TWI745177B - 利用機械手臂製作複合材料結構物的加工設備 - Google Patents

Abstract

本發明係一種製作複合材料結構物的加工設備，其包含有一第一機械手臂、一供料裝置、一加熱裝置、一貼合裝置及一裁切裝置。第一機械手臂的一端具有可移動且可轉動的結合座，前述各裝置均設於結合座。供料裝置朝貼合裝置輸送複合材料，過程中以加熱裝置預熱複合材料。貼合裝置具有一緩衝件及一壓輪，壓輪透過緩衝件連接結合座，複合材料受壓輪緊抵而貼合於一目標物上。第一機械手臂帶動該壓輪沿目標物的表面移動，以使該複合材料覆蓋目標物而形成複合材料結構物。藉此，本發明可提高製作速度及品質，並且可製作質輕且高強度的結構件。

Description

利用機械手臂製作複合材料結構物的加工設備

本創作係涉及一種複合材料結構物的製作裝置，尤指一種結合鋪設貼合與纏繞的設備，以複合材料捲帶的形式，利用自動控制設備或機械手臂以黏貼或纏繞的方式形成結構物的加工設備。

現有的複合材料結構物，如應用於汽車或航太領域的複合材料零組件，或是碳纖維壓力容器殼體等，在製作時係以人工的方式將多個片狀的複合材料覆蓋在一模具上，接著將樹脂塗佈於複合材料上形成結構物的形狀，然後進行加熱固化，使複合材料形成具強度的結構物。

然而，以人工的方式製作複合材料結構物具有以下缺點：

第一，人工貼附的位置重複性不佳，也就是說，每一個結構物上的複合材料的位置及角度都會有些許差異，導致產品的品質較不穩定，且製作速度緩慢。

第二，目前複合材料產品製程中，現場人員與有機溶劑直接接觸，潛存現場作業人員健康危害。

第三，當使用的複合材料為碳纖維時，碳纖維的延伸方向(即纖維貼附的角度)會對結構物的強度產生很大的影響，然而傳統製程較難精確地控制結構物各個位置的碳纖維排列角度，只能大略地將碳纖維以水平、垂直或是大致斜向45度等方式貼附在模具上，無法充分發揮碳纖維的強度。尤其當結構物具有曲面(如壓力容器的兩端)時，以傳統製程工法不易完整鋪設貼合於曲面 上，須以更多補強材增強結構物強度，除增加材料成本及耗費製程時間，亦影響結構物強度。

因此，雖然複合材料本身是一種輕量且強度極佳的材料，理論上能夠製作出比現有金屬材料更輕且強度更佳的結構物，但受限於目前的傳統製程工法，通常只能用於製作對強度要求不高的外觀零組件，而無法用於製作需要強度的結構零組件。

因此，現有技術中製作複合材料結構物的加工設備實有待加以改良及整合。

有鑑於前述之現有技術的缺點及不足，本創作提供一種結合鋪設貼合及纏繞工法之機構設備，可利用自動化系統設備或機械手臂製作複合材料結構物的加工設備，使複合材料結構物的生產能夠自動化，藉此提升產品品質及生產速度，並且維護作業人員的健康。

為達到上述的創作目的，本創作所採用的技術手段為設計一種利用機械手臂製作複合材料結構物的加工設備，用以將帶狀的複合材料貼合至一目標物；該加工設備包含：一第一機械手臂，其一端具有一結合座，該第一機械手臂可帶動該結合座移動及轉動；一貼合裝置，其設於該結合座上；一供料裝置，其設於該結合座上，且用以朝該貼合裝置輸送該複合材料；一加熱裝置，其設於該結合座上，且用以加熱該複合材料；該加熱裝置位於該貼合裝置及該供料裝置之間； 一上膠裝置；該上膠裝置設於該結合座，並位於該加熱裝置及該供料裝置之間；該上膠裝置用以朝該複合材料塗佈附著劑；其中，該貼合裝置具有：一緩衝件，其具有一固定端及一移動端；該固定端固設該結合座，該移動端可移動地連接該固定端；一壓輪，其可轉動地設於該緩衝件的該移動端；該壓輪用以緊抵該複合材料，以使該複合材料緊抵並貼合該目標物；該加工設備包含一裁切裝置，其設於該結合座上，且用以裁斷該複合材料；其中，該第一機械手臂以該結合座帶動該壓輪沿該目標物的表面移動，以使該複合材料覆蓋該目標物。

本發明於使用時，將預浸有樹脂的複合材料設置於供料裝置。供料裝置處的複合材料經加熱裝置加熱提高附著性後輸送至壓輪處，並藉由壓輪的緊抵而貼合於目標物的表面。同時，藉由機械手臂的移動，壓輪將複合材料沿著事先估算好的最佳路徑貼合覆蓋目標物的表面而形成結構物的形狀。結構物再經加熱固化及修邊後成為成品。其中所謂覆蓋不以完全覆蓋目標物的外表面為限，也可以僅覆蓋目標物的其中一側面，甚至也可以只覆蓋目標物其中一側面的局部區域。

