專利名稱：制造樹(shù)脂基復(fù)合材料構(gòu)件的原位固結(jié)纖維鋪放方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制造樹(shù)脂基復(fù)合材料構(gòu)件的原位固結(jié)纖維鋪放方 法及其裝置。該方法及其裝置在加工具有更加復(fù)雜型面的復(fù)合材料構(gòu)件過(guò)程 中，具有較高的自由度和靈活性，并提高零件制造的精度，可以滿足日益復(fù) 雜的航空航天，船舶，汽車(chē)等工業(yè)產(chǎn)品的制造要求。
背景技術(shù)：
纖維鋪放設(shè)備主要應(yīng)用于制造航空航天，船舶，汽車(chē)等工業(yè)領(lǐng)域中的有 特殊要求的產(chǎn)品零件。所制造出的產(chǎn)品具有比強(qiáng)度高、比模量高、耐腐蝕、 耐疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、導(dǎo)熱和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能以及良好的 成型工藝性。傳統(tǒng)的復(fù)合材料構(gòu)件主要由手糊工藝及纖維纏繞機(jī)制造，纖維 纏繞技術(shù)不能制造具有負(fù)曲率的型面和非回轉(zhuǎn)體類零件，對(duì)纖維在芯模表面 的鋪放難以比較精確的控制，容易產(chǎn)生間隙，重疊堆積。纏繞壓緊力也難以 控制，在平面處壓緊力很小，而在棱角處，壓緊力很大，導(dǎo)致應(yīng)力集中和纖 維層厚度不均勻。而且，現(xiàn)有的纖維鋪放設(shè)備都是工作臺(tái)式，如同傳統(tǒng)的機(jī) 械加工機(jī)床一樣，雖然有一定的自由度，但都受到運(yùn)動(dòng)形式(直線運(yùn)動(dòng)加旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合)和設(shè)備結(jié)構(gòu)(多工作臺(tái)，占用空間大，容易出現(xiàn)干涉)的限 制，缺乏更高的靈活性。現(xiàn)有的纖維鋪放技術(shù)在將纖維鋪層鋪放在零件芯模 表面時(shí)沒(méi)有完全固化，這時(shí)纖維鋪層中的張力會(huì)使鋪層發(fā)生變形，從而導(dǎo)致 最終的零件精度較差。同時(shí)，傳統(tǒng)的制造方法采用熱固性樹(shù)脂，先制造好纖 維復(fù)合材料零件模型，然后將模型置入熱壓罐中進(jìn)行加熱加壓固化處理，最 后經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，修整后形成成品。由于制造過(guò)程中需要在熱壓罐中處理，容易 產(chǎn)生熱變形，應(yīng)力集中引起的裂紋，從而導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，以及構(gòu)件大小受熱壓罐容積限制等缺陷，使制造周期延長(zhǎng)，制造成本加大。如果能隨著零件鋪 層的進(jìn)行在原位進(jìn)行分層瞬時(shí)固化，取消熱壓罐處理，則可以縮短制造周期。 同時(shí)，由于采用分層固化，可以有效降低制件應(yīng)力及變形，減少應(yīng)力集中引 起的各種缺陷。為了滿足我國(guó)各行各業(yè)對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件的需求，研究新的， 更加高效便捷的高效率、低成本復(fù)合材料構(gòu)件制造方法和裝置已經(jīng)成為亟待 解決的問(wèn)題。發(fā)明內(nèi)容針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明目的是提供一種制造樹(shù)脂 基復(fù)合材料構(gòu)件的原位固結(jié)纖維鋪放方法及其裝置，該方法和裝置采用纖維 鋪放技術(shù)，使用壓緊機(jī)構(gòu)將纖維鋪放層鋪放在芯模表面，可以解決傳統(tǒng)纏繞 設(shè)備不能制造負(fù)曲率型面構(gòu)件和非回轉(zhuǎn)體類構(gòu)件的問(wèn)題。