CN210529191U - 异型毡件自动加工系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种异型毡件自动加工系统，涉及石英复合陶瓷或碳纤维材料毡料自动化生产领域，它包括移动工作台，在移动工作台的一侧设有机械手，在机械手的自由端设有自动针刺装置，所述的自动针刺装置的下端设有沿轴向往复运动的刺针。通过采用机械手配合自动针刺装置以及移动工作台，能够实现机械化的针刺加工，优选的方案中，配合三维激光扫描装置能够自动化的针刺加工，通过快速的三维激光扫描，矫正毡件的形位误差。本实用新型能够大幅提高小批量、异型毡件的生产效率，降低与熟练工人的依赖程度。

Description

异型毡件自动加工系统

技术领域

本实用新型涉及石英复合陶瓷或碳纤维材料毡料自动化生产领域，特别是一种异型毡件自动加工系统。

背景技术

在航空航天器用壳体领域需要采用石英纤维编织体作为石英复合陶瓷结构的骨架，现有的技术方案是采用手工针刺的方式进行制作，在多晶硅生产领域需要采用碳纤维材料制作的碳碳坩埚作为生产设备，这些都需要采用针刺加工方式进行生产。例如中国专利文献CN 102731130 A记载的一种低成本针刺织物增强石英复合陶瓷天线罩的制备方法，即需要大量的针刺操作来成形石英纤维编织体的形状，然后再进行下一步的加工。该方法的劳动强度较高，导致产能低下，人工成本高昂。由于石英毡和碳纤维毡工件的形状较多，且单个形状的毡件每次加工数量不大，目前尚未见能够适用于针刺加工的生产设备。

现有技术中也有采用电动式针刺工具的方案，但是该工具的重量较重，使用不够灵活，长期使用劳动强度高，且容易造成手腕劳损，影响操作人员的身体健康。现有的石英纤维编织体需要将成型后的密度维持在0.15~0.7g/cm³。而在该状态下的石英毡纤维较为松散，容易跟着针杆窜动，影响针刺操作，也影响石英纤维编织体的成品质量。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种异型毡件自动加工系统，能够替代手工针刺生产，大幅提升生产效率。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种异型毡件自动加工系统，它包括移动工作台，在移动工作台的一侧设有机械手，在机械手的自由端设有自动针刺装置，所述的自动针刺装置的下端设有沿轴向往复运动的刺针。

优选的方案中，在移动工作台运动轨迹的上方还设有三维激光扫描装置。

优选的方案中，所述的三维激光扫描装置的结构为：它包括横跨在移动工作台运动轨迹上方的门架，在门架内设有弧形导轨，弧形导轨上设有由驱动装置驱动沿弧形导轨运行的激光扫描仪。

优选的方案中，所述的机械手为5自由度或6自由度机械手。

优选的方案中，所述的移动工作台为直线移动工作台，移动工作台设有检测移动工作台移动位置的传感器。

优选的方案中，所述的移动工作台的结构为：同步带绕过两个皮带辊并构成啮合连接，工作台台面固定安装在皮带辊上，其中一个皮带辊与驱动旋转的驱动装置连接；

传感器为检测皮带辊转角的角传感器。

优选的方案中，所述的移动工作台的结构为：同步带固定安装，工作台台面通过驱动装置与同步带连接，驱动装置内设有主动轮，主动轮与同步带啮合连接；

传感器为检测主动轮转角的角传感器。

优选的方案中，所述的自动针刺装置的刺针由直线电机、气缸或圆周电机驱动往复运动；

其中圆周电机通过曲柄摇杆机构或齿轮齿条机构驱动刺针往复运动。

优选的方案中，所述的自动针刺装置中，壳体与针座之间通过导向机构滑动连接，刺针与针座固定连接，在针座上固设有沿轴向设置的齿条，壳体上固设有电机，电机通过传动机构与齿条啮合连接；

