本发明涉及一种复合材料铺放设备及工艺，具体涉及一种复合材料网格构件自动铺放头及铺放方法。
背景技术：
复合材料网格构件具有高比刚度、高强度、抗振等特点，被广泛应用于航空航天、车辆、医学和武器装备等领域。虽然复合材料网格构件性能较金属材料更优异，但其制造难度更大且成本更高。目前复合材料网格构件的制造技术有自动纤维缠绕、树脂模塑传递成型、3d打印和自动铺放技术。自动铺放技术具有高效率、高质量和低废料率等工艺特点，特别适用于复杂网格构件的成型。我国复合材料网格构件的自动铺放设备与国外仍有较大差距，对于网格构件的自动铺放设备研究较少。
国内复合材料网格构件的自动铺放设备研究较少。网格构件铺放要求压辊能够伸进模具的沟槽，以防加强肋倾倒。这不仅要求压辊的宽度可根据凹槽宽度选择，还要求能灵活控制压辊的角度，而常见网格构件铺放头未考虑到这一点。常见的网格构件铺放头多采用滚轮进行重送，该机构在重送过程中易发生预浸料在丝束通道中的堵塞；此外由于该机构需要重送电机提供动力，而重送电机会导致铺放头的体积变大。当采用多铺放头进行同时铺放时，肋条的间距会受到网格铺放头结构尺寸的限制，限制网格结构的设计空间。常见的网格铺放头，夹紧、剪切机构需要借助导丝槽，会对预浸料送料造成一定干涉。
技术实现要素：
本发明是为克服现有技术不足，提供一种复合材料网格构件自动铺放头及铺放方法，该铺放头保证了铺放时压辊可垂直于铺放平面，丝束重送时不堵塞，夹紧和剪切机构独立设计，不占用丝束通道。铺放方法可改善复合材料网格构件交叉点的质量。
本发明的技术方案是：
一种复合材料网格构件自动铺放头，包括剪切机构、夹紧机构、重送机构和丝束引导组件；还包括压紧气缸、连接架和平衡调节机构，所述重送机构包含旋转气缸、工作压辊、辅助压辊和支撑架；旋转气缸的活塞杆端部与支撑架转动连接，支撑架与连接架转动连接，连接架与压紧气缸的活塞杆连接，压紧气缸的缸体与现有设备连接，工作压辊和辅助压辊间隔布置且均可转动地设置于支撑架上，间隔区域内布置有安装于支撑架上的相互贴靠的夹紧机构和剪切机构，剪切机构设置在夹紧机构和工作压辊之间，丝束引导组件设置在连接架和支撑架上以引导丝束通过辅助压辊并被固定于夹紧机构；所述平衡调节机构设置在重送机构的上方，所述平衡调节机构包含调节杆、连接杆和定位元件，调节杆可滑动地设置在连接架上，调节杆的两端分别套设在安装于连接架上的两个连接杆上，调节杆的位置由设置于连接杆上的定位元件定位，旋转气缸的缸体可转动地设置在调节杆上。
一种复合材料网格构件自动铺放头铺放丝束的方法，包括：初始状态，预浸料丝束从收卷盘引出，经过导轮一、导轮二和导丝槽送料，使得预浸料丝束被传送到位于导丝槽下方的辅助压辊处，旋转气缸的活塞杆伸出，辅助压辊下落在工作台上，预浸料丝束被夹紧机构夹紧，工作时，夹紧气缸工作，活塞杆收回拉动驱动块和挤压轴承向上运动，夹紧块则在复位弹簧的作用力下复位，预浸料丝束被释放，通过辅助压辊压实一段距离后，旋转气缸的活塞杆收缩，使得支撑架旋转，辅助压辊升起，工作压辊下落在工作台上，预浸料丝束在工作压辊的作用下铺放，实现在拉力作用下被动送丝，铺放到指定位置后，夹紧气缸工作，活塞杆伸出推动驱动块向下运动，挤压轴承推动夹紧块转动，当驱动