同時(shí)采用原位瞬時(shí) 分層輻射固化以消除纖維鋪層中張力對(duì)產(chǎn)品形狀的影響，以及采用熱壓罐固 化處理而帶來(lái)的熱變形大，容易產(chǎn)生裂紋，構(gòu)件大小受熱壓罐容積限制，生 產(chǎn)成本高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)問(wèn)題與缺陷。該裝置以工業(yè)機(jī)器人作為制造主體，改 善了現(xiàn)今的鋪放設(shè)備缺乏制造更加復(fù)雜型面的靈活性，和其結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn) 題。為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案 一種在線原位固化復(fù)合材料構(gòu)件的制造方法，其特征在于，該方法對(duì)用 于制造復(fù)合材料構(gòu)件所鋪放的一層或若干層浸潤(rùn)著光敏樹(shù)脂/環(huán)氧樹(shù)脂的纖 維鋪層進(jìn)行滾壓，在纖維鋪層上設(shè)置一紫外光/電子加速器，由該紫外光/電 子加速器同時(shí)對(duì)浸潤(rùn)著光敏樹(shù)脂/環(huán)氧樹(shù)脂的鋪放的纖維鋪層進(jìn)行輻照，從 而使纖維鋪層發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)而固化定型，不斷重復(fù)這一過(guò)程，從而使復(fù) 合材料構(gòu)件分層固化成型。實(shí)現(xiàn)上述方法的纖維鋪放裝置，包括在制構(gòu)件的支撐定位機(jī)構(gòu)、鋪放 執(zhí)行機(jī)構(gòu)、原材料供給機(jī)構(gòu)、控制及輔助部分、鋪放及原位輻射固化能源裝置；原材料供給機(jī)構(gòu)配合鋪放執(zhí)行機(jī)構(gòu)，給支撐定位機(jī)構(gòu)中的復(fù)合材料構(gòu)件 芯模表面鋪放浸潤(rùn)過(guò)樹(shù)脂的纖維層，鋪放及原位輻射固化裝置位于支撐定位 機(jī)構(gòu)上方，對(duì)鋪放的纖維層進(jìn)行照射使纖維層固化，控制及輔助部分位于原 材料供給機(jī)構(gòu)一側(cè)，配合整個(gè)系統(tǒng)完成輔助功能。和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明帶來(lái)的有益技術(shù)效果是一、 采用紫外光/電子束原位固化代替熱壓罐方法，簡(jiǎn)化了制造工藝， 縮短了產(chǎn)品制造周期，降低了成本。二、 解決了復(fù)合材料構(gòu)件大小受熱壓罐容積限制的問(wèn)題，理論上可以制 造任意大小的構(gòu)件。三、 采用原位瞬時(shí)分層輻射固化，固化變形小，應(yīng)力集中少，可以用來(lái) 制造形體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的構(gòu)件，且提高產(chǎn)品構(gòu)件的精度和成品率。四、 采用商品機(jī)器人作為裝置的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以此為基礎(chǔ)來(lái)搭建整個(gè) 制造系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易控制。五、 解決了工作臺(tái)式鋪放設(shè)備運(yùn)動(dòng)形式簡(jiǎn)單和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用空間較大， 靈活性較差的問(wèn)題。六、 可以制造負(fù)曲率型面和非回轉(zhuǎn)體型面等復(fù)雜型面的構(gòu)件，并解決了 壓緊力不均勻，纖維束間間隙和重疊堆積等纖維纏繞設(shè)備中存在的問(wèn)題。七、 所用的各種裝置都是較成熟的實(shí)用技術(shù)裝置，使本發(fā)明較容易實(shí)現(xiàn)， 且成本合理，可以廣泛應(yīng)用于需要復(fù)合材料構(gòu)件制造的行業(yè)。


