一种用于复合材料自动铺放的模块化铺丝头的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型用于复合材料自动铺放成型技术领域，设及一种用于复合材料自动铺 放的模块化铺丝头。
【背景技术】
[0002] 复合材料构件W其优异的性能，高比强度、高比模量、耐疲劳、工艺性好，广泛用于 航空航天领域，大量使用复合材料是航空器的发展趋势。在常见的复合材料制造技术，如基 于液体成型的RTM技术，基于预浸料带的纤维缠绕技术、拉挤成型技术和自动铺放成型技 术，其中，复合材料自动铺放成型技术是增加复合材料用量、提高制造技术水平与效率、保 证产品质量和降低成本的关键技术。而自动铺丝成型技术是自动铺放成型技术之一，其优 点是在铺设复杂曲率构件时有更强的适应能力，制造出的构件质量更高。
[0003] 自动铺丝成型技术是近年来发展速度最快、前景最好的复合材料成型技术之一。 自动铺丝成型技术通过铺丝头的压漉将宽度为3. 17mm、6. 35mm或12. 7mm宽的预浸料丝束 铺设到忍模的表面。铺丝头需要有正常铺层，丝束压紧，丝束剪切，丝束重送等功能，W完成 复杂结构零件的自动铺放工作。
[0004] 自动铺放成型技术在国外已经得到长足的发展，相关技术非常完备。美国专利 US7849903B2公开了一种旋转切割和重送的铺丝头，其切割和重送结构复杂，铺丝头的丝 道是封闭的，且铺丝头上不带有丝卷。美国专利US2014/0238612Al公开了一种基于龙口 架机体的铺放头，其结构复杂，质量较重，丝道设计很复杂。由于铺放设备结构复杂，控制要 求高，W及相关领域发展不完善，国内技术水平较低，仅停留在科研院所的研究阶段。国外 不仅对我们进行技术封锁，引进一套自动铺放设备价格也十分昂贵。本实用新型旨在提供 一种可用于自动铺丝成型技术的铺丝头。
[0005] 总体来说，公开资料所见的国内能进行多丝束铺放的铺丝头几乎没有，国外虽说 有很多成熟的产品，但是大多结构复杂，所承载的机体也多为龙口式，且对国内进行技术封 锁。所W实用新型一种结构简单，性能优秀的铺丝头，既能打破国外的垄断，也能提高国内 的技术水平。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型旨在提供一种用于复合材料自动铺放的模块化铺丝头及方法，用于铺 设复合材料构件，其质量较轻，结构简单，具有同时铺设8束复合材料纤维丝束的能力，每 根丝束独立控制，具有丝束的夹紧、剪切和剪切后的重送功能。填补了国内在多丝束复合 材料纤维丝自动铺设领域的空白；相比国外同类型的设备，立足于6轴机器人平台，结构简 单，功能齐全。
[0007] 本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得W解决的：
[0008] 一种用于复合材料自动铺放的模块化铺丝头，其特征在于，包括圆盘状背板，W及 设置在圆盘状背板上的：
[0009] 周向均匀设置在圆盘状背板上的至少八个丝卷安装模块：包括用于调节丝束张 力的磁粉制动器，用于安装轴承的轴承座，用于轴承外圈定位的轴承端盖，角接触球轴承， 将轴承端盖和磁粉制动器连接在一起的垫环，丝卷，用于安装丝卷的中间轴，将磁粉制动 器的扭矩传递给中间轴的联轴器，用于丝卷定位的挡圈，固定丝卷的螺母；
[0010] 与丝卷安装模块数量对应的收衬纸模块：包括用于收衬纸的套筒，角接触球轴承， 轴承座和轴承端盖，用于套套筒的轴，固定套筒用的螺母
