一种环框复合材料制件铺丝装备及工作方法与流程

本发明涉及复合材料自动化制造领域，尤其涉及环框复合材料制件的成型装备，特别适用于等截面等曲率半径的z形复合材料环框的自动化成型。

背景技术：

框型结构是飞机结构的重要组成部分，常用作飞机隔框或其他骨架零件，直接影响着飞机外形的准确度和结构承载能力，在飞机的整体框架中起着重要的作用。但因复合材料梁、框结构复杂、截面形式多样、曲率变化大，制造难度大。常见环框的截面形状为c形、z形、l形、帽型等。因具有结构效率高、质量检测难度低等优点，z形截面框形结构得以被广泛的应用。

目前复合材料框形结构的成型方法为热隔膜成型工艺。该种成型方法是将自动铺带技术和隔膜成型技术想结合，先使用自动铺带设备铺叠出预浸料带层板，再转移到的隔膜机成型机上，在预浸料带层板表面覆盖一层高延展性的隔膜，利用真空负压和加热设备的作用将其完全贴合在曲面模具上预成型所需的结构。

常见复合材料框形结构的成型装备并不能获得良好的成型质量和工作效率，且对于大厚度z形复合材料环框来说并不适用。

因此，如何针对上述现有技术所存在的缺点进行研发改良，实为相关业界所需努力研发的目标，本申请设计人有鉴于此，乃思及创作的意念，遂以多年的经验加以设计，经多方探讨并试作样品试验，及多次修正改良，乃推出本申请。

技术实现要素：

为解决以上技术问题的一个或者多个，本申请提供了环框复合材料制件铺丝装备及其工作方法。

一方面，本发明提供环框复合材料制件铺丝装备，

包括固定机架、可转动安装于固定机架的转台、相对固定转台的若干环框模具、相对固定机架的铺丝机构、及相对固定于固定机架的局部施压机构；

其中，铺丝机构包括用于纤维分布方向与环框延伸方向同向预浸带铺设的0度铺丝头及多个用于纤维分布方向与环框延伸方向不同方向的预浸带铺设的非0度铺丝头。

本发明能够一次性实现多个环框复合材料制件自动化铺叠，极大程度上提高上述复杂结构的成型质量和成型效率。为了简化生产线结构、降低机构控制难度，采用模具旋转往复运动、铺丝机构固定不动的基本构型。

在一些实施方式中，非0度铺丝头包括纤维分布方向与环框延伸方向呈垂直状态的90度铺丝头、纤维分布方向与环框延伸方向呈45°夹角的45度铺丝头、及纤维分布方向与环框延伸方向呈-45°夹角的-45度铺丝头。

在一些实施方式中，环框复合材料制件为z形环框复合材料制件，0度铺丝头包括用于竖直面0度铺层铺贴的竖直面子铺丝头、用于水平面0度铺层铺贴的水平面子铺丝头、用于r角区域0度铺层铺贴的r角区子铺丝头。

在一些实施方式中，竖直面子铺丝头包括与固定机架连接的滑台、与滑台滑动配合的二压辊连接架、固定于二压辊连接架之一的上竖直面铺层压辊、及固定于二压辊连接架之另一的下竖直面铺层压辊，上竖直面铺层压辊与下竖直面铺层压辊一一对应配合z形环框复合材料制件的二竖直面。

在一些实施方式中，水平面子铺丝头包括与固定机架配连接的水平面铺层铺丝头安装板，水平面铺层铺丝头安装板配置水平面铺丝头压辊连接架，水平面铺丝头压辊连接架安装有配合z形环框复合材料制件的水平面铺层铺丝头压辊。

在一些实施方式中，r角区子铺丝头包括用于r角区域的阳角面铺层的阳角压辊、r角区域的阴角面铺层的阴角压辊、安装于固定机架的r角区铺层铺丝头安装板、及配置于r角区铺层铺丝头安装板并用以安装阳角压辊与阴角压辊的二r角区铺丝头压辊连接架。

在一些实施方式中，非0度铺丝头包括设置于固定机架的铺丝头安装板，及可按不同铺丝角度安装于铺丝头安装板的铺丝头旋转连接架，铺丝头旋转连接架设置有预浸料带筒、用于收回离型纸的离型纸收卷轴、用于实现对预浸料带夹持功能的夹持机构、用于实现将剥离离型纸后的预浸带导入夹持机构的导向槽、配置于导向槽与夹持机构之间的预浸料带切刀、用于将预浸料带压实于环框模具表面的压实机构。

