CN204982289U - 一种碳纤维立体织物成型的穿刺与压实装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种碳纤维立体织物成型的穿刺与压实装置，包括上端驱动装置、穿刺装置和移动式工作台；所述上端驱动装置由三相异步电机驱动小带轮通过V带带动大带轮；所述大带轮与离合器一端紧固连接，所述离合器与曲轴的一端键连接，所述曲轴通过四个轴承座固定于上板，曲轴连杆固定在所述曲轴中间，下端通过连接座与穿刺装置的上穿刺板连接；通过三相异步电机的旋转带动穿刺模板完成穿刺动作；移动板通过四角的所述直线轴承套在四根所述光轴上并通过丝杠螺母与梯形丝杠连接，移动板上固定着移动式工作台；本实用新型用于叠层机织碳布的穿刺与压实，实现了叠层机织碳布的穿刺加压密实功能的自动化，提高了工作效率、降低了工作人员的劳动强度。

Description

一种碳纤维立体织物成型的穿刺与压实装置

技术领域

本实用新型涉及叠层碳布穿刺设备技术领域，尤其涉及一种碳纤维立体织物成型的穿刺与压实装置。

背景技术

三维织物是近40年来发展起来的性能最优的纤维增强结构，主要用于航空、航天、汽车、医疗及新技术领域。整体穿刺技术是三维织物的一种成型技术，其工艺采用预先制造的机织布置于等距密排Z向钢针方针的顶端，机织布在穿刺模板与钢针方阵的顶端，机织布在穿刺模板与钢针方阵的相对运动下，被钢针刺过，并被推至钢针的下端实施加压密实，待达到一定高度后，再由Z向纤维逐一取代Z向钢针，如此形成机织物整体穿刺织物。碳纤维立体织物穿刺装置是将叠层碳纤维织物放置在穿刺模板上，通过控制系统自动完成碳纤维织物的整体穿刺与压实工作。

随着科学技术的进步，人们逐步将以往手工操作的流程、工艺与信息、微电子、自动化、精密制造等技术有机结合起来，以提高生产效率、降低劳动强度。与传统的手工操作相比，自动化生产装备具有操作准确，生产效率高，降低劳动强度，节省生产成本的优点。为此，人们研制了各种穿刺设备。

学术论文“碳布整体穿刺织物编织工艺与结构参数优化”对碳布整体穿刺织物编织工艺技术进行了详细研究，对整体穿刺编织工艺中碳布的纤维运动模式和力学行为，以及Z向钢针的力学行为进行了系统的分析研究，其中设计并研制了整体穿刺机等设备，该设备通过高精度油缸和液压系统控制穿刺模板的上下运动来完成对碳布的整体穿刺，完成碳布整体穿刺后，通过调节液压系统的压力，增加模板的向下作用力，经过一定时间的保持压力，拆除模板穿刺机上行，完成一次加压密实。其不足在于那个油缸的精度受液压油温升的影响不稳定，从而影响碳纤维立体织物的成型质量。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是，提供了一种碳纤维立体织物成型的穿刺与压实装置，该装置可实现碳布穿刺与压实的自动化、连续化，并能够提高整体穿刺成型碳纤维立体织物的生产效率。

为了解决上述技术问题本实用新型一种碳纤维立体织物成型的穿刺与压实装置予以实现的技术方案是：一种碳纤维立体织物成型的穿刺与压实装置，包括上端驱动装置，由三相异步电机驱动小带轮通过V带带动大带轮；所述大带轮与离合器一端紧固连接，另一端安装在左侧的侧板上，所述离合器与曲轴的一端键连接，该曲轴的另一端与制动器键连接；所述曲轴通过四个轴承座固定于上板；所述制动器固定在右侧的侧板上；所述左右两侧的侧板通过支撑筋与所述上板相连，两条支撑铝型材与两侧板连接保持其与所述上板的垂直度；曲轴连杆固定在所述曲轴中间，下端通过连接座与穿刺装置的上穿刺板连接，所述上穿刺板通过穿刺连接板与穿刺下板相连，所述上穿刺板和穿刺下板的四角位置均设有直线轴承并分别套装在四根光轴上；所述四根光轴两端通过光轴座分别固定在所述上板和底板上；通过三相异步电机的旋转带动穿刺模板完成穿刺动作；移动板通过四角的所述直线轴承套在四根所述光轴上并通过丝杠螺母与梯形丝杠连接，移动板上固定着移动式工作台；所述移动式工作台的X-Y平台底板上固定有Y-步进电机，通过驱动滚珠丝杠来驱动Y-工作台在Y方向运动，所述Y-工作台上固定有X-步进电机驱动滚珠丝杠来实现X-工作台在X方向运动；所述X-工作台上装有步进电机驱动的蜗轮蜗杆减速器来实现旋转工作台下板上的旋转工作台的转动；固定移动板的两根所述梯形丝杠底端与伺服电机连接；所述伺服电机固定在底板的下端；通过控制所述Y-步进电机，移动式工作台移出预穿刺位置将装有超长穿刺钢针的钢针阵列固定在X-Y工作台的旋转工作台上。

