CN205058644U - 一种用于复合材料自动铺放的模块化铺丝头 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于复合材料自动铺放的模块化铺丝头，基于6轴机器人平台设计，用于铺设复合材料构件。其主要特征是，铺丝头基于完全模块化设计，包括丝卷安装模块(C)、收衬纸模块(D)、张力检测模块(B)、丝束转向模块(A)、剪切、夹紧、丝束重新输送模块(E)，加热器(F)，压辊等；具有同时铺设8束复合材料预浸丝的能力，每根丝束单独控制，可以独立的进行丝束的剪切和剪切后的重新输送；基于快速更换的结构设计，可方便的进行铺丝头的安装、拆卸，丝束的安装、更换；基于裸露的丝道设计，可以方便的进行铺丝头的清洁；使用的复合材料预浸丝束的宽度为3.17mm、6.35mm和12.7mm宽3种。

Description

一种用于复合材料自动铺放的模块化铺丝头

技术领域

本实用新型用于复合材料自动铺放成型技术领域，涉及一种用于复合材料自动铺放的模块化铺丝头。

背景技术

复合材料构件以其优异的性能，高比强度、高比模量、耐疲劳、工艺性好，广泛用于航空航天领域，大量使用复合材料是航空器的发展趋势。在常见的复合材料制造技术，如基于液体成型的RTM技术，基于预浸料带的纤维缠绕技术、拉挤成型技术和自动铺放成型技术，其中，复合材料自动铺放成型技术是增加复合材料用量、提高制造技术水平与效率、保证产品质量和降低成本的关键技术。而自动铺丝成型技术是自动铺放成型技术之一，其优点是在铺设复杂曲率构件时有更强的适应能力，制造出的构件质量更高。

自动铺丝成型技术是近年来发展速度最快、前景最好的复合材料成型技术之一。自动铺丝成型技术通过铺丝头的压辊将宽度为3.17mm、6.35mm或12.7mm宽的预浸料丝束铺设到芯模的表面。铺丝头需要有正常铺层，丝束压紧，丝束剪切，丝束重送等功能，以完成复杂结构零件的自动铺放工作。

自动铺放成型技术在国外已经得到长足的发展，相关技术非常完备。美国专利US7849903B2公开了一种旋转切割和重送的铺丝头，其切割和重送结构复杂，铺丝头的丝道是封闭的，且铺丝头上不带有丝卷。美国专利US2014/0238612A1公开了一种基于龙门架机体的铺放头，其结构复杂，质量较重，丝道设计很复杂。由于铺放设备结构复杂，控制要求高，以及相关领域发展不完善，国内技术水平较低，仅停留在科研院所的研究阶段。国外不仅对我们进行技术封锁，引进一套自动铺放设备价格也十分昂贵。本实用新型旨在提供一种可用于自动铺丝成型技术的铺丝头。

总体来说，公开资料所见的国内能进行多丝束铺放的铺丝头几乎没有，国外虽说有很多成熟的产品，但是大多结构复杂，所承载的机体也多为龙门式，且对国内进行技术封锁。所以实用新型一种结构简单，性能优秀的铺丝头，既能打破国外的垄断，也能提高国内的技术水平。

实用新型内容

本实用新型旨在提供一种用于复合材料自动铺放的模块化铺丝头及方法，用于铺设复合材料构件，其质量较轻，结构简单，具有同时铺设8束复合材料纤维丝束的能力，每根丝束独立控制，具有丝束的夹紧、剪切和剪切后的重送功能。填补了国内在多丝束复合材料纤维丝自动铺设领域的空白；相比国外同类型的设备，立足于6轴机器人平台，结构简单，功能齐全。

本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种用于复合材料自动铺放的模块化铺丝头，其特征在于，包括圆盘状背板，以及设置在圆盘状背板上的：

周向均匀设置在圆盘状背板上的至少八个丝卷安装模块：包括用于调节丝束张力的磁粉制动器，用于安装轴承的轴承座，用于轴承外圈定位的轴承端盖，角接触球轴承，将轴承端盖和磁粉制动器连接在一起的垫环，丝卷,用于安装丝卷的中间轴,将磁粉制动器的扭矩传递给中间轴的联轴器，用于丝卷定位的挡圈，固定丝卷的螺母；