所述的传动机构中设有扇形齿轮，在壳体与针座之间设有用于复位的弹簧，当扇形齿轮处于非传动状态时，以使壳体与针座之间复位；

刺针固设在针座上；

所述的电机为变频电机、伺服电机或步进电机。

优选的方案中，所述的导向机构中，导杆与针座固定连接，在壳体内固设有导套，导杆与导套滑动连接；

在壳体内与导杆端部相对应的位置还设有缓冲座，缓冲座为盲孔结构，缓冲座与导杆端部之间设有间隙；

电机与扇形齿轮固定连接，还设有传动齿轮，传动齿轮为双联齿轮，扇形齿轮与传动齿轮的小齿轮啮合连接，传动齿轮的大齿轮与齿条啮合连接；

传动齿轮通过轴承支承在壳体的内壁，电机固设在壳体的内壁。

本实用新型提供的一种异型毡件自动加工系统，通过采用机械手配合自动针刺装置以及移动工作台，能够实现机械化的针刺加工，优选的方案中，配合三维激光扫描装置能够自动化的针刺加工，通过快速的三维激光扫描，矫正毡件的形位误差。本实用新型能够大幅提高小批量、异型毡件的生产效率，降低与熟练工人的依赖程度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型的整体结构俯视示意图。

图2为图1的A-A视图。

图3为图1的B-B视图。

图4为本实用新型中自动针刺装置的主视剖视图。

图5为本实用新型中自动针刺装置的侧视剖视图。

图6为本实用新型中移动工作台另一优选驱动方案的示意图。

图中：自动针刺装置100，壳体1，连接座101，缓冲座102，上针座2，下针座3，刺针4，导杆5，限位块51，齿条6，圆周电机7，扇形齿轮8，传动齿轮9，弹簧10，导套11，机械手12，同步带13，皮带辊14，三维激光扫描装置15，门架151，弧形导轨152，激光扫描仪153，移动工作台16，定位销17，毡模具18，毡工件19，主动轮20。

具体实施方式

如图1~3中，一种异型毡件自动加工系统，它包括移动工作台16，在移动工作台16的一侧设有机械手12，在机械手12的自由端设有自动针刺装置100，所述的自动针刺装置100的下端设有沿轴向往复运动的刺针4。由此结构，通过机械手12在毡件的外表面移动，自动针刺装置100通过刺针4完成针刺加工操作。优选的方案中，所述的机械手12为5自由度或6自由度机械手。例如采用新松或UO公司的市售机械手。

优选的方案如图1、3中，在移动工作台16运动轨迹的上方还设有三维激光扫描装置15。由此结构，用于反馈毡件的形状和尺寸，以指导机械手的加工。

优选的方案如图3中，所述的三维激光扫描装置15的结构为：它包括横跨在移动工作台16运动轨迹上方的门架151，在门架151内设有弧形导轨152，弧形导轨152上设有由驱动装置驱动沿弧形导轨152运行的激光扫描仪153。进一步优选的，弧形导轨152的圆心以毡模具18上表面的轴线，即沿移动工作台16移动方向的中心线为圆心。其中激光扫描仪153为市售的产品，例如武汉海达数云技术有限公司生产的高精度三维激光测量仪。激光扫描仪153通过同步带驱动沿着弧形导轨152移动。或者在激光扫描仪153上设置行走机构，在弧形导轨152设置弧形齿条，通过行走机构驱动激光扫描仪153沿着弧形导轨152移动。在移动过程中，激光扫描仪153的镜头始终对准毡模具18上表面的轴线，以降低测量误差。

优选的方案如图1中，所述的移动工作台16为直线移动工作台，移动工作台16设有检测移动工作台16移动位置的传感器。由此结构，通过移动工作台16承载毡模具18和毡工件19运行在各个工位，完成上料、摊铺、下料、测量和针刺加工各个工序。

优选的方案如图1中，所述的移动工作台16的结构为：同步带13绕过两个皮带辊14并构成啮合连接，工作台台面固定安装在皮带辊14上，其中一个皮带辊14与驱动旋转的驱动装置连接；

传感器为检测皮带辊14转角的角传感器，例如绝对值传感器。

优选的方案中，所述的移动工作台16的结构为：同步带13固定安装，工作台台面通过驱动装置与同步带13连接，驱动装置内设有主动轮20，主动轮20与同步带13啮合连接；