[0011] 与丝卷安装模块数量对应的张力检测模块：能够自由地上下运动，包括固定整个 模块用的基板，滑轨，在滑轨上运动的滑块，固定在滑块上的连接块，固定在连接块上且与 滑块垂直的用于丝束导向的张力检测轴，弹黃，检测张力检测轴位置的位置传感器；所述弹 黃一端固定在基板上，另一端固定在滑块上；
[0012] 一丝束转向模块：用于将沿圆盘状背板走向的8束丝的方向改变为垂直于圆盘状 背板的方向，并且分为两排，包括导向轮连接架，用于与圆盘状背板连接的连接板，若干导 向轮，用于固定导向轮的对称的连接架，固定连接架的螺栓；所述导向轮为上下两排且上下 两排交错设置；
[0013] 剪切、夹紧、丝束重新输送模块：包括气缸，用于夹紧丝束的上下两排夹紧装置，用 于丝束输送的上下两排重送装置，带有切刀的上下两排剪切装置，用于提供动力的气缸，带 有送压缩风和冷却风的风道的丝束导向块；
[0014] 加热器：用于加热丝束
[0015] 驱动模块：用于驱动剪切、夹紧、丝束重新输送模块E;
[0016] W及一个设置在加热器下方的压漉。
[0017] 在上述的一种用于复合材料自动铺放的模块化铺丝头，所述剪切、夹紧、丝束重新 输送模块采用=个气缸分别驱动夹紧装置、重送装置W及剪切装置运动；
[0018] 所述夹紧装置包括与气缸输出轴配接的连接架W及通过销轴与连接架连接的滚 轮；
[0019] 所述剪切装置包括与气缸输出轴配接的连接架W及与连接架固定的切刀；
[0020] 所述重送装置包括与气缸输出轴配接的连接架W及通过销轴与连接架连接的滚 轮，W及设置在滚轮下方的上下两根重送轴，所述重送轴一端均固定一个齿轮且两个齿轮 相互晒合；直流伺服电的电机轴通过联轴器与其中一个齿轮配接从而能够带动两个重送轴 转动。
[0021] 因此，本实用新型具有W下优点：1，模块化的设计，易于零部件的安装和更换；2， 使用快换接头与机器人连接，便于安装和拆卸；3,具有同时最多铺设8束丝的能力，生产效 率高；4,可W使用不同宽度规格的丝束，在铺设曲率较大的构件时，使用3. 17mm和6. 35mm 的复合材料丝，铺设小曲率构件时使用12. 7mm或者更宽的丝；5,可W实现双向铺层；6,铺 放头自带丝卷，易于实现张力控制，丝路变化微小；7,开放的丝道，易于清洁和将丝束从丝 卷处安装到压漉处；8,压漉外使用一层柔性材料，具有一定的柔性，适用于工件表面的微小 曲率变化；9,有张力控制且丝道设计合理，不会出现丝束断裂、翅曲等问题。
【附图说明】
[0022] 图1是铺丝头的总体结构的外观图。
[0023] 图2是圆盘部分结构和该部分的丝束的外观图。
[0024] 图3是丝卷安装模块结构部分剖面图。
[00巧]图4是收衬纸模块结构的部分剖面图。
[0026] 图5是张力检测模块结构的外观图。
[0027] 图6是连接肋板和丝束转向模块的外观图。
[0028] 图7a是丝束的剪切、压紧和重送模块结构的外观图1。
[0029] 图化是丝束的剪切、压紧和重送模块结构的外观图2。
[0030] 图7c是丝束的剪切、压紧和重送模块结构的外观图3。
[0031] 图7d是丝束的剪切、压紧和重送模块结构的外观图4。
[0032] 图8是导向块结构的外观图。
【具体实施方式】
[0033] 下面通过具体的实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案做进一步的具体 说明。
[0034] 实施例：
