专利名称：制造树脂基复合材料构件的原位固结纤维铺放方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于制造树脂基复合材料构件的原位固结纤维铺放方 法及其装置。该方法及其装置在加工具有更加复杂型面的复合材料构件过程 中，具有较高的自由度和灵活性，并提高零件制造的精度，可以满足日益复 杂的航空航天，船舶，汽车等工业产品的制造要求。
背景技术：
纤维铺放设备主要应用于制造航空航天，船舶，汽车等工业领域中的有 特殊要求的产品零件。所制造出的产品具有比强度高、比模量高、耐腐蚀、 耐疲劳、抗蠕变、导电、导热和热膨胀系数小等一系列优异性能以及良好的 成型工艺性。传统的复合材料构件主要由手糊工艺及纤维缠绕机制造，纤维 缠绕技术不能制造具有负曲率的型面和非回转体类零件，对纤维在芯模表面 的铺放难以比较精确的控制，容易产生间隙，重叠堆积。缠绕压紧力也难以 控制，在平面处压紧力很小，而在棱角处，压紧力很大，导致应力集中和纤 维层厚度不均匀。而且，现有的纤维铺放设备都是工作台式，如同传统的机 械加工机床一样，虽然有一定的自由度，但都受到运动形式(直线运动加旋 转运动的组合)和设备结构(多工作台，占用空间大，容易出现干涉)的限 制，缺乏更高的灵活性。现有的纤维铺放技术在将纤维铺层铺放在零件芯模 表面时没有完全固化，这时纤维铺层中的张力会使铺层发生变形，从而导致 最终的零件精度较差。同时，传统的制造方法采用热固性树脂，先制造好纤 维复合材料零件模型，然后将模型置入热压罐中进行加热加压固化处理，最 后经过检验，修整后形成成品。由于制造过程中需要在热压罐中处理，容易 产生热变形，应力集中引起的裂纹，从而导致产品报废，以及构件大小受热压罐容积限制等缺陷，使制造周期延长，制造成本加大。如果能随着零件铺 层的进行在原位进行分层瞬时固化，取消热压罐处理，则可以縮短制造周期。 同时，由于采用分层固化，可以有效降低制件应力及变形，减少应力集中引 起的各种缺陷。为了满足我国各行各业对复合材料构件的需求，研究新的， 更加高效便捷的高效率、低成本复合材料构件制造方法和装置已经成为亟待 解决的问题。发明内容针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明目的是提供一种制造树脂 基复合材料构件的原位固结纤维铺放方法及其装置，该方法和装置采用纤维 铺放技术，使用压紧机构将纤维铺放层铺放在芯模表面，可以解决传统缠绕 设备不能制造负曲率型面构件和非回转体类构件的问题。同时采用原位瞬时 分层辐射固化以消除纤维铺层中张力对产品形状的影响，以及采用热压罐固 化处理而带来的热变形大，容易产生裂纹，构件大小受热压罐容积限制，生 产成本高、生产周期长问题与缺陷。该装置以工业机器人作为制造主体，改 善了现今的铺放设备缺乏制造更加复杂型面的灵活性，和其结构复杂等问 题。为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案 一种在线原位固化复合材料构件的制造方法，其特征在于，该方法对用 于制造复合材料构件所铺放的一层或若干层浸润着光敏树脂/环氧树脂的纤 维铺层进行滚压，在纤维铺层上设置一紫外光/电子加速器，由该紫外光/电 子加速器同时对浸润着光敏树脂/环氧树脂的铺放的纤维铺层进行辐照，从 而使纤维铺层发生化学交联反应而固化定型，不断重复这一过程，从而使复 合材料构件分层固化成型。