圖1是本發(fā)明的制造樹(shù)脂基復(fù)合材料構(gòu)件的纖維鋪放裝置工作流程示意框圖；圖2是原位瞬時(shí)分層固化方法示意圖；圖3是本發(fā)明的制造樹(shù)脂基復(fù)合材料構(gòu)件的纖維鋪放裝置總體結(jié)構(gòu)示 意圖一；圖4是本發(fā)明的制造樹(shù)脂基復(fù)合材料構(gòu)件的纖維鋪放裝置總體結(jié) 構(gòu)示意圖二；圖5是本發(fā)明的在制構(gòu)件的支撐機(jī)構(gòu)中回轉(zhuǎn)芯模支架機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示 意圖；圖6是本發(fā)明的在制構(gòu)件的支撐機(jī)構(gòu)中非回轉(zhuǎn)芯模定位工作臺(tái)機(jī) 構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明的鋪放執(zhí)行機(jī)構(gòu)中一X-Y工作臺(tái)的示意圖；圖8是本發(fā)明的鋪放執(zhí)行機(jī)構(gòu)中龍門(mén)機(jī)構(gòu)示意圖；圖9是纖維架結(jié)構(gòu)示意圖；圖10是張緊裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖11是纖維梳理機(jī)構(gòu)和纖維浸潤(rùn)機(jī)構(gòu)示意圖；圖12是多工位加工示意圖。以下結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
具體實(shí)施方式
以下是發(fā)明人給出的關(guān)于本發(fā)明的一些具體實(shí)施例，需要說(shuō)明的 是，這些實(shí)施例是較佳的例子，本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。
具體實(shí)施方式
l:結(jié)合圖1來(lái)說(shuō)明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式是一個(gè)具體的制造系統(tǒng)， 其工作過(guò)程是，首先根據(jù)產(chǎn)品功能要求，設(shè)計(jì)出CAD模型，可采用 Pro/E等三維設(shè)計(jì)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。再根據(jù)產(chǎn)品的使用環(huán)境，用CAE軟件 如ANSYS等對(duì)其工作情況進(jìn)行模擬分析。由分析結(jié)果來(lái)規(guī)劃纖維鋪 放路徑，并將所規(guī)劃的路徑采用機(jī)器人控制指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。接著在其他 設(shè)備裝置的輔助下進(jìn)行鋪放零構(gòu)件的制造，最后將制造好的鋪放構(gòu)件進(jìn)行二次加工，如機(jī)械加工，最終制造出成品。
具體實(shí)施方式
2:結(jié)合圖2，圖3來(lái)說(shuō)明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式是安裝在機(jī)器人末端的 鋪放及原位輻射固化機(jī)構(gòu)。它包括原位輻射固化源裝置5-1，鋪放頭5-2， 壓緊機(jī)構(gòu)5-3，連接安裝機(jī)構(gòu)5-4，鋪放頭5-2的制造按常規(guī)的機(jī)械設(shè)計(jì)制作 或參考專利申請(qǐng)200610010438. 3制作。壓緊機(jī)構(gòu)由壓輥或者壓靴5-3-1和 壓緊氣缸5-3-2組成。壓滾或者壓靴連接在氣缸的活塞上，由氣缸推動(dòng)壓滾 或者壓靴，將壓緊力施加在待固化纖維鋪層a上，通過(guò)調(diào)節(jié)氣缸的氣壓，使 待固化纖維鋪層a同已固化纖維鋪層b緊密切合，保持壓緊力恒定和壓緊方 向垂直于壓緊表面。如圖2所示，采用該鋪放及原位輻射固化機(jī)構(gòu)可以制造 同鋪層a類似的具有負(fù)曲率形狀的構(gòu)件。該機(jī)構(gòu)中的氣缸可以選用SMC公 司的CJ2B16或者根據(jù)具體要求選用其他氣缸產(chǎn)品。原位輻射固化鋪放頭5-2 鋪放纖維層，緊接著壓緊機(jī)構(gòu)5-3對(duì)纖維層進(jìn)行壓緊，最后通過(guò)能源裝置5 采用紫外光。其工作原理是，首先原位輻射固化能源裝置5-1照射后使得纖 維層固化。