CN216635473U - 一种环形铺丝机床 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种环形铺丝机床，涉及铺丝设备技术领域，包括：环形铺丝机构以及模具承载机构，环形铺丝机构包括可沿自身轴向位移，且可绕自身轴线转动的圆环、机械臂以及铺丝头，机械臂一端固定在圆环的内壁面上，铺丝头设置在机械臂远离圆环的一端，模具承载机构的模具夹持端位于圆环的轴线上；本实用新型中圆环带动机械臂进行运动，并配合机械臂自身的姿态调整，能够实现在模具不动的情况下，控制机械臂端部的铺丝头沿着模具的任意表面进行铺丝，当需要对模具的不同表面进行铺丝时，仅需控制圆环带动机械臂，进而带动铺丝头运动至对应待铺丝表面即可，节省了翻转模具的时间，大大提高了铺丝效率。

Description

一种环形铺丝机床

技术领域

本实用新型涉及铺丝设备技术领域，特别是涉及一种环形铺丝机床。

背景技术

纤维束自动铺放工艺(EP)由纤维束缠绕衔生而来，介于缠绕和自动铺带工艺之间，它将预浸丝束或窄预浸带通过自动铺带机在几乎没有张力情况下按一定角度铺放到模具表面，铺贴辊与制件表面紧密接触以压紧铺层，该工艺还可将纤维束铺放到旋转芯轴上，纤维束可以差动释放，并能切除和续加纤维，适于外形和尺寸变化很大的制件。

纤维束自动铺放工艺的优点是:能按制件形状铺放纤维束，无边角废料，节省了原材料；自动化铺放过程适于制造整体件，减少拼装零件数目，节约了制造和装配成本；纤维束可以根据需要铺设，能充分利用材料，这种工艺既适于制造形状复杂的制件如机身蒙皮、导管，也适于制造机翼、水平安定面等大尺寸平面蒙皮；既可用于热固性树脂复合材料成型，也适于热塑性树脂基复合材料原位压实，不需要热压罐和真空袋，淘汰了昂贵的模具，减少了劳动量，材料浪费减少到最低限度。

当前，纤维增强复合材料的铺放方式主要为手糊、真空袋、模压以及自动铺丝工艺，其中自动铺丝工艺主要指铺丝机铺丝，采用铺丝机铺放复合材料始于20世纪80年代末美国，有龙门式、机械人式以及混合型等多种形式，铺丝机的功能不断完善，性能不断进步，目前已经发展成为复合材料自动化成型技术的代表性主流设备，自动铺丝工艺的适应性较好，可用于制造具有复杂曲面的复合材料零部件，就铺丝机来说，各制造商的铺丝头构型不同但基本功能相似，都可以完成压辊铺纱、送纱、断纱、止纱、张力控制、温度控制及铺放压力控制等功能，由于各个国家在机器人、精密机床以及软件开发水平方面存在很大差异，在自动铺丝机开发上，现存技术差异性较大，自动铺丝技术是航空航天、风电和交通运输领域的重点发展技术，近些年来自动铺丝设备正广泛应用于飞机、航空航天以及军工领域，并形成加速技术发展的趋势，铺丝机的核心技术主要掌握在欧美发达国家，并对我国技术需要施加限制，我国的自动铺丝技术研发工作也进行了20多年，综合技术不够成熟，具有改进和提升的余地，但由于缺少相关技术的配合，如机器人和相关软件等，工程应用基础欠缺，不能应用于工程实际，装备的稳定性也是一个大问题，目前国内尚无工程实用型纤维复合材料自动铺丝设备，国产设备的制造精度相较于国外先进水平还有差距，机器的整合度不够，铺丝机的结构功能一体化程度不够。

申请号为“201110274287.3”，名称为“双带铺放装置及方法”的发明专利公开了一种铺丝机，置包括工作台，安装于工作台上可实现X方向平移的龙门架；安装于龙门架可实现Y方向平移的小车，安装于小车上可实现Z方向旋转和进给铺放头；小车与铺放头构成Z方向上的铺放头组件，通过在X、Y、Z三个方向上控制铺丝头在模具上进行铺丝，但是当模具一面铺丝完成后需要对另一面进行铺丝时，需要停止机器的运行，翻转模具并再次铺丝，降低了铺丝效率。

