CN101652237B - 带柔性纤维输送管的纤维施加机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用复合材料来制造部件的纤维施加机，其包括：用于移动纤维施加头的系统；纤维储存装置；和用于将纤维从所述储存装置输送到施加头的装置。所述输送装置包括将储存装置连接到施加头的柔性管，每根柔性管设置有至少一个矩形横截面的纵向柔性板条(42)，所述柔性板条布置为基本平行于收纳在柔性管的内部通道(412)中的纤维(F)的传送平面。

Description

带柔性纤维输送管的纤维施加机
技术领域
本发明涉及一种用复合材料来制造部件的纤维施加机，尤其涉及一种纤维输送装置，该纤维输送装置特别用于在纤维储存装置和施加头之间输送纤维的这类机械。
背景技术
已有公知的纤维施加机，通常被称为是纤维铺放机，其将由浸渍了树脂的许多带状扁平纤维，特别是浸渍了热固树酯或热塑树脂的碳纤维组成的宽纤维带施加到一模具上。这些纤维施加机包括：用于移动纤维施加头的系统；纤维储存装置；和用来将纤维从所述储存装置输送到施加头的纤维输送装置，所述施加头包括施料辊和用于将纤维引导到所述施料辊上的装置，施料辊设计为接触模具以施加宽纤维带。
输送装置通常由设置在龙门型移动系统的不同轴上的多个带轮构成。由纤维筒子架构成的储存装置也设置在移动系统中且距铺放头尽可能的近。这些不同的内装式元件是笨重的，并且限制了纤维施加速度。由于空间要求和不同轴的有限行程，这些纤维施加机不能将纤维铺放在小尺寸部件中或者某些阴模上。
在专利文件WO2006/092514中，提出了一种方案：使用由将储存装置连接至施加头的柔性管所构成的输送装置，每根柔性管能够将一根纤维收纳在其内部通道中。柔性管的两端经由上游和下游锚定装置分别锚定到施加头和储存装置上，而且柔性管具有足够的长度和弹性，从而不会限制施加头移动系统的运动。
这种柔性管构成了设计简单的输送装置，其不会占据太多空间并且降低了成本，使得能够获得高移动速度；远距离放置移动系统储存装置；去除了用于纤维筒管的电动松弛恢复系统；将纤维与外界隔离；简化了施加头移动系统，特别是利用了这种诸如六轴机器人型多关节臂的移动系统。如前述的专利文件中详述的，这些柔性管有利的是与张力限制系统结合，该张力限制系统能够对来自储存装置中的纤维施加张应力，从而限制了施料辊处纤维的卷带张力。
但是，由于柔性管的过度弯曲和/或柔性管中纤维的过度摩擦，这些柔性管不能防止纤维在机器人某些移动期间的翻转。
发明内容
本发明的目的是提供一种克服上述缺点的纤维施加机，其设计简单并且所需空间小，同时能保证有效的纤维输送。
为此，本发明的目的是提供一种纤维施加机，其包括：
-用于移动纤维施加头的系统，其包括施料辊和将纤维引导到所述施料辊上的装置，
-纤维储存装置，及
-用于将纤维从所述储存装置输送到施加头的纤维输送装置，所述输送装置包括将储存装置连接到施加头的柔性管，每根柔性管能够将一根纤维收纳在其内部通道中，柔性管的两端通过上游和下游锚定装置分别锚定到施加头和储存装置上，
所述纤维施加机的特征在于，每根柔性管装有至少一个具有矩形横截面的纵向柔性板条，板条遍布柔性管的全长并且以基本遍布柔性管全长的方式与柔性管形成一体，所述柔性板条布置为基本平行于收纳在柔性管的内部通道中的纤维的传送平面。
根据本发明，每根柔性管装有柔性板条，柔性板条限制或防止了柔性管在板条平面内的横向弯曲，这使得消除了或者至少限制了纤维在与板条平行的柔性管的内部通道中翻转的隐患。柔性管可以在垂直于板条平面的方向上发生弯曲运动和扭曲运动，以允许纤维铺放头在所有方向上移动。
根据一个实施例，所述柔性板条由金属制成，并且与由塑性材料制成的柔性管形成一体，柔性管优选由高密度聚乙烯制成，更好的是由抗静电的高密度聚乙烯制成。柔性板条可以使用装配装置，例如依靠胶粘带结合在柔性管的外表面上。作为一个变型例，将柔性板条嵌入柔性管的管壁中，例如当压制柔性管时将板条嵌入管壁中。
有利的是，所述柔性管具有矩形横截面，柔性板条沿着柔性管的两个大尺寸侧面之一放置。