連接安裝機(jī)構(gòu)根據(jù)機(jī)器人末端的結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)，保證鋪放頭5-2， 壓緊機(jī)構(gòu)5-3和原位輻射固化能源裝置5-1之間合理的位置及有較高的連接 強(qiáng)度，圖2是一種連接形式，倒三角機(jī)構(gòu)，如果連接強(qiáng)度不夠可采用加強(qiáng)筋。 體實(shí)施方式3:本實(shí)施例結(jié)合圖2，圖3，圖4，圖5來(lái)說(shuō)明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式 是一個(gè)完整的制造系統(tǒng)。用來(lái)制造回轉(zhuǎn)類型的纖維復(fù)合材料構(gòu)件。它包括回 轉(zhuǎn)芯模支撐定位機(jī)構(gòu)1-1，機(jī)器人2-l，鋪放頭5-2，壓緊機(jī)構(gòu)5-3，纖維架 3-1，纖維浸潤(rùn)裝置3-2，張緊裝置3-3,纖維梳理傳送裝置3-4，纖維束3-5; 控制柜4-l，空氣壓縮機(jī)4-2，樹(shù)脂泵4-3，輻射固化裝置5-1等部分。在控 制柜4-1的操控下，纖維束3-5由纖維架3-1經(jīng)纖維浸潤(rùn)裝置3-2，張緊裝置 3-3，纖維梳理傳送裝置3-4，至鋪放頭5-2;在鋪放頭的作用下，按照要求在由機(jī)器人2-l的動(dòng)作配合下，將浸潤(rùn)過(guò)樹(shù)脂的纖維束鋪放在芯模架1-1支 撐的芯模1-1-3表面，同時(shí)壓緊機(jī)構(gòu)5-3，對(duì)其進(jìn)行壓緊，接著固化裝置5-l 對(duì)其進(jìn)行原位瞬時(shí)固化，以制造出固體構(gòu)件。機(jī)器人采用FANUC公司 R-200iB/165F工業(yè)機(jī)器人，或者其他己經(jīng)商品化的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品?？刂乒?是工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品自帶的控制裝置，其型號(hào)可根據(jù)機(jī)器人來(lái)選用。 R-200iB/165F的控制柜是FANUC公司的R-30iA控制柜?？諝鈮嚎s機(jī)4-2 用來(lái)給鋪放機(jī)構(gòu)中的氣缸提供壓縮空氣。樹(shù)脂泵4-3用來(lái)補(bǔ)償纖維浸潤(rùn)裝置 中的樹(shù)脂。其它機(jī)構(gòu)裝置具體實(shí)施方式
見(jiàn)后面的描述。
具體實(shí)施方式
4:結(jié)合圖2，圖3，圖4，圖6來(lái)說(shuō)明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式是一個(gè)具 體實(shí)施方式二的另一種形式。用來(lái)制造非回轉(zhuǎn)類型的纖維復(fù)合材料構(gòu)件。它 由平面芯模支撐定位機(jī)構(gòu)l-2代替了具體實(shí)施方式
二中的回轉(zhuǎn)芯模支撐定位 機(jī)構(gòu)l-l，用來(lái)制造非回轉(zhuǎn)類復(fù)合材料構(gòu)件。
具體實(shí)施方式
5:結(jié)合圖3，圖4，圖5來(lái)說(shuō)明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式的旋轉(zhuǎn)芯模支撐 定位機(jī)構(gòu)1-1是由頭架1-1-1，尾架1-1-2，旋轉(zhuǎn)芯模1-1-3，變速及控制裝置 l國(guó)l-4，縱向?qū)к?-1-5組成。頭架1-1-1和尾架1-1-2分別位于旋轉(zhuǎn)芯模的 一端，它們的中心高一致，中心線同心，用于支撐旋轉(zhuǎn)芯模。在頭架的外側(cè)， 安裝有變速及控制裝置，采用電動(dòng)機(jī)和齒輪來(lái)調(diào)節(jié)芯模的旋轉(zhuǎn)速度。頭架和 尾架安裝在縱向?qū)к壣?，可根?jù)芯模長(zhǎng)短來(lái)調(diào)節(jié)頭架和尾架之間的距離。芯 模的安裝使用錐形頂尖，在芯模的兩端有錐形中心 L，頭架和尾架上分別有 錐形頂尖，方便定位和安裝。
具體實(shí)施方式