与丝卷安装模块数量对应的收衬纸模块：包括用于收衬纸的套筒，角接触球轴承，轴承座和轴承端盖，用于套套筒的轴，固定套筒用的螺母

与丝卷安装模块数量对应的张力检测模块：能够自由地上下运动，包括固定整个模块用的基板，滑轨，在滑轨上运动的滑块,固定在滑块上的连接块，固定在连接块上且与滑块垂直的用于丝束导向的张力检测轴，弹簧，检测张力检测轴位置的位置传感器；所述弹簧一端固定在基板上，另一端固定在滑块上；

一丝束转向模块：用于将沿圆盘状背板走向的8束丝的方向改变为垂直于圆盘状背板的方向，并且分为两排，包括导向轮连接架，用于与圆盘状背板连接的连接板，若干导向轮，用于固定导向轮的对称的连接架，固定连接架的螺栓；所述导向轮为上下两排且上下两排交错设置；

剪切、夹紧、丝束重新输送模块：包括气缸，用于夹紧丝束的上下两排夹紧装置，用于丝束输送的上下两排重送装置，带有切刀的上下两排剪切装置，用于提供动力的气缸，带有送压缩风和冷却风的风道的丝束导向块；

加热器：用于加热丝束

驱动模块：用于驱动剪切、夹紧、丝束重新输送模块E；

以及一个设置在加热器下方的压辊。

在上述的一种用于复合材料自动铺放的模块化铺丝头，所述剪切、夹紧、丝束重新输送模块采用三个气缸分别驱动夹紧装置、重送装置以及剪切装置运动；

所述夹紧装置包括与气缸输出轴配接的连接架以及通过销轴与连接架连接的滚轮；

所述剪切装置包括与气缸输出轴配接的连接架以及与连接架固定的切刀；

所述重送装置包括与气缸输出轴配接的连接架以及通过销轴与连接架连接的滚轮，以及设置在滚轮下方的上下两根重送轴，所述重送轴一端均固定一个齿轮且两个齿轮相互啮合；直流伺服电的电机轴通过联轴器与其中一个齿轮配接从而能够带动两个重送轴转动。

因此，本实用新型具有以下优点：1，模块化的设计，易于零部件的安装和更换；2，使用快换接头与机器人连接，便于安装和拆卸；3，具有同时最多铺设8束丝的能力，生产效率高；4，可以使用不同宽度规格的丝束，在铺设曲率较大的构件时，使用3.17mm和6.35mm的复合材料丝，铺设小曲率构件时使用12.7mm或者更宽的丝；5，可以实现双向铺层；6，铺放头自带丝卷，易于实现张力控制，丝路变化微小；7，开放的丝道，易于清洁和将丝束从丝卷处安装到压辊处；8，压辊外使用一层柔性材料，具有一定的柔性，适用于工件表面的微小曲率变化；9，有张力控制且丝道设计合理，不会出现丝束断裂、翘曲等问题。

附图说明

图1是铺丝头的总体结构的外观图。

图2是圆盘部分结构和该部分的丝束的外观图。

图3是丝卷安装模块结构部分剖面图。

图4是收衬纸模块结构的部分剖面图。

图5是张力检测模块结构的外观图。

图6是连接肋板和丝束转向模块的外观图。

图7a是丝束的剪切、压紧和重送模块结构的外观图1。

图7b是丝束的剪切、压紧和重送模块结构的外观图2。

图7c是丝束的剪切、压紧和重送模块结构的外观图3。

图7d是丝束的剪切、压紧和重送模块结构的外观图4。

图8是导向块结构的外观图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案做进一步的具体说明。

实施例：

在本实用新型的整体结构设计方面，提供了一种模块化的铺丝头，如图1和图2所示，铺丝头的结构由以下几个模块组成。8个完全相同的丝卷安装模块C、收衬纸模块D和张力检测模块B以环形的方式安装在铺丝头的主要载体圆盘状背板100上；通过两块连接板22安装在圆盘状背板100的丝束转向模块；连接在连接板22上的剪切、夹紧、丝束重新输送模块E；安装在剪切、夹紧、丝束重新输送模块E的驱动模块G、压辊101和加热器F。

在本实用新型中，丝卷安装模块C用于快速的安装和拆卸铺层用的铺层材料--丝卷2，如图3所示，该模块的主要零部件包括：用于调节丝束张力的磁粉制动器1，用于安装轴承的轴承座4，用于轴承外圈定位轴承端盖9，角接触球轴承5，将轴承端盖9和磁粉制动器连接在一起的垫环13，丝卷2,用于安装丝卷2的中间轴6,将磁粉制动器1的扭矩传递给中间轴6的联轴器28，用于丝卷2定位的挡圈10，固定丝卷的螺母11。其功能实现的原理为，用螺母11、挡圈10实现丝卷2的固定，用挡圈10与丝卷2内轴的摩擦力矩实现丝卷2与中间轴6的固定，然后一起旋转。

