热塑性复合材料激光辅助加热原位成型装置及加工方法

技术领域

本发明涉及热塑性复合材料原位成型技术领域，具体涉及一种热塑性复合材料激光辅助加热原位成型装置及加工方法。

背景技术

航空航天领域应用的复合材料主要分为热固性复合材料与热塑性复合材料；虽然，连续纤维增强热固性复合材料应用较多，但由于其成型过程需在热压罐中进行固化，既降低了生产效率，也增加了制造成本；而且热压罐的成本随其体积的增加呈指数增长，故无法生产大尺寸的复合材料部件，极大限制了其应用。这使得连续纤维增强热塑性复合材料逐步成为航空航天装备制造领域的首选材料之一。

目前，由于采用自动铺缠成型方法制备的热塑性复合构件较传统热压成型方法制备的构件具有大量缺陷，其层间强度仅为传统方法的50％-90％，热塑性复合材料主要应用于非承力部件。因此，激光辅助加热热塑性复合材料预浸带的加热机理以及铺放过程中工艺参数对成型质量的影响还有待完善，需要对张力、辊压力、铺放角度、加热角度、加热温度等工艺参数进行精准调控，以提高铺放质量。

发明内容

本发明的目的在于，为热塑性复合材料成型加工的过程中，提供一种激光辅助加热原位成型装置，用以实现铺放角度的调整，提高铺放质量和铺放效率。

根据本发明目的的第一方面，提出一种热塑性复合材料激光辅助加热原位成型装置，包括连接板，以及安装在连接板上的送丝机构、张紧机构、重送机构、剪切机构、导向机构、导带机构、辊压冷却机构和加热机构；

所述送丝机构用于向铺放位置输送热塑性复合材料的预浸带；

所述重送机构位于送丝机构的出料口一侧，所述重送结构用于对预浸带形成夹持，并控制调节预浸带的输送速度；

所述张紧机构位于送丝机构与重送机构之间，所述张紧机构用于调节预浸带在输送过程中的张力；

所述导向机构用于将从重送机构中输送出的预浸带引入导带机构中；

所述剪切机构位于导向机构与重送机构之间，用于切断预浸带；

所述辊压冷却机构与加热机构之间设置有用于预浸带成型加工的铺设通道，所述加热机构用于对铺设通道内的预浸带实施加热，所述辊压冷却机构用于压紧预浸带，并对预浸带实施冷却；

其中，所述导带机构位于铺设通道的上方，且位于辊压冷却机构与加热机构之间，所述导带机构包括导带组件和角度调整板，所述导带组件的出料方向与用于铺放预浸带的加工面形成铺放角度，所述导带组件通过角度调整板安装在连接板上，所述角度调整板用于调节预浸带的铺放角度。

作为优选，角度调整板包括连接部和调节部，连接部安装在连接板上，调节部上设置有用于安装导带组件的弧形槽孔，导带组件通过紧固件与弧形槽孔相连。

作为优选，加热机构与连接板之间设置有用于调节加热角度的安装板，加热机构通过安装板与连接板相连。

作为优选，导带组件与加热机构的角度调整范围均为15°-25°。

作为优选，辊压冷却机构包括辊压组件和风冷结构，风冷结构包括用于向铺设通道一侧吹入空气的冷却管、冷却接头和冷却支架，冷却接头通过冷却支架安装在辊压组件的一侧，冷却管与冷却接头相连。

作为优选，辊压组件包括压辊、滚轮支架和电缸，电缸的缸体安装在连接板上，压辊通过滚轮支架安装的电缸的活塞杆端，压辊的内部设置有用于通入冷却液的冷却腔，压辊的端部设置有旋转接头。