6:結(jié)合圖4，圖6來(lái)說(shuō)明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式的平面芯模支撐定位機(jī) 構(gòu)l-2代替了回轉(zhuǎn)芯模支撐定位機(jī)構(gòu)l-l，它包括工作臺(tái)l-2-l，定位塊1-2-2，固定壓板1-2-3，非回轉(zhuǎn)體芯模1-2-4。工作臺(tái)上帶有T型槽，用來(lái)安裝定位 塊和固定壓板，或者其它輔助裝置。芯模由定位塊和工作臺(tái)定位，限制六個(gè) 自由度，并由固定壓板固定壓緊?？梢栽谛灸Ｉ献龀龆ㄎ还に嚺_(tái)，以消除和 鋪放機(jī)構(gòu)的干涉。T型槽相關(guān)尺寸要求見(jiàn)GB/T 158-1996。
具體實(shí)施方式
7:結(jié)合圖3，圖4，圖9來(lái)說(shuō)明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式是纖維架3-l，包 括纖維錠3-1-1，纖維錠支撐軸3-1-2，纖維束梳理機(jī)構(gòu)3-1-3，支架3-1-4， 纖維錠支撐軸固定螺母3-1-5。纖維錠是玻璃纖維或者碳纖維產(chǎn)品形式，圓 錐狀或者圓柱狀紗錠。纖維錠支撐軸的軸徑要和纖維錠中錠芯的孔徑相匹 配，保證纖維錠能夠裝入支撐軸。支架采用焊接或者裝配結(jié)構(gòu)，是整個(gè)纖維 架的主體框架。在具體使用時(shí)，可以將纖維架順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，以B作為 底面，纖維束向上抽出，經(jīng)纖維束梳理機(jī)構(gòu)后連接到其他機(jī)構(gòu)上。纖維梳理 機(jī)構(gòu)將纖維束分離開(kāi)來(lái)，以確保纖維束之間不互相纏繞。支撐軸固定螺母根 據(jù)安裝要求選擇，在此處可以安裝如圖6所示的電動(dòng)機(jī)，來(lái)實(shí)現(xiàn)張緊機(jī)構(gòu)。
具體實(shí)施方式
8:結(jié)合圖3，圖4，圖10來(lái)說(shuō)明本實(shí)施方式。本實(shí)施方式是一個(gè)張緊機(jī)構(gòu) 3-3，可以防止纖維束在鋪放過(guò)程中的纏繞和張緊力過(guò)大，但不能精確控制 張緊力。其原理是依靠一重物3-3-4的重力將纖維束3-3-2向下拉，如果纖 維束中張力很小，那么重物將向下移動(dòng)，從而帶動(dòng)桿3-3-8繞C點(diǎn)順時(shí)針旋 轉(zhuǎn)，以至觸動(dòng)電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)3-3-6，接通電源3-3-7，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將纖維束 收緊。纖維束收緊后將帶動(dòng)重物上升，從而使開(kāi)關(guān)3-3-6斷開(kāi)，使電動(dòng)機(jī)停 止，保持重物對(duì)纖維束的張緊作用。纖維束中張緊力較大時(shí)，纖維束會(huì)帶動(dòng) 重物上升，從而帶動(dòng)桿3-3-8繞C點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)上升到一定程度時(shí)，觸 動(dòng)電動(dòng)機(jī)開(kāi)關(guān)3-3-5，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，增加纖維束的供給，使纖維束下降，開(kāi) 關(guān)3-3-5斷開(kāi)，使重物保持對(duì)纖維束的拉力。如此，纖維束則不會(huì)纏繞或者受到過(guò)大的張緊力，保證順利鋪放。張緊機(jī)構(gòu)安裝位置如圖4中3-3所示， 桿3-3-8—端鉸接在機(jī)體上，另一端連接纖維束，使其在在重物或者纖維束 的帶動(dòng)下可以繞一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。
具體實(shí)施方式
9:結(jié)合圖4，圖ll來(lái)說(shuō)明本實(shí)施方式。圖ll所示的鋪放裝置中沒(méi)有張緊 裝置，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。為了防止由于采用濕法鋪放而導(dǎo)致的樹(shù)脂滴漏，在每束 纖維束上套有氟塑料管3-6。
具體實(shí)施方式
