一种实现预浸带输送和铺放速度一致的重送方法及装置与流程

本发明涉及复合材料自动化成型技术领域，是自动铺丝设备中的关键零部件，具体涉及一种实现预浸带输送和铺放速度一致的重送方法及装置。

背景技术：

先进复合材料具有轻质、高比强度、高比模量、抗疲劳、可设计、成型工艺好等优点，在航空、航天、风电叶片以及汽车等领域得到了广泛应用。尤其在航空领域，复合材料的大量使用不仅可以减轻飞机的重量，减少油耗，同时可以降低维护成本，延长飞机服役周期，因此，目前复合材料在飞机结构上的用量和由此带来的减重效果已经成为衡量飞机先进性的重要标志。

自动纤维铺丝机是制造碳纤维复合材料的高端自动化设备。它同时铺放多束碳纤维预浸带，适用于大曲率、形状复杂的构件，铺放效率高、材料利用率高、自动化程度高，是目前最为先进的复合材料成型加工技术。它主要由存储预浸带料卷的纱架、张力控制机构、铺丝头等部分组成，其中铺丝头是最关键的部件。

自动铺丝头一般主要由夹持、重送、剪断及压辊、加热等几个模块组成。其中重送是将被剪断的预浸带重新输送到压辊下面。目前，国内外的预浸带重送机构都包括电机、主动重送辊、重送压辊等关键部分。在铺放时，重送压辊下压，预浸带被夹在两个辊之间，电机带动主动辊旋转，利用主动辊和预浸带的摩擦力将预浸带向前输送到压辊，重送速度的大小由电机转速决定，等于重送辊的线速度。同时，铺丝头固定在运动载体(机器人或者机床)的末端，沿着芯模的表面轮廓移动，压辊压在芯模表面，移动时，压辊转动，铺放速度为压辊的线速度，因为它是由运动载体带动的，所以铺放速度也是运动载体的移动速度。

这种驱动方式在铺放时，重送速度由重送电机的转速决定，铺放速度由机器人等运动载体决定，在重送时，重送电机速度需要实时匹配机器人移动速度，重送速度和铺放速度是分离的，会有一定的误差，实时的调整增加了控制难度，两者速度容易不一致，尤其在速度较高时，会引起比较大的速度误差，导致预浸带张力过大或者松弛，而这两种现象不但降低铺放精度，而且会引起预浸带粘接压辊等其他问题；其次，重送电机使得铺丝头结构外形变大，质量增加，尤其在铺放复杂模型时，容易引起和模型外形的干涉，大大限制了铺放设备的适用性。

技术实现要素：

为了克服上述的技术缺点，本发明的目的在于提供一种实现预浸带输送和铺放速度一致的重送方法及装置，可以实现重送速度和铺放速度的实时匹配，不需要重送电机，减小了铺丝头结构尺寸和铺丝头质量，对自动铺丝头的适用性、可靠性、精度都有提高。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种实现预浸带输送和铺放速度一致的重送装置，包括对轮式牵引重送机构、压辊芯轴、压辊、传动机构以及用于安装自动铺丝头的机架；压辊芯轴上安装压辊；所述的对轮牵引式重送机构和压辊都安装在机架上，自动铺丝头连接在机器人手臂末端，并由机器人带动；所述的对轮式牵引重送机构通过传动机构与压辊芯轴相连，当压辊与芯模或者已铺放铺层接触时，压辊和芯模之间产生摩擦驱动力，以驱动压辊旋转，压辊再带动压辊芯轴旋转；通过传动机构，对轮牵引式重送机构将在压辊芯轴的带动下输送预浸带，通过确定传动机构的传动比，使预浸带的重送速度始终等于铺放速度，实现铺放速度和重送速度的准确匹配。

本发明进一步的改进在于，所述传动机构为带传动机构、齿轮传动机构或蜗轮蜗杆传动机构。

本发明进一步的改进在于，所述对轮式牵引重送机构包括主动输送辊、从动输送辊、重送压辊以及气缸，所述主动输送辊与从动输送辊通过传动装置相连；重送压辊与气缸相连；预浸带设置在主动输送辊与重送压辊之间；其中，所述传动装置为带传动机构或齿轮传动机构，传动比为1:1。

