CN116922818B - 一种航空航天复合材料用铺丝机床 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空航天复合材料用铺丝机床，具体涉及铺丝机领域，包括工作机座和设于工作机座上的龙门架，工作机座上架设有用于铺放复合材料的基材的架设台，龙门架上设有两组四轴机械臂，其中一组四轴机械臂的工作端连接有铺丝机头，另一组四轴机械臂的工作端连接有辅助机头，铺丝机头和辅助机头共同作业成型该复合材料。本发明采用双侧输入丝束，动态稳定性较好，将丝束输入和铺放设为上下向，避免了输入端与输出端在铺放平面上的角度干涉，在铺放端设有补偿结构，机头转向铺放时，通过向异侧形成一个偏转腔体，对异侧起到支撑和引导作用，减少因为机头转向造成的丝束牵拉，进而引起铺放丝束与铺设面之间产生间隙的问题。

Description

一种航空航天复合材料用铺丝机床

技术领域

本发明涉及铺丝机技术领域，更具体地说，本发明涉及一种航空航天复合材料用铺丝机床。

背景技术

自动铺丝是指在多坐标自动铺丝机的控制下，铺丝头将多束预浸丝束通过放卷、导向、传输、压紧、切割、辊压等功能在压辊下集束成带，并按照计算机规划的轨迹进行铺层的自动化铺放。

但是现有的铺丝机床在实际使用时，仍旧存在较多缺点，如丝束距离现有铺丝头的路径长，传输阻尼大，供丝效果差，如果将丝束供应装置虽集成在铺丝头上，需要保证集成出的丝束进入铺丝头的方向一致，安装在铺丝头某侧位置，导致铺丝机械臂受力不均，动态特性不好，并且铺丝机在特定角度铺放时，导致丝束供应装置与铺丝机的机械臂发生碰撞干涉，在丝束铺放转向时，通过铺丝头的机头偏转，偏转机头会对已经铺好的部分丝束造成牵拉脱胶，造成在铺丝偏转的部分丝束与铺设面之间产生间隙，造成该处的丝束较松，易出现气泡，局部丝束贴合效果不佳。

发明内容

本发明提供的一种航空航天复合材料用铺丝机床，所要解决的问题是：现有的铺丝机在丝束铺放转向时，通过铺丝头的机头偏转，偏转机头会对已经铺好的部分丝束造成牵拉脱胶，造成在铺丝偏转的部分丝束与铺设面之间产生间隙的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种航空航天复合材料用铺丝机床，包括工作机座和设于工作机座上的龙门架，工作机座上架设有用于铺放复合材料的基材的架设台，龙门架上设有两组四轴机械臂，其中一组四轴机械臂的工作端连接有铺丝机头，另一组四轴机械臂的工作端连接有辅助机头，铺丝机头和辅助机头共同作业成型该复合材料；

铺丝机头和辅助机头均包括出丝组件和铺丝组件，出丝组件设于铺丝组件的上方，出丝组件包括两组放卷器，两组放卷器向同一个铺丝组件中输入纤维丝；

铺丝组件包括张紧辊、传动辊、调节辊、压辊和铺放辅助组件，纤维丝通过传动辊传递至张紧辊上，从张紧辊上输入至调节辊，调节辊再输入至铺放辅助组件内，由铺放辅助组件输出至压辊的下端面上，再通过压辊将纤维丝不断压合至复合材料的基材上；

铺放辅助组件包括支架和偏向辊，偏向辊设于支架内，偏向辊上设有两组膨胀套，在两组膨胀套的外侧上均设有锁止气囊，锁止气囊套设在电磁辊套的外壁上，锁止气囊用于固定电磁辊套与偏向辊之间的相对位置，电磁辊套套设于偏向辊上，位于同一个膨胀套两侧的电磁辊套均可沿着偏向辊的长度方向移动，当其中一侧的电磁辊套向中移动时，另一侧的电磁辊套被锁止气囊锁止，电磁辊套将膨胀套挤压至锁止气囊的外壁上，膨胀套的外壁和锁止气囊的外壁之间组成一个柔性滑动腔体，纤维丝滑动在柔性滑动腔体内。