在本实用新型中，收衬纸模块D用于收取复合材料丝上的衬纸并在一卷丝卷用尽时快速的卸去衬纸，如图4所示，该模块的主要零部件包括：用于收衬纸的套筒8，角接触球轴承5，轴承座4和轴承端盖3，用于套套筒的轴12，固定套筒8用的螺母7。其功能实现的原理是：在铺层开始前的丝束安装时，将衬纸与丝束分离，并将衬纸固定在收衬纸套筒8上，在正常铺放过程中，有丝束带动收衬纸轴12旋转，并将衬纸缠绕在收衬纸套筒8上，达到收取衬纸的目的。卸去衬纸只需拧开螺母7，更换收衬纸套筒8既可。

在本实用新型中，张力检测模块B用于检测丝束中的张力，为张力控制提供丝束中的实时张力数据，如图5所示，该模块的主要零部件包括：固定整个模块用的基板19，滑轨17，在滑轨17上运动的滑块14，弹簧50，检测张力检测轴位置的位置传感器51，用于丝束导向的张力检测轴18，张力检测轴18连接块16。张力检测功能的实现原理为：位置传感器51实时检测张力检测轴18的位置，张力检测控制器以较高的采样速度获取这个位置信息，通过与时间信息的结合求解出张力检测轴18的速度、加速度信息，以张力检测轴18为研究对象，通过力的关系求出丝束中的张力。

在本实用新型中，控制丝束中的张力实现原理为：如图7a所示，重送机构中的气缸34将丝束压紧在重送轴40上，驱动电机25带动重送轴40运动，为丝束运动提供动力；张力检测模块B为控制器提供实时的张力数据；如图3所示，起到张力调节作用的为通过联轴器与丝卷轴6连接在一起的磁粉制动器1，控制器通过调节磁粉制动器1的制动力矩，按照具体的工艺要求，控制丝束中的张力在合适的范围，以提高铺层质量，同时起到防止丝束中的张力过大而引起丝束的断裂。

在本实用新型中，丝束转向模块A用于将沿圆盘状背板走向的8束丝的方向改变为垂直于圆盘状背板的方向，并且分为两排，以更利于丝束的后期输送。如图6所示，该模块的主要零部件包括：用于与圆盘状背板100连接的连接板22，导向轮20，用于固定导向轮20的对称的连接架21，固定连接架的螺栓23。其功能实现原理为：带有矩形槽的导向轮20可以自由滚动，通过两排排列好的导向轮实现了丝束转换方向的目的。其中从张力检测轴18到导向轮20段的丝束允许一定程度的翘曲，简化结构的设计。

在本实用新型中，剪切、夹紧、丝束重新输送模块E提供了丝束的控制功能，用于实现丝束的剪切功能、剪切后丝束的重新输送功能和不使用丝束的夹紧功能。如图7a、图8所示，该模块的主要零部件包括：丝束102，用于夹紧丝束102的夹紧装置29，用于丝束102输送的重送装置27，带有切刀的剪切装置26，用于提供动力的气缸3，带有送压缩风和冷却风的风道的丝束导向块30。其功能实现原理为：当丝束需要剪切时，夹紧气缸33伸出，通过末端的滚轮将丝束压紧在丝束导向块30，同时剪切气缸35带动剪切刀26做剪切运动，剪切刀26与图8中的矩形丝束导向块30形成切割副，切断丝束；当需要丝束重送时，重送气缸34伸出，将丝束压紧到重送轴上，同时夹紧气缸33和剪切气缸35缩回，重送轴40转动，将丝束重送到压辊101处，以待重新铺放；夹紧实现为，当一根丝束不需要使用时，或者该丝束重新输送结束时，相应的夹紧气缸33伸出，通过气缸末端的滚轮将丝束压紧到丝束导向块30上，达到固定丝束的目的。

在本实用新型中，驱动模块G用于给重送轴40提供动力，如图7b所示，该模块的主要零部件包括：直流伺服电机25，用于连接重送轴40和电机25的联轴器28，连接在重送轴40上的齿轮55。该模块使用直流伺服电机驱动，通过行星齿轮减速器减速后为重送轴40提供转矩，减速器轴与重送轴40通过联轴器连接在一起，电机固定在剪切、夹紧、丝束重新输送模块E的侧板图中隐藏了上。具有结构简答，控制方便的特点。

