具有压力检测装置的复合材料预浸带铺放机构的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种具有压力检测装置的复合材料预浸带铺放机构，包括：座体，座体两侧具有平行且贯通的容置腔孔，各容置腔孔内分别设置传力机构，各传力机构顶部固接压力传感器，各压力传感器的上端顶抵压帽，各压帽在座体的顶部两侧分别与座体固接；各传力机构的下端固接浮动底座，而位于座体两侧的浮动底座之间连接压辊机构。借此，通过压力传感器对压辊两端的铺放压力进行实时检测，并通过压力传感器的后端信号处理系统对检测信号进行实时分析、反馈，配合外部铺带系统适时调整复合材料铺带头姿态，使待铺放表面的法线与辊子轴线实时垂直，从而保持铺放压力均匀并实现随形均匀铺放的目的。
【专利说明】具有压力检测装置的复合材料预浸带铺放机构
【技术领域】
[0001]本发明涉及航空、航天、船舶、风力发电等领域的制造技术，尤指一种复合材料预浸带铺放机构。
【背景技术】
[0002]先进复合材料具有轻质、高强度、高模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性和工艺性好等特点，尤其适用于大型结构及整体结构，是理想的航空结构材料，其在飞机上的用量日益增多，应用范围从次承力结构(舱门、整流罩、安定面等)扩展到主承力结构(机翼、机身等)，国外四代机的复合材料用量占结构重量的24%?40%，目前复合材料已成为新一代飞机机体的主体结构材料。复合材料还广泛应用于航天、船舶、风力发电等领域。因此，复合材料低成本制造技术是目前国际复合材料【技术领域】的核心问题，复合材料自动铺放技术是复合材料低成本制造技术的研究重点。
[0003]复合材料自动铺放技术应用了复合材料自动铺带机，而自动铺带机的主要功能实现部件为辊状的铺带头。现有的自动铺带机主要存在以下两点缺陷:
[0004]1.自动铺带机按所铺放构件的几何特征可分为平面铺带和曲面铺带两类，对于非平面构件的曲面铺带作业，现有的处理方法都是通过复杂的扫描机构对曲面构型进行扫描，并通过数控系统进行复杂的运动编程和测量仿形，然后再控制自动铺带机按编程轨迹进行铺带，不仅费时废料，而且容易出错；
[0005]2.现有自动铺带机都是针对某一特定宽度的复合材料预浸带设计压辊及相关承载结构，不能根据不同的铺带宽度进行适应性调整，应用限制较大。
【发明内容】
[0006]本发明的目的，即是提供一种具有压力检测装置的复合材料预浸带铺放机构，通过在复合材料预浸带铺放机构上设置压力检测装置，能对复合材料铺放压力进行实时检测，以克服【背景技术】所述的缺陷。
[0007]上述目的，可采用下列技术方案来实现:
[0008]一种具有压力检测装置的复合材料预浸带铺放机构，包括:座体，该座体两侧具有平行且贯通的容置腔孔，各所述容置腔孔内分别设置有传力机构，各传力机构顶部固定连接有压力传感器，各压力传感器的上端顶抵一压帽，各压帽在所述座体的顶部两侧分别与所述座体固接；各所述传力机构的下端固接浮动底座，而位于所述座体两侧的所述浮动底座之间连接压辊机构。
[0009]如上所述的复合材料预浸带铺放机构，各所述浮动底座沿所述压辊机构的压辊的轴向分别间隔设置有多个安装槽，所述压辊机构的每端均可选地设置于对应端的其中一安装槽中。
[0010]如上所述的复合材料预浸带铺放机构，开设于各浮动底座的各所述安装槽的开口向下，且在各槽腔顶部均设置有用以吸附所述压辊机构两端的磁力块。[0011]如上所述的复合材料预浸带铺放机构，各所述容置腔孔内壁设有与腔孔同轴的空心的滑动预紧套，各所述传力机构滑动穿设所述滑动预紧套，且与滑动预紧套以一预定的预紧力配合。