块下底面和夹紧块上表面紧密贴合时，预浸料丝束被夹紧，同时，剪切气缸工作，活塞杆伸出推动刀片支架及切刀向下运动，切刀紧靠夹紧机构出口，瞬间将预浸料丝束切断，然后，旋转气缸再工作将活塞杆伸出，使得支撑架旋转，工作压辊升起，辅助压辊下落在工作台上，夹紧气缸再工作将活塞杆收回，拉动驱动块和挤压轴承向上运动，夹紧块则在复位弹簧的作用力下复位，预浸料丝束被释放，通过辅助压辊压实一段距离后，旋转气缸的活塞杆再收缩，使得支撑架旋转，辅助压辊升起，而工作压辊下落在工作台上，预浸料丝束在工作压辊的作用下铺放，如此反复，可使得预浸料丝束被送至指定位置并进行重送，完成复合材料丝束铺放。
本发明相比现有技术的有益效果是：
一、本发明集重送、夹紧、剪切、平衡调节、施压等功能于一体的复合材料网格构件的自动铺放。
二、重送机构为可切换式，以旋转气缸为动力源，支撑架可旋转，工作压辊和辅助压辊位置能切换，可将预浸料丝束自动送至工作压辊，采用拉力为预浸料丝束重送的动力，避免了滚轮式重送方式导致预浸料在导丝槽中的堵塞问题。
三、引入平衡调节机构，通过调整调节杆在连接架上的位置，来调整两个压辊的角度，以保证工作压辊和辅助压辊在铺放预浸料丝束的过程中能够垂直于铺放平面，并能顺利进入凹槽，以及旋转气缸在铺放过程中不受偏轴力或偏心力矩。
四、无需重送电机，减少了电机影响铺放头的横向宽度，横向体积缩小，有利于多网格铺放头协同工作，适合多铺放头铺放预浸料。
五、夹紧机构和剪切机构独立设计，位于辅助压辊与工作压辊之间，不占据丝束通道，克服了现有夹紧、剪切机构占用送料通道等问题，避免对送料过程的干涉。
六、利用本发明的铺放头铺放丝束的方法，可使得预浸料丝束被送至指定位置并进行重送，可改善复合材料网格交叉点的质量。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
图1为从一个方向看的本发明的复合材料网格构件自动铺放头的结构图；
图2为从另一个方向看的本发明的复合材料网格构件自动铺放头的结构图；
图3为本发明的复合材料网格构件自动铺放头的内部结构图；
图4为重送机构的示意图；
图5为平衡调节机构的示意图；
图6为夹紧机构的示意图；
图7为剪切机构的示意图；
图8为丝束引导组件的示意图。
具体实施方式
参见图1-图5所示，本实施方式的一种复合材料网格构件自动铺放头，它包括剪切机构1、夹紧机构2、重送机构3和丝束引导组件4；还包括压紧气缸5、连接架6和平衡调节机构7，所述重送机构3包含旋转气缸3-1、工作压辊3-2、辅助压辊3-3和支撑架3-4；旋转气缸3-1的活塞杆端部与支撑架3-4转动连接，支撑架3-4与连接架5转动连接，连接架6与压紧气缸5的活塞杆连接，压紧气缸5的缸体与现有设备连接，工作压辊3-2和辅助压辊3-3间隔布置且均可转动地设置于支撑架3-4上，间隔区域内布置有安装于支撑架3-4上的相互贴靠的夹紧机构2和剪切机构1，剪切机构1设置在夹紧机构2和工作压辊3-2之间，丝束引导组件4设置在连接架6和支撑架3-4上以引导丝束通过辅助压辊3-3并被固定于夹紧机构2；