在一些实施方式中，夹持机构包括导柱、滑动安装于导柱的滑动安装台及提供滑动安装台具有向上运动趋势的弹性装置，滑动安装台配置旋转轴位置相对固定的夹持辅助辊、与旋转轴位置活动设置的夹持辅助压辊，滑动安装台配置有提供夹持辅助压辊的旋转轴活动区间的导轨部。

在一些实施方式中，压实机构包括用于压紧固定底部预浸料带的底部压块和用于预浸料带压实于环框模具表面的压实辊。

在一些实施方式中，非0度铺丝头还包括横向展宽机构，横向展宽机构包括沿预浸料带运动方向布置的多道弧形辊，及驱动各弧形变形辊的转动的弧形辊驱动装置，各弧形辊为弧形对辊，弧形对辊中的各弧形单辊包括内弧形架及套设内弧形架的外柔性辊面的结构，内弧形架与外柔性辊面之间配置多道轴承，多道弧形辊在预浸料带运动方向上弧度渐增。

在一些实施方式中，还包括配置于预浸料带筒用于计量预浸带长度的计长传感器，

还包括与计长传感器、压实机构的驱动机构、夹持机构的驱动机构、转台的驱动机构、预浸料带切刀的控制机构均信号连接的处理器。

另一方面，本申请还提供的环框复合材料制件铺丝装备的工作方法，

包括0度铺丝工序、非0度铺丝工序、及转台位置调整步骤；

其中，非0度铺丝工序顺次包括如下构成循环的步骤：

预浸料带预送步骤；预浸料带筒、离型纸回收筒及计长传感器配合预送设定长度的预浸料带，

预浸料带夹持切割步骤；压实机构的底部压块将预浸料带末端压实于环框模具表面一侧，夹持辅助压辊与夹持辅助辊贴紧实现预浸料带顶端的夹持，预浸料带切刀完成预浸料带的切割，

预浸料带铺丝压实步骤；压实辊将预浸料带铺丝压实于环框模具轮廓表面，底部压块离开环框模具表面，

重复预浸料带预送步骤；

转台位置调整步骤；提供环框模具于多个工位中流转作业的功能，和或提供执行铺丝工序时环框模具的位置移动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明提供的一种实施方式的一种环框复合材料制件铺丝装备的结构示意图；

图2为一种z形环框复合材料制件的结构示意图；

图3为本发明提供的一种环框复合材料制件铺丝装备的0度铺丝头的一种实施方式的结构示意图；

图4为本发明提供的一种环框复合材料制件铺丝装备的0度铺丝头的竖直面子铺丝头的一种实施方式的结构示意图；

图5为本发明提供的一种环框复合材料制件铺丝装备的0度铺丝头的水平面子铺丝头的一种实施方式的结构示意图；

图6为本发明提供的一种环框复合材料制件铺丝装备的0度铺丝头的r角区子铺丝头的一种实施方式的结构示意图；

图7为本发明提供的一种环框复合材料制件铺丝装备的非0度铺丝头的一种实施方式的结构示意图；

图8为本发明提供的一种环框复合材料制件铺丝装备的一种实施方式的非0度铺丝头的横向展宽机构的一种实施方式结构示意图；

图9为本发明提供的一种环框复合材料制件铺丝装备的非0度铺层的铺叠流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供环框复合材料制件铺丝装备，包括固定机架7、

可转动安装于固定机架7的转台1、

相对固定于所述转台1的若干环框模具21、

相对固定于固定机架7的铺丝机构、及

相对固定于固定机架7的局部施压机构6；

其中，铺丝机构包括纤维分布方向与环框延伸方向同向的0度铺丝头2及多个纤维分布方向与环框延伸方向不同的非0度铺丝头。

本发明能够一次性实现多个环框复合材料制件自动化铺叠，极大程度上提高上述复杂结构的成型质量和成型效率。为了简化生产线结构、降低机构控制难度，采用模具旋转往复运动、铺丝机构固定不动的基本构型。

转台1转动安装于固定机架7；便于配置于转台1的环框模具21往复转动，为铺丝机构的紧凑型配置、铺丝质量的监控、施工操作连续性奠定结构基础。

转台1转动安装于固定机架7；具体的，固定机架1宜配置弧形导轨，转台1配合弧形导轨设置；

转台1配置环框模具21；具体的，转台1宜配置环框模具21的数目根据环框模具21的弧度大小及工作环境可以选择，在图1的实施例中，转台1配置三环框模具21，可一次性对3根环框进行自动化铺叠。

