利用机械手臂制作复合材料结构物的加工设备及方法与流程

1.本发明涉及一种复合材料结构物的制作装置及方法，尤指一种结合铺设贴合与缠绕的设备，以复合材料卷带的形式，利用自动控制设备或机械手臂以黏贴或缠绕的方式形成结构物的加工设备及方法。


背景技术：

2.现有的复合材料结构物，如应用于汽车或航天领域的复合材料零组件，或是碳纤维压力容器壳体等，在制作时以人工的方式将多个片状的复合材料覆盖在一模具上，接着将树脂涂布于复合材料上形成结构物的形状，然后进行加热固化，使复合材料形成具强度的结构物。
3.然而，以人工的方式制作复合材料结构物具有以下缺点：
4.第一，人工贴附的位置重复性不佳，也就是说，每一个结构物上的复合材料的位置及角度都会有些许差异，导致产品的质量较不稳定，且制作速度缓慢。
5.第二，目前复合材料产品制程中，现场人员与有机溶剂直接接触，潜存现场作业人员健康危害。
6.第三，当使用的复合材料为碳纤维时，碳纤维的延伸方向(即纤维贴附的角度)会对结构物的强度产生很大的影响，然而传统制程较难精确地控制结构物各个位置的碳纤维排列角度，只能大略地将碳纤维以水平、垂直或是大致斜向45度等方式贴附在模具上，无法充分发挥碳纤维的强度。尤其当结构物具有曲面(如压力容器的两端)时，以传统制程工法不易完整铺设贴合于曲面上，须以更多补强材增强结构物强度，除增加材料成本及耗费制程时间，亦影响结构物强度。
7.因此，虽然复合材料本身是一种轻量且强度极佳的材料，理论上能够制作出比现有金属材料更轻且强度更佳的结构物，但受限于目前的传统制程工法，通常只能用于制作对强度要求不高的外观零组件，而无法用于制作需要强度的结构零组件。
8.因此，现有技术中制作复合材料结构物的加工设备及方法实有待加以改良及整合。


技术实现要素：

9.有鉴于前述的现有技术的缺点及不足，本发明提供一种结合铺设贴合及缠绕工法的机构设备，可利用自动化系统设备或机械手臂制作复合材料结构物的加工设备及方法，使复合材料结构物的生产能够自动化，借此提升产品质量及生产速度，并且维护作业人员的健康。
10.为达到上述的发明目的，本发明所采用的技术手段为设计一种利用机械手臂制作复合材料结构物的加工设备，用以将带状的复合材料贴合至一目标物；该加工设备包含：
11.一第一机械手臂，其一端具有一结合座，该第一机械手臂能带动该结合座移动及转动；
12.一供料装置，其设于该结合座上，且用以朝该贴合装置输送该复合材料；
13.一加热装置，其设于该结合座上，且用以加热该复合材料；
14.一贴合装置，其设于该结合座上，该加热装置位于该贴合装置及该供料装置之间，该贴合装置具有：
15.一缓冲件，其具有一固定端及一移动端；该固定端固设该结合座，该移动端能移动地连接该固定端；
16.一压轮，其能转动地设于该缓冲件的该移动端；该压轮用以紧抵该复合材料，以使该复合材料紧抵并贴合该目标物；
17.一裁切装置，其设于该结合座上，且用以裁断该复合材料；
18.其中，该第一机械手臂以该结合座带动该压轮沿该目标物的表面移动，以使该复合材料覆盖该目标物。
19.为达到上述的发明目的，本发明进一步提供一种利用机械手臂制作复合材料结构物的方法，其将一带状的复合材料加热后，以一第一机械手臂带动一能转动的压轮紧抵该复合材料，并使该复合材料紧抵并贴合一目标物；接着以该第一机械手臂带动该压轮沿该目标物的表面移动，以使该复合材料覆盖该目标物；该第一机械手臂及该压轮之间设有一缓冲件，该缓冲件使该压轮抵靠于该目标物时，能朝向该第一机械手臂移动以达缓冲的效果；最后以一裁切装置裁断该复合材料。