所述平衡调节机构7设置在重送机构3的上方，所述平衡调节机构7包含调节杆7-1、连接杆7-2和定位元件7-3，调节杆7-1可滑动地设置在连接架6上，调节杆7-1的两端分别套设在安装于连接架6上的两个连接杆7-2上，调节杆7-1的位置由设置于连接杆7-2上的定位元件7-3定位，旋转气缸3-1的缸体可转动地设置在调节杆7-1上。
进一步地，为了保证工作的可靠性，连接架6为两个连接夹板6-1之间通过平衡调节机构7连接，两个连接夹板6-1通过两个u形板6-2连接在一起，行程具有布置旋转气缸3-1的通道。丝束引导组件4与连接架6和支撑架3-4相连，可将预浸料引导至辅助压辊3-3或者工作压辊3-2上，重送机构3由一端连接在两个连接夹板6-1的旋转气缸3-1控制，通过旋转气缸3-1伸缩切换控制辅助压辊3-3和重送压辊3-2的工作状态，实现预浸料重送；夹紧机构2位于辅助压辊3-3和剪切机构1之间，实现预浸料夹紧，并在夹紧结束后可复位；剪切机构1位于夹紧机构2与工作压辊3-2之间，实现预浸料剪切，并在剪切结束后回退；平衡调节机构7连接于两个连接夹板6-1上，实现两个压辊方向的调节，
如图4所示，对于重新机构3来说，具体的是支撑架3-4由两个支撑夹板3-4-1组成，工作压辊3-2通过工作压辊轴3-5及其上的轴承可转动地安装在两个支撑夹板3-4-1上，辅助压辊3-3通过辅助压辊轴3-9及其上的轴承可转动地安装在两个支撑夹板3-4-1上，而两个支撑夹板3-4-1通过旋转轴3-7及其上的轴承可转动地安装在两个连接夹板6-1上，两个支撑夹板3-4-1通过位于旋转轴3-7上的定位套筒3-6相隔设置，旋转气缸3-1的活塞杆端部与圆柱轴3-11上布置的可转动的轴套筒3-10连接，圆柱轴3-11与两个支撑夹板3-4-1相连。
如图5所示，可选地，在两个连接夹板6-1上设置腰型孔，调节杆7-1两端滑动设置在腰型孔内，其两端套设在连接杆7-2上，连接杆7-2为螺杆，螺杆上设置的定位元件7-4为螺母。螺杆的两端也通过螺母固定在连接夹板6-1上的两个支板6-1-1上。为了保证调节杆7-1调节的可靠性，进一步地确保旋转气缸3-1在铺放过程中不受偏轴力或偏心力矩，在腰型孔下方连接夹板6-1上开设定位孔6-1-2，定位孔6-1-2可作为调节平衡的参照，旋转气缸3-1的平衡调节效果最好，两个压辊在铺放纤维过程中能够垂直于铺放平面。试验分析，调节杆7-1轴心和定位孔6-1-2的轴心在竖向位于同一直线，效果较好。旋转气缸3-1缸体与套设于调节杆7-1上可转动的调节套筒7-4连接。压紧气缸5工作时，对连接架6及支撑架3-4的作用可实现铺放压力的控制。
图6所示是夹紧机构的具体结构，所述夹紧机构2包含夹紧气缸2-1、固定支架2-2、挤压轴承2-3、驱动块2-4、夹紧块2-5和复位弹簧2-6；固定支架2-2安装在支撑架3-4上，夹紧气缸2-1的缸体安装在固定支架2-2上，夹紧气缸2-1的活塞杆端部安装有驱动块2-4上，挤压轴承2-3安装在驱动块2-4上，夹紧块2-5可转动地设置在固定支架2-2上，复位弹簧2-6的两端分别与夹紧块2-5和固定支架2-2连接，夹紧气缸2-1的活塞杆伸出时挤压轴承2-3能顶压夹紧块2-5转动，实现夹紧块2-5与驱动块2-4闭合。