局部施压机构6用于预浸料带层间压实，具体的，局部施压机构6包括多组橡胶辊及驱动各橡胶辊的多个气缸，单辊的施压压力宜为100-500n。

多个非0度铺丝头的多个纤维分布方向与环框延伸方向不同，纤维分布方向的选择根据环框复合材料制件的结构强度要求配置。

作为举例，如图1所示的实施例中，非0度铺丝头包括

纤维分布方向与环框延伸方向呈垂直状态的90度铺丝头3、

纤维分布方向与环框延伸方向呈45°夹角的45度铺丝头4、及

纤维分布方向与环框延伸方向呈-45°夹角的-45度铺丝头5。

具体的，例如图1实施例，环框复合材料制件铺丝装备布置的3工位均配置0度铺丝头2、90度铺丝头3、45度铺丝头4、-45度铺丝头5、局部施压机构6。

当然，如采用其他角度或者数量的非0度铺丝头，也应当属于本申请的保护范围。

进一步，z形环框复合材料制件作为典型的一种环框复合材料制件，其截面示意图如图2所示，具备二竖直面、一水平面和二r角区域(一阳角、一阴角)。

为提高z形环框复合材料制件的生产效率，本申请还设计了如下典型的铺丝头。并于整个环形生产线均匀分布多组，即能够同时对多根z形复合材料环框进行自动铺丝成型。

如图3所示，0度铺丝头包括用于竖直面0度铺层铺贴的竖直面子铺丝头2-1、用于水平面0度铺层铺贴的水平面子铺丝头2-2、用于r角区域0度铺层铺贴的r角区子铺丝头2-3。

对于0度铺层来说(沿环框长度方向的铺层)，受压辊变形能力的限制，无法利用单一压辊完成对r角区预浸料带的压实。本申请的0度铺丝头2包含了三个子铺丝头，三者配合工作，完成z形环框的0度铺叠。

r角区子铺丝头2-3宜采用预浸丝束(如宽度为6.35mm)铺丝成型。0度铺层存在面内弯曲和r角区。为了避免预浸料带中的纤维因面内弯曲变形过大而引起纤维屈曲，同时也为了确保r角区预浸料带的压实，避免架桥现象出现，该角度铺层宜采用自动铺丝的工艺进行铺丝。

竖直面子铺丝头2-1及水平面子铺丝头2-2，可采用预浸窄带(如宽度12.7～24.5mm)铺丝成型。提高成型效率。

竖直面子铺丝头2-1，宜采用如图4所示结构，包括与固定机架7连接的安装板9、与安装板9配合的二压辊连接架10-1、固定于二压辊连接架10-1之一的上竖直面铺层压辊2-1-1、及固定于二压辊连接架10-1之另一的下竖直面铺层压辊2-1-2，上竖直面铺层压辊2-1-1与下竖直面铺层压辊2-1-2一一对应配合z形环框复合材料制件的二竖直面。

进一步，固定机架7连接的安装板9之间配置安装板7-1。

竖直面0度铺丝头压辊连接架可在一定范围(移动行程10mm)内沿上下方向进行调整，以避免0度铺层中相邻丝束的拼接在厚度方向上的集中。

作为上下方向调整的进一步改进，可以采用安装板9具有多个不同高度的安装位，压辊连接架10-1根据工艺需要安装于某安装位。

作为上下方向调整的另一种改进，安装板9与压辊连接架10-1二者之一配置至少具备垂直方向滑动的滑轨，安装板9与压辊连接架10-1二者之一配置与滑轨配合的滑动槽，安装板9或压辊连接架10-1配置紧固螺母，用于将安装板9与压辊连接架10-1定位于工艺需要的位置。

水平面子铺丝头2-2，宜采用如图5所示结构，包括与固定机架7连接的水平面铺层铺丝头安装板7-2，水平面铺层铺丝头安装板7-2配置水平面铺丝头压辊连接架10-2，水平面铺丝头压辊连接架10-2安装有配合所述z形环框复合材料制件(的水平面)的水平面铺层铺丝头压辊2-2-1；

