[发明专利]桌面式小型化自动铺丝设备及控制系统

说明书

本发明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。本发明设备能够对中小型零件进行自动铺放成型。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

《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。

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。

发明内容

为了能够实现小型化热塑性复合板材的铺放加工，本发明设计了一种桌面式热塑性复合材料自动铺放设备。本发明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。

本发明的原理为：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。

本发明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。

本发明桌面式小型化自动铺丝设备的优点在于：

①本发明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。

②本发明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，方便本发明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。