20.本发明于使用时，将预浸有树脂的复合材料设置于供料装置。供料装置处的复合材料经加热装置加热提高附着性后输送至压轮处，并借由压轮的紧抵而贴合于目标物的表面。同时，借由机械手臂的移动，压轮将复合材料沿着事先估算好的最佳路径贴合覆盖目标物的表面而形成结构物的形状。结构物再经加热固化及修边后成为成品。其中所谓覆盖不以完全覆盖目标物的外表面为限，也可以仅覆盖目标物的其中一侧面，甚至也可以只覆盖目标物其中一侧面的局部区域。
21.本发明的优点在于：
22.第一，第一机械手臂能够模仿人类手臂功能并可精准且迅速地将复合材料沿着特定路径黏贴覆盖于目标物上，借此提高制作速度，并且可提供稳定的产品质量。本发明将传统铺设贴合及缠绕所需的二种设备，整合为单一设备，并可直接结合传统自动控制设备与机械手臂使用。
23.第二，搭配复合材料预浸带卷方式进行加工制程，增进作业现场环境安全，降低人员曝露有机溶剂危害风险。
24.第三，能够事先根据结构物的强度需求估算出结构物上每个位置的最佳纤维排列角度，并以机械手臂将碳纤维精准的依照估算的位置及角度覆盖于目标物的表面，即使在结构物的曲面处也能准确控制碳纤维的位置及角度。借此，本发明能够充分发挥碳纤维的强度，制作出比现有的复合材料重量更轻、强度更高且质量稳定的结构物，特别适合用于制作工字梁或压力容器等需要强度的结构零组件。
25.进一步而言，所述的利用机械手臂制作复合材料结构物的加工设备，其中进一步具有一上胶装置；该上胶装置设于该结合座，并位于该加热装置及该供料装置之间；该上胶装置用以朝该复合材料涂布附着剂。
26.进一步而言，所述的利用机械手臂制作复合材料结构物的加工设备，其中该复合
材料混合有树脂，并且该复合材料的一侧面进一步贴附有离型纸；该加工设备进一步包含有一离型纸复卷装置，其具有一复滚动条及一伺服马达；该复滚动条用以供该离型纸卷绕；该伺服马达驱动该复滚动条转动。
27.进一步而言，所述的利用机械手臂制作复合材料结构物的加工设备，其中该复合材料为混合有树脂的复合材料预浸布。
28.进一步而言，所述的利用机械手臂制作复合材料结构物的加工设备，其中：该供料装置具有一供料轴及一供料马达；该供料轴用以供该复合材料卷绕；该供料马达驱动该供料轴转动；该加工设备进一步具有一张力传感器，其用以抵靠并侦测该复合材料之张力；该张力传感器电连接该供料马达，以控制该复合材料的张力。
29.进一步而言，所述的利用机械手臂制作复合材料结构物的加工设备，其中该缓冲件电连接该第一机械手臂，并透过程控而使该移动端相对该固定端的位置根据该第一机械手臂的位置及角度而改变，以控制该压轮用以紧抵该复合材料的力量。
30.进一步而言，所述的利用机械手臂制作复合材料结构物的加工设备，其中进一步具有一第二机械手臂；该第二机械手臂用以夹持该目标物，并且可用以改变该目标物的位置及角度。
31.进一步而言，所述的利用机械手臂制作复合材料结构物的方法，其中将该复合材料加热前，先以一上胶装置朝该复合材料涂布附着剂。
32.进一步而言，所述的利用机械手臂制作复合材料结构物的方法，其中先以一第二机械手臂将该目标物从一储料区域移动至一加工区域，再以该第二机械手臂改变该目标物于该加工区域的位置及角度。
附图说明
33.在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。
34.图1为本发明的立体外观示意图；
35.图2为本发明于另一角度的立体外观示意图。
36.图3为本发明的立体组件分解示意图。
37.图4及图5为本发明的侧视动作示意图。
38.图6为本发明的侧视使用示意图。
具体实施方式
39.结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。
40.需要说明的是，当组件被称为“固定于”或“设置于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者可能存在居中组件。当一个组件被称为是“连接于”另一个组件，它可以是