夹紧气缸2-1工作，夹紧气缸2-1的活塞杆收回拉动驱动块2-4和挤压轴承2-3向上运动，夹紧块2-5则在复位弹簧2-6的作用力下复位，预浸料丝束被释放；夹紧气缸2-1的活塞杆伸出推动驱动块2-4向下运动，挤压轴承2-3推动夹紧块2-5转动，当驱动块2-4下底面和夹紧块2-6上表面紧密贴合时，预浸料丝束被夹紧。可选地，固定支架2-2可分为夹紧气缸架2-2-1和弹簧架2-2-2，弹簧架2-2-2固定在夹紧气缸架2-2-1上，夹紧气缸架2-2-1固定在支撑夹板3-4-1上，夹紧块2-5可转动地设置在弹簧架2-2-2上，复位弹簧2-6两端分别与夹紧块2-5和弹簧架2-2-2连接。夹紧气缸2-1可采用双气缸。
图7所示的是剪切机构的具体结构，所述剪切机构1包含剪切气缸1-1、刀片支架1-2、导向块1-3和切刀1-4，剪切气缸1-1的缸体与固定支架2-2连接，剪切气缸1-1的活塞杆与刀片支架1-2连接，切刀1-4安装在刀片支架1-2上，刀片支架1-2沿安装于固定支架2-2上的导向块1-3侧面往复移动。初始时，剪切气缸1-1的活塞杆缩回，剪切气缸1-1工作时，剪切气缸1-1的活塞杆伸出推动刀片支架1-2及切刀1-4向下运动，切刀1-4紧靠夹紧机构出口，瞬间将预浸料丝束切断。由图1可知，剪切机构1和夹紧机构2相贴靠设置，如此设置二者协同工作，高效可靠。切刀1-4采用斜刃并借助夹紧机构2的位置，以保证断口的平整。
图8所示的是丝束引导组件的结构，所述丝束引导组件4包含导轮一4-1、导轮二4-2和导丝块4-3；导轮一4-1可转动地设置在连接架6上，导轮二4-2可转动地设置在支撑架3-4上，导丝块4-3安装在支撑架3-4上，导丝块4-3底面设置有导丝槽4-3-0，辅助压辊3-3布置在导丝槽4-3-0的下端。导轮一4-1和导轮二4-2和导丝槽4-3-0用于将预浸料丝束准确送至辅助压辊3-3或工作压辊3-2上。
如图1-图8所述，另一个实施方式还提供一种利用复合材料网格构件自动铺放头铺放丝束的方法，所述方法包含：初始状态，预浸料丝束从收卷盘引出，经过导轮一4-1、导轮二4-2和导丝槽4-3-0送料，使得预浸料丝束被传送到位于导丝槽4-3-0下方的辅助压辊3-3处，旋转气缸3-1的活塞杆伸出，辅助压辊3-3下落在工作台上，预浸料丝束被夹紧机构2夹紧，工作时，夹紧气缸2-1工作，活塞杆收回拉动驱动块2-4和挤压轴承2-3向上运动，夹紧块2-5则在复位弹簧2-6的作用力下复位，预浸料丝束被释放，通过辅助压辊3-3压实一段距离后，旋转气缸3-1的活塞杆收缩，使得支撑架3-4旋转，辅助压辊3-3升起，工作压辊3-2下落在工作台上，预浸料丝束在工作压辊3-2的作用下铺放，实现在拉力作用下被动送丝，铺放到指定位置后，夹紧气缸2-1工作，活塞杆伸出推动驱动块2-4向下运动，挤压轴承2-3推动夹紧块2-5转动，当驱动块2-4下底面和夹紧块2-6上表面紧密贴合时，预浸料丝束被夹紧，同时，剪切气缸1-1工作，活塞杆伸出推动刀片支架1-2及切刀1-4向下运动，切刀1-4紧靠夹紧机构出口，瞬间将预浸料丝束切断，然后，旋转气缸3-1再工作将活塞杆伸出，使得支撑架3-4旋转，工作压辊3-2升起，辅助压辊3-3下落在工作台上，夹紧气缸2-1再工作将活塞杆收回，拉动驱动块2-4和挤压轴承2-3向上运动，夹紧块2-5则在复位弹簧2-6的作用力下复位，预浸料丝束被释放，通过辅助压辊3-3压实一段距离后，旋转气缸3-1的活塞杆再收缩，使得支撑架3-4旋转，辅助压辊3-3升起，而工作压辊3-2下落在工作台上，预浸料丝束在工作压辊3-2的作用下铺放，如此反复，可使得预浸料丝束被送至指定位置并进行重送，完成复合材料丝束铺放。