专利名称：纤维片材的工业机器人自动层叠系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及自动叠层设备领域，具体涉及一种纤维片材的工业机器人柔性自动层叠系统。
背景技术：
复合材料具有高比强度和高比刚度、良好的抗疲劳性、损伤容限高和力学性能可设计等优异特性，它还能使产品轻量化，节能减排潜力十分巨大，它还能提高产品的抗撞性能，改善安全性。因此，在汽车、航空、船艇、建筑等行业获得越来越广泛的应用。制约复合材料获得广泛应用的主要原因，仍然是复合材料的叠层效率低和复合材 料的价格较贵，如碳纤维的叠层效率低和碳纤维价格昂贵，碳纤维的叠层效率低也会使其生产成本升高。虽然在纤维制备过程中，预浸布有自动化层叠的机器，但纤维干布(即纤维片材)世界上还没有自动化层叠的设备和技术。宝马公司采用真空吸盘实现操作复合材料部件，只能实现形状简单部件如汽车顶棚、前盖等的自动化生产，不能适用于柔性物件。在实践中，使用长纤维做结构材料，通常由纱线做成纤维片材，叠层纤维片材到一定厚度后得到纤维片材叠层的复合材料(即结构材料)，才能应用到实际中去。由于自动化机械操作纤维片材难度较大，只有要求很高的飞机和形状比较规则构件才能够采用昂贵的自动化铺层设备。而一般领域中，纤维叠层多采用手工，效率低，成本高，阻碍了大规模生产。公开号为CN101450754A的中国发明专利申请公开了一种规则物件的自动叠层装置，包括两块平等设置的支撑板，在两块支撑板之间对称的安装有两条平行的传送带和单向门，在两条平行的传送带之间的下方设有一组举升机构，该组举升机构的数量等于被举升物件一层的数量，每个举升机构可对立的上下运动。虽然该自动叠层装置可以将传送带上的硬质的规则物件(如一箱一箱的香烟)通过举升机构举升后再进行叠层，并可减少货物的破损率，提高硬质的规则物件的叠层效率和减少货物的占地面积，但是该自动叠层装置不能适用于柔性物件，无法完成柔性物件的叠层。专利号为ZL200820101726. 4的中国实用新型专利公开了一种规整物体自动叠层包装机，机架上设置有进料输送机构、分离释放机构、多层举升定位机构和平推机构，在进料输送机构的末端处顺次设置构成第一工位的分离释放机构、构成第二工位的多层举升定位机构和平推机构，该平推机构中推动推板平移的平移部件上附设有带动推板升降的升降部件。虽然该规整物体自动叠层包装机可以将规整物体，如包装后的条形香烟、盒装药品、盒装食品进行层叠，工作效率较高，但是该规整物体自动叠层包装机也不能适用于柔性物件，无法完成柔性物件的叠层。
发明内容
针对现有纤维片材层叠存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种纤维片材的工业机器人自动层叠系统，能够自动层叠不同种类、不同尺寸和不同形状的纤维片材，适合于柔性物件，该自动层叠系统成本低，层叠效率高，柔性大，能够满足大规模生产的需求。—种纤维片材的工业机器人自动层叠系统，包括纤维片材输送工作台；层叠工作台；端部设有取放执行器的机械臂，用于取所述纤维片材输送工作台上的纤维片材并层叠安放在所述层叠工作台上。通过机械臂上的取放执行器取纤维片材输送工作台上的纤维片材，然后再通过机械臂将纤维片材转送至叠层工作台，机械臂上的取放执行器放下纤维片材后，完成一次的纤维片材安放，进行重复自动操作，完成纤维片材的自动层叠。
