[发明专利]基于机器视觉的碳纤维预浸料定角度铺放方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及碳纤维复合制备技术领域，尤其涉及一种基于机器视觉的碳纤维预浸料定角度铺放方法及装置。

背景技术

树脂基碳纤维增强复合材料具有强度高、弹性模量低、重量轻等优点，使得碳纤维材料在飞机、风能叶片和汽车零部件的应用日益广泛。但单向碳纤维材料的纤维分布具有单一性，在受非平行于纤维的力的情况下容易发生断裂。为了增加强度，需要进行铺层设计。铺层设计是碳纤维复合材料性能的关键，它包括铺层角度、铺层顺序、铺层层数的设计，而且铺层设计是直接决定材料性能和强度的主要工序。合理设计纤维铺层角度，可优化局部部件的力学性能及其它性能。目前最常用的铺设角度为0°、45°、90°、135°(与45°正负关系)。铺层选择的π/4特殊夹角的主要原因是由于工艺操作容易精确掌握与控制，同时可以获得较大的面内剪切刚度与强度。

如果铺层角度铺放的不合理，会造成制品重量和成本的增加，并且铺层层间角度的偏差会产生层间剪切和耦合效应，会极大地影响结构所承受载荷。为了减少层间剪切以及耦合效应，层间角度偏差应尽可能减小。

目前市场上对于平板类构件的加工主要有两种方法。第一种是手糊压层法，该方法主要使用于小批量生产。将浸过胶后的碳纤维预浸料剪成所需的形状后叠放，或是一边铺层一边刷上树脂，再热压成型。这个方法可以任意选择纤维的方向、大小和铺层的厚度，被广泛使用。但是纯手工操作，对于铺层角度非π/4特殊角的情况下为保证精度效率往往很低。

另外一种是模压树脂传递成型工艺法(MRTP)，该种方法主要适用于大批量使用，该工艺是事先在模具中铺好纤维并加入树脂后合模，在模具的压力或其它加压装置的作用下，,树脂流动充满模腔，浸润纤维，在一定的固化条件下成型固化成型，得到制品。该方法较简单，适于成型形状不太复杂、面积不特别大的复合材料制品。但是对于非π/4特殊角的精确难以控制。

发明内容

针对现有技术中碳纤维预浸料铺放角度难以精确控制的问题，提出一种基于机器视觉的碳纤维预浸料定角度铺放方法及装置，能够有效提高碳纤维预浸料铺放角度控制的准确性。

一种基于机器视觉的碳纤维预浸料定角度铺放装置，包括底座、支架、控制装置、图像采集装置、升降机构、旋转机构、承载机构以及压制机构；

所述底座和支架配合连接，所述图像采集装置、升降机构、旋转机构、承载机构以及压制机构安装于所述支架上；

所述承载机构包括抽屉托盘和旋转托盘，所述抽屉托盘设置于所述旋转托盘上方，所述抽屉托盘为U型结构，所述旋转托盘用于承载下层碳纤维预浸料，所述旋转托盘用于承载上层待铺放碳纤维预浸料；

所述升降机构和所述旋转机构与所述旋转托盘配合连接，用于控制所述旋转托盘升降以及旋转；

所述图像采集装置设置在所述承载机构上方，用于采集下层碳纤维预浸料图像和上层待铺放碳纤维预浸料图像并发送至控制装置，所述控制装置用于根据所述下层碳纤维预浸料图像和上层待铺放碳纤维预浸料图像计算所述下层碳纤维预浸料和上层待铺放碳纤维预浸料之间的夹角；

所述控制装置用于根据夹角计算所需转动角度并判断旋转方向，根据所述旋转方向和所需转动角度生成旋转控制信号发送至所述旋转机构，所述旋转机构用于根据所述旋转控制信号控制旋转托盘转动到相应位置；

所述压制机构用于当旋转托盘转动到相应位置后下压将上层待铺放碳纤维预浸料和下层碳纤维预浸料压制为一体。

进一步地，所述承载机构还包括滑轨、内挡块和外挡块；

所述滑轨设置在所述支架上，所述抽屉托盘与所述滑轨滑动连接；

所述内挡块和外挡块安装于所述支架上，用于对所述抽屉托盘进行限位。

进一步地，所述压制机构包括回字压头、光轴、光轴固定座、直线滑动轴承、压缩弹簧、压力板、施力杆以及受力板；

所述光轴的一端通过光轴固定座与所述回字压头连接，另一端与所述直线滑动轴承连接，所述直线滑动轴承与所述压缩弹簧、压力板以及施力杆配合连接，所述直线滑动轴承安装于所述受力板上。

进一步地，所述铺放装置还包括设置在所述旋转托盘周围的方形光源。

一种基于机器视觉的碳纤维预浸料定角度铺放方法，采用上述的碳纤维预浸料定角度铺放装置进行碳纤维预浸料定角度的铺放，所述方法包括：

根据所需铺放的碳纤维预浸料的层数，通过所述升降机构调整所述旋转托盘与所述抽屉托盘之间的垂直距离至适当位置；

分别在所述旋转托盘和抽屉托盘上放置下层碳纤维预浸料和上层待铺放碳纤维预浸料；