[0012]如上所述的复合材料预浸带铺放机构，所述滑动预紧套为滚珠轴承套，所述传力机构在与所述预紧套配合的位置呈柱体壁面。
[0013]如上所述的复合材料预浸带铺放机构，所述压辊机构包括:两个间隔布置的辊安装座，分别设置于对应浮动底座的所述其中一安装槽中；以及压辊，可转动地设置在所述两个辊安装座之间。
[0014]如上所述的复合材料预浸带铺放机构，所述两个辊安装座具有面对设置的安装孔，各安装孔的末端设置有推力滚针轴承，且各安装孔的周向内壁设置有冲压外圈滚针轴承，所述压辊的每端分别通过所述推力滚针轴承和冲压外圈滚针轴承轴向和径向定位于两端的辊安装座之间。
[0015]如上所述的复合材料预浸带铺放机构，所述座体的容置腔孔设置有环托肩，所述压力传感器通过垫于传感器下方的预压环沿重力方向抵靠在该环托肩上，所述预压环能调整所述压力传感器的预压力。
[0016]如上所述的复合材料预浸带铺放机构，所述浮动底座的顶部在所述座体的一侧设置有内侧导向定位板，所述座体的底部在所述浮动底座的所述一侧的对侧设置有外侧导向定位板，该内、外侧导向定位板共同限制所述浮动底座相对于所述座体的水平方向自由度，而仅允许所述浮动底座相对于所述座体的垂直位移。
[0017]如上所述的复合材料预浸带铺放机构，每个所述浮动底座开设有至少一竖向通孔，而所述座体在对应各竖向通孔的位置同轴地开设有竖向盲孔，各所述浮动底座通过至少一防转销穿设所述至少一竖向通孔和对应的竖向盲孔，以限制浮动底座相对于所述座体的转动。
[0018]如上所述的复合材料预浸带铺放机构，所述座体设置有自其两侧的容置腔孔沿垂直于该容置腔孔轴线的方向延伸并连通至座体外的紧定螺钉孔，以允许紧定螺钉插入该紧定螺钉孔并限制所述传力机构在所述容置腔孔内的旋转。
[0019]如上所述的复合材料预浸带铺放机构，所述压力传感器的底部与所述传力机构螺纹连接。
[0020]借由以上技术方案，本发明的优点和特点在于:
[0021]1.本发明采用压力传感器对压辊两端的铺放压力进行实时检测，并可以通过压力传感器的后端信号处理系统对检测信号进行实时分析、反馈，并配合外部铺带系统适时的调整复合材料铺带头的姿态，使得待铺放表面的法线与辊子的轴线实时垂直，从而保持铺放压力的均匀性并实现随形均匀铺放的目的，免去了测量仿形、数控编程、轨迹控制等繁复操作流程，省时省料，不易出错；
[0022]2.本发明在垂直方向对传力机构的定位是通过滑动预紧套(较佳为滚珠轴承套)所形成的垂直运动轨道实现的，并通过对滑动预紧套预紧力的调整，通过摩擦力克服浮动构件的重力，减少浮动式的传力机构在传力过程中的损失，使得压辊所承受的力能够有效准确的传递给两端的压力传感器，从机械结构方面有效的提高了检测装置的灵敏度和精确度；[0023]3.本发明采用在压力传感器底部与座体容置腔孔的环托肩之间增设预压环的方式，对压力传感器进行预压式装配，预压力的大小通过修磨预压环进行调整，从而使得压力传感器的测量区间保持在仪器本身最灵敏、精确的区域，从测量仪器方面提高检测装置的灵敏度和精确度。
[0024]4.本发明可将压辊装置的辊安装座可选地安装在不同的浮动底座安装槽中，于是两端的辊安装座便产生了不同的间距，可安装的压辊长度就不同，遂可适应不同宽度的复合材料预浸带的铺放作业，使本发明的铺放机构应用广泛。
[0025]5.本发明在浮动底座上设置多个安装槽的基础上，还在每个安装槽的槽腔顶部设置磁力块，使得压辊机构的辊安装座与安装槽装配时为磁力吸附，如此更便于本发明的铺放机构拆卸辊安装座，并快速更换不同长度的压辊，提高了更换压辊的工时效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]为令本发明的目的、技术手段及技术效果有更完整及清楚的揭露，以下进行详细说明，并请一并参阅附图及部件标号。