10:結(jié)合圖4，圖11來(lái)說(shuō)明本實(shí)施方式。樹(shù)脂浸潤(rùn)機(jī)構(gòu)用來(lái)將樹(shù)脂浸潤(rùn)在 纖維束上。纖維束從纖維架中抽出后，經(jīng)過(guò)4個(gè)繞輥3-2-l的纏繞，浸潤(rùn)在 樹(shù)脂液體中，然后由刮膠輥3-2-2對(duì)纖維束進(jìn)行擠壓，去處多余的樹(shù)脂后伸 出浸潤(rùn)機(jī)構(gòu)。刮膠輥由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，可依靠摩擦力傳送纖維束。刮膠輥和繞 輥之間的間隙可以調(diào)整，以達(dá)到較好的刮膠效果，并可通過(guò)擠壓纖維束，是 樹(shù)脂滲透到纖維束中，改善纖維束中單根纖維的浸潤(rùn)性。
具體實(shí)施方式
11:結(jié)合圖3、圖4、圖ll來(lái)說(shuō)明本實(shí)施方式。纖維梳理傳送裝置3-4安裝 在機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)處，來(lái)梳理和傳送纖維束。梳齒3-4-1是圓柱形，通過(guò) 焊接或者螺紋連接在安裝支架3-4-2上，安裝支架通過(guò)其兩端的夾緊螺釘安 裝固定在機(jī)器人的關(guān)節(jié)處，采用較大直徑的螺釘，在螺釘和機(jī)器人的接觸部 位使用橡膠墊片等零件，增大接觸面積，防止劃傷或者損壞機(jī)器人。
具體實(shí)施方式
12:結(jié)合圖4、圖7來(lái)說(shuō)明本實(shí)施方式。機(jī)器人有6個(gè)自由度，通過(guò)增加的 冗余自由度，可以擴(kuò)展機(jī)器人鋪放機(jī)構(gòu)的活動(dòng)范圍，擴(kuò)大加工能力。圖8 是一個(gè)X-Y工作臺(tái)示意圖。它增加了 X方向的移動(dòng)和Y方向的移動(dòng)兩個(gè)冗 余自由度，2-2-1-2是Y向移動(dòng)工作臺(tái)，2-2-1-3是X向移動(dòng)工作臺(tái)?？梢詫D4中的機(jī)器人鋪放系統(tǒng)安裝在X-Y工作臺(tái)上，沿工作臺(tái)上的導(dǎo)軌2-2-1-1 移動(dòng)，以擴(kuò)展其移動(dòng)范圍和加工能力。
具體實(shí)施方式
13:結(jié)合圖4、圖8來(lái)說(shuō)明本實(shí)施方式。同具體實(shí)施方式
十三一樣，通過(guò)圖 8所示的龍門(mén)機(jī)構(gòu)來(lái)擴(kuò)展機(jī)器人的活動(dòng)范圍和加工能力。機(jī)器人連接在龍門(mén) 機(jī)構(gòu)的橫梁2-2-2-1上，芯模支架安裝固定在工作臺(tái)2-2-2-3上。機(jī)器人鋪放 機(jī)構(gòu)可以沿橫梁做X方向的移動(dòng)，并且龍門(mén)立柱2-2-2-2可帶動(dòng)橫梁上下移 動(dòng)，即機(jī)器人鋪放機(jī)構(gòu)也可以沿Z方向移動(dòng)。同時(shí)，芯模支架可以在工作 臺(tái)的帶動(dòng)下做Y方向移動(dòng)。所以龍門(mén)機(jī)構(gòu)可以增加X(jué),Y，Z三個(gè)方向的冗余 自由度，擴(kuò)大機(jī)器人鋪放機(jī)構(gòu)的移動(dòng)范圍和加工能力。
具體實(shí)施方式
14:結(jié)合圖3、圖4，圖12來(lái)說(shuō)明本實(shí)施方式。在本實(shí)施方式中采用兩個(gè)但 不限于兩個(gè)機(jī)器人鋪放機(jī)構(gòu)來(lái)制造纖維復(fù)合材料構(gòu)件，可以將鋪放機(jī)構(gòu)安放 在不同的工位，加工不同的零件部位，或者分層鋪放，每次鋪放若干層，提 高加工效率。對(duì)回轉(zhuǎn)型構(gòu)件和非回轉(zhuǎn)型構(gòu)件具有相同的效果。
權(quán)利要求
