一種可精密實時可控的鋪絲壓實裝置的製作方法

2023-05-17 05:02:26 2

本發明涉及複合材料成型領域，融合機構學，具體來說，是一種可應用於自動鋪絲頭的壓實裝置，可對鋪放成型的碳纖維預浸料進行壓實，並對壓實力精準控制，可提高鋪放材料的質量。

背景技術：

先進複合材料(advancedcompositematerials)具有高比強度、高比模量、良好抗疲勞性和抗腐蝕性等優點，既能減輕產品重量和節省成本，又能提高產品性能的理想材料，在軍事和民用領域得到了廣泛的應用。如航空領域中，據預測到2020年這一比例將達到70％-80％。隨著國民國防快速發展導致複合材料用量逐年增長，碳纖維自動鋪絲成型技術作為近幾年來複合材料成型的一種重要方法，成為複合材料應用的關鍵，可以精確控制鋪放溫度、壓實力及張力，因而可快速高效、高質地製備大型複雜變曲率曲面的結構件，提高了結構件的強度、剛度等力學性能，並且達到減重的效果，增加其經濟效益，所以在複合材料成型方法中佔據著更為重要的角色、且具有巨大的發展潛力。

碳纖維自動鋪絲成型技術可用以製造具有凹面及凸面的複雜閉合殼體結構。目前，國內現有的碳纖維自動鋪絲頭只簡單配備了氣缸、液壓缸或直線電機直接驅動壓輥，對碳纖維進行壓實成型，不能滿足複雜曲面結構件的鋪放要求，在曲率變化時可能造成纖維過度擠壓或相鄰纖維之間產生間隙等缺陷，因此降低了鋪放的適應性。為了防止該問題的出現，如何解決複合材料成型時壓實力的精準控制成為目前的研究熱點之一，同時如何通過對機械結構的設計簡化控制系統的控制難度也是該發明所解決的問題。

技術實現要素：

本發明為了解決現有纖維鋪放設備的壓實機構因鋪放複雜曲面而影響鋪放效果，以及碳纖維自動鋪絲設備鋪放質量的穩定性差，常因壓實力不均造成孔隙率增多，對絲束造成損傷影響鋪放質量，提出一種可精密實時可控的壓實裝置。

本發明精密實時可控的鋪絲壓實裝置，具有由伺服電機驅動，滾珠絲槓傳動前後移動的壓實輥；同時壓實輥通過彈簧作用，實現前後方向上的被動移動。

當碳纖維增強型樹脂基複合材料由碳纖維複合材料鋪絲頭經壓實輥下方傳送至模具表面後，控制壓實輥與模具表面接觸，由壓實輥將預浸紗與模具貼合固化。壓實輥的壓實力由彈簧變形量得到，通過雷射式位移傳感器測量彈簧變形量，反饋至控制器，通過pid單位負反饋控制方法控制，控制壓實伺服電機驅動滾珠絲槓轉動，調節彈簧的壓縮量，壓實輥輸出恆定壓實力。

本發明的優點在於：

1、本發明可精密實時可控的鋪絲壓實裝置，帶有柔性儲能元件(彈簧)，當鋪放複雜曲面時壓實力更均勻、緩解了壓實力的突變，對壓實力的控制更精準，相比用壓力傳感器配合氣缸控制調節壓實力的方法，應用該裝置控制更為迅速、精準。

2、本發明可精密實時可控的鋪絲壓實裝置，通過位置測量輔助完成壓實力測量及控制；對壓實力可進行控制精準；

附圖說明

圖1為本發明可精密實時可控的鋪絲壓實裝置安裝位置示意圖；

圖2為本發明可精密實時可控的鋪絲壓實裝置整體結構側視圖；

圖3為本發明可精密實時可控的鋪絲壓實裝置整體結構俯視圖。

1-壓實伺服電機2-減速箱3-滾珠絲槓

4-彈簧5-連結底板6-支撐板

7-連結支撐板8-支撐軸9-導軌

10-導軌滑塊11-壓實輥12-電機支撐架

13-電機安裝支架14-法蘭軸承座15-立式軸承座

16-限位塊17-輥架18-雷射式位移傳感器

19-碳纖維複合材料鋪絲頭20-模具21-底板

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

本發明精密實時可控的鋪絲壓實裝置，如圖1所示，安裝在碳纖維複合材料鋪絲頭19的整體安裝板18背面，在碳纖維增強型樹脂基複合材料由碳纖維複合材料鋪絲頭19傳送至模具20表面上，經過本發明鋪絲壓實裝置對碳纖維複合材料進行壓實，提高其力學性能。本發明精密實時可控的鋪絲壓實裝置，包括壓實伺服電機1、減速箱2、滾珠絲槓3、彈簧4、連結底板5、支撐板6、連結支撐板7、支撐軸8、導軌9、導軌滑塊10與壓實輥11，如圖2、圖3所示。

