桌面式小型化自动铺丝设备及控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种桌面式小型化自动铺丝设备及其控制系统，其由外支撑架(1)、三轴平动平台(2)、送丝机构组件(3)、桌面铺放台(4)、铺丝头机构组件(5)和摇篮机构组件(6)组成。送丝机构可以维持纤维的张力，使得纤维不会从卷轴上散开。在铺丝过程中，送丝机构可以保证纤维进给速度与铺丝速度的匹配。铺丝头机构集成有剪切、加热和压辊的恒压，能够针对不同材料的性能调节合适的加热温度和铺放压力。本发明专利技术控制系统包括有多轴运动控制系统、控温系统和控压系统。本发明专利技术设备能够对中小型零件进行自动铺放成型。铺放成型。铺放成型。

【技术实现步骤摘要】
桌面式小型化自动铺丝设备及控制系统


[0001]本专利技术涉及一种对热塑性复合材料进行铺丝的机构，更特别地说，是指一种桌面式小型化自动铺丝设备，以及对所述桌面式小型化自动铺丝设备中的多个电机协同运动、加热温度以及铺放压力进行控制的控制系统。

技术介绍

[0002]复合材料质量轻、强度大、抗疲劳、耐腐蚀，便于大型复杂构件的整体制造，综合力学性能普遍优于金属材料，广泛应用于航空航天、能源、交通和国防等领域，在制造业的地位越来越重要。其中连续纤维增强热塑性复合材料同时具有连续纤维的高强度、模量等特性和热塑性材料高韧性、高抗冲击和损伤容限、无限预浸料存储期、成型周期短、生产效率高、易修复、废品可回收再利用等众多优点。因此，热塑性复合材料的自动铺放加工技术具有很好的发展前景。
[0003]《复合材料件可制造性技术》在第120－127页中介绍了采用自动铺丝技术制造飞机的机身、机身侧壁板、主起舱门、储油箱、旋翼整流罩等。作者郭金树，2009 年6月第1版。
[0004]目前，热塑性复合材料的自动铺放设备都是针对大型制件进行的，而这些设备在铺丝头处具有较高的集成度，但也因此具有体积大，重量重的问题，同时也需要由大型机械臂或大型机床带动，主要用于大体积零件的铺放需求。然而对于热塑性复合材料的小零部件、结构件，尤其是小型化的薄壁薄板热塑性复合板材的加工不适用。

技术实现思路

[0005]为了能够实现小型化热塑性复合板材的铺放加工，本专利技术设计了一种桌面式热塑性复合材料自动铺放设备。本专利技术自动铺放设备将纤维卷轴、送丝单元从铺丝头机构处解放出来，从而有效地减小了自动铺放设备的体积，降低成本，用于满足中小型薄壁薄板零件的铺丝需求。
[0006]本专利技术的原理为：纤维初始缠绕在卷轴上，使用时将纤维从卷轴上引出，通过导向轮过渡进入送丝机构。设备工作时，送丝机构将纤维送入硅胶导管中，在硅胶导管的引导下，纤维进入铺丝头中。
[0007]本专利技术的一种桌面式小型化自动铺丝设备，包括有外支撑架(1)、三轴平动平台(2)、送丝机构组件(3)、桌面铺放台(4)、铺丝头机构组件(5)和摇篮机构组件(6)。在铺放每一条纤维轨迹时，先将除Z轴外的其他轴运动至起点处坐标，若运动前起点处Z向坐标高于当前位置，则运动前先向上移动Z轴至高于起点处3 mm，再移动其余轴。其他轴运动至起点处坐标后，降低Z轴至起点处坐标，使压辊压实在铺放面上。送丝机构进丝使纤维送到压辊底部，随后送丝机构和各轴同步运动，压辊在铺放面上的滚动将先问滚压在铺放面上，实现纤维的铺放。当距离此轨迹终点剩余距离为最小行程(剪丝处到压辊下方的距离)时，剪丝机构工作将纤维剪断，送丝机构停止运转，铺丝机继续铺放至此轨迹结束，随后抬起压辊，准备下一条轨迹的铺放。
[0008]本专利技术桌面式小型化自动铺丝设备的优点在于：
[0009]①
本专利技术设计的自动铺放设备将铺丝头设置在三轴平动平台(2)的Z轴下端部，同时将纤维卷轴(3E)、送丝机构从铺丝头处解放出来，能够实现在桌面铺放台(4)上快速铺放纤维，提高生产小型化的薄壁薄板热塑性复合板材的速度，降低生产时间成本。