1.一種在線原位固化復(fù)合材料構(gòu)件的制造方法，其特征在于，該方法對(duì)用于制造復(fù)合材料構(gòu)件所鋪放的一層或若干層浸潤(rùn)著光敏樹(shù)脂/環(huán)氧樹(shù)脂的纖維鋪層進(jìn)行滾壓，在纖維鋪層上設(shè)置一紫外光/電子加速器，由該紫外光/電子加速器同時(shí)對(duì)浸潤(rùn)著光敏樹(shù)脂/環(huán)氧樹(shù)脂的鋪放的纖維鋪層進(jìn)行輻照，從而使纖維鋪層發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)而固化定型，不斷重復(fù)這一過(guò)程，從而使復(fù)合材料構(gòu)件分層固化成型。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的對(duì)纖維鋪層進(jìn)行滾 壓的滾壓力由壓輥或者壓靴施加，壓輥或者壓靴和待固化表面相接觸，壓輥 或者壓靴和待固化表面壓緊接觸的同時(shí)，紫外光/電子加速器即對(duì)壓輥與復(fù) 合材料鋪層接觸處進(jìn)行瞬時(shí)原位固化定型，因此當(dāng)壓輥或者壓靴離開(kāi)后，復(fù) 合的纖維鋪層不會(huì)因?yàn)閺埩Χ撾x其下面已經(jīng)鋪好的固化層。
3. 權(quán)利要求1所述的在線原位固化復(fù)合材料構(gòu)件的制造方法的纖維鋪 放裝置，其特征在于，該裝置包括在制構(gòu)件的支撐定位機(jī)構(gòu)(1)、鋪放執(zhí) 行機(jī)構(gòu)(2)、原材料供給機(jī)構(gòu)(3)、控制及輔助部分(4)鋪放及原位輻射 固化能源裝置(5);原材料供給機(jī)構(gòu)(3)配合鋪放執(zhí)行機(jī)構(gòu)(2)給支撐定 位機(jī)構(gòu)(1)中的復(fù)合材料構(gòu)件芯模表面鋪放浸潤(rùn)過(guò)樹(shù)脂的纖維層，鋪放及 原位輻射固化裝置(5)位于支撐定位機(jī)構(gòu)(1)上方，對(duì)鋪放的纖維層進(jìn)行 照射使纖維層固化，控制及輔助部分(4)位于原材料供給機(jī)構(gòu)(3) —側(cè)， 配合整個(gè)系統(tǒng)完成輔助功能。
4. 如權(quán)利要求3所述的纖維鋪放裝置，其特征在于所述的在制構(gòu)件 的支撐機(jī)構(gòu)(1)分為旋轉(zhuǎn)芯模支撐定位機(jī)構(gòu)(1-1)和平面芯模支撐定位機(jī) 構(gòu)(1-2)，用于給不同類型的在制構(gòu)件提供支撐；所述的鋪放執(zhí)行機(jī)構(gòu)(2)包括機(jī)器人(2-1)，空間擴(kuò)展裝置(2-2)， 機(jī)器人(2-1)連接在空間擴(kuò)展裝置上(2-2);所述的原材料供給機(jī)構(gòu)(3)包括纖維錠支撐架(3-1),纖維浸潤(rùn)裝置 (3-2)，張緊裝置(3-3)，纖維梳理傳送裝置(3-4)，纖維束(3-5); 所述的控制及輔助機(jī)構(gòu)(4)包括控制柜(4-1)，空氣壓縮機(jī)(4-2)， 樹(shù)脂泵(4-3);所述的鋪放及原位輻射固化裝置(5)包括輻射源(5-1),鋪放頭(5-2)， 壓緊機(jī)構(gòu)(5-3)，連接安裝機(jī)構(gòu)(5-4)。
5. 如權(quán)利要求3所述的纖維鋪放裝置，其特征在于，所述的支撐機(jī)構(gòu) (1)中的旋轉(zhuǎn)芯模支撐定位機(jī)構(gòu)(1-1)包括頭架(1-1-1)，尾架(1-1-2)，回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)芯模(1-1-3)，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置(1-1-4)，回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)芯模(1-1-3) 的一端連接頭架(1-1-1)，另一端連接尾架(1-1-2)，頭架(1-1-1)和旋轉(zhuǎn) 驅(qū)動(dòng)裝置(1-1-4)連接。
6. 如權(quán)利要求3所述的纖維鋪放裝置，其特征在于，所述的支撐機(jī)構(gòu) (1)中的平面芯模支撐定位機(jī)構(gòu)(1-2)包括工作臺(tái)(1-2-1)，固定壓板 (1-2-2)，定位塊(1-2-3)，非回轉(zhuǎn)體芯模(1-2-4);非回轉(zhuǎn)體芯模(1-2-4)和定位塊(1-2-3)接觸，由固定壓板(1-2-2)壓緊固定在工作臺(tái)(1-2-1) 上。
