CN205818028U - 碳纤维预浸布超声波切割装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种碳纤维预浸布超声波切割装置，包括三维移动机架、旋转机构、切割执行机构和真空吸附工作台；切割执行机构包括与旋转机构的旋转轴连接的集成板，集成板上固定的摆动伺服电机、激光测距仪和冷却枪，与摆动伺服电机通过曲柄摇杆机构连接的超声波切割刀具，以及与超声波切割刀具固定连接的红外测温仪；真空吸附工作台包括吸附盘和设置在吸附盘上的开孔垫，吸附盘的上表面设有开孔，吸附盘侧向设有与真空泵连接的球阀，吸附盘内部设有用于连通所述的开孔和球阀的管道。本实用新型能够方便简单的固定碳纤维预浸布，精确控制切割深度，同时在切割过程中监控超声波切割刀的温度，实现对碳纤维预浸布的不同形状的高质量切割。

Description

碳纤维预浸布超声波切割装置

技术领域

本实用新型涉及切割机床领域，具体涉及一种碳纤维预浸布超声波切割装置。

背景技术

碳纤维预浸布是经过高温高压技术将环氧树脂复合在碳纤维上，是一种单向碳纤维加固产品，由于其具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、比重小等优异性能，在航空航天、汽车、纺织等领域得以广泛应用。目前，国内外正在开发及应用的碳纤维预浸布的自动成型工艺，如自动铺带、手糊成型，均需要对碳纤维预浸布进行切割剪裁，形成不同的形状。

搜索相关文献发现，国内有相关用于碳纤维预浸布切割的装置，这种装置虽然在使用过程中可以实现切割并形成不同的形状，能够在切割时对碳纤维预浸布进行夹紧，但是相比本实用新型效率较低，切割质量较差。与此同时，研究发现，现有技术的切割装置没有考虑切割过程中，由于高频振动的影响，超声波切割刀过度发热影响切割质量的问题；另外没有考虑自动控制超声波切割刀的摆动、进而控制超声波切割刀的刀刃与碳纤维预浸布接触面积大小的问题；由于对碳纤维预浸布切割厚度的要求较高，没有精确控制切割深度的装置。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种碳纤维预浸布超声波切割装置，方便简单的固定碳纤维预浸布，精确控制切割深度，同时在切割过程中监控超声波切割刀的温度，实现对碳纤维预浸布的不同形状的高质量切割。

本实用新型为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种碳纤维预浸布超声波切割装置，包括三维移动机架、旋转机构、切割执行机构和真空吸附工作台；其中三维移动机架固定在基座上，旋转机构设置在三维移动机架上，切割执行机构固定在旋转机构的旋转轴上绕竖直方向旋转，真空吸附工作台固定在基座上，其特征在于：所述的切割执行机构包括与旋转机构的旋转轴连接的集成板，集成板上固定的摆动伺服电机、激光测距仪和冷却枪，与摆动伺服电机通过曲柄摇杆机构连接的超声波切割刀具，以及与超声波切割刀具固定连接的红外测温仪；

所述的真空吸附工作台包括吸附盘和设置在吸附盘上的开孔垫，吸附盘的上表面设有开孔，吸附盘侧向设有与真空泵连接的球阀，吸附盘内部设有用于连通所述的开孔和球阀的管道。

按上述方案，所述的三维移动机架包括设置在基座中轴线上的X轴、设置在基座两侧且分别与基座所在平面垂直的2根Z轴、以及架设在2根Z轴之间与基座所在平面平行的Y轴；其中Z轴通过X轴丝杠螺母推力机构与X轴连接，Y轴通过Z轴滚珠丝杠螺母与Z轴连接，所述的旋转机构通过Y轴丝杠螺母与Y轴连接。

按上述方案，所述的旋转机构为蜗轮蜗杆机构。

按上述方案，所述的X轴由X轴伺服电机通过联轴器驱动X轴滚珠丝杠螺母副传动，所述的Y轴由Y轴伺服电机通过联轴器驱动Y轴光杠辅助Y轴滚珠丝杠螺母副传动，所述的Z轴由Z轴伺服电机通过联轴器驱动Z轴光杠辅助Z轴滚珠丝杠螺母副传动。