辅助压辊3-3升起，起复合材料(如纤维)导轮的作用。复合材料送丝动力为铺放过程中的拉力，是一种被动送丝方式，能避免在复合材料(如纤维)通道中的堵塞问题。由于切换式重送方式，预浸料夹紧无法利用预浸料导丝通道，因此，设计了整体化的夹紧机构。压辊为系列化宽度的压辊，压辊的压力由压紧气缸5调控，在网格构件交叉点处可额外增加压力以加强交叉点区域的性能。在支撑夹板3-4-1处预留了加热机构的位置，可安装脉冲氙灯或红外热灯等对出丝口直接加热，满足热塑性复合材料及热固性复合材料的加工工艺。复合材料网格构件的自动铺放头采用了独立的导丝机构和压辊设计，铺放头的数目具有可拓展性。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。
1.一种复合材料网格构件自动铺放头，包括剪切机构(1)、夹紧机构(2)、重送机构(3)和丝束引导组件(4)；
其特征在于：还包括压紧气缸(5)、连接架(6)和平衡调节机构(7)，所述重送机构(3)包含旋转气缸(3-1)、工作压辊(3-2)、辅助压辊(3-3)和支撑架(3-4)；旋转气缸(3-1)的活塞杆端部与支撑架(3-4)转动连接，支撑架(3-4)与连接架(5)转动连接，连接架(6)与压紧气缸(5)的活塞杆连接，压紧气缸(5)的缸体与现有设备连接，工作压辊(3-2)和辅助压辊(3-3)间隔布置且均可转动地设置于支撑架(3-4)上，间隔区域内布置有安装于支撑架(3-4)上的相互贴靠的夹紧机构(2)和剪切机构(1)，剪切机构(1)设置在夹紧机构(2)和工作压辊(3-2)之间，丝束引导组件(4)设置在连接架(6)和支撑架(3-4)上以引导丝束通过辅助压辊(3-3)并被固定于夹紧机构(2)；
所述平衡调节机构(7)设置在重送机构(3)的上方，所述平衡调节机构(7)包含调节杆(7-1)、连接杆(7-2)和定位元件(7-3)，调节杆(7-1)可滑动地设置在连接架(6)上，调节杆(7-1)的两端分别套设在安装于连接架(6)上的两个连接杆(7-2)上，调节杆(7-1)的位置由设置于连接杆(7-2)上的定位元件(7-3)定位，旋转气缸(3-1)的缸体可转动地设置在调节杆(7-1)上。
2.根据权利要求1所述一种复合材料网格构件自动铺放头，其特征在于：所述夹紧机构(2)包含夹紧气缸(2-1)、固定支架(2-2)、挤压轴承(2-3)、驱动块(2-4)、夹紧块(2-5)和复位弹簧(2-6)；固定支架(2-2)安装在支撑架(3-4)上，夹紧气缸(2-1)的缸体安装在固定支架(2-2)上，夹紧气缸(2-1)的活塞杆端部安装有驱动块(2-4)上，挤压轴承(2-3)安装在驱动块(2-4)上，夹紧块(2-5)可转动地设置在固定支架(2-2)上，复位弹簧(2-6)的两端分别与夹紧块(2-5)和固定支架(2-2)连接，夹紧气缸(2-1)的活塞杆伸出时挤压轴承(2-3)能顶压夹紧块(2-5)转动，实现夹紧块(2-5)与驱动块(2-4)闭合。