所述纤维片材输送工作台用于切割纤维片材并输送纤维片材，由于生产好的纤维片材为纤维片材布，属于超长型，一般通过转轴卷取，卷成滚筒状，因此，要根据所需结构材料的长度，将纤维片材布切割，再将纤维片材进行层叠，层叠到一定厚度后得到所需的结构材料。作为优选，所述纤维片材输送工作台包括基座、安装在所述基座上的滚筒和纤维片材切割器、安装在所述基座上并位于所述滚筒和所述纤维片材切割器之间的送料辊、设置在纤维片材切割器出料口处的纤维片材工作台以及安装在所述纤维片材工作台上的长度控制传感器。滚筒由转轴卷取纤维片材布后形成，滚筒上卷取有纤维片材布，纤维片材布在送料辊的作用下向纤维片材切割器运送，纤维片材布从纤维片材切割器的出料口伸出，传送至纤维片材工作台上，长度控制传感器检测到传送的纤维片材布达到所需的长度后，长度控制传感器发出信号以停止送料辊传送，纤维片材切割器将纤维片材布切割，得到所需的纤维片材，纤维片材落在纤维片材工作台上。所述纤维片材切割器包括安装在所述基座上的框架以及与所述框架滑动配合的切割刀，切割刀与框架的滑动配合可通过滑轨和滑块实现，并配以驱动机构，驱动机构可具体选用电机、气缸等。通过切割刀与框架滑动配合，实现纤维片材布切割，结构简单，易于实现，方便使用。机械臂上的取放执行器对纤维片材进行取放，作为优选，所述取放执行器包括连接件、气缸以及安装在所述气缸的活塞杆上的推块和安装在所述气缸的端面上的固定框架，所述连接件的一端与所述机械臂连接，另一端与所述气缸连接，所述固定框架上固设有纤维片材连接件。通过纤维片材连接件对纤维片材连接，从而实现取，通过气缸推动推块，将纤维片材从纤维片材连接件上剥离，从而实现放。进一步优选，所述纤维片材连接件包括纤维板以及设置在所述纤维板一侧的钩或者圈，所述纤维板的另一侧与所述固定框架连接。当待叠的纤维片材上面的连接元件为钩时，纤维片材连接件与纤维片材连接的一侧(即连接元件)为圈；当待叠的纤维片材上面的连接元件为圈时，维片材连接件与纤维片材连接的一侧(即连接元件)为钩。层叠工作台，用于承接所述机械臂层叠安放的纤维片材，机械臂带动取放执行器对纤维片材进行取放，作为优选，所述层叠工作台上设有纤维片材固定装置，从而方便纤维片材的安放。所述纤维片材固定装置包括若干个可调夹具，所述可调夹具包括固定安装在所述层叠工作台上的压紧气缸、安装在所述压紧气缸的活塞杆上的摆动气缸以及安装在所述摆动气缸上的压块。摆动气缸能够使得压块旋转一定的角度，通过压紧气缸的活塞杆的伸缩使得摆动气缸和压块上下运动，可以根据需要，使得压块压紧纤维片材，从而将纤维片材进行固定。可调夹具的数目和位置根据叠层的纤维片材的形状和大小的不同来确定。进一步优选，所述可调夹具为四个，分别设置在所述层叠工作台的四周，从而能够对纤维片材起到很好的固定作用，稳定性好。本发明纤维片材的工业机器人自动层叠系统适用柔性物件，作为优选，所述的纤维片材包括纤维片材纤维体、固定设置在所述纤维片材纤维体一侧的钩以及固定设置在所述纤维片材纤维体另一侧的圈。所述纤维片材连接件中的纤维板以及所述纤维片材中的纤维片材纤维体均为碳纤维、玻璃纤维、化纤纤维、人造纤维、硼纤维、碳化硅纤维或纺织业用纤维。本发明端部设有取放执行器的机械臂可参照工业机器人，即在现有的工业机器人 基础上，对端部进行一定的改进。与现有技术相比，本发明具有如下优点一、本发明纤维片材的工业机器人自动层叠系统为纤维干布(即纤维片材)的自动化层叠找到了解决的技术方案，目前在世界上存在预浸布有自动化层叠的机器，但纤维干布还没有自动化叠层的设备和技术，本发明利用端部设有取放执行器的机械臂、纤维片材输送工作台以及层叠工作台相互配合，实现了纤维干布的自动化层叠，填补了此项技术的空白。二、系统效率高系统的效率取决于设有取放执行器的机械臂搬运纤维片材的速度，而本发明可以在现有的工业机器人的基础上进行简单改进，改进后效率较高，其速度完全可以满足规模化生产对生产速度的要求。由于工业机器人的应用相对比较普及，因此，本发明纤维片材的工业机器人自动层叠系统具有较好的可推广性。