申请号为“201810521418.5”，名称为“一种用于纤维复合材料铺放的自动铺丝设备”的发明专利公开了一种铺丝机，两伺服电机A驱动输出的两个齿轮沿X向长齿条转动，从而带动横向梁沿纵向梁滑动；伺服电机B驱动滑座沿横向梁滑动；伺服电机C驱动Z向丝杠旋转，从而带动滑枕沿滑座上下滑动；固定在固定体上的C轴回转机构带动C轴回转体沿C轴回转体的中心轴C轴旋转；A轴回转机构带动摆动体沿同轴心的两轴的轴心线A轴旋转；固定在摆动体上的C1轴回转机构带动纱架沿纱架中心轴C1轴旋转；铺丝头和铺丝头压辊固定在纱架的下端；控制系统控制C轴、C1轴、A轴回转机构和刹闸装置的动作；伺服电机D带动工件沿工件回转主轴旋转，伺服电机A、伺服电机B、伺服电机C、伺服电机D、C轴回转机构、C1轴回转机构、A轴回转机构和刹闸装置整体结合相当于多自由度的机械臂，利用多自由度机械臂带动铺丝头运动，配合伺服电机D驱动的工件的旋转运动，共同完成对工件的铺丝，但是当工件具有曲面外形时，控制系统不仅需要分析机械臂的运动(机械臂端部的位置)，还要分析模具旋转后其表面的位置数据，再结合两者数据使其配合完成运动，对软硬件之间的配合技术难度较大，提高制作成本。

因此人们亟需一种铺丝效率高、且对技术要求较低的环形铺丝机床。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种环形铺丝机床，以解决上述现有技术存在的问题，在提高铺丝效率的基础上，降低对技术的要求。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：本实用新型提供一种环形铺丝机床，包括环形铺丝机构以及模具承载机构，所述环形铺丝机构包括可沿自身轴向位移，且可绕自身轴线转动的圆环、具有六自由度以上的机械臂以及铺丝头，所述机械臂一端连接在所述圆环的内壁面上，另一端朝向所述圆环的轴线设置，所述铺丝头设置在所述机械臂远离所述圆环的一端，所述模具承载机构的模具夹持端位于所述圆环的轴线上，且当所述模具夹持端与模具连接后，所述模具位于所述圆环内部。

优选的，还包括第一滑轨以及滑动设置在所述第一滑轨上方的圆环底座，所述圆环底座的顶部设置有与所述圆环相匹配的槽体，所述圆环设置在所述槽体内，所述圆环的外表面为齿状结构，所述槽体底部设置有与所述齿状结构相啮合的齿轮，所述齿轮的轴线与所述圆环的轴线平行，所述圆环底座内设置有驱动所述齿轮转动的驱动电机，所述第一滑轨与所述圆环的轴线平行。

优选的，所述圆环底座包括两个对称设置的Z字型结构，所述Z字型结构上设置有所述槽体，所述Z字型结构底部与所述第一滑轨滑动连接。

优选的，还包括用于储存铺设用丝束的储丝锭，所述储丝锭设置在所述圆环的内壁面上，且靠近所述机械臂设置，所述储丝锭的丝束与所述铺丝头连接。

优选的，所述铺丝头包括张力控制机构、重送和加热机构、剪切机构以及滚压机构，所述储丝锭的丝束依次经过所述张力控制机构、所述重送和加热机构以及所述剪切机构与所述滚压机构连接。

