热塑性复合材料自动铺放装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种热塑性复合材料自动铺放装置及其方法，热塑性复合材料自动铺放装置包括铺放装置，铺放装置安装在支撑板上，激光焊接装置的激光焊接头固定于铺放装置一侧，超声振动装置固定于铺放装置另一侧；铺放装置缠绕在带盘上的热塑性预浸带经导向轮和主、副驱动辊传送至加压滚轮下方，控制加压滚轮压力，使热塑性预浸带与基材充分接触；激光焊接头发出的激光束倾斜照射在热塑性预浸带与基材交界处，红外测温探头检测加工温度并反馈至计算机，实时控制加工温度；超声振动装置对加压滚轮后方热塑性预浸带超声冲击；本发明专利技术激光作为热源，加热区域精准、速度快；引入超声能量，提高界面连接强度；温度闭环控制，提高加工成型件质量。

【技术实现步骤摘要】
热塑性复合材料自动铺放装置及方法
本专利技术属于激光加工
，涉及一种热塑性复合材料自动铺放装置及方法。
技术介绍
高性能复合纤维材料制成的结构件具有高强化、轻量化且耐腐蚀等特点，在宇航、汽车、电器、建筑等的领域应用日趋广泛。其中热塑性树脂基复合材料固化时间短，大大缩短了成型周期，具有抗冲击韧性强，焊接性能良好等特点，受到越来越多的关注和研究。但是，由于其树脂基材熔点高、黏度较大，构件成型需高温高压，对成型设备要求较苛刻，因此制约对其进一步的推广使用，而自动铺放成型技术能够有效解决这一问题。激光焊接技术是利用高能量密度的激光束作为焊接热源，使工件发生熔化并粘合，从而达到焊接目的的一种焊接技术。激光焊接光束能量密度高，焊接速度快，且加工精准。激光焊接为非接触焊接，可以实现一定距离的焊接，灵活方便，常与机器人配合使用，实现自动化。采用激光焊接可以焊接难熔材料，能对异种材料进行焊接，而且焊接效果较好。使其成为高性能复合纤维材料自动铺放的理想手段之一。超声在媒介中传播时，能够产生机械、空化、声流和热效应等现象，使超声波同时兼具强烈的分散、粉碎、活化等多重作用。在复合材料加工过程中辅助以功率超声，利用超声打破液体中的气泡，同时产生高温、高压及局部作用，改善复合材料物理化学等方面性能。中国专利CN104354302B公开了一种自动化贴膜式铺放复合材料预成型体的装置及方法，其特征在于先将纤维和树脂膜压制成半预浸带，然后将半预浸带铺放在芯模上，并得到预成型体。但是其并不适用于成型小曲率的热塑性复合材料构件的铺放，其铺放速度较慢，热塑性复合材料界面连接强度低，不能满足实际使用要求。中国专利CN104626611B公开了一种基于六轴机器人式的自动铺带装置及方法，其特征在于通过铺带装置将预浸带输送至芯模或者已铺放表面并压紧，使用红外灯管加热铺放成型。红外加热通过电磁波传递能量，传热形式为辐射传热，具有加热范围大、能量密度低等缺点，导致铺放装置的压辊热量积累而影响成型质量，其铺放效率低且不易控制加工温度。中国专利CN105904739A公开了一种快速自动铺放热塑性复合材料构件的装置及方法，利用超声加热装置对热塑性预浸带进行铺放成型，并经过固化处理，控制结晶度与晶粒尺寸，从而达到优化构件性能的目的。但由于热源由机械振动产生，所制成的结构件表面成型质量低，且需固化处理，加工效率低。
技术实现思路
为了达到上述目的，本专利技术提供一种热塑性复合材料自动铺放装置及方法，解决了现有技术中铺放速度慢、热塑性复合材料界面连接强度低及加工温度不易控制的问题。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是，热塑性复合材料自动铺放装置，包括铺放装置，铺放装置固定在支撑板上，激光焊接装置的激光焊接头固定于铺放装置一侧，超声振动装置固定于铺放装置另一侧，支撑板通过法兰与机器人的手臂相连。