三、系统柔性好由于本发明纤维片材的工业机器人自动层叠系统采用了工业机器人，在现有的工业机器人的基础上进行简单的改进，可以满足多种类纤维片材的搬运，并且搬运路径可以灵活规划，分布式可调夹具组可以帮助系统实现不同形状的纤维片材层叠，使系统的柔性进一步增加。四、系统应用范围广本发明纤维片材连接件中的纤维板以及纤维片材中的纤维片材纤维体，可以是碳纤维、玻璃纤维、化纤纤维、人造纤维、硼纤维、碳化硅纤维或纺织业用纤维等各类纤维片材，可以在汽车、建筑、风机叶片、船艇、飞机等各重要行业获得应用。五、本发明纤维片材的工业机器人自动层叠系统，在优选技术方案中，纤维片材连接件能够与纤维片材上的连接元件有效啮合，并且，可调夹具和取放执行器的配合下，使得能够顺利对柔性物件进行层叠，结构简单，易于实现，大大提高了层叠的工作效率，能够快速、高效、大批量地层叠纤维片材，具有良好的应用前景。
图I为目前工业生产的纤维片材的结构示意图；图2为本发明纤维片材的工业机器人自动层叠系统的结构示意图；图3为本发明纤维片材的工业机器人自动层叠系统中纤维片材输送工作台的结构示意图；图4为本发明纤维片材的工业机器人自动层叠系统中取放执行器的结构示意图；图5为本发明纤维片材的工业机器人自动层叠系统中纤维片材连接件的结构示意图6为本发明纤维片材的工业机器人自动层叠系统中可调夹具的结构示意图；图7为在层叠工作台上层叠纤维片材的使用状态图。
具体实施例方式如图I (a)、图I (b)所示，为目前工业生产纤维片材9，包括纤维片材纤维体9-2、以及固定设置在纤维片材纤维体9-2两侧的纤维片材连接元件(即钩9-1和圈9-3)，钩9-1具体可选鱼钩、箭头钩或锚形钩等，圈9-3具体可选网圈、圈套圈或组圈等,如图1(c)所示，纤维片材纤维体9-2为规则形状，如图I (d)所示，纤维片材纤维体9-2为不规则形状，本发明纤维片材的工业机器人自动层叠系统可以对规则形状和不规则形状的纤维片材9进行层叠。如图2所示，为本发明纤维片材的工业机器人自动层叠系统，包括纤维片材输送工作台6、纤维片材输送工作台7、端部设有取放执行器2的机械臂I以及层叠工作台5，端部设有取放执行器2的机械臂I用于取放纤维片材9，从纤维片材输送工作台6或纤维片材 输送工作台7上取纤维片材9，然后层叠安放在层叠工作台5上，层叠工作台5用于承接机械臂I层叠安放的纤维片材9，层叠到一定厚度后得到纤维片材9叠层的复合材料(即结构材料3)。如图3所示，纤维片材输送工作台6包括基座6-7、安装在基座6_7端部的滚筒6-1、安装在基座6-7另一端部的纤维片材切割器6-3、安装在基座6-7上并位于滚筒6-1和纤维片材切割器6-3之间的送料辊6-8、设置在纤维片材切割器6-3出料口处的纤维片材工作台6-5和安装在纤维片材工作台6-5上的长度控制传感器6-4。纤维片材切割器6-3包括安装在基座6-7上的框架以及与框架滑动配合的切割刀，切割刀与框架的滑动配合可通过滑轨和滑块实现，并配以驱动机构，驱动机构可具体选用电机、气缸等。滚筒6-1上卷取有纤维片材布6-2,纤维片材布6-2在送料棍6-8的作用下，向纤维片材切割器6-3运送，纤维片材布6-2从纤维片材切割器6-3的出料口伸出，传送至纤维片材工作台6-5，长度控制传感器6-4检测到传送的纤维片材布6-2达到所需的长度后，长度控制传感器6-4发出信号以停止送料棍6-8传送,纤维片材切割器6-3执行切割，切割后的纤维片材6-6落在纤维片材工作台6-5上，落在纤维片材工作台6-5上的纤维片材6-6通过端部设有取放执行器2的机械臂I取，然后层叠安放在层叠工作台5上。