[0027]图1为本发明复合材料预浸带铺放机构的立体装配示意图；
[0028]图2为图1的A-A剖视图；
[0029]图3为图1的B-B剖视图；
[0030]图4为本发明复合材料预浸带铺放机构的另一实施方式的立体装配示意图。【具体实施方式】
[0031]请参阅图1至3所示，本发明提供一种具有压力检测装置的复合材料预浸带铺放机构，包括:座体1，该座体I两侧具有平行且贯通的容置腔孔11，各所述容置腔孔11内分别设置有传力机构2，各传力机构2顶部固定连接有压力传感器3，各压力传感器3的上端顶抵一压帽4，各压帽4在所述座体I的顶部两侧分别与所述座体I固接；各所述传力机构2的下端固接浮动底座5，而位于所述座体I两侧的所述浮动底座5之间连接压辊机构6。在实际实施中，浮动底座5可通过一螺钉54从底部向上固定于传力机构2上。借此，保证在复合材料预浸带铺放时压力的反作用力能够均匀的反馈给两侧的压力传感器。
[0032]在本发明的较佳实施例中，座体I左右两侧的容置腔孔11、传力机构2、压力传感器3、压帽4、浮动底座5均左右对称布置。
[0033]如图1和图2所示，所述压辊机构6包括:两个间隔布置的辊安装座62 ;以及压辊61，可转动地设置在所述两个辊安装座62之间。
[0034]较佳地，各所述浮动底座5沿所述压辊机构6的压辊61的轴向分别间隔设置有多个安装槽51,所述压棍机构6每端的棍安装座62均可选地设置于对应端的其中一安装槽51中。但本发明并不以此为限，浮动底座5也可开设安装槽道，使辊安装座62可实现压辊轴向位置的无级调整。在本发明的较佳实施例中，各浮动底座5在其两端设有两个安装槽51，使铺放机构能够适应宽度分别为150mm和300mm复合材料预浸带的铺放，图1中示出装配150_长度压棍的实施例，图4中示出装配300_长度压棍的实施例。
[0035]进一步地，开设于各浮动底座5的各所述安装槽51的开口向下，且在各槽腔顶部均设置有用以吸附所述压辊机构6两端的辊安装座62的磁力块55。磁力块55也可更换为其他方便安装和拆卸的机械卡扣结构。
[0036]如图3所示，各所述容置腔孔11内壁设有与腔孔同轴的空心的滑动预紧套13，各所述传力机构2滑动穿设所述滑动预紧套13，且与滑动预紧套13以一预定的预紧力配合。
[0037]较佳地，所述滑动预紧套13为滚珠轴承套，所述传力机构2在与所述预紧套13配合的位置呈柱体壁面。实际实施时，整个传力机构2大致呈柱状，而形成传力柱。当然，传力机构2也可设置为非圆柱形，以避免受力时绕轴自转。
[0038]再参阅图2，所述两个辊安装座62具有面对设置的安装孔621，各安装孔621的末端设置有推力滚针轴承622，且各安装孔621的周向内壁设置有冲压外圈滚针轴承623，所述压辊61的每端分别通过所述推力滚针轴承622和冲压外圈滚针轴承623轴向和径向定位于两端的辊安装座62之间。
[0039]再参阅图3，所述座体I的容置腔孔11设置有环托肩110，所述压力传感器3通过垫于传感器3下方的预压环31沿重力方向抵靠在该环托肩110上，所述预压环31能调整所述压力传感器3的预压力。
[0040]参阅图1和图2，所述浮动底座5的顶部在所述座体I的一侧设置有内侧导向定位板71，所述座体I的底部在所述浮动底座5的所述一侧的对侧设置有外侧导向定位板72，该内、外侧导向定位板71、72共同限制所述浮动底座5相对于所述座体I的水平方向自由度，而仅允许所述浮动底座5相对于所述座体I的垂直位移(垂直微动)。内侧导向定位板71可以通过螺钉紧固于浮动底座5，外侧导向定位板72也可以通过螺钉紧固于座体I。