本发明进一步的改进在于，所述传动机构的传动比为压辊外径和对轮式牵引重送机构中主动重送辊外径之比，传动比调节范围为小于等于±10％。

本发明进一步的改进在于，所述机架包括左支架和右支架；主动输送辊和从动输送辊的一端设置在左支架上，主动输送辊和从动输送辊的另一端设置在右支架上。

本发明进一步的改进在于，所述左支架上设置有第一连接件，右支架上设置第二连接件，压辊芯轴一端设置在第一连接件上，另一端设置在第二连接件上；所述第一连接件、第二连接件与压辊芯轴端部之间均设置有用于支撑的第二轴承。

本发明进一步的改进在于，所述主动输送辊一端通过传动机构与压辊芯轴一端相连，或从动输送辊一端通过传动机构与压辊芯轴一端相连。

本发明进一步的改进在于，所述主动输送辊另一端与通过传动机构与压辊芯轴另一端相连，或从动输送辊另一端通过传动机构与压辊芯轴另一端相连。

本发明进一步的改进在于，所述传动机构包括第一大同步带轮、第一同步齿形带以及第一小同步带轮；所述第一大同步带轮设置在压辊芯轴一端上，第一小同步带轮设置在主动输送辊一端上，大同步带轮通过第一同步齿形带与小同步带轮相连；或

所述第一大同步带轮设置在压辊芯轴一端上，第一小同步带轮设置在从动输送辊一端上，第一大同步带轮通过第一同步齿形带与第一小同步带轮相连。

一种实现预浸带输送和铺放速度一致的重送方法，铺放时，自动铺丝头在气缸的驱动下，使压辊和芯模表面紧密接触，自动铺丝头在机器人带动下沿着铺丝轨迹运动；压辊的旋转带动主动重送辊旋转，主动重送辊通过传动机构带动从动重送辊旋转；当重送压辊下压时，主动重送辊、从动重送辊与预浸带之间均产生摩檫力，预浸带即被输送到压辊和芯模的压紧点处；压辊的线速度和主动重送辊、从动重送辊的线速度始终相等。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明的装置通过机器人带动压辊转动，压辊带动压辊芯轴转动，压辊芯轴通过传动机构驱动对轮式牵引重送机构，对轮牵引式重送机构将在压辊芯轴的带动下输送预浸带，通过确定传动机构的传动比，使预浸带的重送速度始终等于铺放速度，满足自动铺丝速度和重送速度的准确匹配。本发明中不再需要重送电机，节约了能源，减少了控制上的复杂度，减轻了铺丝头的质量，在铺丝头狭小的空间内，无需再考虑电机安装可能存在的空间不足、与其他部件的干涉等问题；

2.本发明的装置采用电机带动主动重送辊转动的话，不便于安装。本发明由于省去了电机，所以有利于铺丝头结构的进一步优化，使得自动铺放机适应于更加复杂的模型，提高了自动铺丝机的适用性。同时，装置更紧凑。

3.本发明在自动铺丝过程中，通过压辊与芯模或者已铺放铺层之间产生的摩擦力来驱动压辊，压辊通过传动机构驱动重送机构，两者速度实时匹配，实现预浸带的无动力输送。本发明采用压辊带动输送辊转动，从而输送预浸带，解决了重送速度和铺放速度不一致的问题，重送速度大小完全取决于铺放速度，铺放速度的变化实时通过传动机构引起重送速度改变，两者在预浸带重送过程中可以保持高度一致，且一致性不受速度影响，提高了铺放精度，消除预浸带重送过程中可能的松弛或过度张紧。传动机构的传动比为压辊外径和主动重送辊外径之比，传动比调节范围为小于等于±10％。根据结构尺寸确定好传动比之后，重送速度随铺放速度的改变实时改变，两者具有确定的一致性关系，消除了单独控制带来的额外误差。

4.该方法不需要单独的重送电机，且预浸带重送速度实时匹配铺放速度，减少了控制复杂度。同时，减轻了铺丝头的质量，使自动铺丝头结构更加紧凑，有利于提高自动铺丝头的铺丝精度、可靠性和适用性，为制造复杂曲面形状的树脂基纤维增强复合材料构件提供了一种有效的方法和装置。