有利的是，所述输送装置还包括流化装置，当纤维在柔性管的内部通道中传送时，所述流化装置能够将纤维流体化。根据一个实施例，所述流化装置包括喷气装置，所述喷气装置在其下游端部处能够向每根柔性管的内部通道中喷射空气或者任何其它类型的气体，以便在纤维传送的方向上产生气流。所述气流优选是经调节温湿度的，换句话说其温度和/或湿度受到控制，而且经过净化以避免对纤维造成污染。流化装置也可以包括能够使所述柔性管振动的振动装置。有利的是，所述流化装置安装在上游锚定装置上。
通过共用上游锚定装置和共用下游锚定装置将柔性管的端部分别锚定到施加头和储存装置上，使柔性管优选锚定成至少一排，以收纳和递送呈层形式的纤维。
例如，所述共用上游锚定装置和共用下游锚定装置各自包括两个相互结合的板子，而且装有板条的柔性管基本边对边地成排夹在两个板子之间，两个板子通过减振型柔性连接器装配到纤维施加机上。
根据一个实施例，纤维施加机在施加头和储存装置之间包括至少一个张力限制系统以向纤维施加一个张应力，从而限制在施加头处纤维的卷带张力，所述柔性管包括第一部分和第二部分，第一部分的两端通过第一共用上游锚定装置和第一共用下游锚定装置分别锚定到储存装置和限制系统上，第二部分的两端通过第二共用上游锚定装置和第二共用下游锚定装置分别锚定到限制系统和纤维施加头上。
移动系统能够在相互垂直的至少三个方向上移动施加头。有利的是，所述移动系统包括机器人，该机器人包括肘端或多关节臂，所述施加头安装在肘端或多关节臂的端部。
在纤维卷装成筒管形式的情况下，纤维储存装置可以包括纱架，和/或在纤维呈捆或盒的形式的情况下，纤维储存装置可以包括搁物架。例如在标准固定机器人的情况下，这些储存装置可以放置在地板上，或是安装于移动系统的元件上，例如安装于在机器人的线性轴上滑动的从动滑动架上。
附图说明
通过以下结合附图对本发明一个当前特定优选实施例的详细的解释说明，可以更好地理解本发明，而且本发明的其它目的、细节、特征和优势将变得更清晰，其中：
图1是根据本发明的铺放机的图解侧视图；
图2和图3分别是根据本发明的柔性输送管的局部立体图和剖视图；
图4是上游柔性管锚定系统的图解立体图；以及
图5是图4中上游锚定系统沿V-V面的截面图。
具体实施方式
参照图1，铺放机包括：移动系统1，其由活动地安装在线性轴12上的公知的六轴机器人型多关节臂11形成；以及施加头2，其安装在多关节臂11的端肘11a处；纤维储存装置3；输送装置4A、4B，其用于将纤维从所述储存装置输送到施加头；和至少一个张力限制系统9。
多关节臂11通过其底座112锚定到滑动架13上，滑动架13安装为可在线性轴12上滑动，所述线性轴由锚定到地板上的两个平行导轨121组成。滑动架装有驱动装置，驱动装置例如是电动滚子类型，驱动装置受到一沿着这些导轨移动铺放头的控制单元的自动控制。
纤维施加头2也称为纤维铺放头，在某种公知的程度上，其包括施料辊21，施料辊21能够接触模具，从而施加由若干根预浸渍树脂的纤维形成的纤维带。
所述纤维施加机设置为用于施加纤维，例如卷装成筒管形式的碳纤维类型F的纤维。储存装置由附图中的附图标记3所示的用来收纳纤维筒管的纱架组成。每个筒管安装在纱架的心轴上，有利的是，每个筒管装有自动制动系统，该自动制动系统受闭环的自动控制，起到拉紧纤维的功能，如专利文件EP 697990中所描述的。纱架还安装在随动滑动架31上，滑动架31放置在导轨121上且机械连接到承载机器人的滑动架13上。
如前述专利文件WO2006/092514中所详细描述的，一个或多个张力限制系统包括了一组电动的平行的圆柱体，纤维在这些圆柱体上面移动但不会完全绕其移动，所述张力限制系统可以设置在纱架和施加头之间以减少施料辊处的纤维张力。在本实施例中，张力限制系统9安装在机器人的多关节臂上。
纤维施加机包括：用于依照程序序列控制机器人的移动的控制单元(未示出)；纤维铺放头；特别是独立的切割系统和重送系统的起重器；以及张力限制系统。用于控制铺放头的电力的、气动的和/或液压的回路沿机器人臂布置在从铺放头延伸至控制单元的一导管(未示出)上。