直接连接到另一个组件或者可能存在居中组件。
41.请参阅图1、图4及图6所示，本发明的利用机械手臂制作复合材料结构物的加工设备用于将带状的复合材料m贴合至一加工区域w(如图6所示)中的一目标物t。本实施例中的目标物t为一柱状压力容器的内胆，本发明将复合材料m覆盖于内胆外而形成完整的压力容器；但不以此为限，目标物t也可以是加工完成后需与复合材料m分离的模具。
42.本发明包含：一第一机械手臂10(如图6所示)、一供料装置20、一加热装置30、一贴合装置40及一裁切装置50；且在本实施例中，进一步包含有一上胶装置60、一张力传感器70、一第二机械手臂80(如图6所示)。复合材料m较佳地为混合有树脂的预浸单向碳纤维布，但不以此为限，复合材料m也可以是玻璃纤维等其他混合有树脂的复合材料预浸布(卷带)。
43.前述的第一机械手臂10的一端具有可移动且可转动的一结合座11，前述供料装置20、加热装置30、贴合装置40、裁切装置50、上胶装置60、张力传感器70均设于结合座11。第一机械手臂10具体来说为一多轴手臂，而使结合座11具有多个方向的移动以及旋转自由度。在本实施例中，第一机械手臂10、第二机械手臂80以及结合座11上的各装置均与一控制单元电连接，由控制单元整合控制各装置的动作。
44.请配合参阅图2至图4所示，前述的供料装置20朝贴合装置40输送复合材料m。在本实施例中，供料装置20具有一供料轴21、一供料马达22及多个导轮23。供料轴21及导轮23可转动地连接结合座11；待加工的复合材料m在供料轴21外卷绕成圈状；供料马达22驱动供料轴21转动，使复合材料m沿一传输路径依序通过各导轮23并朝贴合装置40输送，并且可透过调整供料马达22的扭力来改变复合材料m的张力。
45.前述的加热装置30位于贴合装置40及供料装置20之间，并且对复合材料m加热，使复合材料m在预热后能够定型及附着于目标物t上。在本实施中，加热装置30包含二电热棒31，其分别位于复合材料m的相对两侧面，且其中一电热棒31接触复合材料m以进行加热，但不以此为限，加热装置30也可以利用雷射或是热风对复合材料m进行加热。
46.前述的上胶装置60位于加热装置30及供料装置20之间。上胶装置60可朝复合材料m涂布附着剂，以强化复合材料m附着于目标物t的效果。附着剂较佳地为树脂。本实施例中的复合材料m为混合有树脂的预浸碳纤维，经适当加热后即可定型附着于目标物t上，无须以上胶装置60涂布附着剂，但借由设置上胶装置60，本发明可适用于需要额外涂布附着剂的复合材料m。
47.请配合参阅图4及图5所示，前述的贴合装置40具有一缓冲件41及一压轮42。缓冲件41具有一固定端411及一移动端412，固定端411固设结合座11，移动端412可移动地连接固定端411。压轮42可转动地设于缓冲件41的移动端412，并且压轮42的外环面紧抵复合材料m，以使复合材料m紧抵并贴合目标物t。
48.在本实施例中，缓冲件41为一电控气缸，其透过控制单元电连接第一机械手臂10。控制单元透过程控而使移动端412相对固定端411的位置根据第一机械手臂10的位置及角度而改变，以控制压轮42紧抵复合材料m的力量大小，借此，即使目标物t表面为曲面，压轮42也能够对复合材料m施加适当的压力，使复合材料m能够良好地贴合于目标物t。在其他较佳地实施例中，缓冲件41也可以是其他类型的电控致动器，甚至也可以是弹簧等被动缓冲组件。
49.前述的张力传感器70抵靠并侦测复合材料m的张力。张力传感器70透过前述控制
单元电连接供料装置20的供料马达22，使供料马达22根据侦测到的张力调整输出扭力，以将复合材料m的张力控制在设定范围内。