在一个优选的实施方式中，电磁辊套包括辊套和电磁铁座，电磁铁座与辊套同轴设置，两侧的电磁辊套的电磁铁座相互平行。

在一个优选的实施方式中，铺放辅助组件还包括切刀和升降气缸，切刀设于输入至柔性滑动腔体的前端，切刀安装于升降气缸的活塞杆一端，升降气缸带动切刀对纤维丝进行剪切作业。

在一个优选的实施方式中，在偏向辊的中部设有分隔环，两个膨胀套分设于分隔环的两侧。

在一个优选的实施方式中，放卷器包括绕丝筒、拉杆、活动丝辊和固定丝辊，纤维丝绕卷在绕丝筒上，拉杆通过轴连接在两个活动丝辊上，活动丝辊和固定丝辊的辊面相抵靠设置，绕丝筒的输出端正对活动丝辊和固定丝辊之间的辊面，纤维丝通过两个活动丝辊和固定丝辊之间的辊面输出。

在一个优选的实施方式中，放卷器还包括两个校直套，两个校直套分别设于活动丝辊和固定丝辊的两侧，两个校直套配合活动丝辊和固定丝辊对输出的纤维丝进行校直。

在一个优选的实施方式中，两个放卷器的拉杆之间连接有同步连杆，同步连杆的中部套设于T型连接套，T型连接套的端部连接有驱动轴。

在一个优选的实施方式中，铺丝组件还包括热风机，热风机的热风端正对输入至压辊下端面的纤维丝。

在一个优选的实施方式中，张紧辊上安装有辊架，辊架的外壁连接有张紧气缸。

在一个优选的实施方式中，龙门架可沿着工作基台的长度方向移动，四轴机械臂可沿着垂直于工作基台长度方向移动，四轴机械臂具有四个自由度，四轴机械臂带动铺丝机头向基材表面进行铺丝作业。

本发明的技术效果和优点：本铺丝机床采用双侧输入丝束，动态稳定性较好，将丝束输入和铺放设为上下向，避免了输入端与输出端在铺放平面上的角度干涉，在铺放端设有补偿结构，铺丝机头在转向铺放时，通过向异侧形成一个偏转腔体，对异侧起到支撑和引导作用，减少因为机头转向造成的丝束牵拉，进而引起铺放丝束与铺设面之间产生间隙的问题。

附图说明

图1为本发明提出的一种航空航天复合材料用铺丝机床的结构示意图；

图2为本发明中图1的主视图；

图3为本发明中图1的铺丝机头的连接结构示意图；

图4为本发明中图3的出丝组件的结构示意图；

图5为本发明中图4的侧视图；

图6为本发明中图1的纤维丝在铺丝机头内的传动路径示意图；

图7为本发明中图6的铺放辅助组件的结构示意图；

图8为本发明中图7的偏向辊的结构示意图。

附图标记为：100、工作机座；110、架设台；120、龙门架；200、四轴机械臂；300、铺丝机头；310、出丝组件；311、第一放卷器；311a、绕丝筒；311b、拉杆；311c、活动丝辊；311d、第一校直套；311e、第二校直套；311f、固定丝辊；312、第二放卷器；313、同步连杆；314、T型连接套；320、铺丝组件；321、轴座；322、热风机；323、张紧组件；323a、张紧气缸；323b、张紧辊；324、调节辊；325、压辊；326、铺放辅助组件；326a、升降气缸；326b、支架；326c、切刀；326d、偏向辊；326d1、分隔环；326d2、锁止气囊；326d3、膨胀套；326d4、电磁辊套；400、辅助机头；500、纤维丝。

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。

参照说明书附图1-图8，一种航空航天复合材料用铺丝机床，包括工作机座100和设于工作机座100上的龙门架120，工作机座100上架设有用于铺放复合材料的基材的架设台110，龙门架120上设有两组四轴机械臂200，其中一组四轴机械臂200的工作端连接有铺丝机头300，另一组四轴机械臂200的工作端连接有辅助机头400，铺丝机头300和辅助机头400共同作业成型该复合材料；