所述壓實伺服電機1軸線沿前後方向設置，輸出軸同軸連接減速箱2，通過螺栓將壓實伺服電機1與減速箱2共同固定於電機支撐架12上，同時電機支撐架12固定安裝於底板21上設置的電機安裝支架13後側面上，實現壓實伺服電機1、減速箱2與底板21三者間的定位。

所述滾珠絲槓3與減速箱2的輸出軸同軸設置，滾珠絲槓3的光軸部分通過聯軸器與減速箱2的輸出軸同軸連接。滾珠絲槓3一端與具有圓形側的法蘭軸承座14相連，由法蘭軸承座14支撐，該法蘭軸承座14可通過螺栓固定在電機安裝支架13前側面上。滾珠絲槓3的另一端與具有方形支撐側的立式軸承座15相連，由立式軸承座15支撐，該立式軸承座15可通過螺栓固定安裝在底板21上。

上述滾珠絲槓3上具有螺紋套接的螺母，該螺母上固定有一塊支撐板6；同時滾珠絲槓3上還套有兩塊連結支撐板7，兩塊連結支撐板7分別位於螺母的前後位置，且兩塊連結支撐板7底端通過螺釘與水平設置的連結底板5固定。兩塊連結支撐板7間通過兩根支撐軸8相連；兩根支撐軸8位於滾珠絲槓3兩側，軸線與滾珠絲槓3軸線平行，且共處於同一水平面上。兩根支撐軸8兩端分別與兩塊連結支撐板7固定，同時還分別穿過支撐板6左右兩側。

所述彈簧4具有四根，其中兩根彈簧4套在滾珠絲杆3左側的支撐軸6上，分別位於兩塊連結支撐板7與支撐板6之間；另兩根彈簧4套在滾珠絲杆3右側的支撐軸6上，同樣位於兩塊連結支撐板7與支撐板6之間。

所述導軌9沿前後方向設置，固定安裝於底板21上。導軌9上安裝有微型導軌滑塊10，使導軌滑塊10可沿導軌滑動。導軌滑塊10與滾珠絲槓3上的螺母固定連接。由此，通過壓實伺服電機1驅動滾珠絲槓10轉動，支撐板6沿滾珠絲槓軸線前後移動，壓縮彈簧4，且通過導軌滑塊10與導軌9間的配合進行導向，最終帶動兩塊連結支撐板7與連結底板5整體前後移動。上述導軌9上安裝有限位塊16，通過限位塊16對導軌滑塊10的移動範圍進行限位。

所述壓實輥11通過軸承套接於壓實輥軸上，壓實輥11軸兩端分別固定於左右兩側輥架17前端，左右兩側輥架17後端固定於前方的連結支撐板7上。當碳纖維增強型樹脂基複合材料由碳纖維複合材料鋪絲頭19經壓實輥11下方傳送至模具20表面後，控制壓實輥11與模具20表面接觸，由壓實輥11將預浸紗與模具20貼合固化；且在壓實輥11與模具20表面接觸後，產生壓力導致彈簧4變形，通過雷射式位移傳感器18測量彈簧的變形量；由於彈簧4屬於線性彈性體，因而壓實力可由彈簧4變形量得到，將反饋的彈簧4變形量輸入控制器，通過pid單位負反饋控制方法控制，控制壓實伺服電機1驅動滾珠絲槓3轉動，移動螺母的位置以調節彈簧4的壓縮量，使得壓實輥11輸出恆定壓實力。

當模具20為複雜曲面時，會導致本發明鋪絲壓實裝置的壓實力突變破壞預浸紗的鋪放質量，而本發明鋪絲壓實裝置中採用柔性的彈簧4，可快速有效減弱突變的壓實力，並且在驅動器的快速響應下驅動壓實伺服電機1轉動滾珠絲槓3，由螺母帶動壓實輥11移動，可有效提高鋪放製品的質量，提高鋪放速度提高效率。