本發明的優點在於：

第一，第一機械手臂能夠模仿人類手臂功能並可精準且迅速地將複合材料沿著特定路徑黏貼覆蓋於目標物上，藉此提高製作速度，並且可提供穩定的產品品質。本創作將傳統鋪設貼合及纏繞所需之二種設備，整合為單一設備，並可直接結合傳統自動控制設備與機械手臂使用。

第二，搭配複合材料預浸帶捲方式進行加工製程，增進作業現場環境安全，降低人員曝露有機溶劑危害風險。

第三，能夠事先根據結構物的強度需求估算出結構物上每個位置的最佳纖維排列角度，並以機械手臂將碳纖維精準的依照估算的位置及角度覆蓋於目標物的表面，即使在結構物的曲面處也能準確控制碳纖維的位置及角度。藉此，本創作能夠充分發揮碳纖維的強度，製作出比現有的複合材料重量更輕、強度更高且品質穩定的結構物，特別適合用於製作工字樑或壓力容器等需要強度的結構零組件。

進一步而言，所述之利用機械手臂製作複合材料結構物的加工設備，其中該複合材料混合有樹脂，並且該複合材料的一側面進一步貼附有離型紙；該加工設備進一步包含有一離型紙復捲裝置，其具有一復捲軸及一伺服馬達；該復捲軸用以供該離型紙捲繞；該伺服馬達驅動該復捲軸轉動。

進一步而言，所述之利用機械手臂製作複合材料結構物的加工設備，其中該複合材料為混合有樹脂的複合材料預浸布。

進一步而言，所述之利用機械手臂製作複合材料結構物的加工設備，其中：該供料裝置具有一供料軸及一供料馬達；該供料軸用以供該複合材料捲繞；該供料馬達驅動該供料軸轉動；該加工設備進一步具有一張力感測器，其用以抵靠並偵測該複合材料之張力；該張力感測器電連接該供料馬達，以控制該複合材料之張力。

進一步而言，所述之利用機械手臂製作複合材料結構物的加工設備，其中該緩衝件電連接該第一機械手臂，並透過程式控制而使該移動端相對該固定端的位置根據該第一機械手臂的位置及角度而改變，以控制該壓輪用以緊抵該複合材料的力量。

進一步而言，所述之利用機械手臂製作複合材料結構物的加工設備，其中進一步具有一第二機械手臂；該第二機械手臂用以夾持該目標物，並且可用以改變該目標物的位置及角度。

10:第一機械手臂

11:結合座

20:供料裝置

21:供料軸

22:供料馬達

23:導輪

30:加熱裝置

31:電熱棒

40:貼合裝置

41:緩衝件

411:固定端

412:移動端

42:壓輪

50:裁切裝置

55:離型紙復捲裝置

551:復捲軸

552:伺服馬達

60:上膠裝置

70:張力感測器

80:第二機械手臂

M:複合材料

K:離型紙

T:目標物

W:加工區域

S:儲料區域

圖1為本發明的立體外觀示意圖。

圖2為本發明於另一角度的立體外觀示意圖。

圖3為本發明的立體元件分解示意圖。

圖4及圖5為本發明的側視動作示意圖。

圖6為本發明的側視使用示意圖。

請參閱圖1、圖4及圖6所示，本發明之利用機械手臂製作複合材料結構物的加工設備用於將帶狀的複合材料M貼合至一加工區域W(如圖6所示)中的一目標物T。本實施例中的目標物T為一柱狀壓力容器的內膽，本發明將複合材料M覆蓋於內膽外而形成完整的壓力容器；但不以此為限，目標物T也可以是加工完成後需與複合材料M分離的模具。

本發明包含：一第一機械手臂10(如圖6所示)、一供料裝置20、一加熱裝置30、一貼合裝置40及一裁切裝置50；且在本實施例中，進一步包含有一上膠裝置60、一張力感測器70、一第二機械手臂80(如圖6所示)。複合材料M較佳地為混合有樹脂的預浸單向碳纖維布，但不以此為限，複合材料M也可以是玻璃纖維等其他混合有樹脂的複合材料預浸布(捲帶)。

前述之第一機械手臂10的一端具有可移動且可轉動的一結合座11，前述供料裝置20、加熱裝置30、貼合裝置40、裁切裝置50、上膠裝置60、張力感測器70均設於結合座11。第一機械手臂10具體來說為一多軸手臂，而使結合座11具有多個方向的移動以及旋轉自由度。在本實施例中，第一機械手臂10、第二機械手臂80以及結合座11上的各裝置均與一控制單元電連接，由控制單元整合控制各裝置的動作。