实现上述方法的纤维铺放装置，包括在制构件的支撑定位机构、铺放 执行机构、原材料供给机构、控制及辅助部分、铺放及原位辐射固化能源装置；原材料供给机构配合铺放执行机构，给支撑定位机构中的复合材料构件 芯模表面铺放浸润过树脂的纤维层，铺放及原位辐射固化装置位于支撑定位 机构上方，对铺放的纤维层进行照射使纤维层固化，控制及辅助部分位于原 材料供给机构一侧，配合整个系统完成辅助功能。和现有技术相比，本发明带来的有益技术效果是一、 采用紫外光/电子束原位固化代替热压罐方法，简化了制造工艺， 縮短了产品制造周期，降低了成本。二、 解决了复合材料构件大小受热压罐容积限制的问题，理论上可以制 造任意大小的构件。三、 采用原位瞬时分层辐射固化，固化变形小，应力集中少，可以用来 制造形体结构较复杂的构件，且提高产品构件的精度和成品率。四、 采用商品机器人作为装置的主要执行机构，以此为基础来搭建整个 制造系统，结构简单，容易控制。五、 解决了工作台式铺放设备运动形式简单和结构复杂，占用空间较大， 灵活性较差的问题。六、 可以制造负曲率型面和非回转体型面等复杂型面的构件，并解决了 压紧力不均匀，纤维束间间隙和重叠堆积等纤维缠绕设备中存在的问题。七、 所用的各种装置都是较成熟的实用技术装置，使本发明较容易实现， 且成本合理，可以广泛应用于需要复合材料构件制造的行业。
图1是本发明的制造树脂基复合材料构件的纤维铺放装置工作流程示意框图；图2是原位瞬时分层固化方法示意图；图3是本发明的制造树脂基复合材料构件的纤维铺放装置总体结构示 意图一；图4是本发明的制造树脂基复合材料构件的纤维铺放装置总体结 构示意图二；图5是本发明的在制构件的支撑机构中回转芯模支架机构结构示 意图；图6是本发明的在制构件的支撑机构中非回转芯模定位工作台机 构结构示意图；图7是本发明的铺放执行机构中一X-Y工作台的示意图；图8是本发明的铺放执行机构中龙门机构示意图；图9是纤维架结构示意图；图10是张紧装置结构示意图；图11是纤维梳理机构和纤维浸润机构示意图；图12是多工位加工示意图。以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
以下是发明人给出的关于本发明的一些具体实施例，需要说明的 是，这些实施例是较佳的例子，本发明不限于这些实施例。
具体实施方式
l:结合图1来说明本实施方式。本实施方式是一个具体的制造系统， 其工作过程是，首先根据产品功能要求，设计出CAD模型，可采用 Pro/E等三维设计软件来实现。再根据产品的使用环境，用CAE软件 如ANSYS等对其工作情况进行模拟分析。由分析结果来规划纤维铺 放路径，并将所规划的路径采用机器人控制指令来实现。接着在其他 设备装置的辅助下进行铺放零构件的制造，最后将制造好的铺放构件进行二次加工，如机械加工，最终制造出成品。
具体实施方式
2:结合图2，图3来说明本实施方式。本实施方式是安装在机器人末端的 铺放及原位辐射固化机构。它包括原位辐射固化源装置5-1，铺放头5-2， 压紧机构5-3，连接安装机构5-4，铺放头5-2的制造按常规的机械设计制作 或参考专利申请200610010438. 3制作。压紧机构由压辊或者压靴5-3-1和 压紧气缸5-3-2组成。压滚或者压靴连接在气缸的活塞上，由气缸推动压滚 或者压靴，将压紧力施加在待固化纤维铺层a上，通过调节气缸的气压，使 待固化纤维铺层a同已固化纤维铺层b紧密切合，保持压紧力恒定和压紧方 向垂直于压紧表面。