作为优选，滚轮支架和电缸的活塞杆端之间设置有用于检测压辊压紧力的压力传感器。

作为优选，送丝机构包括送料组件和用于对预浸带形成导向的纱架，送料组件包括用于存储预浸带的储料轮，纱架平行于储料轮的转轴布设。

根据本发明目的的第二方面，提出一种热塑性复合材料激光辅助加热原位成型加工方法，包括如下步骤：

穿设预浸带，将预浸带从送丝机构的出料口处，经张紧机构牵引至重送机构；

重送机构输送预浸带，重送机构对预浸带形成夹持，并持续输送预浸带，预浸带经过导向机构进入导带机构中，重送机构停止输送；

调节铺放角度，将导带组件在角度调整板上释放，转动导带组件，调节导带组件的出料方向，进而实现对铺放角度的调节，直至调节至加工所需的铺放角度，再将导带组件锁固在角度调整板上；

铺放加工，加热机构预热并达到设定温度，重送机构继续将预浸带输送至铺设通道内，使得预浸带到达辊压冷却机构中辊压组件的下方，重送结构停止输送，加热机构对位于辊压组件下方的预浸带实施加热，加热至预浸带的基体熔化，辊压组件压紧预浸带的端部，重送机构恢复对预浸带的输送，开始铺放加工，同时，辊压冷却机构中的风冷结构和水冷结构对预浸带实施双重冷却，使得预浸带的层间与道间结合，固化形成一体结构。

作为优选，铺放加工中存在跳转点时，剪切机构将预浸带切断，再重复重送机构输送预浸带和铺放加工的步骤，直至构件完成加工。

结合以上实施例的热塑性复合材料激光辅助加热原位成型装置及加工方法，与现有技术相比，具有以下显著的优点和进步：

(1)本发明中送丝机构采用储料轮和纱架，可增加预浸带的存储量，减小了储料轮更换次数，提高了铺放效率；同时，纱架避免了送料过程预浸带扭曲变形；

(2)本发明中加热结构配有高温计，可实时测量和控制铺放温度，提高了铺放质量；

(3)本发明中辊压冷却机构采用辊轮内部循环水冷和外部空气冷却的双冷却方式，可有效避免基体粘附辊轮现象，提高了铺放质量；

(4)本发明中使用的辊压冷却机构采用电缸驱动，并增设了压力传感器使得压辊移动位置和辊压力更加准确、保证了铺放质量；

(5)本发明中将导带机构布设于由辊压冷却机构与加热机构之间形成的铺设通道的上方，导带组件利用角度调整板安装在连接板上，将导带组件在角度调整板上释放，转动导带组件，调节导带组件的出料方向，进而实现了对铺放角度的调节，便于进一步调整和明确铺放角度对热塑性复合材料预浸带成型质量的影响及其加热方式，提高了铺放质量。

本发明提出的热塑性复合材料激光辅助加热原位成型装置及其使用方法，其稳定性好、适用性广、功能性强，可以适用于不同厚度、不同种类热塑性复合材料的铺放任务需求。

附图说明

图1是本发明实施例的热塑性复合材料激光辅助加热原位成型装置的立体结构示意图。

图2是连接板的装配结构示意图。

图3是送丝机构的装配结构示意图。

图4是张紧机构的装配结构示意图。

图5是滚轮组件的装配结构示意图。

图6是重送机构的立体结构示意图。

图7是重送机构的装配结构示意图。

图8是剪切机构的装配结构示意图。

图9是导向机构的装配结构示意图。

图10是导带机构的装配结构示意图。

图11是辊压冷却机构的装配结构示意图。

图12是压辊的结构示意图。

图13是加热机构的装配结构示意图。

图14是导带组件调节铺放角度的使用状态结构示意图。

附图标记：1、法兰I；2、加强板；3、连接板；4、送丝机构；5、张紧机构；6、重送机构；7、剪切机构；8、导向机构；9、导带机构；10、辊压冷却机构；11、加热机构；12、预浸带；

400、送料组件；410、纱架I；420、纱架Ⅱ；401、磁粉制动器；402、法兰Ⅱ；403、轴承座；404、气胀轴；405、储料轮；411、纱架轴；412、轴承挡片I；413、轴承I；414、轴承挡片Ⅱ；415、轴承Ⅱ；416、滚筒；