控制系统包括人机界面、PLC可编程逻辑控制器、与交流伺服电机联接的交流伺服电机驱动器、与所述闭环步进电机联接的闭环步进电机驱动器；所述人机界面用于指令的输入与显示，所述人机界面通过数据线与PLC可编程逻辑控制器相连，将信号传输到PLC可编程逻辑控制器中，PLC可编程逻辑控制器向所述交流伺服电机驱动器、所述步进电机驱动器及所述三相异步电机发出脉冲信号，从而控制所述移动板的升降和所述工作台在XY轴上的移动、旋转工作台的旋转及带轮的转动，使穿刺模板移动到穿刺位置从而完成碳布的加压与密实工艺。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型用于叠层机织碳布的穿刺与压实，实现了叠层机织碳布的穿刺加压密实功能的自动化，提高了工作效率、降低了工作人员的劳动强度。

附图说明

下面通过参考附图并结合实例具体地描述本实用新型，本实用新型的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本实用新型的解释说明，而不构成对本实用新型的任何意义上的限制，在附图中：

图1是本实用新型碳纤维立体织物成型的穿刺与压实装置的主视图；

图2是本实用新型碳纤维立体织物成型的穿刺与压实装置的左视图；

图3是本实用新型碳纤维立体织物成型的穿刺与压实装置的俯视图；

图4是本实用新型碳纤维立体织物成型的穿刺与压实装置的示意图；

图5是本实用新型碳纤维立体织物成型的穿刺与压实装置移动工作台主视图；

图6是本实用新型碳纤维立体织物成型的穿刺与压实装置移动工作台左视图；

图7是本实用新型碳纤维立体织物成型的穿刺与压实装置移动工作台俯视图；

图8是本实用新型碳纤维立体织物成型的穿刺与压实装置移动工作台立体图；

图9本实用新型碳纤维立体织物成型的穿刺与压实装置的控制系统框图；

图10是本实用新型碳纤维立体织物成型的穿刺与压实装置的穿刺速度计算方法示意图；

图中：

1、上端驱动装置2、穿刺装置3、移动式工作台

101、曲轴102、曲轴连杆103、轴承座

104、离合器105、制动器106、大带轮

107、侧板108、支撑铝型材109、支撑筋

110、连接座111、小带轮112、三相异步电机

113、位置传感器A114、位置传感器B115、上板

201、穿刺上板202、穿刺连接板203、穿刺下板

204、穿刺板205、光轴206、直线轴承

207、光轴座301、X-Y工作台302、梯形丝杠

303、丝杠螺母304、底板305、伺服电机

306、接近开关307、移动板301-1、X-Y滑台底板

301-2、Y-步进电机301-3、接近开关301-4、接近开关固定导轨

301-5、Y-工作台301-6、X-工作台301-7、蜗轮蜗杆减速器板

301-8、旋转工作台下板301-9、旋转工作台301-10、X-步进电机

301-11、蜗轮蜗杆减速器

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步详细地描述。

如图1所示，本实用新型一种碳纤维立体织物成型的穿刺与压实装置，包括上端驱动装置1，所述上端驱动装置1由三相异步电机112驱动小带轮111通过V带带动大带轮106；所述大带轮106与离合器104一端紧固连接，另一端安装在左侧的侧板107上，所述离合器104与曲轴101的一端键连接，该曲轴101的另一端与制动器105键连接；所述曲轴101通过四个轴承座103固定于上板115；所述制动器固定在右侧的侧板107上；所述左右两侧的侧板107通过支撑筋109与所述上板115相连，两条支撑铝型材108与两侧板107连接保持其与所述上板115的垂直度；曲轴连杆102固定在所述曲轴101中间，下端通过连接座110与穿刺装置2的上穿刺板201连接，所述上穿刺板201通过穿刺连接板202与穿刺下板203相连，所述上穿刺板201和穿刺下板203的四角位置均设有直线轴承206并分别套装在四根光轴205上；所述四根光轴205两端通过光轴座207分别固定在所述上板115和底板304上；通过三相异步电机112的旋转带动穿刺模板完成穿刺动作；