同样的为了避免水平面上不同0度铺层中相邻丝束拼缝在厚度方向上的集中，连接架10-2的位置可以在水平面铺层铺丝头安装板7-2上沿环框的直径方向进行一定范围的调整。

连接架10-2于水平面铺层铺丝头安装板7-2沿环框模具的直径方向进行一定范围的调整可以采用类似安装板9与压辊连接架10-1之间的多安装位或滑轨滑动槽配合的实施方式，不在赘述。

如图6所示，r角区子铺丝头2-3包括用于r角区域的阳角面铺层的阳角压辊2-3-1、r角区域的阴角面铺层的阴角压辊2-3-2、安装于固定机架7的r角区铺层铺丝头安装板7-3、配置于r角区铺层铺丝头安装板7-3并用以安装阳角压辊2-3-1与阴角压辊2-3-2的二r角区铺丝头压辊连接架10-3。

为适应具有不同r角的环框的铺丝，r角区铺丝头所用压辊可拆卸设置。进一步，阳角压辊2-3-1、阴角压辊2-3-2与r角区铺丝头压辊连接架10-3可拆卸设置。

对于回转直径在2500-3000mm左右的z形环框复合材料，90和±45度铺层宜使用150mm/300mm等常见宽幅预浸料带实现对90/±45度铺层进行铺丝。

当利用宽度一定的预浸料带由内向外对环状结构进行铺丝时，随半径的不断变大，两相邻条预浸带间会形成间隙。为了避免上述间隙的产生，剥离背衬纸后的预浸料带将经过变形辊或逐步展宽，对因半径变化而引起的宽度变化进行补偿，实现铺层的满铺覆。

具体的，在如图7所示的实施例中，非0度铺丝头包括设置于固定机架7的铺丝头安装板7-4，及可按不同铺丝角度安装于铺丝头安装板7-4的铺丝头旋转连接架10-4，

铺丝头旋转连接架10-4设置有预浸料带筒11、用于收回离型纸的离型纸收卷轴13、用于实现对预浸料带夹持功能的夹持机构、用于实现将剥离离型纸后的预浸带导入夹持机构的导向槽16、配置于所述导向槽16与所述夹持机构之间的预浸料带切刀17、及用于将预浸料带压实于所述环框模具21表面的压实机构。

不同的铺丝角度仅需将铺丝头旋转连接架10-4旋转至目标角度即可。

夹持机构包括导柱、滑动安装于导柱的滑动安装台18-3及提供滑动安装台18-3具有向上运动趋势的弹性装置，

滑动安装台18-3配置旋转轴位置相对固定的夹持辅助辊18-1、与旋转轴位置活动设置的夹持辅助压辊18-2，

滑动安装台18-3配置有提供夹持辅助压辊18-2的旋转轴活动区间的导轨部。

夹持辅助压辊18-2宜采用气缸驱动，在气缸得气的状态下，夹持辅助辊18-1与夹持辅助压辊18-2紧密贴合，将切断后的预浸料带夹紧，实现对预浸料带的夹持。

为保证铺叠时夹持段预浸料带上始终有张力的作用，夹持辅助辊18-1和夹持辅助压辊18-2安装的滑动安装台18-3，在弹性装置的作用下(例如采用导柱套设预压缩弹簧的方案)具有向上运动的趋势，便可在夹持段的预浸料带上施加一定的张力，同时也可以随着铺丝的不断进行自动调节预浸料带夹持段长度。

压实机构包括用于压紧固定底部预浸料带的底部压块20-1

和用于预浸料带压实于环框模具21的压实辊20-2。

压实辊20-2可沿环框模具轮廓运动，从而将预浸料带压实在模具表面。

进一步，底部压块20-1与压实辊20-2宜均为柔性橡胶辊，

进一步，压实机构宜还包括驱动底部压块20-1的底部压块驱动气缸、及驱动压实辊20-2的压实辊驱动气缸。

如图8所示，本发明提供的一种环框复合材料制件铺丝装备，非0度铺丝头还包括横向展宽机构，横向展宽机构位于沿预浸料带运动方向上夹持机构与压实机构之间。

用于将切割后的无背衬预浸料带横向逐步展宽，铺丝时根据实际铺丝的位置，对预浸料带提前进行展宽，以实现对随半径增大的间隙进行补偿。(90/±45度铺层沿z形环框的直径方向从内向外铺丝的优选情况下)。