如图2所示，采用该铺放及原位辐射固化机构可以制造 同铺层a类似的具有负曲率形状的构件。该机构中的气缸可以选用SMC公 司的CJ2B16或者根据具体要求选用其他气缸产品。原位辐射固化铺放头5-2 铺放纤维层，紧接着压紧机构5-3对纤维层进行压紧，最后通过能源装置5 采用紫外光。其工作原理是，首先原位辐射固化能源装置5-1照射后使得纤 维层固化。连接安装机构根据机器人末端的结构来设计，保证铺放头5-2， 压紧机构5-3和原位辐射固化能源装置5-1之间合理的位置及有较高的连接 强度，图2是一种连接形式，倒三角机构，如果连接强度不够可采用加强筋。 体实施方式3:本实施例结合图2，图3，图4，图5来说明本实施方式。本实施方式 是一个完整的制造系统。用来制造回转类型的纤维复合材料构件。它包括回 转芯模支撑定位机构1-1，机器人2-l，铺放头5-2，压紧机构5-3，纤维架 3-1，纤维浸润装置3-2，张紧装置3-3,纤维梳理传送装置3-4，纤维束3-5; 控制柜4-l，空气压縮机4-2，树脂泵4-3，辐射固化装置5-1等部分。在控 制柜4-1的操控下，纤维束3-5由纤维架3-1经纤维浸润装置3-2，张紧装置 3-3，纤维梳理传送装置3-4，至铺放头5-2;在铺放头的作用下，按照要求在由机器人2-l的动作配合下，将浸润过树脂的纤维束铺放在芯模架1-1支 撑的芯模1-1-3表面，同时压紧机构5-3，对其进行压紧，接着固化装置5-l 对其进行原位瞬时固化，以制造出固体构件。机器人采用FANUC公司 R-200iB/165F工业机器人，或者其他己经商品化的工业机器人产品。控制柜 是工业机器人产品自带的控制装置，其型号可根据机器人来选用。 R-200iB/165F的控制柜是FANUC公司的R-30iA控制柜。空气压縮机4-2 用来给铺放机构中的气缸提供压縮空气。树脂泵4-3用来补偿纤维浸润装置 中的树脂。其它机构装置具体实施方式
见后面的描述。
具体实施方式
4:结合图2，图3，图4，图6来说明本实施方式。本实施方式是一个具 体实施方式二的另一种形式。用来制造非回转类型的纤维复合材料构件。它 由平面芯模支撑定位机构l-2代替了具体实施方式
二中的回转芯模支撑定位 机构l-l，用来制造非回转类复合材料构件。
具体实施方式
5:结合图3，图4，图5来说明本实施方式。本实施方式的旋转芯模支撑 定位机构1-1是由头架1-1-1，尾架1-1-2，旋转芯模1-1-3，变速及控制装置 l國l-4，纵向导轨1-1-5组成。头架1-1-1和尾架1-1-2分别位于旋转芯模的 一端，它们的中心高一致，中心线同心，用于支撑旋转芯模。在头架的外侧， 安装有变速及控制装置，采用电动机和齿轮来调节芯模的旋转速度。头架和 尾架安装在纵向导轨上，可根据芯模长短来调节头架和尾架之间的距离。芯 模的安装使用锥形顶尖，在芯模的两端有锥形中心 L，头架和尾架上分别有 锥形顶尖，方便定位和安装。
具体实施方式
6:结合图4，图6来说明本实施方式。本实施方式的平面芯模支撑定位机 构l-2代替了回转芯模支撑定位机构l-l，它包括工作台l-2-l，定位块1-2-2，固定压板1-2-3，非回转体芯模1-2-4。工作台上带有T型槽，用来安装定位 块和固定压板，或者其它辅助装置。芯模由定位块和工作台定位，限制六个 自由度，并由固定压板固定压紧。可以在芯模上做出定位工艺台，以消除和 铺放机构的干涉。T型槽相关尺寸要求见GB/T 158-1996。