优选的，所述重送和加热机构为输送辊，所述输送辊上方设置红外线加热器，所述剪切机构为滚动刀、气动刀、激光切割器或超声切割器，所述滚压机构为压力辊。

优选的，所述张力控制机构为若干个转速可单独调节的导丝辊。

优选的，所述模具承载机构包括两个横跨在所述圆环轴向两侧的支撑台，所述支撑台顶部设置有用于固定所述模具的连接部。

优选的，还包括第二滑轨，所述支撑台的底部滑动设置在所述第二滑轨上，所述第二滑轨与所述圆环的轴线平行。

优选的，所述模具两端设置有支撑杆，所述模具通过所述支撑杆与所述模具承载机构连接。

本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、本实用新型中利用可沿自身轴向位移，且可绕自身轴线转动的圆环带动机械臂进行运动，并配合机械臂自身的姿态调整，能够实现在模具不动的情况下，控制机械臂端部的铺丝头沿着模具的任意表面进行铺丝，当需要对模具的不同表面进行铺丝时，仅需控制圆环带动机械臂，进而带动铺丝头运动至对应待铺丝表面即可，节省了翻转模具的时间，大大提高了铺丝效率，而且由于在整个铺丝过程中模具是不动的，运动的仅仅是机械臂以及圆环的运动，而圆环的内壁面是环形结构，系统通过控制圆环运动进而获取机械臂基点的技术难度较低，通过获得的机械臂基点控制机械臂的端部的运动轨迹的技术难度也相对降低，即本申请相对于模具转动配合机械臂姿态调整，需要配合模具转动后的表面数据以及机械臂运动数据来说，大大降低了对技术的要求，有利于降低生产成本，而且能够相应的提高数据精度，进而提高铺丝效果。

2、本实用新型中将储丝锭设置在圆环的内壁面上，使得供丝机构与铺丝机构设置为一体结构，提高了装置的结构紧凑性，而且此时可将整体装置设置在密闭的腔室中，通过系统控制整个模具的铺丝，可保障工作环境洁净、安全，避免外界环境对铺丝的污染。

3、本实用新型中设置第二滑轨，使模具可通过支撑台在第二滑轨上沿圆环的轴线方向运动，避免在实际铺丝过程中出现铺丝死角的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型环形铺丝机床的机构示意图；

图2为本实用新型环形铺丝机床的正视图；

图3为本实用新型铺丝头结构示意图；

其中，1、圆环；2、机械臂；3、铺丝头；4、储丝锭；5、模具；6、圆环底座；7、第一滑轨；8、支撑台；9、第二滑轨；10、张力控制机构；11、重送和加热机构；12、剪切机构；13、滚压机构；14、导丝辊；15、输送辊；16、红外线加热器；17、滚动刀；18、压力辊；19、照明灯。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种环形铺丝机床，以解决现有技术存在的问题，在提高铺丝效率的基础上，降低对技术的要求。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

请参考如图1～3所示，提供一种环形铺丝机床，包括环形铺丝机构以及模具承载机构，环形铺丝机构包括可沿自身轴向位移，且可绕自身轴线转动的圆环1、具有六自由度以上的机械臂2以及铺丝头3，机械臂2一端连接在圆环1的内壁面上，另一端朝向圆环1的轴线设置，机械臂2可与圆环1的内壁面可拆卸连接，便于后续的维护处理，铺丝头3设置在机械臂2远离圆环1的一端，铺丝头3与机械臂2可拆卸连接，便于后续更换铺丝头3，模具承载机构的模具夹持端位于圆环1的轴线上，且当模具夹持端与模具5连接后，模具5位于圆环1内部，利用可沿自身轴向位移，且可绕自身轴线转动的圆环1带动机械臂2进行运动，并配合机械臂2自身的姿态调整，能够实现在模具5不动的情况下，控制机械臂2端部的铺丝头3沿着模具5的任意表面进行铺丝，当需要对模具5的不同表面进行铺丝时，仅需控制圆环1带动机械臂2，进而带动铺丝头3运动至对应待铺丝表面即可，节省了翻转模具5的时间，大大提高了铺丝效率，而且由于在整个铺丝过程中模具5是不动的，运动的仅仅是机械臂2以及圆环1的运动，而圆环1的内壁面是环形结构，系统通过控制圆环1运动进而获取机械臂基点的技术难度较低，通过获得的机械臂基点控制机械臂2的端部的运动轨迹的技术难度也相对降低，即本申请相对于模具5转动配合机械臂2姿态调整，需要配合模具5转动后的表面数据以及机械臂2运动数据来说，大大降低了对技术的要求，有利于降低生产成本，而且能够相应的提高数据精度，进而提高铺丝效果。