铺丝机头300和辅助机头400均包括出丝组件310和铺丝组件320，出丝组件310设于铺丝组件320的上方，出丝组件310包括两组放卷器，即第一放卷器311和第二放卷器312，两者向同一个铺丝组件320中输入纤维丝500；

如图6所示，铺丝组件320包括张紧辊323b、传动辊、调节辊324、压辊325和铺放辅助组件326，张紧辊323b上安装有辊架，辊架的外壁连接有张紧气缸323a，张紧辊323b和张紧气缸323a组成张紧组件323，纤维丝500通过传动辊传递至张紧组件323上，从张紧组件323上输入至调节辊324，调节辊324用于调节输入至铺放辅助组件326内纤维丝500的输入角度，调节辊324输入至铺放辅助组件326内，由铺放辅助组件326输出至压辊325的下端面上，再通过压辊325将纤维丝500不断压合至复合材料的基材上；

其中一个传动辊的辊端连接有驱动电机，驱动电机带动传动辊转动，使其上的纤维丝500在铺丝组件320内传动。

铺放辅助组件326包括支架326b和偏向辊326d，偏向辊326d设于支架326b内，在偏向辊326d的中部设有分隔环326d1，偏向辊326d上设有两组膨胀套326d3，两个膨胀套326d3分设于分隔环326d1的两侧，在两组膨胀套326d3的外侧上均设有锁止气囊326d2，锁止气囊326d2套设在电磁辊套326d4的外壁上，锁止气囊326d2用于固定电磁辊套326d4与偏向辊326d之间的相对位置，电磁辊套326d4套设于偏向辊326d上，位于同一个膨胀套326d3两侧的电磁辊套326d4均可沿着偏向辊326d的长度方向移动，当当其中一侧的电磁辊套326d4向中移动时，另一侧的电磁辊套326d4被锁止气囊326d2锁止，电磁辊套326d4将膨胀套326d3挤压至锁止气囊326d2的外壁上，膨胀套326d3的外壁和锁止气囊326d2的外壁之间组成一个柔性滑动腔体，纤维丝500滑动在柔性滑动腔体内；

其中电磁辊套326d4包括辊套和电磁铁座，电磁铁座与辊套同轴设置，两侧的电磁辊套326d4的电磁铁座相互平行；

其中锁止气囊326d2的端部连接有气管和气阀，气阀连接在气管和锁止气囊326d2的连接端，气管的末端连接有气源。

铺放辅助组件326还包括切刀326c和升降气缸326a，切刀326c设于输入至柔性滑动腔体的前端，切刀326c安装于升降气缸326a的活塞杆一端，升降气缸326a带动切刀326c对纤维丝500进行剪切作业。

放卷器包括绕丝筒311a、拉杆311b、活动丝辊311c和固定丝辊311f，纤维丝500绕卷在绕丝筒311a上，拉杆311b通过轴连接在两个活动丝辊311c上，活动丝辊311c和固定丝辊311f的辊面相抵靠设置，绕丝筒311a的输出端正对活动丝辊311c和固定丝辊311f之间的辊面，纤维丝500通过两个活动丝辊311c和固定丝辊311f之间的辊面输出。

放卷器还包括两个校直套，即第一校直套311d和第二校直套311e，两个校直套分别设于活动丝辊311c和固定丝辊311f的两侧，两个校直套配合活动丝辊311c和固定丝辊311f对输出的纤维丝500进行校直。

两个放卷器的拉杆311b之间连接有同步连杆313，同步连杆313的中部套设于T型连接套314，T型连接套314的端部连接有驱动轴，驱动轴一端的驱动源包括但不限于气缸等直线驱动件，驱动源带动T型连接套314移动，T型连接套314移动带动同步连杆313移动，两侧拉杆311b均带动活动丝辊311c移动，使活动丝辊311c和固定丝辊311f之间相向或相对移动，两者之间的辊面间隙发生变化，用于适应不同的粗度的纤维丝500，便于压紧校直纤维丝500。