[0035] 在本实用新型的整体结构设计方面，提供了一种模块化的铺丝头，如图1和图2所 示，铺丝头的结构由W下几个模块组成。8个完全相同的丝卷安装模块C、收衬纸模块D和 张力检测模块BW环形的方式安装在铺丝头的主要载体圆盘状背板100上；通过两块连接 板22安装在圆盘状背板100的丝束转向模块；连接在连接板22上的剪切、夹紧、丝束重新 输送模块E;安装在剪切、夹紧、丝束重新输送模块E的驱动模块G、压漉101和加热器F。
[0036] 在本实用新型中，丝卷安装模块C用于快速的安装和拆卸铺层用的铺层材料一丝 卷2,如图3所示，该模块的主要零部件包括：用于调节丝束张力的磁粉制动器1，用于安装 轴承的轴承座4,用于轴承外圈定位轴承端盖9,角接触球轴承5,将轴承端盖9和磁粉制动 器连接在一起的垫环13,丝卷2,用于安装丝卷2的中间轴6,将磁粉制动器1的扭矩传递 给中间轴6的联轴器28,用于丝卷2定位的挡圈10,固定丝卷的螺母11。其功能实现的原 理为，用螺母11、挡圈10实现丝卷2的固定，用挡圈10与丝卷2内轴的摩擦力矩实现丝卷 2与中间轴6的固定，然后一起旋转。
[0037] 在本实用新型中，收衬纸模块D用于收取复合材料丝上的衬纸并在一卷丝卷用尽 时快速的卸去衬纸，如图4所示，该模块的主要零部件包括：用于收衬纸的套筒8,角接触球 轴承5,轴承座4和轴承端盖3,用于套套筒的轴12,固定套筒8用的螺母7。其功能实现 的原理是：在铺层开始前的丝束安装时，将衬纸与丝束分离，并将衬纸固定在收衬纸套筒8 上，在正常铺放过程中，有丝束带动收衬纸轴12旋转，并将衬纸缠绕在收衬纸套筒8上，达 到收取衬纸的目的。卸去衬纸只需梓开螺母7,更换收衬纸套筒8既可。
[0038] 在本实用新型中，张力检测模块B用于检测丝束中的张力，为张力控制提供丝束 中的实时张力数据，如图5所示，该模块的主要零部件包括：固定整个模块用的基板19,滑 轨17,在滑轨17上运动的滑块14,弹黃50,检测张力检测轴位置的位置传感器51，用于丝 束导向的张力检测轴18,张力检测轴18连接块16。张力检测功能的实现原理为：位置传感 器51实时检测张力检测轴18的位置，张力检测控制器W较高的采样速度获取运个位置信 息，通过与时间信息的结合求解出张力检测轴18的速度、加速度信息，W张力检测轴18为 研究对象，通过力的关系求出丝束中的张力。
[0039] 在本实用新型中，控制丝束中的张力实现原理为：如图7a所示，重送机构中的气 缸34将丝束压紧在重送轴40上，驱动电机25带动重送轴40运动，为丝束运动提供动力； 张力检测模块B为控制器提供实时的张力数据；如图3所示，起到张力调节作用的为通过联 轴器与丝卷轴6连接在一起的磁粉制动器1，控制器通过调节磁粉制动器1的制动力矩，按 照具体的工艺要求，控制丝束中的张力在合适的范围，W提高铺层质量，同时起到防止丝束 中的张力过大而引起丝束的断裂。
[0040] 在本实用新型中，丝束转向模块A用于将沿圆盘状背板走向的8束丝的方向改变 为垂直于圆盘状背板的方向，并且分为两排，W更利于丝束的后期输送。如图6所示，该模 块的主要零部件包括：用于与圆盘状背板100连接的连接板22,导向轮20,用于固定导向轮 20的对称的连接架21，固定连接架的螺栓23。其功能实现原理为：带有矩形槽的导向轮20 可W自由滚动，通过两排排列好的导向轮实现了丝束转换方向的目的。其中从张力检测轴 18到导向轮20段的丝束允许一定程度的翅曲，简化结构的设计。
[0041] 在本实用新型中，剪切、夹紧、丝束重新输送模块E提供了丝束的控制功能，用于 实现丝束的剪切功能、剪切后丝束的重新输送功能和不使用丝束的夹