501、直流电位计；502、气缸I；503、法兰Ⅲ；504、力传感器I；505、滚轮组件I；506、滚轮组件Ⅱ；507、滚轮组件Ⅲ；508、支座I；509、支座Ⅱ；510、传感器支架I；511、光电传感器；512、滚轮支座；513、滚轮轴I；514、轴承Ⅲ；515、轴承挡片Ⅲ；516、滚轮I；

600、从动机构；610、主动机构；620、支座Ⅲ；601、气缸安装板；602、气缸Ⅱ；603、法兰Ⅳ；604、滚轮组件Ⅳ；611、伺服电机；612、伺服电机支座；613、滚轮轴Ⅱ；614、滚轮Ⅱ；615、联轴器；630、轴承座组件I；631、轴承座组件Ⅱ；

701、气缸Ⅲ；702、刀架；703、刀具；704、刀框；705、盖板I；706、盖板Ⅱ；707、导向板；

800、支座Ⅳ；801、滚轮组件；

901、角度调整板；902、导向槽板；903、盖板I；904、盖板Ⅱ；905、传感器支架Ⅱ；906、光纤传感器；907、导向块I；908、导向块Ⅱ；909、导向辊轴；910、导向辊；

1001、电缸；1002、连接板I；1003、连接板Ⅱ；1004、力传感器Ⅱ；1005、滚轮支架；1006、轴承Ⅳ；1007、轴承Ⅴ；1008、压辊轴；1009、压辊；1010、旋转接头I；1011、旋转接头Ⅱ；1012、冷却管支架；1013、冷却接头；1014、螺母；1015、冷却管；1013、冷却接头；1101、激光头安装板；1102、激光头；1103、测温计。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。

如图1-14所示，本发明实施例中提出了一种热塑性复合材料激光辅助加热原位成型装置，旨在加工过程中实现对预浸带出料方向的调节，便于根据铺放预浸带的加工面，调节成型装置的铺放角度，提高预浸带的铺放质量。

[热塑性复合材料激光辅助加热原位成型装置]

结合图1-14所示的实施例的热塑性复合材料激光辅助加热原位成型装置，包括连接板3，以及安装在连接板3上的送丝机构4、张紧机构5、重送机构6、剪切机构7、导向机构8、导带机构9、辊压冷却机构10和加热机构11。

送丝机构4用于向铺放位置输送热塑性复合材料的预浸带12。

重送机构6位于送丝机构4的出料口一侧。重送结构用于对预浸带12形成夹持，并控制调节预浸带12的输送速度。

张紧机构5位于送丝机构4与重送机构6之间。张紧机构5用于调节预浸带12在输送过程中的张力。

导向机构8用于将从重送机构6中输送出的预浸带12引入导带机构9中。

剪切机构7位于导向机构8与重送机构6之间，用于切断预浸带12。

辊压冷却机构10与加热机构11之间设置有用于预浸带12成型加工的铺设通道。加热机构11用于对铺设通道内的预浸带12实施加热。辊压冷却机构10用于压紧预浸带12，并对预浸带12实施冷却。

其中，导带机构9位于铺设通道的上方，且位于辊压冷却机构10与加热机构11之间。导带机构9包括导带组件和角度调整板901。导带组件的出料方向与用于铺放预浸带12的加工面形成铺放角度。导带组件通过角度调整板901安装在连接板3上。角度调整板901用于调节预浸带12的铺放角度。

在以上实施例总，将导带机构布设于由辊压冷却机构与加热机构之间形成的铺设通道的上方，导带组件利用角度调整板安装在连接板上，将导带组件在角度调整板上释放，转动导带组件，调节导带组件的出料方向，进而实现了对铺放角度的调节，便于进一步调整和明确铺放角度对热塑性复合材料预浸带成型质量的影响及其加热方式，提高了铺放质量。