[0010]②
本专利技术采用型材进行外支撑架(1)搭建，一方面有利于因地适宜地进行组装，方便本专利技术自动铺放设备的组合；另一方面设置在外支撑架(1)上方的三轴平动平台(2)无需为铺丝头机构组件(5)提供高精度的位置调节，但是在铺纤过程中与底部的摇篮机构组件(6)配合能够完成高技术的热塑性复合板铺放，这也降低了生产成本。
[0011]③
本专利技术设计的自动铺放设备通过桌面铺放台(4)将铺丝头机构组件(5)与摇篮机构组件(6)进行结合，在压辊(5J)压实铺放的预浸纤维丝过程中，通过摇篮机构组件(6)的运动达到铺放位置调节。
[0012]④
由于纤维有一定的伸缩性，因此本专利技术设计的自动铺放设备采用两级拉伸对预浸纤维丝进行纤维长度方向上的微延展，达到平整纤维丝的目的。第一级拉伸是指在纤维卷轴(3E)上的缠绕。第二级拉伸是指在导向轮(3A)、压轮(3C)与H 型轴承(3D)配合下的拉直。
[0013]⑤
本专利技术设计的自动铺放设备利用外支撑架(1)来固定安装电机、电机驱动器、舵机、上位机电脑等，也是达到小型化集成的目的。同时也能提供方便快捷、直观地进行纤维铺放的工作。
附图说明
[0014]图1是热塑性复合材料板材的成型流程图。
[0015]图1A是采用本专利技术桌面式小型化自动铺丝设备进行热塑性复合材料板材加工中纤维走向的结构图。
[0016]图1B是采用本专利技术桌面式小型化自动铺丝设备制得的热塑性复合材料板材的照片。
[0017]图2是本专利技术桌面式小型化自动铺丝设备的结构图。
[0018]图2A是本专利技术桌面式小型化自动铺丝设备的结构照片图。
[0019]图2B是本专利技术桌面式小型化自动铺丝设备的另一视角结构照片图。
[0020]图2C是本专利技术桌面式小型化自动铺丝设备中铺丝与摇摆机构的结构图。
[0021]图3是本专利技术桌面式小型化自动铺丝设备中外支撑架与送丝机构组件的结构图。
[0022]图3A是本专利技术桌面式小型化自动铺丝设备中外支撑架与送丝机构组件的另一视角结构图。
[0023]图3B是本专利技术外支撑架中使用的型材照片。
[0024]图4是本专利技术三轴平动平台的结构图。
[0025]图5是本专利技术送丝机构组件的结构图。
[0026]图5A是本专利技术送丝机构组件中纤维卷筒单元的剖面结构图。
[0027]图5B是本专利技术送丝机构组件中纤维卷筒单元的分解图。
[0028]图5C是本专利技术送丝机构组件中送丝单元的结构图。
[0029]图5D是本专利技术送丝机构组件中送丝单元的分解图。
[0030]图6是本专利技术铺丝头机构组件的结构图。
[0031]图6A是本专利技术铺丝头机构组件的分解图。
[0032]图6B是本专利技术铺丝头机构组件中的刀片结构图。
[0033]图7是本专利技术摇篮机构组件的结构图。
[0034]图7A是本专利技术摇篮机构组件的剖面结构图。
[0035]图7B是本专利技术摇篮机构组件的分解图。
[0036]图8是本专利技术桌面式小型化自动铺丝设备的驱动结构图。
[0037]图9是应用本专利技术桌面式小型化自动铺丝设备进行加工时的流程图。
[0038]1.外支撑架1A.24V直流电源1B.温控板1C.多轴运动控制板1D.第一步进电机控制器1E.第二步进电机控制器1F.第三步进电机控制器1G.第四步进电机控制器1H.第五步进电机控制器1J.第六步进电机控制器1K.第七步进电机控制器1L.第八步进电机控制器1M.