可实现碳纤维束夹紧/剪切/重送功能的机构装置的制作方法

本发明涉及机构学，可应用于复合材料成型领域，具体来说，是一种可应用于自动铺丝头的装置，既可以对预浸丝进行夹紧、剪切又可以对预浸料进行重送。

背景技术：

碳纤维复合材料相比其他传统材料，例如合金钢、铁、铝等，具有高比强度、高比模量、抗腐蚀性等优点，能大幅减轻产品重量并提高性能，可广泛应用于航空航天领域。然而，针对一些复杂的曲面结构件，传统的复合材料制造方法较为耗时、耗力。而从上世纪80年代由龙门机床或工业机械臂搭载的自动化碳纤维铺丝头(automatedfiberplacementafp)可高效高质地完成一些复杂曲面的碳纤维铺放工作，从而降低了复合材料的生产制造成本。其中，碳纤维铺丝机器人是一种应用于碳纤维成型的制造装备，每根纤维束经导向、张力控制，再顺次单独地通过剪切、夹紧、重送机构，最后聚集成丝带输送到压紧机构下方，由加热装置和压紧机构共同作用压实到芯模表面。

以往大多数系统均采用多驱动设计方案，通常需要包含多个驱动完成上述功能，虽然可以实现上述功能要求，但机械结构及运动控制较复杂，且铺丝头的体积和转动惯量较大，限制其碳纤维复合材料的铺放速度和铺放精度，也无法适用于小型复杂结构件的成型制造。因此，针对自动化纤维铺放系统的核心功能，设计一种简单小型、动作可靠的模块化剪切、夹紧重送一体装置，使自动铺丝机满足小型化、轻量化的需求具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题，基于机构学，提出一种小型化装置，可依次实现夹紧、剪切和重送三个动作，应用于模块化自动铺放设备可有效地解决了现有铺放装置的铺放设备体积及转动惯量较大的缺陷，实现对预浸丝的精准控制同时简化控制系统的控制难度。

本发明夹紧剪切重送的一体化装置，具有由直线电机驱动，连杆之间相互作用实现夹紧剪切顺序动作，同时单向轴承与凸轮配合，实现预浸丝的重送动作。

自动铺放设备是基于自动缠绕机进行改造创新，即对每根预浸丝进行单独夹紧剪切、重送进行控制，预浸丝经由导向装置、张力调节装置等其他装置运送至压实装置前端进行压实，当控制器发出指令对铺放宽度进行调整，直线电机驱动连杆机构，带动夹紧块与切刀向前运动，将预浸丝夹紧并剪切；当剪断夹紧的预浸丝需要重新重送至压实装置前端时，直线电机反向运动，由于单向轴承的作用，带动凸轮转过推程角，重送轮被移动至前端，完成重送动作。本发明夹紧、剪切、重送动作由同一电机驱动完成，仅有一个自由度，运动之前无干涉且切换平顺。

本发明的优点在于：

(1)夹紧剪切重送一体化装置可进行较为复杂的任务操作，仅有一个自由度，控制方式简单，响应迅速；

(2)装置的剪切、夹紧和重送动作之间无干涉，切换迅速平顺，并且对于预浸丝的控制十分可靠，精度较高；

(3)由于该一体化装置只使用一个气缸进行控制，减轻了自动铺放设备的质量，降低了加工成本。

附图说明

图1是本发明一种可夹紧剪切重送一体化装置的结构前向示意图；

图2是本发明一种可夹紧剪切重送一体化装置进行夹紧任务时的轴测示意图；

图3是本发明一种可夹紧剪切重送一体化装置中构件的结构示意图；

图4是本发明一种可夹紧剪切重送一体化装置中执行重送动作时的剖面示意图；

图5是本发明一种可夹紧剪切重送一体化装置重送完成时回撤过程中的后视图；

图6是本发明中中心轴的结构示意图；

图7是本发明中单向轴承与凸轮的结构示意图；

图中：

1-气缸2-支撑件3-导轨滑块

4-杆件5-杆件6-杆件

7-切刀8-重送机构9-导轨滑块

10-凸轮11-辅助夹紧机构12-导轨滑块

13-基座14-砧板15-夹紧块

16-永磁铁17-支撑板18-重送电机

19-重送轮20—杆件21-中心轴

22-杆件23-支撑架24-重送辊轮

25-弹簧推杆26-推杆27-推杆支撑件

28-单向轴承29-键

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明可夹紧剪切重送一体化装置(可实现碳纤维束夹紧/剪切/重送功能的机构装置)，如图1所示，安装在复合材料铺丝头末端压实辊上方，在碳纤维增强型树脂基复合材料经由供料机构、导向机构将单独的每束丝均经本发明装置，用同一气缸作为驱动实现对碳纤维复合材料进行夹紧、剪切和重送三个顺序动作，简化了对单束丝的控制。本发明可夹紧剪切重送一体化装置，包括微型气缸1、支撑件2、连杆4、5、6，切刀7、重送机构8、导轨滑块3、9、12，凸轮10与辅助锁紧机构11，如图1、图2所示。