如图2所示，移动板307通过四角的所述直线轴承206套在四根所述光轴205上并通过丝杠螺母303与梯形丝杠302连接，移动板307上固定着移动式工作台3；

如图5所示为本实用新型碳纤维立体织物成型的穿刺与压实装置中移动工作台的主视图，所述移动式工作台3的X-Y平台底板301-1上固定有Y-步进电机301-2，通过驱动滚珠丝杠来驱动Y-工作台301-5在Y方向运动，所述Y-工作台301-5上固定有X-步进电机301-10驱动滚珠丝杠来实现X-工作台301-6在X方向运动；所述X-工作台301-6上装有步进电机驱动的蜗轮蜗杆减速器301-11来实现旋转工作台下板301-8上的旋转工作台301-9的转动；固定移动板307的两根所述梯形丝杠302底端与伺服电机305连接；所述伺服电机305固定在底板304的下端；通过控制所述Y-步进电机301-2，移动式工作台3移出预穿刺位置将装有超长穿刺钢针的钢针阵列固定在X-Y工作台301的旋转工作台301-9上。

图9所示为本实用新型碳纤维立体织物成型的穿刺与压实装置的控制系统框图，该装置的控制系统包括：人机界面404、PLC可编程逻辑控制器403、一组两个伺服电机驱动器401分别联接两个伺服电机305，一组三个步进电机驱动器402分别联接三个步进电机，一个三相异步电机112。所述人机界面404用于指令的输入与显示，所述人机界面404通过数据线与PLC可编程逻辑控制器403相连，将信号传输到PLC可编程逻辑控制器403中，PLC可编程逻辑控制器403向所述交流伺服电机驱动器401、所述步进电机驱动器402及所述三相异步电机112发出脉冲信号，从而控制所述移动板307的升降和所述工作台在XY轴上的移动、旋转工作台301-9的旋转及带轮的转动，使穿刺模板移动到穿刺位置从而进行碳布的穿刺动作。工作人员在所述人机界面404输入需要制造碳纤维立体织物的相关数据，装置自动实现穿刺与压实功能，也可通过按钮来手动控制工作台上升下降与平移。所述人机界面404将数据传输到所述PLC可编程控制器403从而实现其功能。所述可编程逻辑控制器403选用型号为VIGORVB1-24MT-D系列。

所述交流伺服电机305和所述交流伺服电机驱动器401选用的型号系列为SGMJV-04A和SGDV-2R8A。所述闭环步进电机和闭环步进电机驱动器402选用的型号系列为56SBYG250EK-SASSBL-0602、57BYGH7601和SS-20804。所述三相异步电机112选用的型号系列为YL80M2-4。所述人机界面404选用的型号系列为昆仑通态TPC1062KS型触摸屏和TPC7062KS系列触摸屏。

通过PLC控制步进电机使带有钢针阵列的工作台移动到预穿刺位置，并通过控制所述蜗轮蜗杆减速器301-11上的步进电机调整钢针阵列角度，PLC控制底部伺服电机305带动所述梯形丝杠302旋转使所述移动板307上升到穿刺位置；当钢针阵列到达指定位置，操作人员用隔撑将叠层碳布平铺在钢针阵列上，三相异步电机112驱动小带轮111通过V带带动所述大带轮106从而使所述曲轴101旋转，所述曲轴101通过所述曲轴连杆102带动穿刺模板向下穿刺，实现一次组穿刺功能后，位置传感器114触发信号通过控制系统控制所述离合器104和所述制动器105使所述曲轴101停止运动；所述伺服电机305驱动所述梯形丝杠302使钢针阵列上升到指定位置，操作人员放置另一组碳布，装置重复之前动作；操作人员通过人机界面404输入碳布高度尺寸、碳布层数和压实时间等数据，当碳布达到指定厚度时，传感器触发信号，控制器PLC控制，所述伺服电机305带动所述梯形丝杠302使所述移动板307上升到合适高度，所述三相异步电机112通过一些列传动装置带动所述曲轴101旋转使穿刺模板到达指定位置，并按照指定时间停留，实现对碳布的压实功能。