按上述方案，所述的红外测温仪通过同步夹具与超声波切割刀具固定连接。

按上述方案，所述的开孔垫上均匀的布设通孔。

按上述方案，所述的管道包括一条纵向管道和四条横向管道，其中纵向管道与所述的球阀连通，横向管道分别与纵向管道连通，横向管道的两端密封。

按上述方案，所述的吸附盘的表面均匀的开有沟槽，所述的开孔均匀的布设在所述的沟槽中，开孔与所述的管道连通。

本实用新型的有益效果为：通过改进吸附盘的结构，并在吸附盘上设置开孔垫，只需要将碳纤维预浸布放置在开孔垫上即可，方便简单，并且能够使碳纤维预浸布被吸附时受力均匀，同时一定厚度的开孔橡胶垫对超声波切割刀起保护作用；利用激光测距仪所测距离并反馈到控制系统实现对碳纤维预浸布的切割厚度的高精确控制，且不伤及衬纸；通过红外测温仪对超声波切割刀具进行测温，在超声波切割刀切割过热时用冷却强对其降温，可以高质量的持续切割碳纤维预浸布。

附图说明

图1是本实用新型一实施例的立体示意图；

图2是机架的立体示意图；

图3是切割执行机构的立体示意图；

图4是真空吸附工作台的立体示意图；

图5是真空吸盘的立体示意图；

图6是同步夹具的立体示意图。

图中：1.X轴伺服电机；2.X轴联轴器；3.X轴轴承座；4.X轴滚珠丝杠；5.X轴直线导轨；6.Z轴第一滚珠丝杠；7.X轴滑块导轨机构；8.Z轴第一伺服电机；9.Z轴联轴器；10.Z轴第一光杠；11.X轴丝杠螺母推力机构；12.超声波切割刀夹具；13.超声波切割刀具；14.同步夹具；15.红外测温仪；16.Z轴第二伺服电机；17.激光测距仪；18.摆动伺服电机；19.Z轴第二滚珠丝杠；20.冷却枪；21.集成板；22.蜗轮蜗杆机构；23.Z轴第二滚珠丝杠螺母；24.Z轴第二光杠；25.顶板；26.Y轴丝杠螺母；27.Y轴光杠；28.Y轴滚珠丝杠；29.C轴伺服电机；30.Z轴第一滚珠丝杠螺母；31.Y轴伺服电机；32.开孔垫；33.吸附盘；34.球阀；35.基座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本实用新型做进一步说明。

本实用新型提供一种碳纤维预浸布超声波切割装置，如图1至图6所示，通过回转运动与直线运动相互转换的理想传动方式，包括三维移动机架、旋转机构、切割执行机构和真空吸附工作台；其中三维移动机架固定在基座35上，旋转机构设置在三维移动机架上，切割执行机构固定在旋转机构的旋转轴上绕竖直方向旋转，真空吸附工作台固定在基座35上，所述的切割执行机构包括与旋转机构的旋转轴连接的集成板21，集成板21上固定的摆动伺服电机18、激光测距仪17和冷却枪20，与摆动伺服电机18通过曲柄摇杆机构连接的超声波切割刀具13，以及与超声波切割刀具13固定连接的红外测温仪15；所述的真空吸附工作台包括吸附盘33和设置在吸附盘33上的开孔垫32，吸附盘33的上表面设有开孔，吸附盘33侧向设有与真空泵连接的球阀34，吸附盘33内部设有用于连通所述的开孔和球阀34的管道。

优选的，所述的三维移动机架采用移动横梁龙门式结构，包括设置在基座35中轴线上的X轴、设置在基座35两侧且分别与基座35所在平面垂直的2根Z轴、以及架设在2根Z轴之间与基座35所在平面平行的Y轴；其中Z轴通过X轴丝杠螺母推力机构11与X轴连接，Y轴通过Z轴滚珠丝杠螺母（即Z轴第一滚珠丝杠螺母30和Z轴第二滚珠丝杠螺母23）与Z轴连接，所述的旋转机构通过Y轴丝杠螺母26与Y轴连接。X轴设置在基座35中轴线上，能够使基座两侧的Z轴受到X轴的均匀传动力。