控制圆环1沿自身轴向位移、绕自身轴线转动的方式为：设置第一滑轨7以及滑动设置在第一滑轨7上方的圆环底座6，圆环底座6的顶部设置有与圆环1相匹配的槽体，圆环1设置在槽体内，圆环1的外表面为齿状结构，槽体底部设置有与齿状结构相啮合的齿轮，齿轮的轴线与圆环1的轴线平行，圆环底座6内设置有驱动齿轮转动的驱动电机，第一滑轨7与圆环1的轴线平行；或者直接利用若干根伸缩杆，伸缩杆与圆环1轴线平行，且伸缩端均设置在圆环1的外壁面上，伸缩杆的固定端设置在支撑架上，伸缩杆的伸缩端通过一个连接部与圆环1外壁面连接，连接部一端固定设置在伸缩杆的伸缩端上，另一端设置有与圆环1外壁面相匹配的槽体，圆环1的外表面为齿状结构，槽体底部设置有与齿状结构相啮合的齿轮，齿轮的轴线与圆环1的轴线平行，连接部内设置有驱动齿轮转动的驱动电机。

当采用圆环底座6支撑并驱动圆环1运动时，圆环底座6包括两个对称设置的Z字型结构，Z字型结构上设置有环形槽，Z字型结构底部与滑轨滑动连接，利用Z字型结构对圆环1进行支撑，利用结构本身提高支撑的稳定性。

为了制作一体式的铺丝机，还设置用于储存铺设用丝束的储丝锭4，储丝锭4设置在圆环1的内壁面上，且靠近机械臂2设置，储丝锭4的丝束与铺丝头3连接，使得供丝机构(即储丝锭4)与铺丝机构设置为一体结构，提高了装置的结构紧凑性，而且此时可将整体装置设置在密闭的腔室中，通过系统控制整个模具5的铺丝，可保障工作环境洁净、安全，避免外界环境对铺丝的污染。

储丝锭4内的丝束集成为筒状结构，由丝束做切向退绕形成，丝束为扁平状结构。

铺丝头3采用常规铺丝头，大致结构包括张力控制机构10、重送和加热机构11、剪切机构12以及滚压机构13，张力控制机构10、重送和加热机构11、剪切机构12以及滚压机构13依次设置在框型连接架上，储丝锭4的丝束依次经过张力控制机构10、重送和加热机构11以及剪切机构12与滚压机构13连接。

重送和加热机构11为输送辊15，输送辊15上方设置红外线加热器16，剪切机构12为滚动刀17、气动刀、激光切割器或超声切割器等，滚压机构13为压力辊18。

压力辊18一侧可设置照明灯19。

张力控制机构10可以为若干个转速可单独调节的导丝辊14，通过调节不同导丝辊14的转速，调节输送丝束的张力，也可以是其他可调节丝束张力的机构。

为了保证对模具5的稳定支撑，模具承载机构包括两个横跨在圆环1轴向两侧的支撑台8，支撑台8顶部设置有用于固定模具5的连接部。

还设置有第二滑轨9，支撑台8的底部滑动设置在第二滑轨9上，第二滑轨9与圆环1的轴线平行，通过设置第二滑轨9，使模具5可通过支撑台8在第二滑轨9上沿圆环1的轴线方向运动，避免在实际铺丝过程中出现铺丝死角的问题。

为了完整的对模具5进行铺丝，整体技术方案中模具5两端设置有支撑杆，模具5通过支撑杆与模具承载机构连接，使模具5本身能够径向无遮挡的设置在圆环1内。

在实际使用过程中将模具5两端的支撑杆分别安装在圆环1轴向两端的支撑台8上，系统控制圆环1运动，直至压力辊18对应模具5的任一表面的一端，系统控制机械臂2使压力辊18的底面与模具5表面平行；然后系统控制启动输送辊15和红外线加热器16，输送辊15输送丝束，压力辊18开始进行铺丝，同时系统控制圆环底座6沿第一滑轨7运动，通过机械臂2带动压力辊18沿模具5表面运动，完成单线铺丝，单线铺丝可按照按照0°、±45°、90°四个方向设计铺丝方向进行铺丝，单线铺丝过程中，通过控制机械臂2的姿态以及圆环1的角度、位置，使压力辊18的底面始终与模具5表面平行；