如图10所示，本实用新型碳纤维立体织物成型的穿刺与压实装置的穿刺速度通过速度瞬心法计算获得，当曲轴与曲轴连杆构成角度时，穿刺模板与碳布接触即碳布穿刺瞬间，图10中，1为曲轴行程，2为曲轴连杆长度，曲轴的转速ω为已知，通过作图得知瞬心点的位置，进而瞬时穿刺速度可通过以下公式计算求得：

$\mathrm{\ω}*\stackrel{\‾}{P_{13}{P}_{14}}=V_3$

尽管上面结合附图对本实用新型进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (2)

1.一种碳纤维立体织物成型的穿刺与压实装置，其特征在于：包括上端驱动装置(1)，所述上端驱动装置(1)由三相异步电机(112)驱动小带轮(111)通过V带带动大带轮(106)；所述大带轮(106)与离合器(104)一端紧固连接，另一端安装在左侧的侧板(107)上，所述离合器(104)与曲轴(101)的一端键连接，该曲轴(101)的另一端与制动器(105)键连接；所述曲轴(101)通过四个轴承座(103)固定于上板(115)；所述制动器固定在右侧的侧板(107)上；所述左右两侧的侧板(107)通过支撑筋(109)与所述上板(115)相连，两条支撑铝型材(108)与两侧板(107)连接保持其与所述上板(115)的垂直度；曲轴连杆(102)固定在所述曲轴(101)中间，下端通过连接座(110)与穿刺装置(2)的上穿刺板(201)连接，所述上穿刺板(201)通过穿刺连接板(202)与穿刺下板(203)相连，所述上穿刺板(201)和穿刺下板(203)的四角位置均设有直线轴承(206)并分别套装在四根光轴(205)上；所述四根光轴(205)两端通过光轴座(207)分别固定在所述上板(115)和底板(304)上；通过三相异步电机(112)的旋转带动穿刺模板完成穿刺动作；移动板(307)通过四角的所述直线轴承(206)套在四根所述光轴(205)上并通过丝杠螺母(303)与梯形丝杠(302)连接，移动板(307)上固定着移动式工作台(3)；所述移动式工作台(3)的X-Y平台底板(301-1)上固定有Y-步进电机(301-2)通过驱动滚珠丝杠来驱动Y-工作台(301-5)在Y方向运动，所述Y-工作台(301-5)上固定有X-步进电机(301-10)驱动滚珠丝杠来实现X-工作台(301-6)在X方向运动；所述X-工作台(301-6)上装有步进电机驱动的蜗轮蜗杆减速器(301-11)来实现旋转工作台下板(301-8)上的旋转工作台(301-9)的转动；固定移动板(307)的两根所述梯形丝杠(302)底端与伺服电机(305)连接；所述伺服电机(305)固定在底板(304)的下端；通过控制所述Y-步进电机(301-2)，移动式工作台(3)移出预穿刺位置将装有超长穿刺钢针的钢针阵列固定在X-Y工作台(301)的旋转工作台(301-9)上。

2.根据权利要求1所述碳纤维立体织物成型的穿刺与压实装置，其特征在于：还包括控制系统，所述控制系统包括人机界面(404)、PLC可编程逻辑控制器(403)、与交流伺服电机(305)联接的交流伺服电机驱动器(401)、与闭环步进电机联接的闭环步进电机驱动器(402)；所述人机界面(404)用于指令的输入与显示，所述人机界面(404)通过数据线与PLC可编程逻辑控制器(403)相连，将信号传输到PLC可编程逻辑控制器(403)中，PLC可编程逻辑控制器(403)向所述交流伺服电机驱动器(401)、所述步进电机驱动器(402)及所述三相异步电机(112)发出脉冲信号，从而控制所述移动板(307)的升降和所述工作台在XY轴上的移动、旋转工作台(301-9)的旋转及带轮的转动，使穿刺模板移动到穿刺位置从而完成碳布的加压与密实工艺。