进一步细化的，所述的旋转机构为蜗轮蜗杆机构22，蜗轮蜗杆机构22通过C轴伺服电机29通过联轴器驱动，蜗杆与蜗轮轴机构啮合传动，其中蜗轮轴机构通过螺钉固定在Y轴丝杠螺母26上，蜗轮轴的轴端连接切割执行机构，调节该机构可以使超声波切割刀的刀刃方向始终与所切割图形的切线方向一致。

再进一步细化的，所述的X轴由X轴伺服电机1通过X轴联轴器2驱动X轴滚珠丝杠4螺母副传动，X轴滚珠丝杠4通过轴承安装在固定在基座35上的X轴轴承座3上；所述的Y轴由Y轴伺服电机31通过Y轴联轴器驱动Y轴光杠27辅助Y轴滚珠丝杠28螺母副传动，所述的Z轴由Z轴伺服电机（即Z轴第一伺服电机8和Z轴第二伺服电机16）通过Z轴联轴器9驱动Z轴光杠（即Z轴第一光杠10和Z轴第二光杠24）辅助Z轴滚珠丝杠（即Z轴第一滚珠丝杠6和Z轴第二滚珠丝杠19）螺母副传动。

优选的，所述的红外测温仪15通过同步夹具14与超声波切割刀具13固定连接，使得红外测温仪15随着超声波切割刀具13同步摆动。本实施例中，为了便于超声波切割刀具13的安装，在曲柄摇杆机构上设置超声波切割刀夹具12。

本实施例中，Z轴与基座35的连接处设有X轴直线导轨5，Z轴通过X轴滑块导轨机构7沿X轴直线导轨5运动，X轴直线导轨5的两端均设置限位螺钉，防止X轴导轨机构7运动超出工作范围而损坏。Z轴第一光杠10、Z轴第二光杠24、Z轴第一滚珠丝杠6和Z轴第二滚珠丝杠19的顶部通过顶板25连接，起限位作用，并且能够提高其稳定性。

本实施例中，本装置与配备的控制系统、排屑等辅助部分共同使用，超声波切割刀具13可以选择日本NSK超声波切割刀US-15CBS等成套刀具设备。所有的伺服电机、激光测距仪17、红外测温仪15、冷却枪20、真空泵等均受控制系统的控制。激光测距仪17反馈切割执行机构与被切割碳纤维预浸布之间的距离，方便调节切割深度，红外测温仪15实时检测超声波切割刀具13的温度，当温度高于预设值，将影响切割质量时，打开冷却枪20对超声波切割刀具13进行风冷降温，其中冷却枪20连接空气压缩机。

本实施例中，吸附盘33连接球阀34，用于吸附盘33的开闭，在吸附盘33的上部铺一层开孔垫32，并置于吸附盘33中，与吸附盘33凸出边缘平齐。吸附盘33通过螺钉固定在基座35上，吸附盘33内部开有一纵四横相通的管道，纵向管道与球阀34相通，横向管道分别与纵向管道连通，横向管道的两端用橡胶塞封堵，同时在吸附盘33上均匀开有沟槽，并在沟槽中上开有九个孔，均匀分布在吸附盘33上，均与管道相通。开孔垫32上均匀的布设通孔，使碳纤维预浸布被吸附时受力均匀，同时一定厚度的开孔垫32对超声波切割刀具13起保护作用。本实施例中开孔垫32为橡胶材质。

碳纤维预浸布超声波切割装置的操作方法，有以下步骤：

1）打开碳纤维预浸布切割装置电源，同时打开超声波切割刀具13电源。

2）将碳纤维预浸布铺放于真空吸附工作台上，然后旋转球阀34打开真空吸附工作台，固定碳纤维预浸布。

3）根据所切割图形的形状，控制摆动伺服电机18，调节切割时超声波切割刀具13与碳纤维预浸布的接触面积。

4）手动控制X、Y、Z、C轴（C轴即为旋转机构的旋转轴）的运动，调节切割起始原点，其中，根据激光测距仪17反馈到控制系统的切割执行机构距碳纤维预浸布的距离，精确控制Z轴的运动速度，进而精确控制切割深度。