本发明实施例中提出的热塑性复合材料激光辅助加热原位成型装置在使用时，包括以下过程：

穿设预浸带12，将预浸带12从送丝机构4的出料口处，经张紧机构5牵引至重送机构6；

重送机构6对预浸带12形成夹持，并持续输送预浸带12，预浸带12经过导向机构8进入导带机构9中；

将导带组件在角度调整板901上释放，转动导带组件，调节导带组件的出料方向，进而实现对铺放角度的调节，直至调节至加工所需的铺放角度，再将导带组件锁固在角度调整板901上；

加热机构11预热并达到设定温度，重送机构6继续将预浸带12输送至铺设通道内，使得预浸带12到达辊压冷却机构10中辊压组件的下方；加热机构11对位于辊压组件下方的预浸带12实施加热，加热至预浸带12的基体熔化；辊压组件压紧预浸带12的端部，重送机构6恢复对预浸带12的输送，开始铺放加工，同时，辊压冷却机构10中的风冷结构和水冷结构对预浸带12实施双重冷却，使得预浸带12的层间与道间结合，固化形成一体结构。

下面我们将结合附图所示，更加具体地描述本发明前述实施例的激光辅助加热原位成型装置的构成及其工作过程。

[连接板的装配结构]

如图2所示，连接板3的顶部设置有用于驱动设备的法兰I1。驱动设备用于带动连接板沿着加工路径运动。例如，驱动设备选用多轴机械臂。

为了便于法兰I1安装在连接板3上，连接板3与法兰I1之间通过加强板2连接。加强板2用于进一步提高连接强度，保证加工过程中连接板和整个原位成型装置的稳定性。

[送丝机构]

如图1结合图3所示，送丝机构4位于连接板3的顶部。

作为可选的示例的送丝机构4，包括送料组件400、位于送料组件400下方的纱架I420和位于送料组件400右侧的纱架Ⅱ410。

如图3所示，送料组件400包括磁粉制动器401以及通过螺钉与磁粉制动器401连接的法兰Ⅱ402。法兰Ⅱ402通过螺钉安装于连接板3。

连接板3上部开有圆孔。圆孔与轴承座403一端圆柱面过渡配合。轴承座403另一端圆柱面与法兰Ⅱ402内孔过渡配合。

轴承座403内孔与气胀轴404轴肩过渡配合。气胀轴404外部安装储料轮405。

纱架I410和纱架Ⅱ420有相同的零部件和安装方式。

作为示例，纱架I410包括纱架轴411、轴承挡片I412、与轴承挡片I412接触的轴承I413、轴承挡片Ⅱ414以及与轴承挡片Ⅱ414接触的轴承Ⅱ415。

纱架轴411一端设有螺纹，用于与连接板3连接，纱架轴411两端分别与轴承I413内圈和轴承Ⅱ414内圈接触。轴承I413外圈和轴承Ⅱ414外圈分别与滚筒415接触。

纱架用于对预浸带形成导向，纱架平行于送料组件400中储料轮405的转轴布设。

[张紧机构]

如图1结合图4所示，张紧机构5位于送丝机构4下方。张紧机构5设置位于送丝机构与重送机构之间，用于预浸带在输送过程中的张力。

结合图示示例的张紧机构5，包括直流电位计501、气缸I502、通过螺钉与直流电位计501和气缸I502连接的支座I508、通过螺钉与气缸I502端部连接的法兰Ⅲ503、通过螺钉与法兰Ⅲ503连接的力传感器I504、通过螺钉与力传感器I504连接的滚轮组件I505，以及位于滚轮组件I505右侧的滚轮组件Ⅱ506和滚轮组件Ⅲ507。