請配合參閱圖2至圖4所示，前述之供料裝置20朝貼合裝置40輸送複合材料M。在本實施例中，供料裝置20具有一供料軸21、一供料馬達22及複數導輪23。供料軸21及導輪23可轉動地連接結合座11；待加工的複合材料M在供料軸21外捲繞成圈狀；供料馬達22驅動供料軸21轉動，使複合材料M沿一傳輸路徑依序通過各導輪23並朝貼合裝置40輸送，並且可透過調整供料馬達22的扭力來改變複合材料M的張力。

前述之加熱裝置30位於貼合裝置40及供料裝置20之間，並且對複合材料M加熱，使複合材料M在預熱後能夠定型及附著於目標物T上。在本實施中，加熱裝置30包含二電熱棒31，其分別位於複合材料M的相對兩側面，且其中一電熱棒31接觸複合材料M以進行加熱，但不以此為限，加熱裝置30也可以利用雷射或是熱風對複合材料M進行加熱。

前述之上膠裝置60位於加熱裝置30及供料裝置20之間。上膠裝置60可朝複合材料M塗佈附著劑，以強化複合材料M附著於目標物T的效果。附著劑較佳地為樹脂。本實施例中的複合材料M為混合有樹脂的預浸碳纖維，經適當加熱後即可定型附著於目標物T上，無須以上膠裝置60塗佈附著劑，但藉由設置上膠裝置60，本發明可適用於需要額外塗佈附著劑的複合材料M。

請配合參閱圖4及圖5所示，前述之貼合裝置40具有一緩衝件41及一壓輪42。緩衝件41具有一固定端411及一移動端412，固定端411固設結合 座11，移動端412可移動地連接固定端411。壓輪42可轉動地設於緩衝件41的移動端412，並且壓輪42的外環面緊抵複合材料M，以使複合材料M緊抵並貼合目標物T。

在本實施例中，緩衝件41為一電控氣缸，其透過控制單元電連接第一機械手臂10。控制單元透過程式控制而使移動端412相對固定端411的位置根據第一機械手臂10的位置及角度而改變，以控制壓輪42緊抵複合材料M的力量大小，藉此，即使目標物T表面為曲面，壓輪42也能夠對複合材料M施加適當的壓力，使複合材料M能夠良好地貼合於目標物T。在其他較佳地實施例中，緩衝件41也可以是其他類型的電控致動器，甚至也可以是彈簧等被動緩衝元件。

前述之張力感測器70抵靠並偵測複合材料M之張力。張力感測器70透過前述控制單元電連接供料裝置20之供料馬達22，使供料馬達22根據偵測到的張力調整輸出扭力，以將複合材料M的張力控制在設定範圍內。

前述之裁切裝置50用於裁斷複合材料M。在本實施例中，裁切裝置50利用雷射裁斷壓輪42處之複合材料M，但不以此為限，裁切裝置50也可以是切刀等其他形式。

在本實施例中，供料裝置20處的複合材料M貼附有一層離型紙K，以避免複合材料M在捲繞狀態下發生沾黏，但離型紙K需在加熱前剝離。因此，本發明進一步具有一離型紙復捲裝置55，其具有一復捲軸551及一伺服馬達552；復捲軸551可轉動地設於結合座11；伺服馬達552驅動復捲軸551轉動，以將剝離的離型紙K捲繞於復捲軸551外。

請配合參閱圖6所示，前述之第二機械手臂80可將目標物T從一儲料區域S移動至位於第一機械手臂10及第二機械手臂80之間的加工區域W， 並且可改變目標物T於加工區域W內的位置及角度。第二機械手臂80較佳地為一多軸機械手臂，使本發明可對形狀複雜的目標物T加工。

本發明之利用機械手臂製作複合材料結構物的方法係透過前述之利用機械手臂製作複合材料結構物的加工設備進行作業，但不以此為限。方法如下：請配合參閱圖4至圖6所示，首先，將目標物T定位於一加工區域W；在本實施例中，是以第二機械手臂80自動將目標物T從儲料區域S移動並定位於加工區域W，藉此自動完成進料動作，但不以此為限，也可以不設置第二機械手臂80，而是以人工等其他方式將目標物T固定於加工區域W。

接著，供料裝置20朝貼合裝置40移動複合材料M，過程中以加熱裝置30將複合材料M加熱。當有需要時，以上膠裝置60先對複合材料M塗佈附著劑後再以加熱裝置30進行加熱。

然後，第一機械手臂10帶動貼合裝置40的壓輪42緊抵加熱後的複合材料M，並使複合材料M緊抵並貼合目標物T。而後第一機械手臂10以結合座11帶動壓輪42沿目標物T的表面移動，以使複合材料M覆蓋目標物T。緩衝件41使壓輪42抵靠於目標物T時，壓輪42可朝向第一機械手臂10移動以達緩衝的效果。最後，以裁切裝置50裁斷多餘的複合材料M。

