CN1191981C - 将纤维件置入模型的通道的方法及纤维置入头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种将纤维件(33)置入模型(10)的通道(11)的方法及纤维置入头，该方法形成构件的肋条，该构件包括平板形、圆柱体形和圆锥体形、或者甚至是自身带有肋条状网格的构件。本发明在提供模型(10)与多个纤维置入头(22)之间的相对运动的同时，通过置入头(22)将纤维件(33)置入模型(10)的多个通道(11)中。按照所需要的次数重复所述的相对运动和置入所述纤维件，以使通道(11)中置入所需厚度的纤维件(33)。每个置入头(22)具有一个单电机驱动轮(37)，用于从供给装置(26)中连续抽出纤维(33)，并且通过置入头(22)供给纤维件(33)。

Description

将纤维件置入模型的通道的方法 及纤维置入头
技术领域
本发明涉及一种自动地将纤维件置入模型的多个通道以形成构件的肋条的方法。本发明还涉及一种用于置放纤维件的纤维置入头，最好是可以通过多个该置入头自动地将纤维件置入模型的多个通道中。
背景技术
通常所说的地磁等变线(isogrid)结构由于其在重量和强度方面都非常有益而得到了发展。这种复合的地磁等变线构件自身包含一种肋条状网格，或者在肋条的一侧或两侧附设有表层或面板。这种地磁等变线结构通过将纤维件置入凹模的通道中形成。纤维件置入通道后，网格固化成形，必要时可将其从模型中取出。如复合层的表层可在网格从模型中取出之前就置于网格的一侧并在其上固化，也可在网格从模型中取出之后将表层或者面板置于其一侧或者两侧。表层或面板可以通过合适的粘接剂固定在肋条上。表层可以是预浸渍的带子或者织布，面板可用任何合适的材料制成。地磁等变线结构可以用于各种用途。例如地磁等变线构件可做成平板、圆柱体、圆锥体或其他任何合适的形状，用于甲板、集装箱、步行桥、建筑材料、汽车用途、遮蔽物、标志、支撑结构、机翼和机身、喷嘴、太空船结构等。自身带有肋条状网格的构件可用于加固浇注结构，如混凝土板。
直到目前为止，还没有一种快速、经济的方法可以有效地将纤维件置入模型中以形成带有肋条的地磁等变线网格结构。按照迄今为止所知的途径，纤维件一次只能被置入模型的一个通道中。这样的过程至少部分通过手工进行。传统的纤维置入系统所用的一种已知方法是使用往复导向板，将一较宽范围的纤维束或纤维带推拉到模型的顶部或模型的通道内。该已知方法是不连续的，具有间隔性且非常慢。另外，这种纤维置入系统体积笨大、价格昂贵。申请人没有更多的相关技术，当然更没有自动的、多个置入头的置入方法。
本发明的目的在于提供一种连续的纤维置入方法以及纤维置入头，其更加省时、更加经济。
附图说明
本发明的特征、及其技术优势，将能够从随后的优选实施例的描述和权利要求以及所附的示意图中得出，其中：
图1示出了具有通道的凹模的一个典型实施例，其用来实现本发明的方法和装置；
图1a为图1所示模型的几个三角形结点区域的放大图；
图2为用来将纤维件置入图1所示的模型中的工作台和台架的主视图；
图3为图2所示装置的俯视图；
图4为图2所示装置的侧视图；
图5a和图5b为表示本发明的纤维置入头组件的两个位置的详细图；
图6所示为没有覆盖表层的肋条状地磁等变线网格结构的典型实施例，并示出了其附件；
图7为用于圆柱形模型的另一实施例的侧视图；
图8为图7所示装置的俯视图；
图9为图7所示装置的主视图；
图10为本发明用于圆锥形模型的另一实施例的侧视图；以及
图11为图10所示装置的俯视图。
发明内容
本发明所述方法的特征主要是在模型与纤维置入头之间提供相对运动，在提供这种相对运动的同时通过置入头将纤维件置入模型的多个通道中，根据需要重复这种相对运动和置入运动，从而在通道内置入所需厚度的纤维件，形成网格结构。
本发明的纤维置入头特征在于，具有一个从纺锤或其他供给装置中连续抽出纤维件的单电机驱动轮，将纤维件导入模型通道的导向装置，以及将纤维件压紧在通道中的压紧装置。
根据本发明，能够将多个这样的纤维置入头用于一个装置中，该装置的特征在于，能够提供置入头与模型之间的相对运动，以及自动控制置入头及置入头与模型之间的相对运动。