具体实施方式
7:结合图3，图4，图9来说明本实施方式。本实施方式是纤维架3-l，包 括纤维锭3-1-1，纤维锭支撑轴3-1-2，纤维束梳理机构3-1-3，支架3-1-4， 纤维锭支撑轴固定螺母3-1-5。纤维锭是玻璃纤维或者碳纤维产品形式，圆 锥状或者圆柱状纱锭。纤维锭支撑轴的轴径要和纤维锭中锭芯的孔径相匹 配，保证纤维锭能够装入支撑轴。支架采用焊接或者装配结构，是整个纤维 架的主体框架。在具体使用时，可以将纤维架顺时针旋转90度，以B作为 底面，纤维束向上抽出，经纤维束梳理机构后连接到其他机构上。纤维梳理 机构将纤维束分离开来，以确保纤维束之间不互相缠绕。支撑轴固定螺母根 据安装要求选择，在此处可以安装如图6所示的电动机，来实现张紧机构。
具体实施方式
8:结合图3，图4，图10来说明本实施方式。本实施方式是一个张紧机构 3-3，可以防止纤维束在铺放过程中的缠绕和张紧力过大，但不能精确控制 张紧力。其原理是依靠一重物3-3-4的重力将纤维束3-3-2向下拉，如果纤 维束中张力很小，那么重物将向下移动，从而带动杆3-3-8绕C点顺时针旋 转，以至触动电动机开关3-3-6，接通电源3-3-7，使电动机转动，将纤维束 收紧。纤维束收紧后将带动重物上升，从而使开关3-3-6断开，使电动机停 止，保持重物对纤维束的张紧作用。纤维束中张紧力较大时，纤维束会带动 重物上升，从而带动杆3-3-8绕C点逆时针旋转，当上升到一定程度时，触 动电动机开关3-3-5，电动机反转，增加纤维束的供给，使纤维束下降，开 关3-3-5断开，使重物保持对纤维束的拉力。如此，纤维束则不会缠绕或者受到过大的张紧力，保证顺利铺放。张紧机构安装位置如图4中3-3所示， 杆3-3-8—端铰接在机体上，另一端连接纤维束，使其在在重物或者纤维束 的带动下可以绕一点旋转。
具体实施方式
9:结合图4，图ll来说明本实施方式。图ll所示的铺放装置中没有张紧 装置，简化了结构。为了防止由于采用湿法铺放而导致的树脂滴漏，在每束 纤维束上套有氟塑料管3-6。
具体实施方式
10:结合图4，图11来说明本实施方式。树脂浸润机构用来将树脂浸润在 纤维束上。纤维束从纤维架中抽出后，经过4个绕辊3-2-l的缠绕，浸润在 树脂液体中，然后由刮胶辊3-2-2对纤维束进行挤压，去处多余的树脂后伸 出浸润机构。刮胶辊由电动机带动，可依靠摩擦力传送纤维束。刮胶辊和绕 辊之间的间隙可以调整，以达到较好的刮胶效果，并可通过挤压纤维束，是 树脂渗透到纤维束中，改善纤维束中单根纤维的浸润性。
具体实施方式
11:结合图3、图4、图ll来说明本实施方式。纤维梳理传送装置3-4安装 在机器人的每个关节处，来梳理和传送纤维束。梳齿3-4-1是圆柱形，通过 焊接或者螺纹连接在安装支架3-4-2上，安装支架通过其两端的夹紧螺钉安 装固定在机器人的关节处，采用较大直径的螺钉，在螺钉和机器人的接触部 位使用橡胶垫片等零件，增大接触面积，防止划伤或者损坏机器人。
具体实施方式
12:结合图4、图7来说明本实施方式。机器人有6个自由度，通过增加的 冗余自由度，可以扩展机器人铺放机构的活动范围，扩大加工能力。图8 是一个X-Y工作台示意图。它增加了 X方向的移动和Y方向的移动两个冗 余自由度，2-2-1-2是Y向移动工作台，2-2-1-3是X向移动工作台。可以将图4中的机器人铺放系统安装在X-Y工作台上，沿工作台上的导轨2-2-1-1 移动，以扩展其移动范围和加工能力。