在本实用新型中，压辊101和加热器F，如图7c所示，该模块的主要零部件包括：压辊101的中心为一根刚性轴，外面套有一层弹性材料，采用红外线加热器。压辊101的主要作用是，通过6轴机器人的带动，将丝束压紧到工件模具的表面，并保持一定的压力，然后通过机器人的带动实现铺层运动。压辊最外层是柔性材料，有一定的变形能力，目的是适应工件模具表面微小的曲率变化，是丝束更好的贴合工件模具的表面，提高铺层质量。加热器F用于加热已铺过的丝束，提高后续铺层的质量，也是为了满足铺层工艺的要求。

在本实用新型中，正常铺放过程开始之前，需要安装丝卷，并且手工将丝束从丝卷2引导到压辊101处。因为裸露的丝道设计和简单的结构，这一过程十分简单。具体的过程为：由图2所示，8根丝束从丝卷2处开始，从下方或上方绕过收衬纸模块D并将衬纸从丝束上分离后固定到收衬纸套筒8上；然后绕过张力检测模块B并继续到丝束转向模块A，见图7b，经过丝束转向模块A的导向轮20，丝束集成为上下两排；然后送往剪切、夹紧、丝束重新输送模块E，该模块的丝道如图8所示，然后将丝束沿丝道引导至压辊101处，完成丝束的引导过程，引导完成后的丝束如图7a中的102所示。

在本实用新型中，丝束引导完成后在压辊处汇集为连续的一排，其结构上的实现原理为：如图7d所示，上下两排丝道交错排列，在压辊处汇集为连续的一排。

在本实用新型中，丝束的运动有正常铺放过程、单根丝束剪切过程以及单根丝束重送过程。各个运动的具体实现为，丝束的正常铺放过程为：铺丝头在6轴机器人的带动下，具有沿坐标系移动和绕坐标系旋转6个自由度，铺丝头的末端压辊101贴合在工件模具表面，并保持一定的压力，然后按照预先规划的路径将丝束铺设到工件模具表面；为满足铺放过程的工艺要求，需要控制器控制丝束中的张力在合适的范围，并且控制加热器的加热温度。丝束的剪切功能实现过程为：因为铺层结构的需求，需要把单根或多根丝束剪断，如图7a所示，剪切过程开始时，夹紧气缸33伸出，夹紧滚轮将丝束压紧在丝束导向块30上，完成剪切时的准备工作；然后剪切气缸35伸出，带动剪切刀26做剪切运动，剪切刀26与丝束导向块30上的凹槽形成切割副，切断丝束；剪切气缸35缩回，完成丝束的剪切过程。丝束重新输送功能实现过程为：如图7c所示，重送过程开始时，夹紧气缸33处于伸出状态，然后重送气缸34伸出，通过气缸末端的滚轮将丝束压紧在重送轴40上，同时夹紧气缸33缩回，丝束在重送轴40的转动带动下重新输送要压辊101处；然后夹紧气缸33伸出，将丝束重新压紧在丝束导向块30上，重送气缸34缩回，完成丝束的重新输送过程。

在调节张力时，包括张力检测部分和张力调节部分，其中，

步骤一：张力检测通过位置传感器51实时检测张力检测轴18的位置，张力检测控制器以较高的采样速度获取这个位置信息x0，将位置信息与时间信息的结合求解出张力检测轴18的速度、加速度信息a；

定义张力检测轴18及包括它的可移动质量块质量为m，弹簧的弹性系数为k丙丁一弹簧初始位置无弹性，丝束在张力检测轴18上的包角b，求丝束中的张力T测；

以张力检测轴18为研究对象，得到：

2·T_测·cosb＝m·a+k·x₀

则，

角b会随着收衬纸轴上衬纸越来越多而变小，而且它还收丝束在张力检测轴上的位置影响，所以需要在建立控制器中对角b进行修正，以减少丝束中张力检测误差；

步骤二：张力调节部分具体的控制过程为：安装一个PID控制器，以丝束张力T测与T设的偏差为控制器的输入量，且定义因工艺要求设定丝束中张力为T设且铺丝机正常工作时为匀速，稳态时丝束的驱动力矩为T驱，并且T驱>T设,摩擦力矩T阻因系统的摩擦阻力很小忽略不计，则磁粉制动器的制动力矩T制动为：