固态继电器1N1.Z轴A支撑杆1N2.Z轴B支撑杆1N3.Z轴C支撑杆1P1.Y轴A支撑杆1P2.Y轴B支撑杆1P3.Y轴C支撑杆1P4.Y轴D支撑杆1P5.Y轴E支撑杆1P6.Y轴F支撑杆1Q1.X轴A支撑杆1Q2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种桌面式小型化自动铺丝设备，其特征在于：包括有外支撑架(1)、三轴平动平台(2)、送丝机构组件(3)、桌面铺放台(4)、铺丝头机构组件(5)和摇篮机构组件(6)；外支撑架(1)是由铝型材搭接形成的矩形框架结构；外支撑架(1)的Y轴B支撑杆(1P2)上安装有送丝电机连接板(3B2)，该送丝电机连接板(3B2)上安装有送丝电机(3B)；外支撑架(1)的Y轴B支撑杆(1P3)上安装有导向轮支架(3A1)，该导向轮支架(3A1)上安装有导向轮(3A)；外支撑架(1)的Y轴D支撑杆(1P4)上安装有A卷轴支撑座(3J)和B卷轴支撑座(3K)；外支撑架(1)的X轴A支撑杆(1Q1)上安装有AA连接件(1R1)和AB连接件(1R2)；外支撑架(1)的X轴B支撑杆(1Q2)上安装有AC连接件(1R3)和AD连接件(1R4)；X轴A支撑杆(1Q1)与X轴B支撑杆(1Q2)保持平行；通过四个连接件将三轴平动平台(2)的X轴A导轨(2A)、X轴B导轨(2B)固定安装在外支撑架(1)的上方；三轴平动平台(2)的X轴方向设有A同步带(2B1)和B同步带(2B2)；A同步带(2B1)安装在A同步带壳体(2B11)中，A同步带壳体(2B11)的下方固定在AA连接件(1R1)和AB连接件(1R2)上，AA连接件(1R1)和AB连接件(1R2)安装在外支撑架(1)的X轴A支撑杆(1Q1)上；B同步带(2B2)安装在B同步带壳体(2B21)中，B同步带壳体(2B21)的下方固定在AC连接件(1R3)和AD连接件(1R4)上；AC连接件(1R3)和AD连接件(1R4)安装在外支撑架(1)的X轴B支撑杆(1Q2)上；A同步带(2B1)与B同步带(2B2)由X轴驱动电机(2B)同步驱动；X轴驱动电机(2B)为42步步进电机；X轴驱动电机(2B)的输出轴通过联轴器连接在连杆(2B3)的一端，连杆(2B3)的另一端穿过B同步带传动齿轮(2B5)和A同步带传动齿轮(2B4)，B同步带传动齿轮(2B5)上啮合了B同步带(2B2)，A同步带传动齿轮(2B4)上啮合了A同步带(2B1)；在X轴驱动电机(2B)的驱动下，带动连杆(2B3)运动，进而带动A同步带(2B1)和B同步带(2B2)运动，使得三轴平动平台(2)的Y轴方向和Z轴方向上的器件实现X轴方向的移动；三轴平动平台(2)的Y轴方向设有Y轴驱动电机(2C)、Y轴丝杠(2C1)、Y轴丝杠滑块(2C2)、Y轴丝杠架(2C3)、同步带A运动件(2C4)和同步带B运动件(2C5)；Y轴丝杠架(2C3)的下方安装在同步带A运动件(2C4)和同步带B运动件(2C5)上，同步带A运动件(2C4)套接在B同步带(2B2)上，同步带B运动件(2C5)套接在A同步带(2B1)上，Y轴丝杠架(2C3)上安装有Y轴丝杠(2C1)，Y轴丝杠滑块(2C2)套接在Y轴丝杠(2C1)上，Y轴丝杠滑块(2C2)的外壳固定在Z轴丝杠架(2D3)的一侧；Y轴丝杠(2C1)的一端通过联轴器连接在Y轴驱动电机(2C)的输出轴上，Y轴丝杠(2C1)经Y轴驱动电机(2C)驱动后转动，进而带动Z轴丝杠架(2D3)在Y轴方向上运动；Y轴驱动电机(2C)为42步步进电机；三轴平动平台(2)的Z轴方向设有Z轴驱动电机(2D)、Z轴丝杠(2D1)、Z轴丝杠滑块(2D2)、Z轴丝杠架(2D3)、Z轴连接件(2A)；Z轴丝杠(2D1)套接在Z轴丝杠滑块(2D2)上；Z轴连接件(2A)安装在Z轴丝杠滑块(2D2)的外壳上；Z轴驱动电机(2D)安装在Z轴丝杠架(2D3)的一端，Z轴丝杠(2D1)的一端通过联轴器连接在Z轴驱动电机(2D)的输出轴上，Z轴丝杠(2D1)经Z轴驱动电机(2D)驱动后转动，进而带动Z轴连接件(2A)在Z轴方向上运动；Z轴驱动电机(2D)为42步步进电机；Z轴连接件(2A)与铺丝头机构组件(5)的绕Y轴旋转电机(5A)的机壳固定；送丝机构组件(3)包括有送丝单元、纤维导向单元和纤维卷筒单元；