[0041]继续参阅图3，每个所述浮动底座5开设有至少一竖向通孔52，而所述座体I在对应各竖向通孔52的位置同轴地开设有竖向盲孔12，各所述浮动底座5通过至少一防转销53穿设所述至少一竖向通孔52和对应的竖向盲孔12，以限制浮动底座5相对于所述座体I的转动。在本发明的较佳实施例中，座体I每一侧的浮动底座5开间隔且平行地开设有两个竖向通孔52，其中一竖向通孔52设置所述的防转销53。
[0042]在传力机构2为柱体形态的前提下，所述座体I设置有自其两侧的容置腔孔11沿垂直于该容置腔孔11轴线的方向延伸并连通至座体I外的紧定螺钉孔14，以允许紧定螺钉15插入该紧定螺钉孔14并限制所述传力机构2在所述容置腔孔11内的旋转。
[0043]此外，所述压力传感器3的底部与所述传力机构2通过螺纹连接，或可采用其他可拆卸固接的连接方式。
[0044]本发明的复合材料预浸带铺放机构主要针对的铺放对象为大平面或小曲率面构件，根据不同待铺放模具的形面，实时对铺放压力进行检测、反馈，进而通过外部铺带机构对压辊的姿态进行实时调整，实现对不同待铺放模具的形面的进行自适应铺放，保证复合材料铺放时铺放压力的均匀性、平稳性、一致性，而不需要通过复杂的扫描机构和数控系统进行复杂的运动编程和测量仿形，从而实现对大型复合材料构件的自适应铺放，从而满足大飞机中大型复合材料飞机壁板的制造，将为大型客机、大型运输机、新一代战斗机复合材料大型壁板构件的研制提供装备基础。
[0045]以下说明本发明各部件的设计要点:
[0046]座体I是本发明主要机械支撑体，为减轻其质量,采用铝合金材料加工而成。座体I两侧开设的容置腔孔11具有环托肩110，使容置腔孔11的上部形成座孔。
[0047]压力传感器3上端通过标准螺母安装在压帽4内部下方，下端位于座体I的上述座孔内。压力传感器3作为测量仪器负责压辊铺放压力的检测，并通过压力传感器的信号收集处理系统反馈给外部铺带系统的控制系统，通过外部铺带系统的控制系统的计算分析，进而做出相应的调整，从而通过外部铺带机构对压辊机构6的姿态进行实时调整，实现对不同待铺放模具的形面的进行自适应铺放，保证铺放压力的均匀性。
[0048]压帽4通过两侧的螺钉孔用标准螺钉与座体I相连。压帽的刚性及其稳定性是用于铺放机构实现其功能的关键因素之一，为保证压帽的刚性，设计采用45号钢材料加工而成，并在加工前采用合理的热处理方式，提升压帽的力学性能。
[0049]预压环31:分别安装在压力传感器3正下方的所述座孔内，采用lCrl8Ni9Ti材料加工而成，是压力传感器预压力大小的调整构件。
[0050]传力机构2，为保证传力机构传递力的准确性，传力机构2与滑动预紧套13之间施加一定的预紧力，消除径向方向的间隙，并保证本发明在装配完毕后，在自身重力作用下，传力机构2及其下方连接部件所形成的整体能够缓慢下滑，即保证预紧力产生的摩擦力与其重力相等。
[0051]滑动预紧套13设计采用滚珠轴承套结构，置于座体I中，形成上下微动的滚道。在复合材料自动铺放过程中，由于压辊61受到径向和轴向的压力，通过冲压外圈滚针轴承623和推力滚针轴承622、辊安装座62、浮动底座5、传力机构2的依次传递，最终传递给压力传感器3，从而引起压力传感器3的变形，带动上下微动。
[0052]浮动底座5为传力件，设计采用45号钢材料加工而成，底部有一 I?2mm浅槽，限制辊安装座62的安装方向。
[0053]防转销53用于限制浮动底座5以传力机构2作为旋转轴的旋转运动，设计采用过渡配合，安装于座体I的底部盲孔12内，与浮动底座5的相应通孔52的连接为间隙配合。