T制动＝T驱–T测

T测＝T设

可得，T制动＝T驱–T设

而丝束铺放过程因阻力变化、铺放的开始和结束等会造成丝束的速度波动，因而丝卷等转动部分存在角加速度，此时，假设转动部分转动惯量为M，角加速度为α，则

T驱–T测–T制动＝Mα

由上式可见，为调节使T测＝T设，在T驱不变的情况下，需调节T制动的大小，由于角加速度α会因T制动的改变而变化，则张力系统的动态调节特性很差，则一个PID控制器，以丝束张力T测与T设的偏差为控制器的输入量，调节T制动的大小，使T测＝T设；要求改控制器响应快，不震荡，稳态误差小；而控制器稳态输出由T制动＝T驱–T设决定，为该控制器的静态基础；磁粉制动器的控制原理为通过改变电流来改变制动力矩T制动的大小，所以是控制器通过调节通入磁粉制动器电流大小来调节T制动的大小。

本文所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所述技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种用于复合材料自动铺放的模块化铺丝头，其特征在于，包括圆盘状背板(100)，以及设置在圆盘状背板(100)上的：

周向均匀设置在圆盘状背板(100)上的至少八个丝卷安装模块(C)：包括用于调节丝束张力的磁粉制动器(1)，用于安装轴承的轴承座(4)，用于轴承外圈定位的轴承端盖(9)，角接触球轴承(5)，将轴承端盖(9)和磁粉制动器(1)连接在一起的垫环(13)，丝卷(2),用于安装丝卷(2)的中间轴(6),将磁粉制动器(1)的扭矩传递给中间轴(6)的联轴器(28)，用于丝卷(2)定位的挡圈(10)，固定丝卷的螺母(11)；

与丝卷安装模块数量对应的收衬纸模块(D)：包括用于收衬纸的套筒(8)，角接触球轴承(5)，轴承座(4)和轴承端盖(3)，用于套套筒的轴(12)，固定套筒(8)用的螺母(7)；

与丝卷安装模块数量对应的张力检测模块(B)：能够自由地上下运动，包括固定整个模块用的基板(19)，滑轨(17)，在滑轨(17)上运动的滑块(14),固定在滑块(14)上的连接块(16)，固定在连接块(16)上且与滑块(14)垂直的用于丝束导向的张力检测轴(18)，弹簧(50)，检测张力检测轴(18)位置的位置传感器(51)；所述弹簧(50)一端固定在基板(19)上，另一端固定在滑块(14)上；

一丝束转向模块(A)：用于将沿圆盘状背板走向的8束丝的方向改变为垂直于圆盘状背板的方向，并且分为两排，包括导向轮连接架，用于与圆盘状背板(100)连接的连接板(22)，若干导向轮(20)，用于固定导向轮(20)的对称的连接架(21)，固定连接架的螺栓(23)；所述导向轮(20)为上下两排且上下两排交错设置；

剪切、夹紧、丝束重新输送模块(E)：包括气缸，用于夹紧丝束(102)的上下两排夹紧装置(29)，用于丝束(102)输送的上下两排重送装置(27)，带有切刀的上下两排剪切装置(26)，用于提供动力的气缸(33、34、35)，带有送压缩风和冷却风的风道的丝束导向块(30)；

加热器(F)：用于加热丝束(102)；

驱动模块(G)：用于驱动剪切、夹紧、丝束重新输送模块(E)；

以及一个设置在加热器(F)下方的压辊(101)。

2.根据权利要求1所述的一种用于复合材料自动铺放的模块化铺丝头，其特征在于，所述剪切、夹紧、丝束重新输送模块(E)采用三个气缸(33、34、35)分别驱动夹紧装置(29)、重送装置(27)以及剪切装置(26)运动；

所述夹紧装置(29)包括与气缸输出轴配接的连接架以及通过销轴与连接架连接的滚轮；

所述剪切装置(26)包括与气缸输出轴配接的连接架以及与连接架固定的切刀；

所述重送装置(27)包括与气缸输出轴配接的连接架以及通过销轴与连接架连接的滚轮，以及设置在滚轮下方的上下两根重送轴(40)，所述重送轴(40)一端均固定一个齿轮(55)且两个齿轮(55)相互啮合；直流伺服电机(25)的电机轴通过联轴器(28)与其中一个齿轮(55)配接从而能够带动两个重送轴(40)转动。