纤维片材布6-2和纤维片材6-6结构均与纤维片材9的结构一致，纤维片材6-6是指该过程中切割的某一片纤维片材，纤维片材9是泛指过程中切割的纤维片材。在纤维片材工作台6-5上可以设置传送带，也可以不设置传送带。纤维片材输送工作台7的结构与纤维片材输送工作台6的结构相同。如图4所示，取放执行器2包括连接件2-3、气缸2_2以及安装在气缸2_2的活塞杆上的推块2-4和安装在气缸2-2的端面上的固定框架2-1，连接件2-3的一端与机械臂I连接，另一端与气缸2-2连接，固定框架2-1上固设有纤维片材连接件8。如图5 (a)和图5 (b)所示，纤维片材连接件8包括纤维板8-1和纤维片材连接元件(即钩8-2)，如图5 (c)和图5 (d)所示，纤维片材连接件8包括纤维板8-1和纤维片材连接元件(即圈8-3)。如图I和图5所示，纤维片材9中的纤维片材纤维体9-2以及纤维片材连接件8中的纤维板8-1均为碳纤维、玻璃纤维、化纤纤维、人造纤维、硼纤维、碳化硅纤维或纺织业用纤维。当待叠的纤维片材9上面的连接元件为钩9-1时，纤维片材连接件8与纤维片材9连接的一侧(SP连接元件)为圈8-3 ;当待叠的纤维片材9上面的连接元件为圈9-3时，维片材连接件8与纤维片材9连接的一侧(即连接元件)为钩8-2。如图2所示，层叠工作台5上设有纤维片材固定装置，纤维片材固定装置包括四个可调夹具4，分别设置在层叠工作台5的四周。如图6所示，可调夹具4包括固定安装在层叠工作台5上压紧气缸4-3、安装在压紧气缸4-3的活塞杆上的摆动气缸4-2以及安装在摆动气缸4-2上的压块4-1。通过压紧气缸4-3的活塞杆的伸缩使得摆动气缸4-2和压块4-1上下运动，摆动气缸4-2能够使得压块4-1旋转一定的角度。如图7 (a)和图7 (b)所示，在层叠工作台5上层叠纤维片材9，层叠到一定厚度后得到纤维片材9叠层的复合材料(即结构材料3)。如图f 7所示，本发明纤维片材的工业机器人自动层叠系统的工作原理如下滚筒6-1上卷取的纤维片材布6-2通过送料辊6-8向纤维片材切割器6_3运送，纤维片材布6-2从纤维片材切割器6-3的出料口伸出，传送至纤维片材工作台6-5，长度控制传感器6-4检测到传送的纤维片材布6-2达到所需的长度后，长度控制传感器6-4发出信号以停止送料棍6-8传送,纤维片材切割器6-3执行切割，切割后的纤维片材6-6落在纤维片材工作台6-5上，落在纤维片材工作台6-5上的纤维片材6-6通过端部设有取放执行器2的机械臂I取，机械臂I驱动取放执行器2至纤维片材工作台6-5上，通过取放执行器2上的纤维片材连接件8与纤维片材工作台6-5上的纤维片材6-6啮合，在机械臂I转送下，将纤维片材6-6搬离纤维片材工作台6-5，并准确地移动到层叠工作台5的正上方。如有多个纤维片材输送工作台，纤维片材的生成可在各个纤维片材输送工作台上同时进行。不同纤维片材输送工作台的纤维片材的生成可参考上述步骤。在纤维片材6-6安放在层叠工作台5之前，压块4-1在摆动气缸4-2的作用下，压块4-1旋转90°，压块4-1与层叠工作台5上的台边平行，移动至非叠层区域，机械臂I将纤维片材6-6安放在层叠工作台5上，压块4-1在摆动气缸4-2的作用下，转回90°，与层叠工作台5上的台边垂直，移动至叠层区域，同时压紧气缸4-3下行，可调夹具4的压块4-1压紧纤维片材6-6,从而将纤维片材6-6固定。取放执行器2上的气缸2-2外推推块2-4,将纤维片材6_6从取放执行器2上剥离。在四个可调夹具4和取放执行器2上的气缸2-2的共同作用下，完成一块纤维片材6-6