附图说明

图1是本发明的工作示意图；

图2是自动铺丝头的三维示意图；

图3是自动铺丝头另一侧的三维示意图；

图4是本发明单侧驱动的方式的传动结构示意图；

图5是本发明双侧驱动的方式的传动结构示意图。

图中：1是机器人，2是自动铺丝头，3是芯模，4是左支架，5是第一小同步带轮，6是第一同步齿形带，7是第一大同步带轮，8是压辊芯轴，9是第一连接件，10是压辊，11是第二连接件，12是右支架，13是重送压辊支架，14是防护罩，15是被动重送辊，16是第一齿轮，17是第二齿轮，18是主动重送辊，19是气缸，20是重送压辊，21是预浸带，22是第二同步齿形带，23是第二大同步带轮，24是第二小同步带轮，25是第一轴承，26为第二轴承。

具体实施方式

下面结合附图通过实施例做进一步说明。

参见图1和图2，本发明包括自动铺丝头2、对轮式牵引重送机构、压辊芯轴8、压辊10、机架以及传动机构；所述的对轮牵引式重送机构、压辊10以及自动铺丝头2的都安装在机架上；自动铺丝头2连接在机器人1手臂末端，并由机器人1带动；压辊芯轴8上安装压辊10，所述的对轮式牵引重送机构通过传动机构与压辊芯轴8相连，当压辊10的柔性层与芯模3或者已铺放铺层接触时，产生摩擦驱动力，压辊10旋转，压辊18带动压辊芯轴8旋转；通过传动机构，对轮牵引式重送机构将在压辊芯轴8的带动下输送预浸带，通过确定传动机构的传动比，使预浸带21的重送速度始终等于铺放速度，满足自动铺丝速度和重送速度的准确匹配。

本发明中所述传动机构为带传动机构、齿轮传动机构或蜗轮蜗杆传动机构，其他传动机构也可以。采用带传动机构以外的其他传动机构时，传动机构还可以包括离合器，用来断开压辊和主动重送辊的传动关系。并且，传动机构可以是多级传动。

所述对轮式牵引重送机构包括主动输送辊18、从动输送辊15、重送压辊20以及气缸19，所述主动输送辊18与从动输送辊15通过带传动机构或齿轮传动机构相连，并且带传动机构或齿轮传动机构的传动比为1:1。

本发明中主动输送辊18与从动输送辊15之间通过第一齿轮16和第二齿轮17相连；重送压辊20与气缸19并由气缸19带动，预浸带21设置在主动输送辊18与重送压辊20之间。

所述传动机构的传动比为压辊10外径和对轮式牵引重送机构中主动重送辊18外径之比，传动比调节范围为小于等于±10％。

参见图2和图3，所述铺丝头机架包括重送压辊支架13、左支架4和右支架12；主动输送辊18和从动输送辊15的一端设置在左支架4上，主动输送辊18和从动输送辊15的另一端设置在右支架12上。所述左支架4上设置有第一连接件9，右支架12上设置第二连接件11，压辊芯轴8一端设置在第一连接件9上，另一端设置在第二连接件11上；所述第一连接件9、第二连接件11与压辊芯轴8端部之间均设置有用于支撑的第二轴承26。压辊10和压辊芯轴8可以绕着第一连接件9、第二连接件11的中心孔轴自由旋转。重送压辊支架13一端设置在左支架4上，另一端设置在右支架12；重送压辊20设置在重送压辊支架13上。

所述主动输送辊18一端通过传动机构与压辊芯轴8一端相连，主动输送辊18为主动输送辊；或从动输送辊15一端通过传动机构与压辊芯轴8一端相连，此时，从动输送辊15为主动输送辊。也可以是，所述主动输送辊18另一端与通过传动机构与压辊芯轴8另一端相连，或从动输送辊15另一端通过传动机构与压辊芯轴8另一端相连。上述均为单侧驱动的方式。也可以是，主动输送辊18两端通过传动机构与压辊芯轴8两端相连，或从动输送辊15两端通过传动机构与压辊芯轴8两端相连。此时为双侧驱动的方式。本发明中的主动重送辊18和从动重送辊15的关系可以反转，两个中间任意一个都可以是主动，另外一个从动。所述的从动重送辊18可以通过传动机构直接和压辊轴压辊芯轴8连接，不再和主动重送辊15之间具有传动关系，两个可以都是主动的。