铺丝组件320还包括热风机322，热风机322的热风端正对输入至压辊325下端面的纤维丝500，如图6所示，热风机322的热风吹出方向与压辊325和纤维丝500压合处，在纤维丝500铺上基材时，热风机322对压合处升温，保证纤维丝500与基材的结合紧密度。

需要补充说明的是，龙门架120可沿着工作基台的长度方向移动，四轴机械臂200可沿着垂直于工作基台长度方向移动，四轴机械臂200具有四个自由度，四轴机械臂200带动铺丝机头300向基材表面进行铺丝作业；

具体的，如图1和图2所示，该四轴机械臂200可带动整体臂体转动，同时臂体分为大臂和小臂，两者之间可以转动，小臂的前端可伸缩，且小臂的前端绕着臂体自转，在铺丝组件320设有与小臂前端相连接的轴座321，四轴机械臂200和龙门架120均为现有技术，故不再赘述其动作流程。

在本实施例中，实施场景具体为：将复合材料的基材平铺与架设台110上，并对基材固定，通过龙门架120和四轴机械臂200动作，带动铺丝机头300将限位丝输入至压辊325下集束成带，并按照计算机规划的轨迹进行铺层的自动化铺放；

在铺丝过程中，需要进行转向和不同角度的铺层铺放时，通过出丝组件310的绕丝筒311a进行放卷纤维丝500，纤维丝500通过第一校直套311d，然后经过两侧的活动丝辊311c和固定丝辊311f进行挤压校直，通过第二校直套311e输出至铺丝组件320的输出端；

铺丝组件320中的传动辊带动纤维丝500依次在张紧辊323b、调节辊324、偏向辊326d和压辊325之间传动，最后由压辊325经过热风机322加热后压合至基材上，基材表面设有树脂胶液，用于黏附纤维丝500，在输送过程中，张紧辊323b通过张紧气缸323a调节，保持在辊与辊之间的传动为张紧状态；

其中铺放时，需要转向和偏转角度时，例如向左偏转，此时右侧的锁止气囊326d2被充气，压合住其所连接的电磁辊套326d4，另一侧的电磁辊套326d4通电后向着固定的电磁辊套326d4移动，挤压膨胀套326d3，膨胀套326d3为环形胶套结构，其挤压时发生形变，如图6所示，被挤压的一端拱起呈膨胀端，与锁止气囊326d2的外壁之间形成一个向右偏转的滑动腔体，用于补偿机头向左偏转时，右侧的辊面和辊体对纤维丝500的摩擦和牵拉效果，减少铺丝需要转向时，因为铺丝转向造成的丝束脱离基材的情况，保证了部分丝束与铺设面之间压合紧密度；

铺设完毕后，通过升降气缸326a带动切刀326c将丝束剪切断，再进入下一组复合材料的铺放作业。

最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种航空航天复合材料用铺丝机床，包括工作机座（100）和设于工作机座（100）上的龙门架（120），工作机座（100）上架设有用于铺放复合材料的基材的架设台（110），其特征在于：龙门架（120）上设有两组四轴机械臂（200），其中一组四轴机械臂（200）的工作端连接有铺丝机头（300），另一组四轴机械臂（200）的工作端连接有辅助机头（400），铺丝机头（300）和辅助机头（400）共同作业成型该复合材料；

铺丝机头（300）和辅助机头（400）均包括出丝组件（310）和铺丝组件（320），出丝组件（310）设于铺丝组件（320）的上方，出丝组件（310）包括两组放卷器，两组放卷器向同一个铺丝组件（320）中输入纤维丝（500）；

铺丝组件（320）包括张紧辊（323b）、传动辊、调节辊（324）、压辊（325）和铺放辅助组件（326），纤维丝（500）通过传动辊传递至张紧辊（323b）上，从张紧辊（323b）上输入至调节辊（324），调节辊（324）再输入至铺放辅助组件（326）内，由铺放辅助组件（326）输出至压辊（325）的下端面上，再通过压辊（325）将纤维丝（500）不断压合至复合材料的基材上；