本发明的方法和纤维置入头可以将纤维件同时置入模型的多个通道中，形成构件的肋条，从而可极大地缩短工时和降低成本。特别是通过使用几个这样的置入头，将纤维件置入模型通道所需的路径数减少了。换句话说，提供了将纤维件置入模型通道的多个置入过程。另外，通过减少在将纤维件置入模型通道中时的手工操作，这种纤维置入的时间被大大缩短了，并且整个生产成本也降低了。
本发明的另外一些特征将在随后详细描述。
优选实施例详细说明
现在详细参照附图，图1所示为结合本发明的方法和装置所使用的地磁等变线模型的示例。该模型以标号10表示，为一凹模(female mold)，该凹模是从一为特定用途而设计的凸模(malemold)浇注而成，也可以用切削设备如刳刨工具通过切削固态或硬质材料制成。模型可以由聚合材料包括橡胶和泡沫塑料制成，或者也可以由一些其他的材料例如碎屑胶合板制成。前述的凸模可以是机加工形成的带有地磁等变线图案的金属铸盘。但也可以先用立体光刻制模方法形成复合凸模。然后通过浇注聚合材料如硅橡胶使铸盘和硅橡胶固化，例如在室温放置24小时，从而形成凹模10。
凹槽或者通道11位于模型10的一个表面上并且形成地磁等变线图案。这些通道11在三个不同的方向上延伸，最好彼此呈60°，如+60°、-60°、和0°三个方向，这样共同形成三角形，最好为等边三角形。在图1所示的模型10的实施例中，该模型为平板形，模型10也可以是其他的形状，随后将详细说明。
下面首先讨论使用图1所示的平板凹模10的平板型产品的生产。为了将纤维件置入模型10的通道11内，模型被放置到图2所示的X、Y、Z三维计算机工作台上。在该实施例中，台架20构成该X、Y、Z三维工作台。地磁等变线结构例如平板在制作前首先作好准备，分别将预浸渍的纤维件如纤维束置入模型10的凹槽或通道11中和结点12中。这是通过多个纤维置入头组件22以自动方式完成的，随后将进一步详细说明。纤维置入头组件或称置入头22可以相对模型10运动，以便从不同的方向将纤维件置入通道11中。例如可以将置入头22设置于置入头传动轴23上，以在其上可移动的方式设置。另外，台架20可以在其基座24上移动，其方向既可以相对轴23垂直也可以与其成某个角度。预浸渍纤维件所在的纺锤或线轴26也通过合适的支架设置在台架20上。从俯视图图3中可以看到置入头22与轴23和轨道装置27(track means)均成一角度运动，为将纤维件置入成一定角度的通道11中，置入头22不但要沿着轴23运动，而且要在轨道装置27上沿着与轴23垂直的方向上运动，该过程由电机28完成，这些电机28由计算机操纵，用来控制和移动置入头22和台架20。当然模型10也可采用可移动式而非固定式设置在工作台上。例如，使模型10在两个相互垂直的方向上移动，或者使模型在一个方向上移动，而置入头22在与其相垂直的方向上移动，从而可以将纤维件置入模型10的所有通道中。
图4示出了各纺锤26如何设置于安装在支撑装置31内的轴30上。本发明装置的这个侧视图还示出了置入头22怎样沿轴23和轨道装置27移动以将纤维件置入模型10的通道11中。纺锤26的数量应该与置入头22的数量相对应，并且最好随着置入头移动。
图5a和图5a为表示纤维置入头组件22的两个不同位置的详细视图。置入头22可以放置、压紧、加热以及切断所说的纤维件33，例如用树脂浸渍的纤维束或单纤维带，这些纤维束或单纤维带贮备于各纺锤26中并可从其上抽出。纤维件33首先通过一系列的导轮34送料，然后经过一导轮35，该导轮是摇臂张紧装置或机构36的一部分，如弹性支撑式或其他合适类型的张紧装置，可使纤维件保持合适的张紧度，并控制连续送料系统38的单向轮37的转速。由电机装置39驱动的该轮37用来从纺锤26中连续抽出纤维件33，并且通过纤维置入头组件22送料。纤维件可以设置在轮37的部分圆周上。压紧轮40和41可以使未干透的纤维件33紧贴轮37并防止其相对于轮37滑移。导轮42是另一摇臂张紧装置43的一部分，可以使纤维件33保持合适的张紧度，从而在必要时，借助一可读取该张紧度的计算机，可以调节轮37的转速，使纤维件加速和减速送料。该两个张紧装置36和43最好彼此同步，并且与电机装置39的转速同步，这样，如果纤维件33的张紧度不在规定的范围内，可以自动进行适当的调节。另外还有一导轮44。