藉由使用第一機械手臂10帶動壓輪42，本發明可將複合材料M以任意角度貼合於目標物T的任意位置，以充分發揮複合材料M的強度。另外，第一機械手臂10可使複合材料M貼合覆蓋目標物T的外表面以形成工字樑等結構，或者第一機械手臂10也可使複合材料M以纏繞的方式覆蓋於柱狀之目標物T的外環面以形成壓力容器等圓柱狀結構；也就是說，所謂覆蓋也包含了纏繞在內。

本發明於使用時，前端可搭配自動化儲料系統，其可自動將目標物T移動至儲料區域S，以供本發明的第二機械手臂80夾取。而本發明的後端可配合設置自動化產品外型加熱定型系統、高解析影像辨識偵測系統、智能產品外型辨識分析檢系統、自動化產品上架系統，以增進加工、品檢及倉儲的自動化程度。

綜上所述，本發明透過加熱裝置30及壓輪42對複合材料M進行加熱加壓，使複合材料M貼合於目標物T表面，同時以第一機械手臂10精準且迅速地帶動壓輪42沿事先估算好的最佳路徑移動，進而使複合材料M貼合覆蓋目標物T而形成結構物。藉此，本發明可提高複合材料結構物的製作速度，並且可提供穩定的產品品質，且避免人員傷害；此外，本發明也可製作出質輕且高強度的結構零組件。

以上所述僅是本創作的較佳實施例而已，並非對本創作做任何形式上的限制，雖然本創作已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本創作，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本創作技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本創作技術方案的內容，依據本創作的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本創作技術方案的範圍內。

10:第一機械手臂

11:結合座

20:供料裝置

21:供料軸

22:供料馬達

30:加熱裝置

40:貼合裝置

80:第二機械手臂

M:複合材料

T:目標物

W:加工區域

S:儲料區域

Claims (6)

1. 一種利用機械手臂製作複合材料結構物的加工設備，用以將帶狀的複合材料貼合至一目標物；該加工設備包含：一第一機械手臂，其一端具有一結合座，該第一機械手臂可帶動該結合座移動及轉動；一貼合裝置，其設於該結合座上；一供料裝置，其設於該結合座上，且用以朝該貼合裝置輸送該複合材料；一加熱裝置，其設於該結合座上，且用以加熱該複合材料；該加熱裝置位於該貼合裝置及該供料裝置之間；一上膠裝置；該上膠裝置設於該結合座，並位於該加熱裝置及該供料裝置之間；該上膠裝置用以朝該複合材料塗佈附著劑；其中，該貼合裝置具有：一緩衝件，其具有一固定端及一移動端；該固定端固設該結合座，該移動端可移動地連接該固定端；一壓輪，其可轉動地設於該緩衝件的該移動端；該壓輪用以緊抵該複合材料，以使該複合材料緊抵並貼合該目標物；該加工設備包含一裁切裝置，其設於該結合座上，且用以裁斷該複合材料；其中，該第一機械手臂以該結合座帶動該壓輪沿該目標物的表面移動，以使該複合材料覆蓋該目標物。
2. 如請求項1所述之利用機械手臂製作複合材料結構物的加工設備，其中該複合材料混合有樹脂，並且該複合材料的一側面進一步貼附有離型紙； 該加工設備進一步包含有一離型紙復捲裝置，其具有一復捲軸及一伺服馬達；該復捲軸用以供該離型紙捲繞；該伺服馬達驅動該復捲軸轉動。
3. 如請求項2所述之利用機械手臂製作複合材料結構物的加工設備，其中該複合材料為混合有樹脂的複合材料預浸布。
4. 如請求項1至3中任一項所述之利用機械手臂製作複合材料結構物的加工設備，其中：該供料裝置具有一供料軸及一供料馬達；該供料軸用以供該複合材料捲繞；該供料馬達驅動該供料軸轉動；該加工設備進一步具有一張力感測器，其用以抵靠並偵測該複合材料之張力；該張力感測器電連接該供料馬達，以控制該複合材料之張力。
5. 如請求項1至3中任一項所述之利用機械手臂製作複合材料結構物的加工設備，其中該緩衝件電連接該第一機械手臂，並透過程式控制而使該移動端相對該固定端的位置根據該第一機械手臂的位置及角度而改變，以控制該壓輪用以緊抵該複合材料的力量。
6. 如請求項1至3中任一項所述之利用機械手臂製作複合材料結構物的加工設備，其中進一步具有一第二機械手臂；該第二機械手臂用以夾持該目標物，並且可用以改變該目標物的位置及角度。

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