铺放辅助组件（326）包括支架（326b）和偏向辊（326d），偏向辊（326d）设于支架（326b）内，偏向辊（326d）上设有两组膨胀套（326d3），在两组膨胀套（326d3）的外侧上均设有锁止气囊（326d2），锁止气囊（326d2）套设在电磁辊套（326d4）的外壁上，锁止气囊（326d2）用于固定电磁辊套（326d4）与偏向辊（326d）之间的相对位置，位于同一个膨胀套（326d3）两侧的电磁辊套（326d4）均可沿着偏向辊（326d）的长度方向移动，当其中一侧的电磁辊套（326d4）向中部移动时，另一侧的电磁辊套（326d4）被锁止气囊（326d2）锁止，电磁辊套（326d4）将膨胀套（326d3）挤压至锁止气囊（326d2）的外壁上，膨胀套（326d3）的外壁和锁止气囊（326d2）的外壁之间组成一个柔性滑动腔体，纤维丝（500）滑动在柔性滑动腔体内。

2.根据权利要求1所述的一种航空航天复合材料用铺丝机床，其特征在于：电磁辊套（326d4）包括辊套和电磁铁座，电磁铁座与辊套同轴设置，两侧的电磁辊套（326d4）的电磁铁座相互平行。

3.根据权利要求2所述的一种航空航天复合材料用铺丝机床，其特征在于：铺放辅助组件（326）还包括切刀（326c）和升降气缸（326a），切刀（326c）设于输入至柔性滑动腔体的前端，切刀（326c）安装于升降气缸（326a）的活塞杆一端，升降气缸（326a）带动切刀（326c）对纤维丝（500）进行剪切作业。

4.根据权利要求3所述的一种航空航天复合材料用铺丝机床，其特征在于：在偏向辊（326d）的中部设有分隔环（326d1），两个膨胀套（326d3）分设于分隔环（326d1）的两侧。

5.根据权利要求4所述的一种航空航天复合材料用铺丝机床，其特征在于：放卷器包括绕丝筒（311a）、拉杆（311b）、活动丝辊（311c）和固定丝辊（311f），纤维丝（500）绕卷在绕丝筒（311a）上，拉杆（311b）通过轴连接在两个活动丝辊（311c）上，活动丝辊（311c）和固定丝辊（311f）的辊面相抵靠设置，绕丝筒（311a）的输出端正对活动丝辊（311c）和固定丝辊（311f）之间的辊面，纤维丝（500）通过两个活动丝辊（311c）和固定丝辊（311f）之间的辊面输出。

6.根据权利要求5所述的一种航空航天复合材料用铺丝机床，其特征在于：放卷器还包括两个校直套，两个校直套分别设于活动丝辊（311c）和固定丝辊（311f）的两侧，两个校直套配合活动丝辊（311c）和固定丝辊（311f）对输出的纤维丝（500）进行校直。

7.根据权利要求6所述的一种航空航天复合材料用铺丝机床，其特征在于：两个放卷器的拉杆（311b）之间连接有同步连杆（313），同步连杆（313）的中部套设于T型连接套（314），T型连接套（314）的端部连接有驱动轴。

8.根据权利要求7所述的一种航空航天复合材料用铺丝机床，其特征在于：铺丝组件（320）还包括热风机（322），热风机（322）的热风端正对输入至压辊（325）下端面的纤维丝（500）。

9.根据权利要求8所述的一种航空航天复合材料用铺丝机床，其特征在于：张紧辊（323b）上安装有辊架，辊架的外壁连接有张紧气缸（323a）。

10.根据权利要求9所述的一种航空航天复合材料用铺丝机床，其特征在于：龙门架（120）可沿着工作基台的长度方向移动，四轴机械臂（200）可沿着垂直于工作基台长度方向移动，四轴机械臂（200）具有四个自由度，四轴机械臂（200）带动铺丝机头（300）向基材表面进行铺丝作业。