在纤维件33置入模型10的通道11的过程中，压紧轮45通过一摇杆装置及一具有气动活塞和螺线管电机47的旋转臂组件46被降低。气动活塞用来控制压紧轮45的压力，通过对纤维件提供适当的压力可确保将纤维件正确地置入通道11中，组件46上还设有一导轮48如V型导轮将纤维件33导引到压紧轮45上。该导轮48还用来控制纤维件33的放下、张开(如果需要的话)及切断。一固化装置49如纤维光学管、热玻璃管等可用来使纤维件33不完全固化或加热该纤维件33，如果需要，该操作可在纤维件置入通道11之前进行。还有一切断装置50，当纤维件达到通道11的终端时可将其切断，随后将进行详细描述。
根据本发明的优选实施例，纤维置入头组件22的数量须与在模型10的给定方向上延伸的通道11的最大数量一致。例如，在图3所示的纤维置放系统的实施例中，置入头22的数量与在任一角度方向延伸的通道11的数量相一致。因而，在这种情况下，对每层纤维件33来说，都需要在模型10中用纤维置入头组件22产生三条路径，以便将纤维件置入模型通道11中，也就是说，每一次要置入在所有三个方向上延伸的通道11中。然而，置入头22的数量在任何方向上都与通道11的数量相一致也并非绝对必要。对于较大的模型来说，实际运用中就不是这样。虽然如此，仍然要提供多个置入头22，从而可以减少任意指定方向的路径数量及速度，使地磁等变线构件的生产更加经济。尽管如同所指出的那样本发明方法是由多个纤维置入头组件22来运转的，下面将仅结合一个置入头详细解释本发明。
在图5a中，所示为纤维置入头组件22处在纤维件33放下之前的位置。如图中箭头所示，置入头22移到了图中的左边。在该放下之前的位置，压紧轮45上升而导轮48下降。该导轮48具有纤维件33的“抓取工具”或者具有适当的表面，能够“抓取”纤维件33。如图所示，纤维件33已经穿入置入头组件22并且准备置放到通道11中。还应该注意，从图3可以看出，并不是所有的通道11，即那些沿某个角度延伸的通道都具有相同的长度，所以这些通道通过各自的置入头22置入有不同长度的纤维件。图5a所示的置入头22的位置保持不变直到达到模型10的边缘。然而，如果纤维件33是张开的，图5a所示的位置能保持较长的一段时间。在上下文中，术语“张开”的意思是指单个的纤维件彼此相分开。这种情况借助模型自身较宽的通道部，在接近模型10的边缘处发生。纤维件33张开可以用于使地磁等变线结构相互连接，也可以用于使一地磁等变线结构与另一结构相连接。还可以有其它的连接方法将在随后详细论述。为使纤维件33张开或分离，摇杆和旋转臂组件46能够如图5a所示的那样旋转，以改变导轮48的位置。当需要将纤维件33压紧到通道11内时，使导轮48上升，较大的压紧轮45下降，如图5b所示。当通道11中的纤维件33达到合适的长度时，其或者位于通道的端部，或者超出通道时，纤维件33就会被切断装置50切断，这也可以在图5a所示的那些轮所处的位置完成。根据纤维件33所要求的条件，纤维件可以被加热，如为增加胶粘性，或者为了借助前述装置49使纤维件33在置入通道11内之前不完全固化。
上述过程因为后面说明的原因，按照所需的次数在相同的方向或者最好在交替的方向重复，使通道11中纤维件的厚度达到所需。为了避免模型10的通道11的交叉点处肋条较厚，这些交叉区域具有较宽的三角形结点12(如图1a)，其允许纤维件在某种程度上扩散，并且防止在交叉点或交迭点堆积。改变纤维放入的方向也可以保证纤维件33在结点12上的均匀布置。另外，这些富含树脂的结点区域是能否与设置于肋条上的表层或者面板合格地粘结的关键。另外，这些结点区域可以用作连接点，例如安装合页、柱杆、电子盒等(在图6的实施例中合页14安装在柱杆15上)。并且也可以用此处来使地磁等变线结构相互连接或者与其他结构相连接。例如，通过工字梁一类的装置可以使各个结构之间相互连接。在将纤维件33置入通道11中后，肋条状的地磁等变线构件也随之完成，尽管如前所讨论的，该结构随后可以被固化，表层可以附着连接或者粘结于其上等。图6所示的完成的肋条状的地磁等变线结构的实施例中，其上没有表层。尽管该结构中示出了连接件14，但该种结构并不是一定要有连接件。还应该注意到，连接件也可以连接于该种结构的表层或者面板上，例如通过柱杆15等。图1所示的柱杆15可以在模型10上的纤维件33固化之前就插入。