7. 如權(quán)利要求3所述的纖維鋪放裝置，其特征在于，所述的鋪放執(zhí)行 機(jī)構(gòu)(2)中的機(jī)器人(2-1)具有6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，采用可控軌跡控制方式； 所述的鋪放執(zhí)行機(jī)構(gòu)(2)中的空間擴(kuò)展裝置(2-2)，包括X-Y工作臺(tái)(2-2-1) 和龍門(mén)結(jié)構(gòu)(2-2-2)，機(jī)器人(2-1)安裝在X-Y工作臺(tái)導(dǎo)軌上或者龍門(mén)機(jī) 構(gòu)上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的纖維鋪放裝置，其特征在于，所述的原材料 供給機(jī)構(gòu)(3)中的纖維束(3-5)從纖維錠支撐架(3-1)中引出，經(jīng)過(guò)纖 維浸潤(rùn)裝置(3-2)，張緊裝置(3-3)和纖維梳理裝置(3-4)，連接到鋪放頭 中進(jìn)行鋪放；所述的纖維梳理裝置(3-4)是梳子狀結(jié)構(gòu)，每?jī)蓚€(gè)梳齒之間有一束纖維穿過(guò)，可鋪放多束纖維束；所述的纖維浸潤(rùn)裝置(3-2)是一個(gè) 容器，內(nèi)裝有樹(shù)脂和若干壓輥，纖維束從樹(shù)脂和壓輥中穿過(guò)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的纖維鋪放裝置，其特征在于所述的控制及輔 助部分(4)包括機(jī)器人控制柜(4-1)，空氣壓縮機(jī)(4-2)，樹(shù)脂泵(4-3)， 所述的樹(shù)脂泵一端連接(4-3)在裝有樹(shù)脂的容器中，另一端連接在纖維浸 潤(rùn)裝置中。
10. 如權(quán)利要求4所述的纖維鋪放裝置，其特征在于，所述的鋪放及原 位輻射固化裝置(5)中的輻射源(5-1)采用紫外光或者電子束；所述的鋪 放及原位輻射固化裝置(5)中的鋪放頭(5-2)具有合、分、剪、夾持、重 送纖維束功能；所述的鋪放及原位輻射固化裝置(5)中的壓緊機(jī)構(gòu)(5-3) 采用多個(gè)壓滾或者壓靴，沿同一軸線排列組成一個(gè)滾壓整體，根據(jù)鋪放的纖 維層寬度的變化，壓滾或者壓靴沿纖維層壓緊表面的法線方向做伸縮移動(dòng)， 改變壓緊寬度；壓輥或者壓靴沿著已鋪放的纖維層表面的法線方向壓緊，且 始終保持壓緊力恒定；所述的鋪放及原位輻射固化裝置(5)中的連接安裝 機(jī)構(gòu)(5-4)將輻射源(5-1)、鋪放頭(5-2)、壓緊機(jī)構(gòu)(5-3)通過(guò)連接安 裝機(jī)構(gòu)連接在一起，連接安裝機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)器人(2-1)上，使整個(gè)鋪放及 原位輻射固化裝置(5)在機(jī)器人(2-1)的引導(dǎo)下按照預(yù)定路徑移動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用纖維鋪放技術(shù)制造樹(shù)脂基復(fù)合材料構(gòu)件的方法和裝置。該方法和裝置采用纖維鋪放技術(shù)，使用壓緊機(jī)構(gòu)將纖維鋪放層鋪放在芯模表面，可以解決傳統(tǒng)纏繞設(shè)備不能制造負(fù)曲率型面構(gòu)件和非回轉(zhuǎn)體類構(gòu)件的問(wèn)題。同時(shí)采用原位瞬時(shí)分層輻射固化以消除纖維鋪層中張力對(duì)產(chǎn)品形狀的影響，以及采用熱壓罐固化處理而帶來(lái)的熱變形大，容易產(chǎn)生裂紋，構(gòu)件大小受熱壓罐容積限制，生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)問(wèn)題與缺陷。該裝置以工業(yè)機(jī)器人作為制造主體，改善了現(xiàn)今的鋪放設(shè)備缺乏制造更加復(fù)雜型面的靈活性，和其結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題。
文檔編號(hào)B29C70/04GK101254652SQ200710308159
公開(kāi)日2008年9月3日 申請(qǐng)日期2007年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者盧秉恒, 張小輝, 李滌塵, 段玉崗 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)