送丝单元由送丝电机(3B)、压轮(3C)、H型轴承(3D)和送丝电机连接板(3B2)组成；送丝电机连接板(3B2)为T型结构，送丝电机连接板(3B2)的一面板固定在Y轴B支撑杆(1P2)上，送丝电机连接板(3B2)的另一面板固定有送丝电机(3B)；送丝电机连接板(3B2)上设有CA通孔(3B2A)和CB通孔(3B2B)；CA通孔(3B2A)用于送丝电机输出轴(3B1)穿过，送丝电机(3B)的输出轴(3B1)上套接有压轮套(3C2)，压轮套(3C2)通过顶钉(3C1)固定在送丝电机(3B)的输出轴(3B1)上，压轮套(3C2)的外部连接有压轮(3C)；送丝电机连接板(3B2)上设有的CA过纤耳(3B21)的中心是CA过纤孔(3B22)，CA过纤孔(3B22)用于预浸纤维丝穿过，并且硅胶导管的一端插接在CA过纤孔(3B22)中；送丝电机连接板(3B2)上设有的CB过纤耳(3B23)的中心是CB过纤孔(3B24)，CB过纤孔(3B24)用于预浸纤维丝穿过；H型轴承柱(3D1)穿过H型轴承(3D)的中心通孔后安装在送丝电机连接板(3B2)的CB通孔(3B2B)中；H型轴承(3D)的H空间里用于放置压轮(3C)的外轮面；当压轮(3C)在送丝电机(3B)的驱动下转动时，纤维穿过H型轴承(3D)与压轮(3C)之间的空隙，实现压轮(3C)对纤维的熨平预整理；纤维导向单元由导向轮(3A)和导向轮支架(3A1)组成；导向轮支架(3A1)固定安装在Y轴C支撑杆(1P3)上，导向轮支架(3A1)上安装有导向轮(3A)；导向轮(3A)用于实现对纤维的方向进行控制；纤维卷筒单元包括有纤维卷轴(3E)、A锥形楔块(3G)、B锥形楔块(3F)、阻尼器(3H)、A卷轴支撑座(3J)和B卷轴支撑座(3K)；纤维卷轴(3E)为通孔圆环结构，纤维卷轴(3E)的一端内安装有A锥形楔块(3G)，纤维卷轴(3E)的另一端内安装有B锥形楔块(3F)；B锥形楔块(3F)的一端是锥形圆柱，另一端是圆柱轴(3F1)；该圆柱轴(3F1)上套接有滚珠轴承(3K2)，滚珠轴承(3K2)安装在B卷轴支撑座(3K)的CD通孔(3K1)内；该B锥形楔块(3F)的锥形圆柱安装在纤维卷轴(3E)的另一端；A卷轴支撑座(3J)和B卷轴支撑座(3K)的结构相同；A卷轴支撑座(3J)的一端固定在Y轴D支撑杆(1P4)的一端，B卷轴支撑座(3K)的一端固定在Y轴D支撑杆(1P4)的另一端；A卷轴支撑座(3J)的另一端上设有CC通孔(3J1)，该CC通孔(3J1)内安装有阻尼器(3H)的轴杆，阻尼器(3H)的圆环端面固定在A锥形楔块(3G)的圆面板上；B卷轴支撑座(3K)的另一端上设有CD通孔(3K1)，该CD通孔(3K1)内安装有滚珠轴承(3K2)；压轮(3C)与H型轴承(3D)之间的上方是CA过纤耳(3B21)，CA过纤耳(3B21)的CA过纤孔(3B22)中插接安装有硅胶导管的一端，硅胶导管的另一端安装在加热头安装座(5N)的加热头纵向安装板(5N2)的通孔内；在工作时，预浸料纤维经纤维卷轴(3E)、导向轮(3A)、H型轴承(3D)与压轮(3C)之间的H型孔、硅胶导管、A加热头(5E)与B加热头(5F)之间的孔后，从压辊(5J)下方与桌面铺放台(4)之间的间隙，实现平铺在桌面铺放台(4)；预浸纤维丝在送丝电机带动压轮(3C)转动下，在压轮(3C)和H型轴承(3D)的挤压下，预浸料纤维向桌面铺放台(4)进给，预浸纤维丝在硅胶导管中实现纤维进给的功能；阻尼器(3H)的活动端安装在A卷轴支撑座(3J)的CC通孔(3J1)中，阻尼器(3H)的圆盘通过螺丝固定在A锥形楔块(3G)上，通过阻尼器(3H)的阻尼作用可有效防止纤维卷轴(3E)上缠绕的预浸纤维丝散开；纤维卷轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：张武翔，张家瑞，王莘儒，熊君陵，丁希仑，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：