具体实施方式
13:结合图4、图8来说明本实施方式。同具体实施方式
十三一样，通过图 8所示的龙门机构来扩展机器人的活动范围和加工能力。机器人连接在龙门 机构的横梁2-2-2-1上，芯模支架安装固定在工作台2-2-2-3上。机器人铺放 机构可以沿横梁做X方向的移动，并且龙门立柱2-2-2-2可带动横梁上下移 动，即机器人铺放机构也可以沿Z方向移动。同时，芯模支架可以在工作 台的带动下做Y方向移动。所以龙门机构可以增加X,Y，Z三个方向的冗余 自由度，扩大机器人铺放机构的移动范围和加工能力。
具体实施方式
14:结合图3、图4，图12来说明本实施方式。在本实施方式中采用两个但 不限于两个机器人铺放机构来制造纤维复合材料构件，可以将铺放机构安放 在不同的工位，加工不同的零件部位，或者分层铺放，每次铺放若干层，提 高加工效率。对回转型构件和非回转型构件具有相同的效果。
权利要求
1.一种在线原位固化复合材料构件的制造方法，其特征在于，该方法对用于制造复合材料构件所铺放的一层或若干层浸润着光敏树脂/环氧树脂的纤维铺层进行滚压，在纤维铺层上设置一紫外光/电子加速器，由该紫外光/电子加速器同时对浸润着光敏树脂/环氧树脂的铺放的纤维铺层进行辐照，从而使纤维铺层发生化学交联反应而固化定型，不断重复这一过程，从而使复合材料构件分层固化成型。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的对纤维铺层进行滚 压的滚压力由压辊或者压靴施加，压辊或者压靴和待固化表面相接触，压辊 或者压靴和待固化表面压紧接触的同时，紫外光/电子加速器即对压辊与复 合材料铺层接触处进行瞬时原位固化定型，因此当压辊或者压靴离开后，复 合的纤维铺层不会因为张力而脱离其下面已经铺好的固化层。
3. 权利要求1所述的在线原位固化复合材料构件的制造方法的纤维铺 放装置，其特征在于，该装置包括在制构件的支撑定位机构(1)、铺放执 行机构(2)、原材料供给机构(3)、控制及辅助部分(4)铺放及原位辐射 固化能源装置(5);原材料供给机构(3)配合铺放执行机构(2)给支撑定 位机构(1)中的复合材料构件芯模表面铺放浸润过树脂的纤维层，铺放及 原位辐射固化装置(5)位于支撑定位机构(1)上方，对铺放的纤维层进行 照射使纤维层固化，控制及辅助部分(4)位于原材料供给机构(3) —侧， 配合整个系统完成辅助功能。
4. 如权利要求3所述的纤维铺放装置，其特征在于所述的在制构件 的支撑机构(1)分为旋转芯模支撑定位机构(1-1)和平面芯模支撑定位机 构(1-2)，用于给不同类型的在制构件提供支撑；所述的铺放执行机构(2)包括机器人(2-1)，空间扩展装置(2-2)， 机器人(2-1)连接在空间扩展装置上(2-2);所述的原材料供给机构(3)包括纤维锭支撑架(3-1),纤维浸润装置 (3-2)，张紧装置(3-3)，纤维梳理传送装置(3-4)，纤维束(3-5); 所述的控制及辅助机构(4)包括控制柜(4-1)，空气压縮机(4-2)， 树脂泵(4-3);所述的铺放及原位辐射固化装置(5)包括辐射源(5-1),铺放头(5-2)， 压紧机构(5-3)，连接安装机构(5-4)。
5. 如权利要求3所述的纤维铺放装置，其特征在于，所述的支撑机构 (1)中的旋转芯模支撑定位机构(1-1)包括头架(1-1-1)，尾架(1-1-2)，回转体旋转芯模(1-1-3)，旋转驱动装置(1-1-4)，回转体旋转芯模(1-1-3) 的一端连接头架(1-1-1)，另一端连接尾架(1-1-2)，头架(1-1-1)和旋转 驱动装置(1-1-4)连接。