5）在切割起始远点调节完成后，开始切割。对于不同图形的切割，可以调用已经存储于控制系统中的程序，还可以在切割前根据切割形状编写所需要的程序，或者手动控制各轴的进给切割。

6）切割过程中红外测温仪15实时监测超声波切割刀具13的刀刃温度，在刀刃温度高于温度预设范围时，自动打开冷却枪20对刀刃进行风冷降温，在刀刃温度低于温度预设范围时，自动关闭冷却枪20。

7）切割结束后，关闭电源，关闭球阀34，卸下碳纤维预浸布，整理切割装置。

本实用新型换刀方便，而且可以通过蜗轮蜗杆机构调整超声波切割刀的刀刃方向始终与所切割图形的切线方向一致，同时通过伺服电机控制切割刀的摆动，自动控制超声波切割刀的刀刃与碳纤维预浸布的接触面积，具有较高的切割效率和切割质量。

本实用新型对碳纤维预浸布的固定简单方便，可以通过对真空吸盘上部分孔及沟槽的封堵，实现局部施加吸附力，另外通过调节真空度可以实现较厚物品的固定。

本实用新型便于改装，更换不同的刀具及被切割件的固定装置，可以实现对碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维、各种蜂窝材料等复合材料的切割。

以上本实用新型按照实例进行了较为详细的说明，本实用新型还可以进行若干不同形式的改装及变形方案，在没有违背本实用新型原理的情况下，均为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种碳纤维预浸布超声波切割装置，包括三维移动机架、旋转机构、切割执行机构和真空吸附工作台；其中三维移动机架固定在基座上，旋转机构设置在三维移动机架上，切割执行机构固定在旋转机构的旋转轴上绕竖直方向旋转，真空吸附工作台固定在基座上，其特征在于：所述的切割执行机构包括与旋转机构的旋转轴连接的集成板，集成板上固定的摆动伺服电机、激光测距仪和冷却枪，与摆动伺服电机通过曲柄摇杆机构连接的超声波切割刀具，以及与超声波切割刀具固定连接的红外测温仪；

所述的真空吸附工作台包括吸附盘和设置在吸附盘上的开孔垫，吸附盘的上表面设有开孔，吸附盘侧向设有与真空泵连接的球阀，吸附盘内部设有用于连通所述的开孔和球阀的管道。

2.根据权利要求1所述的碳纤维预浸布超声波切割装置，其特征在于：所述的三维移动机架包括设置在基座中轴线上的X轴、设置在基座两侧且分别与基座所在平面垂直的2根Z轴、以及架设在2根Z轴之间与基座所在平面平行的Y轴；其中Z轴通过X轴丝杠螺母推力机构与X轴连接，Y轴通过Z轴滚珠丝杠螺母与Z轴连接，所述的旋转机构通过Y轴丝杠螺母与Y轴连接。

3.根据权利要求1或2所述的碳纤维预浸布超声波切割装置，其特征在于：所述的旋转机构为蜗轮蜗杆机构。

4.根据权利要求2所述的碳纤维预浸布超声波切割装置，其特征在于：所述的X轴由X轴伺服电机通过联轴器驱动X轴滚珠丝杠螺母副传动，所述的Y轴由Y轴伺服电机通过联轴器驱动Y轴光杠辅助Y轴滚珠丝杠螺母副传动，所述的Z轴由Z轴伺服电机通过联轴器驱动Z轴光杠辅助Z轴滚珠丝杠螺母副传动。

5.根据权利要求1所述的碳纤维预浸布超声波切割装置，其特征在于：所述的红外测温仪通过同步夹具与超声波切割刀具固定连接。

6.根据权利要求1所述的碳纤维预浸布超声波切割装置，其特征在于：所述的开孔垫上均匀的布设通孔。

7.根据权利要求1所述的碳纤维预浸布超声波切割装置，其特征在于：所述的管道包括一条纵向管道和四条横向管道，其中纵向管道与所述的球阀连通，横向管道分别与纵向管道连通，横向管道的两端密封。

8.根据权利要求1或7所述的碳纤维预浸布超声波切割装置，其特征在于：所述的吸附盘的表面均匀的开有沟槽，所述的开孔均匀的布设在所述的沟槽中，开孔与所述的管道连通。