单线铺丝完成后，剪切机构12切断丝束，调整圆环1的角度、位置以及机械臂2的姿态，使压力辊18对应前次铺丝的侧方未铺丝位置，重复单线铺丝步骤，每次只铺设一个方向的丝束，相邻两丝束间距误差保证在±2mm，按设计确定铺设层数，直至完成模具5所有平面的铺丝。

铺丝时要求：

(1)间隙精度：

单向铺放时，即每次铺丝均从模具5同一端开始，相邻两丝束带间间隙均匀，所有偏差与设定值偏差方向一致(正偏差或负偏差)，偏差值≤0.5mm；双向铺放时，即后次铺丝的起始位置为前次铺丝起始位置所在模具5一端的另一端，两带间间隙均匀，偏差值≤±0.5mm，相邻丝束间不搭接，单个间隙

≤0.5mm。

(2)铺丝路径要求：

铺丝机应可任意角度上双向铺放，角度误差在±0.1°以内。

(3)铺层形式要求：

铺丝机应能够完成具有曲面外形(如C型梁、机身壁板等)的铺层和加强层的铺放，铺层应无褶皱、无气泡，根据工艺需求，可以选择工装上表面是否铺贴工艺材料。

根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种环形铺丝机床，其特征在于，包括环形铺丝机构以及模具承载机构，所述环形铺丝机构包括可沿自身轴向位移，且可绕自身轴线转动的圆环、具有六自由度以上的机械臂以及铺丝头，所述机械臂一端连接在所述圆环的内壁面上，另一端朝向所述圆环的轴线设置，所述铺丝头设置在所述机械臂远离所述圆环的一端，所述模具承载机构的模具夹持端位于所述圆环的轴线上，且当所述模具夹持端与模具连接后，所述模具位于所述圆环内部。

2.根据权利要求1所述的环形铺丝机床，其特征在于，还包括第一滑轨以及滑动设置在所述第一滑轨上方的圆环底座，所述圆环底座的顶部设置有与所述圆环相匹配的槽体，所述圆环设置在所述槽体内，所述圆环的外表面为齿状结构，所述槽体底部设置有与所述齿状结构相啮合的齿轮，所述齿轮的轴线与所述圆环的轴线平行，所述圆环底座内设置有驱动所述齿轮转动的驱动电机，所述第一滑轨与所述圆环的轴线平行。

3.根据权利要求2所述的环形铺丝机床，其特征在于，所述圆环底座包括两个对称设置的Z字型结构，所述Z字型结构上设置有所述槽体，所述Z字型结构底部与所述第一滑轨滑动连接。

4.根据权利要求1所述的环形铺丝机床，其特征在于，还包括用于储存铺设用丝束的储丝锭，所述储丝锭设置在所述圆环的内壁面上，且靠近所述机械臂设置，所述储丝锭的丝束与所述铺丝头连接。

5.根据权利要求4所述的环形铺丝机床，其特征在于，所述铺丝头包括张力控制机构、重送和加热机构、剪切机构以及滚压机构，所述储丝锭的丝束依次经过所述张力控制机构、所述重送和加热机构以及所述剪切机构与所述滚压机构连接。

6.根据权利要求5所述的环形铺丝机床，其特征在于，所述重送和加热机构为输送辊，所述输送辊上方设置红外线加热器，所述剪切机构为滚动刀、气动刀、激光切割器或超声切割器，所述滚压机构为压力辊。

7.根据权利要求5所述的环形铺丝机床，其特征在于，所述张力控制机构为若干个转速可单独调节的导丝辊。

8.根据权利要求1所述的环形铺丝机床，其特征在于，所述模具承载机构包括两个横跨在所述圆环轴向两侧的支撑台，所述支撑台顶部设置有用于固定所述模具的连接部。

9.根据权利要求8所述的环形铺丝机床，其特征在于，还包括第二滑轨，所述支撑台的底部滑动设置在所述第二滑轨上，所述第二滑轨与所述圆环的轴线平行。

10.根据权利要求1所述的环形铺丝机床，其特征在于，所述模具两端设置有支撑杆，所述模具通过所述支撑杆与所述模具承载机构连接。

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