更进一步，横向展宽机构包括沿所述预浸料带运动方向布置的多道弧形辊19-1，及驱动各弧形变形辊19-1的转动的弧形辊驱动装置19-2。

在张力作用下，单向预浸料带经过变形后产生一定的横向变形，实现预浸料带的横向展宽。横向展宽机构能够在线对预浸料带的宽度进行调整，实现90/±45度铺层中，随半径增大而所需的预浸料带宽度变化进行补偿，极大程度上提高上述复杂结构的成型质量和成型效率。

各弧形辊19-1宜采用弧形对辊的结构形式，具备良好的定型效果。

二弧形对辊中的各弧形单辊宜采用内弧形架套设外柔性辊面的结构，内弧形架与外柔性辊面之间配置多道轴承。

多道弧形辊19-1在预浸料带运动方向上弧度渐增。

预浸料带在一定张力作用下经多级弧形辊19-1逐步展宽，以实现对随半径增大的间隙进行补偿。

本发明提供的环框复合材料制件铺丝装备还包括

用于计量预浸带长度的计长传感器15。计长传感器15配置于所述预浸料带筒11；

本发明提供的环框复合材料制件铺丝装备还包括与计长传感器15、压实机构的驱动机构、夹持机构的驱动机构、转台1的驱动机构、预浸料带切刀17的控制机构均信号连接的处理器8。

处理器宜采用umac多种控制器，上位机实现数据存储、运动规划等。

实际工作过程中，根据铺层设计要求，设计相应的铺丝程序，选择工作的铺丝头，以完成环框复合材料制件的制造。

进一步，本发明提供的环框复合材料制件铺丝装备还包括与处理器8信号连接的铺丝质量检测机构。

另一方面，本发明还提供环框复合材料制件铺丝装备的工作方法，包括0度铺丝工序、非0度铺丝工序、及转台位置调整步骤；

其中，非0度铺丝工序顺次包括如下构成循环的步骤：

预浸料带预送步骤；预浸料带筒11、离型纸回收筒13及计长传感器15配合预送设定长度的预浸料带，

预浸料带夹持切割步骤；压实机构的底部压块20-1将预浸料带末端压实于环框模具21表面一侧，夹持辅助压辊18-2与夹持辅助辊18-1贴紧实现预浸料带顶端的夹持，预浸料带切刀17完成预浸料带的切割，

预浸料带铺丝压实步骤；压实辊20-2将预浸料带铺丝压实于环框模具21轮廓表面，底部压块20-1离开环框模具21表面，

重复预浸料带预送步骤；

转台位置调整步骤；提供环框模具21于多个工位中流转作业的功能，和或提供执行铺丝工序时环框模具21的位置移动。

其中，预浸料带铺丝压实步骤中，压实辊20-2将预浸料带铺丝压实于环框模具21轮廓表面，包括，压实辊20-2铺丝预浸料带于环框模具21轮廓表面，夹持机构随着铺丝不断进行向下运动，当预浸料带夹持机构达到下限位时，夹持机构放弃夹持并复位，剩余自由段的预浸料带在压实辊20-2的作用下继续压实于环框模具21轮廓表面。

夹持机构放弃夹持，在夹持辅助压辊18-2采用气动机构的情况下，可以选择气缸排气以实现放弃夹持。

在具有展宽装置的实施例中，铺丝工序还包括预浸料带铺丝压实步骤之前的横向展宽步骤；

根据不同位置所需的预浸料带宽度，选择预浸料带横向展宽机构工作时机，对预浸料带进行横向展宽；

本发明提供的铺丝方法，90和±45度铺层采用自动铺带的方式，通过预切割、横向变形、热压铺丝的工艺进行宽幅预浸料带(如150mm)的铺贴。

工作时，转台1做圆周运动，0度铺层各子铺丝头协同工作，完成z形环框的0度铺层铺叠。而非0度铺丝头的铺层铺叠流程如图9所示。

在热隔膜成型工艺中，现有的平板叠层以曲率变化方式发生形变时，会发生预浸料带层间的滑移形变，纤维褶皱。成型工艺对如z形环框构件来说，其阴角处的成型效果也不理想。此外，该成型工艺并不适合厚层板，在热隔膜基础上发展而来的模压变形成型工艺将热隔膜的真空负压转换成了机械压力，适用于厚层板的变形。但是对于z形环框这种具有双曲特征的构件来说，其截面尺寸是变化的，采用平板-变形-附形的工艺时，必然会引起多余材料的堆积和纤维的褶皱。本申请提供的框形结构的自动化成型设备对各成型工段提供独立的铺丝头，结合整体的操作工艺，较好地解决了上述技术问题。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本申请有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本申请的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。