输送装置包括如前述专利文件中所述的柔性管，但是根据本发明，每根柔性管装有柔性的硬化板条。
纤维在柔性管中从纱架3到纤维铺放头2单独输送。纤维通过被称为第一管子的第一柔性管部分，然后通过被称为第二管子的第二柔性管部分，第一柔性管部分的两端通过第一共用上游锚定系统5a和第一共用下游锚定系统5b分别锚定到纱架3和限制系统9上；第二柔性管部分的两端通过第二共用上游锚定系统5′a和第二共用下游锚定系统5′b分别锚定到限制系统和纤维铺放头上。多个第一管子和多个第二管子分别捆束形成图1中附图标记4A和4B所示的第一和第二管束。一个或多个环7将这些第一和第二管子捆束在一起，所述环防止管子相互分离但是允许管子相对于彼此纵向移动。
参考图2和图3，每根柔性管41具有矩形横截面的管壁411，管壁411具有两个小侧面411a和两个大侧面411b。每根柔性管在外表面上装有一柔性的金属板条42，金属板条42也被称为金属薄片。金属板条装配为紧贴外层的大侧表面411b，板条遍布大约柔性管的全长，板条的宽度小于或等于大侧面的宽度，优选地是小于大侧面的宽度。金属板条的装配是依靠将胶粘带43以螺旋方式缠绕在柔性管和柔性板条上以使金属板条平贴于柔性管上来实现的。保护护套44覆盖由柔性管、板条和胶粘带构成的单元，保护护套44例如由织物制成。这样，装有板条且覆盖有护套的柔性管由附图标记4表示。
每根柔性管设计为在其具有矩形横截面的内部通道412中收纳一根扁平的纤维F，纤维F基本平行于柔性管的大侧面，因此而平行于金属板条。金属板条防止柔性管在板条平面内的任何横向弯曲，但却允许柔性管在垂直于板条平面的方向上的纵向弯曲和柔性管的扭曲。在机器人移动以进行纤维铺放操作期间，柔性管会因垂直于板条平面的弯曲和/或扭曲而变形，以使纤维F保持完全平展且平行于金属板条。
作为一个实例，为了输送6.35mm宽度的纤维，柔性管具有8×2mm的内部矩形截面，壁厚是1mm，换句话说其具有10×4mm的外部截面。柔性管由适合于传送纤维的柔性聚合物材料制成，这样不会损坏纤维，不会使纤维带静电，几乎不产生摩擦，耐磨损且具有良好的耐疲劳性和耐反复弯曲性。例如，柔性管由具有抗静电添加剂的天然高密度聚乙烯(PEHD)制成。在没有金属板条的情况下，这些柔性管可能会横向弯曲。金属板条宽约5mm，厚约0.5mm.
作为一个变型例，金属板条嵌入柔性管壁的大侧面一定厚度。在另一个实施例中，根据本发明的柔性板条构成了柔性管的两个大侧面中的一个大侧面，例如所述柔性管由两种不同材料混合挤压而成，其中一种材料形成了所述柔性板条。
图4和图5是用于将第二管子锚定到限制系统上的第二上游锚定系统5′a的立体图和剖视图。该上游锚定系统5′a包括两个被称为上板51和下板52的金属板，上板51和下板52相互结合以卡在一起，基本边对边成一排，柔性管4的尾部(end part)40a装有板条。在两个板之间限定了用以收纳柔性管的尾部40a的导槽53，该导槽从板的前缘51a，52a延伸到板的后缘51b，52b。每个板包括一横向凹槽，在该横向凹槽中容纳一用弹性体材料制成的块体54。当两板装配好时，两块体相互对置且在导槽53中稍微突出，以使柔性管卡在两个块体之间。柔性管41的端缘41a与板的后缘51b，52b对齐且齐平，安装在板上的聚四氟乙烯孔55与柔性管的端缘相对以使纤维易于进入管子。
在所示的实施例中，锚定系统允许锚定一排16根柔性管以收纳从张力限制系统引出的一层16根纤维。锚定系统的安装是通过将其下板安装在张力限制系统上，以使柔性管的末端边缘放置得与限制系统的输出带轮91相对。
为了改善纤维在柔性管中的滑动，从而保证其顺畅的输运，锚定系统5′a装有流化装置，使得当纤维在柔性管中传送时能够使纤维流体化。上板51包括在块体54上游从导槽53中引出的的一组导槽511。柔性管的尾部40a安装在两个板之间，且其板条42紧贴下板放置，所述尾部在块体上游不具有板条和护套44。每根柔性管装有与导槽511相对布置的开口413，以使柔性管的每个内部通道412露出在导槽上，柔性管在所述开口处不设有胶粘带。这些导槽511通过图4和图5中局部示出的连接至压缩空气源(未示出)的导管61单独供给有经调节温湿度的压缩空气，并且这些导槽定向为在柔性管的内部通道中形成由上游至下游的气流。为了运送预浸纤维，这些纤维的粘性随温度而减小，有利的是将干冷空气喷入柔性管中。