6. 如权利要求3所述的纤维铺放装置，其特征在于，所述的支撑机构 (1)中的平面芯模支撑定位机构(1-2)包括工作台(1-2-1)，固定压板 (1-2-2)，定位块(1-2-3)，非回转体芯模(1-2-4);非回转体芯模(1-2-4)和定位块(1-2-3)接触，由固定压板(1-2-2)压紧固定在工作台(1-2-1) 上。
7. 如权利要求3所述的纤维铺放装置，其特征在于，所述的铺放执行 机构(2)中的机器人(2-1)具有6个运动自由度，采用可控轨迹控制方式； 所述的铺放执行机构(2)中的空间扩展装置(2-2)，包括X-Y工作台(2-2-1) 和龙门结构(2-2-2)，机器人(2-1)安装在X-Y工作台导轨上或者龙门机 构上。
8. 根据权利要求3所述的纤维铺放装置，其特征在于，所述的原材料 供给机构(3)中的纤维束(3-5)从纤维锭支撑架(3-1)中引出，经过纤 维浸润装置(3-2)，张紧装置(3-3)和纤维梳理装置(3-4)，连接到铺放头 中进行铺放；所述的纤维梳理装置(3-4)是梳子状结构，每两个梳齿之间有一束纤维穿过，可铺放多束纤维束；所述的纤维浸润装置(3-2)是一个 容器，内装有树脂和若干压辊，纤维束从树脂和压辊中穿过。
9. 根据权利要求3所述的纤维铺放装置，其特征在于所述的控制及辅 助部分(4)包括机器人控制柜(4-1)，空气压縮机(4-2)，树脂泵(4-3)， 所述的树脂泵一端连接(4-3)在装有树脂的容器中，另一端连接在纤维浸 润装置中。
10. 如权利要求4所述的纤维铺放装置，其特征在于，所述的铺放及原 位辐射固化装置(5)中的辐射源(5-1)采用紫外光或者电子束；所述的铺 放及原位辐射固化装置(5)中的铺放头(5-2)具有合、分、剪、夹持、重 送纤维束功能；所述的铺放及原位辐射固化装置(5)中的压紧机构(5-3) 采用多个压滚或者压靴，沿同一轴线排列组成一个滚压整体，根据铺放的纤 维层宽度的变化，压滚或者压靴沿纤维层压紧表面的法线方向做伸缩移动， 改变压紧宽度；压辊或者压靴沿着已铺放的纤维层表面的法线方向压紧，且 始终保持压紧力恒定；所述的铺放及原位辐射固化装置(5)中的连接安装 机构(5-4)将辐射源(5-1)、铺放头(5-2)、压紧机构(5-3)通过连接安 装机构连接在一起，连接安装机构安装在机器人(2-1)上，使整个铺放及 原位辐射固化装置(5)在机器人(2-1)的引导下按照预定路径移动。
全文摘要
本发明公开了一种用纤维铺放技术制造树脂基复合材料构件的方法和装置。该方法和装置采用纤维铺放技术，使用压紧机构将纤维铺放层铺放在芯模表面，可以解决传统缠绕设备不能制造负曲率型面构件和非回转体类构件的问题。同时采用原位瞬时分层辐射固化以消除纤维铺层中张力对产品形状的影响，以及采用热压罐固化处理而带来的热变形大，容易产生裂纹，构件大小受热压罐容积限制，生产成本高、生产周期长问题与缺陷。该装置以工业机器人作为制造主体，改善了现今的铺放设备缺乏制造更加复杂型面的灵活性，和其结构复杂等问题。
文档编号B29C70/04GK101254652SQ200710308159
公开日2008年9月3日 申请日期2007年12月28日 优先权日2007年12月28日
发明者卢秉恒, 张小辉, 李涤尘, 段玉岗 申请人:西安交通大学