3.根据权利要求2所述一种复合材料网格构件自动铺放头，其特征在于：所述剪切机构(1)包含剪切气缸(1-1)、刀片支架(1-2)、导向块(1-3)和切刀(1-4)，剪切气缸(1-1)的缸体与固定支架(2-2)连接，剪切气缸(1-1)的活塞杆与刀片支架(1-2)连接，切刀(1-4)安装在刀片支架(1-2)上，刀片支架(1-2)沿安装于固定支架(2-2)上的导向块(1-3)侧面往复移动。
4.根据权利要求1、2或3所述一种复合材料网格构件自动铺放头，其特征在于：所述丝束引导组件(4)包含导轮一(4-1)、导轮二(4-2)和导丝块(4-3)；导轮一(4-1)可转动地设置在连接架(6)上，导轮二(4-2)可转动地设置在支撑架(3-4)上，导丝块(4-3)安装在支撑架(3-4)上，导丝块(4-3)底面设置有导丝槽(4-3-0)，辅助压辊(3-3)布置在导丝槽(4-3-0)的下端。
5.根据权利要求4所述一种复合材料网格构件自动铺放头，其特征在于：所述连接杆(7-2)为螺杆，螺杆上设置的定位元件(7-4)为螺母。
6.一种利用权利要求4或5所述复合材料网格构件自动铺放头铺放丝束的方法，其特征在于：该方法包括：
初始状态，预浸料丝束从收卷盘引出，经过导轮一(4-1)、导轮二(4-2)和导丝槽(4-3-0)送料，使得预浸料丝束被传送到位于导丝槽(4-3-0)下方的辅助压辊(3-3)处，旋转气缸(3-1)的活塞杆伸出，辅助压辊(3-3)下落在工作台上，预浸料丝束被夹紧机构(2)夹紧，工作时，夹紧气缸(2-1)工作，活塞杆收回拉动驱动块(2-4)和挤压轴承(2-3)向上运动，夹紧块(2-5)则在复位弹簧(2-6)的作用力下复位，预浸料丝束被释放，通过辅助压辊(3-3)压实一段距离后，旋转气缸(3-1)的活塞杆收缩，使得支撑架(3-4)旋转，辅助压辊(3-3)升起，工作压辊(3-2)下落在工作台上，预浸料丝束在工作压辊(3-2)的作用下铺放，实现在拉力作用下被动送丝，铺放到指定位置后，夹紧气缸(2-1)工作，活塞杆伸出推动驱动块(2-4)向下运动，挤压轴承(2-3)推动夹紧块(2-5)转动，当驱动块(2-4)下底面和夹紧块(2-6)上表面紧密贴合时，预浸料丝束被夹紧，同时，剪切气缸(1-1)工作，活塞杆伸出推动刀片支架(1-2)及切刀(1-4)向下运动，切刀(1-4)紧靠夹紧机构出口，瞬间将预浸料丝束切断，然后，旋转气缸(3-1)再工作将活塞杆伸出，使得支撑架(3-4)旋转，工作压辊(3-2)升起，辅助压辊(3-3)下落在工作台上，夹紧气缸(2-1)再工作将活塞杆收回，拉动驱动块(2-4)和挤压轴承(2-3)向上运动，夹紧块(2-5)则在复位弹簧(2-6)的作用力下复位，预浸料丝束被释放，通过辅助压辊(3-3)压实一段距离后，旋转气缸(3-1)的活塞杆再收缩，使得支撑架(3-4)旋转，辅助压辊(3-3)升起，而工作压辊(3-2)下落在工作台上，预浸料丝束在工作压辊(3-2)的作用下铺放，如此反复，可使得预浸料丝束被送至指定位置并进行重送，完成复合材料丝束铺放。
技术总结