传动机构包括第一大同步带轮7、第一同步齿形带6以及第一小同步带轮5；

当主动输送辊18一端通过传动机构与压辊芯轴8一端相连时，第一大同步带轮7设置在压辊芯轴8一端上，第一小同步带轮5设置在主动输送辊18一端上，第一大同步带轮7通过第一同步齿形带6与第一小同步带轮5相连；

当从动输送辊15一端通过传动机构与压辊芯轴8一端相连时，所述第一大同步带轮7设置在压辊芯轴8一端上，第一小同步带轮5设置在被动输送辊15一端上，第一大同步带轮7通过第一同步齿形带6与第一小同步带轮5相连。

同样的，动输送辊18两端通过传动机构与压辊芯轴8两端相连，或从动输送辊15两端通过传动机构与压辊芯轴8两端相连。本发明仅以当动输送辊18两端通过传动机构与压辊芯轴8两端相连为例，进行说明。

传动机构还包括第二大同步带轮23、第二同步齿形带22以及第二小同步带轮24；第一大同步带轮7设置在压辊芯轴8一端上，第一小同步带轮5设置在主动输送辊18一端上，大同步带轮7通过第一同步齿形带6与小同步带轮5相连；第二大同步带轮23设置在压辊芯轴8另一端上，第二小同步带轮24设置在主动输送辊18另一端上，第二大同步带轮23通过第二同步齿形带22与第二小同步带轮24相连。

传动机构还包括防护罩14，用于减少灰尘等对传动零部件的磨损侵蚀。具体的，防护罩设置在左支架4和右支架12，用于对第一齿轮16和第二齿轮17防尘。带传动机构还可以包括一个张紧轮，增大皮带的张力。

本发明中齿轮、带轮可以通过键和轴连接，或者通过胀套等其他方式。

参见图1和图4，本发明实现预浸带输送速度和铺放速度一致的方法：机器人1包括自动铺丝头2、压辊10以及芯模3，机器人1带动自动铺丝头2按规定轨迹将预浸带21铺放到芯模3表面。机器人1运动速度等于压辊10的线速度，同时也是预浸带21的铺放速度。预浸带21在主动重送辊18和重送压辊20处向前输送的速度为重送速度。

参见图4，采取单侧驱动的方式；铺放时，压辊10在气缸的驱动下、在一定的压力下紧密接触到芯模3的表面，和芯模3表面紧密接触，自动铺丝头2沿着铺丝轨迹运动，因为摩擦力的存在，摩擦力驱动压辊10旋转，压辊10带动压辊芯轴8旋转，压辊芯轴8带动大同步带轮7，大同步带轮7通过同步齿形带6带动小同步带轮5，最终驱动主动重送辊18转动，再经过第一齿轮16、第二齿轮17带动从动重送辊15转动，压辊10外圈的线速度即是铺放速度；压辊10的旋转带动主动重送辊18的旋转，主动重送辊18通过传动机构带动从动重送辊15，当主动重送辊18和从动重送辊15下压时，主动重送辊18、从动重送辊15与预浸带之间均产生摩檫力，预浸带即被输送到压辊10下面。

当要开始预浸带21的重送时，重送压辊20在气缸19作用下，以一定的压力把预浸带21压到主动重送辊18、从动重送辊15上，主动重送辊18、从动重送辊15在压辊10的带动下开始旋转时，利用预浸带21和主动重送辊15、从动重送辊18之间的摩擦力向前输送预浸带21到压辊10处，然后重送压辊20在气缸19作用下缩回，预浸带21和重送压辊20、主动重送辊18之间不再有摩擦力，完成重送。

传动机构的传动比等于压辊10外径和主动重送辊18的外径之比，且可以有±10％的修正范围。

重送时，如果铺放速度变化，压辊10的线速度随之变化，通过皮带传动机构驱动主动重送辊18、从动重送辊18的转速也随之改变，压辊10的线速度和主动重送辊18、从动重送辊15的线速度始终相等。因此，在铺放过程中，重送速度和铺放速度始终一致。

参照图5，为了增加主动重送辊18的驱动力，采取双侧驱动的方式，在压辊10另一侧也安装第二大同步带轮23，经过第二同步齿形带22、第二小同步带轮24和主动重送辊18连接。被动重送辊15和主动重送辊18的端部均安装有第一轴承25。当铺放时，压辊10的转动通过两侧的皮带传动驱动主动重送辊18，通过增加一个皮带传动机构，可以提高传动效率，延长使用寿命。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。