所述铺放装置由带盘、张紧装置、热塑性预浸带、第一气压缸、加压滚轮、导向轮、主驱动辊、副驱动辊及第三气压缸组成，热塑性预浸带缠绕在带盘上，带盘中心设有张紧装置；导向轮固定于从带盘引出的热塑性预浸带下方，并与热塑性预浸带接触；相互平行的主驱动辊和副驱动辊位于导向轮下方，热塑性预浸带穿过主驱动辊和副驱动辊中间，并与主驱动辊和副驱动辊接触；加压滚轮位于主驱动辊和副驱动辊下方，热塑性预浸带沿加压滚轮被送至加压滚轮下方与基材接触；加压滚轮一侧连接第一气压缸，第一气压缸上设有第一活塞杆、位于第一活塞杆上方的第一气孔和位于第一活塞杆下方的第二气孔；加压滚轮另一侧连接第三气压缸，第三气压缸上设有第二活塞杆、位于第二活塞杆下方的第三气孔和位于第二活塞杆上方的第四气孔。所述激光焊接装置由激光器、计算机、激光焊接头及红外测温探头组成，激光器输入线连接计算机，激光器输出线连接激光焊接头，激光焊接头上安装红外测温探头，红外测温探头连接计算机，激光焊接头发出的激光束倾斜照射在加压滚轮下方热塑性预浸带与基材交界处。所述超声振动装置由超声波发生器、超声振动工具头、变幅杆、换能器、第二气压缸、滑块及导轨组成，超声振动工具头、变幅杆与换能器依次相连组成振动工作单元，换能器通过信号传输线与超声波发生器连接，第二气压缸通过第三活塞与换能器连接，换能器上固定滑块一端，滑块另一端卡接在导轨上，振动工作单元通过滑块沿导轨轴线方向直线运动，第二气压缸上设有位于第三活塞下方的第五气孔和位于第三活塞上方的第六气孔，导轨和第二气压缸固定在支撑板上。所述热塑性预浸带，是热塑性树脂与纤维的组合物；所述热塑性树脂为聚丙烯、聚乙烯或聚酰胺中的一种；所述纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶或玄武岩纤维中的一种或两种以上的组合体。所述第一气孔、第四气孔和第六气孔为进气孔；所述第二气孔、第三气孔第五气孔为排气孔。热塑性复合材料自动铺放装置的铺放方法，包括以下步骤：步骤一：机器人牵引安装铺放装置、激光焊接装置及超声振动装置的支撑板至基材上方，热塑性预浸带经导向轮、主驱动辊和副驱动辊传送至加压滚轮下方，第一气孔和第四气孔进气，第二气孔和第三气孔排气，第一气压缸的第一活塞杆和第三气压缸的第二活塞杆推动加压滚轮，使热塑性预浸带和基材紧密贴合，并保持压力稳定；同时第六气孔进气，第五气孔排气，第二气压缸的第三活塞杆推动超声振动工具头与热塑性预浸带接触，并保持压力稳定；步骤二：计算机控制激光器的输出功率，激光器通过激光焊接头释放激光束，对加压滚轮下方热塑性预浸带和基材交界处进行加热，同时开启超声波发生器，换能器将超声波发生器产生的高频电流能转换为机械振动能，并通过变幅杆将机械振动放大、汇聚后，转移至超声波振动工具头，实现超声振动工具头对加压滚轮后方热塑性预浸带超声冲击；步骤三：基材和机器人同步运动，主驱动辊牵引热塑性预浸带的速率与加压滚轮铺放速率保持一致，实现热塑性热塑性预浸带的持续铺放成型，红外测温探头检测加工温度并反馈至计算机，实时调整激光器的输出功率，控制激光束功率，从而控制加工温度；步骤四：通过改变机器人末端手臂位姿调整铺放路径，重复步骤一至步骤三，直至整个热塑性复合材料构件成型结束。所述步骤一中，铺放热塑性预浸带时，加压滚轮对热塑性预浸带的压力为0.6MPa～1.0MPa，超声振动工具头对热塑性预浸带的压力为0.2MPa～0.5MPa。所述步骤二中，激光光斑为矩形光斑，光斑宽度为3mm～5mm，同时加热热塑性预浸带和基材，激光加工区温度为150℃～270℃；所述步骤二中，超声振动工具头的振幅为16～20μm、振动频率为40～80kHz；所述红外测温探头收集加工区域的辐射信号后，将其通过串口通信传输至计算机。本专利技术的有益效果是，热塑性复合材料自动铺放装置及方法，利用激光加热实现热塑性复合材料自动铺放，有效地解决了：(1)采用激光作为热源，加热区域精准，加热速度快可以提供较高的铺放速率，具有铺放效率高、节能环保等优点；(2)将高频超声能量引入焊接中，传递至熔体后产生空化、声流现象，从而达到去除复合材料铺放层间的气泡，同时对焊后区域进行超声冲击，显著消除残余应力等缺陷，提高界面连接强度；(3)在预浸带铺放过程中，使用温度闭环控制系统对加热温度精准控制，避免加热温度过高而导致树脂材料分解，提高加工成型件质量；(4)采用连续原位固结成型的方式，极大的节本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.