[0054]磁力块55采用磁铁,在竖直方向上对棍安装座62进行固定，防止棍安装座和压棍61在非碾压状态下因重力而掉落，此种固定连接方式非常易于辊安装座和压辊的安装与更换，从而适应不同宽度规格的复合材料预浸带的铺放。
[0055]辊安装座62安装在浮动底座5下方的安装槽51内，保证辊安装座台阶面与浮动底座5的底面贴合，并卡在浮动底座底部的上述浅槽内。
[0056]推力滚针轴承622和冲压外圈滚针轴承623安装在辊安装座62侧面安装孔621中，实现对压辊61的轴向和径向精确定位，在复合材料自动铺放过程中，使压辊受轴向和径向作用力时不会发生位移，且能够自由旋转无卡滞现象。
[0057]压辊61是复合材料铺放碾压装置在复合材料自动铺放过程中施加铺放压力的直接执行元件，设计采用双层结构，中间采用钢制芯轴，外层采用弹性橡胶，整个压辊需定制而成，芯轴两端与两侧的辊安装座62相连，根据复合材料铺放工艺的相关要求，对压辊所采用的弹性橡胶材料的粘连特性、弹性、硬度及表面处理工艺等存有要求，一是铺放时不能与待铺放的复合材料产生粘连，二是在铺放复合材料要求的碾压力作用下，辊子产生的形变控制在2?3mm左右，且是弹性变形。
[0058]内侧导向定位板71和外侧导向定位板72采用铝合金材料加工而成，内侧导向定位板71 一侧面紧贴座体I的内侧面,外侧导向定位板72 —侧面紧贴浮动底座5的外侧面，内侧导向定位板71与外侧导向定位板72形成一个上下的通道，使得浮动底座5只能在其范围内做上下微动。此外，内侧导向定位板71开有两个磁力块安装孔，所述磁力块55实质上安装在该磁力块安装孔中。
[0059]紧定螺钉15采用标准内六角平头紧定螺钉，装配于座体的紧定螺钉孔14内(紧定螺钉孔14为标准螺纹装配孔)，作用是在装配时防止传力机构2的旋转。在不影响传力机构2与压力传感器3连接的情况下，对传力机构2与浮动底座5的连接施加拧紧力矩，装配完成后紧定螺钉15内端面与传力机构2分离。
[0060]信号连接:每个压力传感器3通过其信号接口及连接线与外部的信号采集处理模块连接，实现对铺放压力检测信号的接受、处理与反馈。
[0061]以上实施例所构成的本发明，其工作原理如下:
[0062]在复合材料预浸带自动铺放过程中，压辊的轴线应始终与待铺放面的法线保持垂直，如果复合材料预浸带铺放压力为F，铺放压力的反作用力通过压辊分别传递给两侧的压力传感器的力则为F/2，根据F的大小不同，压力传感器会反馈出不同的电信号，通过信号收集处理系统把压力传感器反馈出的信号转换成外部的铺带控制系统可读的数字信号。压力传感器测量量程S的选择是根据铺放压力为F的大小确定的，由于压力传感器在其测量量程S的40%~80%区间内，测量精度最高，因此压力传感器选择的量程S的选择，满足SX60%=F/2,即S=5F/6。在装配调试前，根据复合材料铺放工艺要求铺放压力F的大小，通过标定砝码对压力传感器反馈的电信号与压力传感器信号收集处理系统转换出的数字信号做标定，取标定点数为η (η=1，2，3，…)，并根据η个标定点的数值拟合出压力传感器的电信号与力之间的对应变化曲线，取的标定点数η越大，拟合出的变化曲线越接近于实际理论曲线。在复合材料自动铺放过程中，待铺放表面出现倾斜或曲面变化时，压辊两端传递给压力传感器的力也会出现相应的变化，外部的铺带控制系统会根据压力传感器反馈的不同信号，与在压力传感器标定中拟合出的变化曲线做对比分析，并控制铺带头做出相应的调整，调整复合材料预浸带铺放机构的姿态，使得压辊的轴线始终与待铺放面的法线保持垂直，从而保持铺放压力的均匀性，达到随形铺放的目的。