的叠层。 完成一次叠层动作后，取放执行器2的气缸2-2收回，分布在叠层工作台周围的四个可调夹具4，其压块4-1在压紧气缸4-3和摆动气缸4-2的作用下，移动至非叠层区域，为下一次叠层工作做准备。如存在多个纤维片材输送工作台，则下一次层叠根据需要选择相应的纤维片材输送工作台来获取纤维片材9。以上是本发明纤维片材的工业机器人自动层叠系统一次层叠过程，重复上述过程，可以层叠若干层的纤维片材9，得到纤维片材9叠层的复合材料，即结构材料3。权利要求
1.一种纤维片材的エ业机器人自动层叠系统,其特征在于,包括 纤维片材输送工作台； 层叠工作台； 端部设有取放执行器的机械臂，用于取所述纤维片材输送工作台上的纤维片材并层叠安放在所述层叠工作台上。
2.根据权利要求I所述的纤维片材的エ业机器人自动层叠系统，其特征在于，所述纤维片材输送工作台包括基座、安装在所述基座上的滚筒和纤维片材切割器、安装在所述基座上并位于所述滚筒和所述纤维片材切割器之间的送料辊、设置在纤维片材切割器出料ロ处的纤维片材工作台以及安装在所述纤维片材工作台上的长度控制传感器。
3.根据权利要求2所述的纤维片材的エ业机器人自动层叠系统，其特征在于，所述纤维片材切割器包括安装在所述基座上的框架以及与所述框架滑动配合的切割刀。
4.根据权利要求I所述的纤维片材的エ业机器人自动层叠系统，其特征在于，所述取放执行器包括连接件、气缸以及安装在所述气缸的活塞杆上的推块和安装在所述气缸的端面上的固定框架，所述连接件的一端与所述机械臂连接，另一端与所述气缸连接，所述固定框架上固设有纤维片材连接件。
5.根据权利要求4所述的纤维片材的エ业机器人自动层叠系统，其特征在于，所述纤维片材连接件包括纤维板以及设置在所述纤维板一侧的钩或者圈，所述纤维板的另ー侧与所述固定框架连接。
6.根据权利要求I所述的纤维片材的エ业机器人自动层叠系统，其特征在于，所述层叠工作台上设有纤维片材固定装置。
7.根据权利要求6所述的纤维片材的エ业机器人自动层叠系统，其特征在于，所述纤维片材固定装置包括若干个可调夹具，所述可调夹具包括固定安装在所述层叠工作台上的压紧气缸、安装在所述压紧气缸的活塞杆上的摆动气缸以及安装在所述摆动气缸上的压块。
8.根据权利要求7所述的纤维片材的エ业机器人自动层叠系统，其特征在干，所述可调夹具为四个，分别设置在所述层叠工作台的四周。
9.根据权利要求I所述的纤维片材的エ业机器人自动层叠系统，其特征在于，所述的纤维片材包括纤维片材纤维体、固定设置在所述纤维片材纤维体ー侧的钩以及固定设置在所述纤维片材纤维体另ー侧的圏。
10.根据权利要求5或9所述的纤维片材的エ业机器人自动层叠系统，其特征在于，所述纤维板和所述纤维片材纤维体均为碳纤维、玻璃纤维、化纤纤维、人造纤维、硼纤维、碳化硅纤维或纺织业用纤维。
全文摘要
本发明公开了一种纤维片材的工业机器人自动层叠系统，包括纤维片材输送工作台；层叠工作台；端部设有取放执行器的机械臂，用于取所述纤维片材输送工作台上的纤维片材并层叠安放在所述层叠工作台上，能够自动层叠不同种类、不同尺寸和不同形状的纤维片材，适合于柔性物件，该自动层叠系统成本低，层叠效率高，柔性大，能够满足大规模生产的需求。在优选技术方案中，纤维片材连接件能够与纤维片材上的连接元件有效啮合，并且，可调夹具和取放执行器的配合下，使得能够顺利对柔性物件进行层叠，结构简单，易于实现，大大提高了层叠的工作效率，能够快速、高效、大批量地层叠纤维片材，具有良好的应用前景。
文档编号B65G57/03GK102756921SQ20121023707
公开日2012年10月31日 申请日期2012年7月10日 优先权日2012年7月10日
发明者张洪生, 王志坚, 解卫华 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所