传感器为检测主动轮20转角的角传感器。

如图1~3中，在移动工作台16的工作台台面上设有多个定位销17，在毡模具18上设有多个销孔，由此方案，用于实现毡模具18的精确定位，以便于实现自动加工。

优选的方案中，所述的自动针刺装置100的刺针4由直线电机、气缸或圆周电机7驱动往复运动；直线电机驱动的结构，例如申请人申请的2018112931159电动针刺装置中的结构。气缸驱动的结构，例如申请人申请的201821788905X气动针刺装置的结构。其中圆周电机7通过曲柄摇杆机构或齿轮齿条机构驱动刺针4往复运动。

优选的方案如图4、5中，所述的自动针刺装置100中，壳体1与针座之间通过导向机构滑动连接，刺针4与针座固定连接，在针座上固设有沿轴向设置的齿条6，壳体1上固设有电机7，电机7通过传动机构与齿条6啮合连接；

所述的传动机构中设有扇形齿轮8，在壳体1与针座之间设有用于复位的弹簧10，当扇形齿轮8处于非传动状态时，以使壳体1与针座之间复位；

刺针4固设在针座上；

所述的电机7为变频电机、伺服电机或步进电机。由此方案，通过电机7的单向旋转，配合弹簧10的自动复位，即可实现刺针4的往复运动，便于控制。

优选的方案如图4、5中，所述的导向机构中，导杆5与针座固定连接，在壳体1内固设有导套11，导杆5与导套11滑动连接；优选的方案中，所述的导杆5为两根，导套11相应为两个。图中为便于观察，导杆5仅示出一根，在本例中，两根导杆5和齿条6沿圆周分布，大致相距120°。设置的两根导杆5，能够避免针座在滑动过程中产生转动。优选的，导杆5为圆柱形构件，导套11为带孔的环状构件，优选的，导套11内壁设有聚四氟乙烯材质的轴套。

在壳体1内与导杆5端部相对应的位置还设有缓冲座102，缓冲座102为盲孔结构，在盲孔结构的开口处设有喇叭口，缓冲座102与导杆5端部之间设有间隙。由此结构，当导杆5被弹簧10复位时，能够对导杆5进行缓冲，并避免出现反弹。

优选的方案如图4、5中，在导杆5上靠近自由端的位置固设有限位块51，限位块51与导套11之间设有弹簧10。

优选的方案如图5中，电机7与扇形齿轮8固定连接，还设有传动齿轮9，传动齿轮9为双联齿轮，扇形齿轮8与传动齿轮9的小齿轮啮合连接，传动齿轮9的大齿轮与齿条6啮合连接；

传动齿轮9通过轴承支承在壳体1的内壁，电机7固设在壳体1的内壁。

优选的方案如图4、5中，壳体1的顶部还设有用于连接机械手12的连接座101。

优选的方案如图4、5中，所述的连接座101为设置在壳体1顶部的凹槽，在凹槽内设有磁铁。由此结构，便于快速与机械臂进行连接和定位。进一步优选的，凹槽内设有限位结构，以使连接座101仅能在圆周上以预定的角度被安装在机械臂上。该方案主要是确保刺针4的空间位置。

优选的方案如图4、5中，所述的针座中，上针座2与下针座3螺纹连接，刺针4设有弯折的端头，一根或多根刺针4穿过下针座3，弯折的端头位于上针座2与下针座3之间。在刺针4的外壁设有多个倒钩，以使当刺针4下行时，容易带动纤维跨层运行，实现错层固定的效果。

自动针刺装置100在使用时，启动电机7，并使电机7以预设速度转动，此时针座位于初始位置的壳体1内，如图4中当扇形齿轮8逆时针旋转，扇形齿轮8与传动齿轮9中的小齿轮构成啮合，即带动传动齿轮9旋转，传动齿轮9的大齿轮与齿条6啮合带动齿条6向图1的下方运动，针座相应的沿着导套11向下运动。完成一次针刺操作，同时弹簧10压缩蓄能。当扇形齿轮8继续旋转，扇形齿轮8的齿与传动齿轮9的小齿轮脱离啮合，此时在弹簧10作用下，针座带着刺针4向上运动，实现复位，当导杆5端头接近缓冲座102，导杆5端头使缓冲座102内的空气压缩，避免针座与壳体1之间撞击产生反弹。直至扇形齿轮8再次与传动齿轮9的小齿轮啮合。