[0063]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种具有压力检测装置的复合材料预浸带铺放机构，其特征在于，包括:座体，该座体两侧具有平行且贯通的容置腔孔，各所述容置腔孔内分别设置有传力机构，各传力机构顶部固定连接有压力传感器，各压力传感器的上端顶抵一压帽，各压帽在所述座体的顶部两侧分别与所述座体固接；各所述传力机构的下端固接浮动底座，而位于所述座体两侧的所述浮动底座之间连接压辊机构。
2.根据权利要求1所述的复合材料预浸带铺放机构，其特征在于，各所述浮动底座沿所述压辊机构的压辊的轴向分别间隔设置有多个安装槽，所述压辊机构的每端均可选地设置于对应端的其中一安装槽中。
3.根据权利要求2所述的复合材料预浸带铺放机构，其特征在于，开设于各浮动底座的各所述安装槽的开口向下，且在各槽腔顶部均设置有用以吸附所述压辊机构两端的磁力块。
4.根据权利要求1所述的复合材料预浸带铺放机构，其特征在于，各所述容置腔孔内壁设有与腔孔同轴的空心的滑动预紧套，各所述传力机构滑动穿设所述滑动预紧套，且与滑动预紧套以一预定的预紧力配合。
5.根据权利要求4所述的复合材料预浸带铺放机构，其特征在于，所述滑动预紧套为滚珠轴承套，所述传力机构在与所述预紧套配合的位置呈柱体壁面。
6.根据权利要求2所述的复合材料预浸带铺放机构，其特征在于，所述压辊机构包括: 两个间隔布置的辊安装座，分别设置于对应浮动底座的所述其中一安装槽中； 压辊，可转动地设置在所述两个辊安装座之间。
7.根据权利要求6所述的复合材料预浸带铺放机构，其特征在于，所述两个辊安装座具有面对设置的安装孔，各安装孔的末端设置有推力滚针轴承，且各安装孔的周向内壁设置有冲压外圈滚针轴承，所述压辊的每端分别通过所述推力滚针轴承和冲压外圈滚针轴承轴向和径向定位于两端的棍安装座之间。
8.根据权利要求1所述的复合材料预浸带铺放机构，其特征在于，所述座体的容置腔孔设置有环托肩，所述压力传感器通过垫于传感器下方的预压环沿重力方向抵靠在该环托肩上，所述预压环能调整所述压力传感器的预压力。
9.根据权利要求1所述的复合材料预浸带铺放机构，其特征在于，所述浮动底座的顶部在所述座体的一侧设置有内侧导向定位板，所述座体的底部在所述浮动底座的所述一侧的对侧设置有外侧导向定位板，该内、外侧导向定位板共同限制所述浮动底座相对于所述座体的水平方向自由度，而仅允许所述浮动底座相对于所述座体的垂直位移。
10.根据权利要求1所述的复合材料预浸带铺放机构，其特征在于，每个所述浮动底座开设有至少一竖向通孔，而所述座体在对应各竖向通孔的位置同轴地开设有竖向盲孔，各所述浮动底座通过至少一防转销穿设所述至少一竖向通孔和对应的竖向盲孔，以限制浮动底座相对于所述座体的转动。
11.根据权利要求1所述的复合材料预浸带铺放机构，其特征在于，所述座体设置有自其两侧的容置腔孔沿垂直于该容置腔孔轴线的方向延伸并连通至座体外的紧定螺钉孔，以允许紧定螺钉插入该紧定螺钉孔并限制所述传力机构在所述容置腔孔内的旋转。
12.根据权利要求1所述的复合材料预浸带铺放机构，其特征在于，所述压力传感器的底部与所述传力机构螺纹连接。
【文档编号】G01L5/00GK103722752SQ201310751513
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】范钰伟, 王雅君, 郑会恩, 冯长征, 王茜, 曲宁 申请人:中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所