其中，滚轮组件Ⅱ506和滚轮组件Ⅲ507，分别通过螺钉与支座Ⅱ509连接。

传感器支架I510通过螺钉与支座Ⅱ509连接。

光电传感器511与传感器支架I510固定连接。

结合图5所示，滚轮组件I505、滚轮组件Ⅱ506和滚轮组件Ⅲ507有相同的零部件和安装方式。滚轮组件I505由滚轮支座512、滚轮轴I513、轴承Ⅲ514、轴承挡片Ⅲ515和滚轮I516组成。滚轮I516通过轴承Ⅲ514套在滚轮轴513上，并通过轴承挡片Ⅲ515卡紧和限位，然后枕头套装在滚轮支座512的两个耳部之间。

如图5所示，滚轮I516外表面设有凹槽，防止预浸带12在铺放过程中脱落。

滚轮组件I505、滚轮组件Ⅱ506和滚轮组件Ⅲ507中的对应的滚轮保持平行安装，防止预浸带12在铺放过程中扭曲变形。

其中，支座I508和支座Ⅱ509分别通过螺钉与连接板3连接。

[重送机构]

如图1结合图6所示，重送机构6位于张紧机构5下方。重送机构6包括从动机构600和主动机构610。

如图7所示，从动机构600包括气缸安装板601、通过螺钉与气缸安装板601连接的支座Ⅲ620、通过螺钉与气缸安装板601连接的气缸Ⅱ602、通过螺钉与气缸Ⅱ602端部连接的法兰Ⅳ603，以及通过螺钉与法兰Ⅳ603连接的滚轮组件Ⅳ604。

如图7所示，主动机构610包括伺服电机611，伺服电机611通过螺钉安装于伺服电机支座612，伺服电机支座612通过螺钉与支座Ⅲ620连接，伺服电机611轴通过联轴器615与滚轮轴Ⅱ613连接，滚轮轴Ⅱ613两侧安装轴承座组件I630和轴承座组件Ⅱ631，滚轮轴Ⅱ613中间装有滚轮Ⅱ614。

轴承座组件I630和轴承座组件Ⅱ631分别通过螺钉与支座Ⅲ620连接。

[剪切机构]

如图8所示，剪切机构7位于重送机构6下方。

剪切机构7包括气缸Ⅲ701，气缸Ⅲ701通过螺钉与支座Ⅲ620连接，通过螺钉与气缸Ⅲ701端部连接的刀架702，通过螺钉与刀架702连接的刀具703，通过螺钉与刀架702连接的刀框704。盖板I705和与盖板Ⅱ706分别通过螺钉与导向板707连接。

导向板707通过螺钉与支座Ⅲ620连接。

[导向机构]

如图1结合图9所示，导向机构8位于剪切机构7下方。

导向机构8包括支座Ⅳ800和滚轮组件Ⅴ801。滚轮组件Ⅴ801与滚轮组件I505有相同零部件和安装方式。

[导带机构]

如图1结合图10所示，导带机构9位于导向机构8下方。

如图10所示，导带机构9包括角度调整板901和导向槽板902。

角度调整板901通过螺钉与支座Ⅳ800连接。

导向槽板902通过螺钉与角度调整板901相连。

结合图10，盖板I903和盖板Ⅱ904分别通过螺钉与导向槽板902连接。

传感器支架Ⅱ905通过螺栓与盖板I 903连接。

光纤传感器906与传感器支架905固连。盖板Ⅱ904左右两侧上方分别安装导向块I907和导向块Ⅱ908。导向块I907和导向块Ⅱ908中部开有圆孔用于安装导向辊轴909。导向辊轴909中部安装导向辊910。

如图10所示，角度调整板901包括连接部和调节部。连接部安装在连接板3上。调节部上设置有用于安装导带组件的弧形槽孔。导带组件通过紧固件与弧形槽孔相连。

例如，导带组件角度调整范围均为15°-25°。

[辊压冷却机构]