为了补充气流，在下板上安装一公知的振动系统62，当纤维传送时使得第二管子单元振动。然后将锚定系统通过减振型柔性连接器56结合到限制系统上，以防止振动传递到限制系统。
与纱架结合的第一上游锚定系统5a与结合图4和图5所描述的第二上游锚定系统5′a相同，因此第一上游锚定系统5a也包括振动系统和喷气装置。下游锚定系统5b和5′b与上游锚定系统的不同之处在于，下游锚定系统5b和5′b不包括喷气导槽或者振动系统。但是，下游锚定系统5b和5′b通过柔性连接器结合到纤维铺放头和限制系统上。
在铺放头和/或张力限制系统设置为收纳两层纤维的情况下，柔性管明显可以在端部结合成两排，例如利用两个叠放的锚定系统。
例如，可以在纱架输出端和/或施加头输入端中设置另外的限制系统，该限制系统起到作为输送管和纤维类型的一段的功能，然后将柔性管部锚定到这些另外的限制系统上。
虽然已经结合不同的特定实施例描述了本发明，但很清楚的是，本发明决不是限制在这些特定的实施例内，而是包括所描述装置的所有技术等同装置及其组合，只要它们落入本发明的框架内。

Claims (10)

1.一种纤维施加机，其包括：用于移动纤维施加头的系统；纤维储存装置；和用于将纤维从所述储存装置输送到施加头的纤维输送装置，所述输送装置包括将储存装置连接到施加头的柔性管，每根柔性管能够将一根纤维收纳到其内部通道中，柔性管的两端通过上游和下游锚定装置分别锚定到施加头和储存装置上，所述纤维施加机的特征在于，每根柔性管(41)装有至少一个矩形横截面的纵向柔性板条(42)，所述柔性板条遍布柔性管的全长，并且以基本遍布柔性管全长的方式与柔性管形成一体或装配在柔性管的外表面上，所述柔性板条布置为基本平行于收纳在柔性管的内部通道(412)中的纤维(F)的传送平面。
2.如权利要求1所述的纤维施加机，其特征在于，所述柔性板条(42)由金属制成，并且与由塑性材料制成的柔性管形成一体。
3.如权利要求1所述的纤维施加机，其特征在于，所述柔性板条(42)通过装配装置(43)结合在柔性管(41)的外表面上。
4.如权利要求1所述的纤维施加机，其特征在于，所述柔性管(41)具有矩形横截面，所述柔性板条沿着柔性管的两个大尺寸侧面(411b)之一放置。
5.如权利要求1所述的纤维施加机，其特征在于，所述输送装置还包括流化装置(61，62)，当纤维在柔性管(41)的内部通道(412)中传送时，所述流化装置(61，62)能够将纤维流体化。
6.如权利要求5所述的纤维施加机，其特征在于，所述流化装置包括喷气装置(61)，所述喷气装置能够向每根柔性管的内部通道(412)中喷射空气，以便在纤维传送的方向上产生气流。
7.如权利要求5所述的纤维施加机，其特征在于，所述流化装置包括能够使所述柔性管振动的振动装置(62)。
8.如权利要求5所述的纤维施加机，其特征在于，所述流化装置(61，62)安装在上游锚定装置(5a，5′a)上。
9.如权利要求1所述的纤维施加机，其特征在于，多个柔性管(41)通过共用上游锚定装置(5a，5′a)和共用下游锚定装置(5b，5′b)锚定成至少一排。
10.如权利要求9所述的纤维施加机，其特征在于，所述纤维施加机在施加头(2)和储存装置(3)之间包括至少一个张力限制系统(9)以向纤维(F)施加张应力，所述柔性管包括第一部分(4A)和第二部分，第一部分(4A)的两端通过第一共用上游锚定装置(5a)和第一共用下游锚定装置(5b)分别锚定到储存装置和限制系统上；第二部分的两端通过第二共用上游锚定系统(5′a)和第二共用下游锚定系统(5′b)分别固定在限制系统和纤维施加头上。
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