50.前述的裁切装置50用于裁断复合材料m。在本实施例中，裁切装置50利用雷射裁断压轮42处的复合材料m，但不以此为限，裁切装置50也可以是切刀等其他形式。
51.在本实施例中，供料装置20处的复合材料m贴附有一层离型纸k，以避免复合材料m在卷绕状态下发生沾黏，但离型纸k需在加热前剥离。因此，本发明进一步具有一离型纸复卷装置55，其具有一复滚动条551及一伺服马达552；复滚动条551可转动地设于结合座11；伺服马达552驱动复滚动条551转动，以将剥离的离型纸k卷绕于复滚动条551外。
52.请配合参阅图6所示，前述的第二机械手臂80可将目标物t从一储料区域s移动至位于第一机械手臂10及第二机械手臂80之间的加工区域w，并且可改变目标物t于加工区域w内的位置及角度。第二机械手臂80较佳地为一多轴机械手臂，使本发明可对形状复杂的目标物t加工。
53.本发明的利用机械手臂制作复合材料结构物的方法透过前述的利用机械手臂制作复合材料结构物的加工设备进行作业，但不以此为限。方法如下：
54.请配合参阅图4至图6所示，首先，将目标物t定位于一加工区域w；在本实施例中，是以第二机械手臂80自动将目标物t从储料区域s移动并定位于加工区域w，借此自动完成进料动作，但不以此为限，也可以不设置第二机械手臂80，而是以人工等其他方式将目标物t固定于加工区域w。
55.接着，供料装置20朝贴合装置40移动复合材料m，过程中以加热装置30将复合材料m加热。当有需要时，以上胶装置60先对复合材料m涂布附着剂后再以加热装置30进行加热。
56.然后，第一机械手臂10带动贴合装置40的压轮42紧抵加热后的复合材料m，并使复合材料m紧抵并贴合目标物t。而后第一机械手臂10以结合座11带动压轮42沿目标物t的表面移动，以使复合材料m覆盖目标物t。缓冲件41使压轮42抵靠于目标物t时，压轮42可朝向第一机械手臂10移动以达缓冲的效果。最后，以裁切装置50裁断多余的复合材料m。
57.借由使用第一机械手臂10带动压轮42，本发明可将复合材料m以任意角度贴合于目标物t的任意位置，以充分发挥复合材料m的强度。另外，第一机械手臂10可使复合材料m贴合覆盖目标物t的外表面以形成工字梁等结构，或者第一机械手臂10也可使复合材料m以缠绕的方式覆盖于柱状的目标物t的外环面以形成压力容器等圆柱状结构；也就是说，所谓覆盖也包含了缠绕在内。
58.本发明于使用时，前端可搭配自动化储料系统，其可自动将目标物t移动至储料区域s，以供本发明的第二机械手臂80夹取。而本发明的后端可配合设置自动化产品外型加热定型系统、高解析影像辨识侦测系统、智能产品外型辨识分析检系统、自动化产品上架系统，以增进加工、品检及仓储的自动化程度。
59.综上所述，本发明透过加热装置30及压轮42对复合材料m进行加热加压，使复合材料m贴合于目标物t表面，同时以第一机械手臂10精准且迅速地带动压轮42沿事先估算好的最佳路径移动，进而使复合材料m贴合覆盖目标物t而形成结构物。借此，本发明可提高复合材料结构物的制作速度，并且可提供稳定的产品质量，且避免人员伤害；此外，本发明也可制作出质轻且高强度的结构零组件。
60.以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽
然本发明已以较佳实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，本领域普通技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述提出的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。