和第二腔道连接，并与第一腔道和第二腔道的内部腔体空间相互联通，另一端与气源连接；所述的柔性袋的两侧设有挤压辊，且两个挤压辊之间的距离固定。

8.根据权利要求7所述的一种碳纤维带铺放机的铺放头，其特征在于：所述的管状腔道为耐高温的柔性材料卷制而成；所述的管状腔道的外侧壁粘接在袋体的内表面；所述的柔性袋形状控制装置包括设置在柔性袋内部的柔性管，所述的柔性管贴附于柔性袋的内壁上，上部与气源连接。

9.根据权利要求8所述的一种碳纤维带铺放机的铺放头，其特征在于：所述的柔性管包括交替设置的第一柔性管和第二柔性管，所述的第一柔性管和第二柔性管用于通入气体，通过气体压力控制气囊的形状。

10.根据权利要求9所述的一种碳纤维带铺放机的铺放头，其特征在于：所述的第二柔性管的中部设有隔断，用于阻隔第二柔性管，使得第二柔性管位于阻隔左右两侧的腔体不连通。

11.根据权利要求10所述的一种碳纤维带铺放机的铺放头，其特征在于：所述的柔性袋调节装置包括设置于柔性袋中部两侧的挤压辊和挤压柔性袋。

12.根据权利要求11所述的一种碳纤维带铺放机的铺放头，其特征在于：所述的挤压辊呈圆柱形；所述的挤压辊的上部还设有与挤压辊固定连接的挤压平板；所述的挤压平板位于挤压辊的上侧，与位于挤压辊上部的柔性袋相互对应设置；所述的柔性袋两侧的挤压辊的一端部设有齿轮，且两个齿轮相互啮合；所述的挤压辊的另一侧设有驱动电机，驱动电机用于驱动挤压辊的旋转。

13.一种碳纤维带铺放机的铺放头的铺放方法，其特征在于：它包括：

S01：对芯模进行形状扫描，确定芯模的表面曲率半径；

S02：设定运行轨迹，将芯模的表面曲率半径与柔性袋位于挤压辊下部的袋体的截面曲率半径相互比较；

S03：在铺放头运行至曲率半径小的位置时，控制第一腔道和第二腔道的充放气情况，使得柔性袋表面与芯模的表面贴合；

S04：铺放完毕。

14.根据权利要求13所述的一种碳纤维带铺放机的铺放头，其特征在于：所述的S02步骤中，包括如下步骤：

S021：若芯模的表面曲率半径小于袋体的截面曲率半径执行S031，若芯模的表面曲率半径大于袋体的截面曲率半径执行S032；

S022：根据铺放头的运行，依次将曲率半径较小的位置进行标记，记为A1、A2......

S023：根据铺放头的运行轨迹和运行速度，计算出柔性袋到达每个位置标记点的时间，在一次铺放过程中，将柔性袋的边缘第一次接触到标记位置的时间点记为T1-A1，将柔性袋的边缘最后一次接触到标记位置的时间点记为T3-A1，将柔性袋的中部接触到标记位置的最低或最高位置的时间点记为T2-A1；

S024：根据柔性袋的第一腔道和第二腔道按照从左至右顺序进行标记，记为QD1、QD2、QD3......；其中奇数序号为第一腔道，偶数序号为第二腔道；将第二腔道的左腔道记为QD2L、右腔道记为QD2R。

15.根据权利要求14所述的一种碳纤维带铺放机的铺放头，其特征在于：所述的S03步骤包括如下步骤：

S031：铺放头按照设定轨迹运行，当铺放头运行在T1-A1～T3-A3以外的时间时，第一腔道充气，既QD1、QD3、QD5......充气，第二腔道处于不充气状态；

S032：当运行至T1-A1～T2-A1时间段时，第二腔道的右腔道QD2R充气，左腔道记为QD2L、第一腔道处于不充气状态；同时，控制挤压辊的挤压平板的位置，使挤压平板位于不挤压柔性袋的状态；

S033：当运行至T2-A1～T3-A1时间段时，第二腔道的左腔道QD2L充气，右腔道QD2R、第一腔道处于不充气状态；同时，控制挤压辊的挤压平板的位置，使挤压平板位于挤压柔性袋的状态；

S034：当标记位置A1、A2......的宽度小于柔性袋的宽度时，根据标记位置相对柔性袋的位置，控制对应腔道QD1、QD2、QD3......的充气和不充气的状态。

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