应当说明的是，按照本发明的较佳实施例，通过置入头22将纤维件33置入模型10的通道11的速率为每分钟90英尺。纤维件33的宽度可为1/4到1/2英寸，即使宽度达到一英寸也可以适应。仅举例来说，典型的平板尺寸为3英尺×4英尺或者3英尺×5英尺。
以上讨论的是将纤维件33置入平板形模型10的通道11中。然而，根据本发明所使用的模型也可以具有其他所要求的形状。例如，参照图7-9，所示为本发明用于圆柱形的模型10A的情形。该模型可以用聚合材料制成，如软质材料，其可以使模型卷绕成所需的形状。但该模型10A也可以用坚固的材料制成，其上带有机加工出的通道。
在图7中，模型10A置于一电机驱动的旋转心轴52上。纤维置入头组件22设置于台架20A的圆周部，如图9所示。台架20A安装成可以使其在轨道装置27上移动，使台架20A及置入头22可以在平行于旋转心轴52的轴线的图7双箭头所示的方向上移动。这样，通过使心轴52上的模型10A旋转，和/或在平行于心轴52的轴线方向上移动置入头22，纤维件33可以按照前述的方式使用置入头22置入模型10A的所有通道11中。
按照相似的方式，本发明可以用来制造圆锥形的地磁等变线构件，如图10、11和图9所示。
如前述所示，该发明的方法和纤维置入头组件适于自动操作。这可以借助于可编程控制器来实现，如图7、8和10、11中所示的控制器53。通过对控制器53编程，使其能够响应和控制许多运行参数，包括通过纤维置入头组件22供给纤维件的送料速度，纤维件33的置入速度，运行的置入头22的数量，置入通道11内的纤维件33的长度，置入头22所完成的路径的数量等，控制器53根据所生产的特定的地磁等变线结构编程，并且依靠能将信息传送给控制器23的适当的传感器，能对各种运行参数作出响应，包括置入头22中纤维件33的张紧度。有多种熟知的方法用于感应和传送参数值到所述的控制器53中并从该控制器53将调整信号反馈到置入头组件22和其他的工作部件。
纤维件33可以由各种合适的材料制成，包括玻璃、玻璃纤维、石墨、聚酰胺树脂等。另外，这些纤维件可以是由大量单个细丝组成的纤维束，既可以是大的单个细丝，也可以是由几个纤维束组成的带。纤维用各种不同类型和不同量的树脂浸渍，例如热固性、热塑性及非热固化的各种树脂，可以选择的树脂的量或比例根据所用树脂材料和地磁等变线结构的具体用途而不同，特别是表层或其他的板是否附着在所述肋条状的结构上。
考虑前面所述，可以看出本发明不仅提供了一种新的纤维置放方法，而且还提供了一种实现该方法的新的置入头，特别是用于一种带有通道的模型的装置，所有这些都是为了生产地磁等变线构件，例如平板形、圆柱体形、圆锥体形或其他所需要的形状的地磁等变线构件。
当然，本发明并不局限于说明书和附图的具体公开，而是包括在所附权利要求范围内所作的任何修改。

Claims (11)

1.一种将纤维件置入任意所需形状的模型(10)的多个通道(11)中以形成构件的肋条的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
提供多个纤维置入头(22)；
提供所述模型(10)与所述置入头(22)之间的相对运动，同时通过所述置入头(22)将所述纤维件(33)置入所述模型(10)的多个所述通道(11)中；以及