热塑性复合材料自动铺放装置，其特征在于，包括铺放装置，铺放装置固定在支撑板(4)上，激光焊接装置的激光焊接头(7)固定于铺放装置一侧，超声振动装置固定于铺放装置另一侧，支撑板(4)通过法兰(3)与机器人(18)的手臂相连。

【技术特征摘要】
1.热塑性复合材料自动铺放装置，其特征在于，包括铺放装置，铺放装置固定在支撑板(4)上，激光焊接装置的激光焊接头(7)固定于铺放装置一侧，超声振动装置固定于铺放装置另一侧，支撑板(4)通过法兰(3)与机器人(18)的手臂相连。2.根据权利要求1所述的热塑性复合材料自动铺放装置，其特征在于，所述铺放装置由带盘(5)、张紧装置(6)、热塑性预浸带(10)、第一气压缸(11)、加压滚轮(12)、导向轮(20)、主驱动辊(21)、副驱动辊(22)及第三气压缸(28)组成，热塑性预浸带(10)缠绕在带盘(5)上，带盘(5)中心设有张紧装置(6)；导向轮(20)固定于从带盘(5)引出的热塑性预浸带(10)下方，并与热塑性预浸带(10)接触；相互平行的主驱动辊(21)和副驱动辊(22)位于导向轮(20)下方，热塑性预浸带(10)穿过主驱动辊(21)和副驱动辊(22)中间，并与主驱动辊(21)和副驱动辊(22)接触；加压滚轮(12)位于主驱动辊(21)和副驱动辊(22)下方，热塑性预浸带(10)沿加压滚轮(12)被送至加压滚轮(12)下方与基材(13)接触；加压滚轮(12)一侧连接第一气压缸(11)，第一气压缸(11)上设有第一活塞杆(27)、位于第一活塞杆(27)上方的第一气孔(25)和位于第一活塞杆(27)下方的第二气孔(26)；加压滚轮(12)另一侧连接第三气压缸(28)，第三气压缸(28)上设有第二活塞杆(30)、位于第二活塞杆(30)下方的第三气孔(29)和位于第二活塞杆(30)上方的第四气孔(31)。3.根据权利要求1所述的热塑性复合材料自动铺放装置，其特征在于，所述激光焊接装置由激光器(1)、计算机(2)、激光焊接头(7)及红外测温探头(9)组成，激光器(1)输入线连接计算机(2)，激光器(1)输出线连接激光焊接头(7)，激光焊接头(7)上安装红外测温探头(9)，红外测温探头(9)连接计算机(2)，激光焊接头(7)发出的激光束(19)倾斜照射在加压滚轮(12)下方热塑性预浸带(10)与基材(13)交界处。4.根据权利要求1所述的热塑性复合材料自动铺放装置，其特征在于，所述超声振动装置由超声波发生器(8)、超声振动工具头(14)、变幅杆(15)、换能器(16)、第二气压缸(17)、滑块(23)及导轨(24)组成，超声振动工具头(14)、变幅杆(15)与换能器(16)依次相连组成振动工作单元，换能器(16)通过信号传输线与超声波发生器(8)连接，第二气压缸(17)通过第三活塞(32)与换能器(16)连接，换能器(16)上固定滑块(23)一端，滑块(23)另一端卡接在导轨(24)上，振动工作单元通过滑块(23)沿导轨(24)轴线方向直线运动，第二气压缸(17)上设有位于第三活塞(32)下方的第五气孔(33)和位于第三活塞(32)上方的第六气孔(34)，导轨(24)和第二气压缸(17)固定在支撑板(4)上。5.根据权利要求2所述的热塑性复合材料自动铺放装置，其特征在于，所述热塑性预浸带(10)，是热塑性树脂与纤维的组合物；所述热塑性...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘佳，白陈明，石岩，李忠，刘双宇，刘凤德，张宏，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22