所述微型气缸1轴线沿前后方向设置，活塞杆同轴连接支撑件2，支撑件2下方与导轨滑块9通过螺栓连接，在支撑件2沿轴线方向的面上安装另一导轨滑块3，导轨滑块3与连杆4的一端连接，连杆4的另一端与基座13通过中心轴21较细一端连接，杆件4与中心轴21较细一端过盈配合，具体安装方式如图4所示，中心轴21的结构示意图如图6所示，连杆4通过中间孔位与连杆5一端连接，连杆5的另一端与连杆6的一端连接，连杆6另一端与夹紧块15连接，安装座底部与导轨滑块12固连，且夹紧块15上安装有永磁铁16，其中连杆6为异形件，如图3所示，在装置运动的第一阶段通过磁力使得连杆6平面一端与永磁铁16接触，保证两者夹角不变，在装置运动的第二阶段夹紧块15与砧板14配合，当夹紧块15到达右端夹紧丝束，气缸1的推杆进一步运动时，永磁铁16与连杆6被分离。砧板14安装在重送机构8的侧面两块支撑板17上，支撑板17一侧安装有重送电机18，重送电机18通过联轴器与重送轮19连接并带动重送轮19转动。杆件4与中心轴21过盈配合，中心轴21与基座13通过深沟球轴承连接，凸轮10与单向轴承28外圈通过键29进行联接，单向轴承28内圈与中心轴21通过键29配合连接，凸轮与单向轴承的具体连接方式如图7所示，因此当单向轴承30内圈顺时针转动时，外圈保持不动，当单向轴承30内圈逆时针转动时，内圈带动外圈转动，在键的作用下带动凸轮10，推杆支撑件27与导轨12固定连接，推杆26在推杆支撑件27的滑槽内滑动，且放置弹簧，弹簧力使得推杆26与凸轮10始终保持紧密接触，推杆另一端安装重送辊轮24，当推杆26运动到凸轮10远休止角时，重送辊轮24配合重送轮19将丝束重送至前端，实现重送动作，当推杆26运动到凸轮10近休止角时，在弹簧的作用下，推杆26带动重送辊轮24与重送轮19分离，具体实施方式如图5所示。辅助锁紧机构11包括杆件22，支架23以及杆件20，杆件22一端与支架23连接，另一端与杆件20连接，杆件20的另一端与夹紧块15连接，当夹紧块15需要锁定时，辅助锁紧机构11中的杆件20及杆件22由夹紧块15带动，与弹簧推杆25配合，弹簧推杆25内置的弹簧可以提供足够的夹紧力。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

第一阶段当夹紧指令发出时，在气缸1的作用力下，夹紧块15向右端运动，在杆件6和永磁铁16的共同作用使得杆件6与夹紧块15之间的角度在第一阶段被固定，凸轮10与中心轴21通过单向轴承30，顺时针转动时，凸轮10静止，杆件20与弹簧推杆25在第一阶段无接触；第二阶段，在气缸1的继续作用下，杆件6与夹紧块15带动杆件20及杆件22移动，与弹簧推杆25接触后并将弹簧不断压缩；第二个运动是夹紧剪切，夹紧块15经过第一阶段的运动，到达到右端点，此时杆件20与弹簧推杆25的轴线的夹角α(α＜θ，为两挡块间的摩擦角)，夹紧块15被锁定，弹簧处于被压缩状态为滑块提供足够的夹紧力，在气缸1的作用下，弹簧进一步被压缩，夹紧力增大，而杆件6绕转轴转动，因此杆件6上的切刀7作用于砧板14将丝束剪断，完成剪切动作，由于杆件4顺时针运动凸轮10继续保持静止；第三个运动是重送解锁，当丝带宽度需要增大时，需要重送第i束丝束，此时气缸向反方向运动，与第一阶段的运动过程相反，杆件4在朝逆时针运动时通过单向轴承30带动凸轮10进行转动，当夹紧块15与永磁铁16接触时，切刀7完全收回，凸轮10转过推程运动角，推杆26带动重送辊轮24向前运动，与重送轮19接触对丝束进行重送，保证丝束重送时纤维不会在张力的作用下撤回；第四个运动是重送完成后，在气缸1的作用下，滑块导轨9继续向左运动，凸轮10转过一定量回程运动角，由于弹簧的作用推杆26与凸轮10保持紧密接触，并推动凸轮10转过回程运动角的剩余部分，此时重送辊轮24与重送轮19不再接触，机构回到初始状态。