按照所需的次数重复所述的相对运动和置入步骤，在所述通道(11)中置入所需厚度的所述纤维件(33)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模型(10)的所述通道(11)在彼此相对的三个方向上延伸，并且其中所述的提供相对运动和置入的步骤包括将所述纤维件(33)置入那些在第一方向延伸的通道(11)中，然后将所述纤维件置入那些在第二方向上延伸的通道中，再将所述纤维件置入那些在第三方向上延伸的通道(11)中，其中所述的提供相对运动和置入的步骤包括相对所述模型(10)移动所述置入头(22)，或者在相对所述置入头的第一方向上移动所述模型，或者其中所述的提供相对运动和置入的步骤包括在彼此垂直延伸的两个不同方向上同时移动所述置入头(22)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括另一将所述模型(10)置于心轴(52)上的步骤，并且其中所述的提供相对运动和置入的步骤包括：相对所述置入头(22)使所述模型(10)旋转，以及在与所述心轴(52)的旋转轴平行的方向上移动所述置入头或所述模型。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述放置所述纤维件(33)的步骤包括：将所述纤维件引入所述通道(11)中并且在其上将所述纤维件压紧；其特征还在于，包括另一在所述置入步骤之后，当所述纤维件到达通道(11)的末端时或到达末端之后切断所述纤维件(33)的步骤；和/或，还包括另一在将所述纤维件置入所述通道(11)中的所述步骤之前加热或者初步固化所述纤维件(33)的步骤；和/或，还包括另一相对于前一纤维件的置入的后一纤维件的置入步骤中，并且在纤维件到达通道(11)末端之前，使所述纤维件(33)张开的步骤；和/或，还包括另一从供给装置(26)中连续抽出所述纤维件(33)的步骤。
5.根据权利要求2所述的方法，其中实现所述置入所述纤维件(33)的步骤的特征在于，在所述模型(10)的任意给定方向上使用与所述通道(11)的最大数量相一致的多个所述纤维置入头(22)。
6.将纤维件(33)同时置入模型(10)的多个通道(11)中，以形成构件的肋条的多个纤维置入头，所述的每一个置入头(22)的特征在于，具有：
用于从供给装置(26)中连续抽出纤维件(33)以及通过所述纤维置入头(22)供给所述纤维件的单电机驱动轮(37)，其中所述纤维件设置于所述单电机驱动轮(37)的部分圆周面上；
用于导引所述纤维件(33)穿过所述纤维置入头(22)的导轮；以及
用于在所述通道(11)内压紧所述纤维件(33)的装置(45-47)，其中所述单电机驱动轮(37)向所述压紧装置供给所述纤维件。
7.根据权利要求6所述的纤维置入头，其特征在于，所述供给装置(26)是所述置入头(22)各自的纺锤，其特征还在于，至少具有一个另外的导轮用于将所述纤维件(33)导引到所述模型的所述通道(11)中，其中所述压紧装置包括一压紧轮(45)，而且还进一步具有一气动活塞和螺线管电机组件(47)，以控制所述至少一个另外的导轮和所述压紧轮(45)的运动和施加在所述纤维件(33)上的压力，并且通过控制所述单电机驱动轮(37)的速度，使所述轮在所述纤维件(33)上保持适当的张紧度。
8.根据权利要求7所述的纤维置入头，其特征在于，具有至少一个张紧装置(36，43)，用于调整所述纤维件(33)及其在穿过所述置入头(22)中时的张紧度以及用于在所述纤维件置入通道(11)中后切断所述纤维件的切断装置(50)，其中所述切断装置位于所述压紧轮(45)之前并与其相邻。
9.根据权利要求7所述的纤维置入头，其特征在于，还具有所述纤维件(33)的加热或固化装置(49)。
10.根据权利要求6所述的纤维置入头，其特征在于包括：
用于提供所述模型(10)与所述置入头(22)之间的相对运动的装置(20)；以及
用于自动控制所述置入头(22)和所述的相对运动的装置(53)。
11.根据权利要求10的纤维置入头装置，其特征在于，所述提供相对运动的装置(20)是一个台架，所述置入头(22)可移动地安装在其上，并且包括一将所述模型(10)安装于其上的旋转心轴(52)，其中所述自动控制所述置入头(22)的装置是一个可编程控制器(53)，其可以控制所述置入头的运行参数以及所述模型(10)与所述置入头(22)间的所述相对运动的运行参数。
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