生产时，移动工作台16停放在图1中右侧的位置，人工摊铺毡料，摊铺完成后，移动工作台16向左移动，如图3中，在三维激光扫描装置15下方进行测量，生成毡工件19的三维形状，移动工作台16再次向左移动，机械手12带动端头的自动针刺装置100以刺针4距离三维形状一段距离，沿着三维形状的等距轮廓扫描，同时刺针4高速往复运动，进行针刺操作，刺针4带动纤维跨层，使各层间的毡料互相缠绕，形成工件半成品。针刺操作完成后，移动工作台16向左移动至图1的右边，继续摊铺，直至完成整个工件。

上述的实施例仅为本实用新型的优选技术方案，而不应视为对于本实用新型的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本实用新型的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种异型毡件自动加工系统，其特征是：它包括移动工作台（16），在移动工作台（16）的一侧设有机械手（12），在机械手（12）的自由端设有自动针刺装置（100），所述的自动针刺装置（100）的下端设有沿轴向往复运动的刺针（4）。

2.根据权利要求1所述的一种异型毡件自动加工系统，其特征是：在移动工作台（16）运动轨迹的上方还设有三维激光扫描装置（15）。

3.根据权利要求2所述的一种异型毡件自动加工系统，其特征是：所述的三维激光扫描装置（15）的结构为：它包括横跨在移动工作台（16）运动轨迹上方的门架（151），在门架（151）内设有弧形导轨（152），弧形导轨（152）上设有由驱动装置驱动沿弧形导轨（152）运行的激光扫描仪（153）。

4.根据权利要求1所述的一种异型毡件自动加工系统，其特征是：所述的机械手（12）为5自由度或6自由度机械手。

5.根据权利要求1所述的一种异型毡件自动加工系统，其特征是：所述的移动工作台（16）为直线移动工作台，移动工作台（16）设有检测移动工作台（16）移动位置的传感器。

6.根据权利要求5所述的一种异型毡件自动加工系统，其特征是：所述的移动工作台（16）的结构为：同步带（13）绕过两个皮带辊（14）并构成啮合连接，工作台台面固定安装在皮带辊（14）上，其中一个皮带辊（14）与驱动旋转的驱动装置连接；

传感器为检测皮带辊（14）转角的角传感器。

7.根据权利要求5所述的一种异型毡件自动加工系统，其特征是：所述的移动工作台（16）的结构为：同步带（13）固定安装，工作台台面通过驱动装置与同步带（13）连接，驱动装置内设有主动轮（20），主动轮（20）与同步带（13）啮合连接；

传感器为检测主动轮（20）转角的角传感器。

8.根据权利要求1所述的一种异型毡件自动加工系统，其特征是：所述的自动针刺装置（100）的刺针（4）由直线电机、气缸或圆周电机（7）驱动往复运动；

其中圆周电机（7）通过曲柄摇杆机构或齿轮齿条机构驱动刺针（4）往复运动。

9.根据权利要求1所述的一种异型毡件自动加工系统，其特征是：所述的自动针刺装置（100）中，壳体（1）与针座之间通过导向机构滑动连接，刺针（4）与针座固定连接，在针座上固设有沿轴向设置的齿条（6），壳体（1）上固设有电机（7），电机（7）通过传动机构与齿条（6）啮合连接；

所述的传动机构中设有扇形齿轮（8），在壳体（1）与针座之间设有用于复位的弹簧（10），当扇形齿轮（8）处于非传动状态时，以使壳体（1）与针座之间复位；

刺针（4）固设在针座上；

所述的电机（7）为变频电机、伺服电机或步进电机。

10.根据权利要求9所述的一种异型毡件自动加工系统，其特征是：所述的导向机构中，导杆（5）与针座固定连接，在壳体（1）内固设有导套（11），导杆（5）与导套（11）滑动连接；

在壳体（1）内与导杆（5）端部相对应的位置还设有缓冲座（102），缓冲座（102）为盲孔结构，缓冲座（102）与导杆（5）端部之间设有间隙；

电机（7）与扇形齿轮（8）固定连接，还设有传动齿轮（9），传动齿轮（9）为双联齿轮，扇形齿轮（8）与传动齿轮（9）的小齿轮啮合连接，传动齿轮（9）的大齿轮与齿条（6）啮合连接；

传动齿轮（9）通过轴承支承在壳体（1）的内壁，电机（7）固设在壳体（1）的内壁。

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