如图11所示，辊压冷却机构10包括电缸1001。

电缸1001端部通过螺钉和销钉与连接板I1002连接。连接板Ⅱ1003通过螺钉与连接板I1002连接。力传感器Ⅱ1004通过螺钉与连接板Ⅱ1003连接。

滚轮支架和电缸的活塞杆端之间设置有用于检测压辊压紧力的压力传感器。

如图11所示，滚轮支架1005通过螺钉与力传感器Ⅱ1004连接。滚轮支架1005开有圆孔用于安装轴承Ⅳ1006和轴承Ⅴ1007。轴承Ⅳ1006和轴承Ⅴ1007外侧分别安装轴承挡片Ⅳ1016和轴承挡片Ⅴ1017。轴承Ⅳ1006和轴承Ⅴ1007内圈安装压辊轴1008。

压辊轴1008中部安装压辊1009。

在本发明的实施例总，辊压组件采用电缸驱动，并增设了压力传感器实时监测力值，可准确控制压辊移动位置和辊压力，保证了铺放质量。

如图11所示，辊压冷却机构包括辊压组件和风冷结构。

作为可选的示例，风冷结构包括用于向铺设通道一侧吹入空气的冷却管、冷却接头和冷却支架。冷却接头通过冷却支架安装在辊压组件的一侧。冷却管与冷却接头相连。

结合图11所示，压辊轴1008两侧安装旋转接头I1010和旋转接头Ⅱ1011。冷却管支架1012通过螺钉与连接板Ⅱ1003连接。冷却接头1013通过螺母1014与冷却管支架1012固连。冷却管1015与冷却接头1013连接。

如图12所示，压辊的内部设置有用于通入冷却液的冷却腔。压辊的端部设置有旋转接头。

如此一来，辊压冷却机构采用辊轮内部循环水冷和外部空气冷却的双冷却方式，避免了熔融基体粘附辊轮现象，有效提高了铺放质量。

[加热机构]

如图1结合图13所示，加热机构11位于连接板3左下侧，激光头安装板1101通过螺钉与连接板3连接，激光头1102通过螺钉与激光头安装板1101连接，测温计1103与激光头1102连接。测温计1103用于监测铺放温度。

在本发明的额实施例总，加热机构与连接板之间设置有用于调节加热角度的安装板，加热机构通过安装板与连接板相连。通过安装板，激光头1102入射角度的调整范围均为15°-25°。

[热塑性复合材料激光辅助加热原位成型装置的加工方法]

本发明实施例中提出的一种热塑性复合材料激光辅助加热原位成型装置使用时，具体包括如下步骤：

S1、手动将储料轮405安装于气胀轴404外部；

S2、手动将预浸带12穿过纱架I410和纱架Ⅱ420；

S3、手动将预浸带12从纱架Ⅱ420分别穿过滚轮组件Ⅱ506、滚轮组件I505和滚轮组件Ⅲ507的滚轮；

S4、手动将预浸带12从滚轮组件Ⅲ507的滚轮穿至滚轮组件Ⅳ604的滚轮和滚轮Ⅱ614之间；

S5、重送机构工作，主动机构610动作，伺服电机611带动滚轮Ⅱ614旋转；从动机构600动作，气缸Ⅱ602推动滚轮组件Ⅳ604的滚轮与滚轮Ⅱ614接触压紧预浸带12，预浸带12移动；

S6、张紧机构5工作，预浸带12张紧，力传感器I504监测预浸带12张力；送丝机构4工作，预浸带12连续输送；

S7、预浸带12分别从盖板I705和导向板706、盖板Ⅱ706和导向板706之间主动穿过，到达导向机构8；

S8、预浸带12贴合滚轮组件Ⅴ801的滚轮表面移动；

S9、如图14所示，情形1：导带机构9位于下方时，预浸带12主动移动至导向辊910下方，沿着导向槽板902和盖板I903之间的槽移动，光纤传感器监测到预浸带12，激光头1102预热并达到设定温度，预浸带12继续移动至压辊1009处，激光头1102激光光斑照射预浸带12，预浸带12基体融化，电缸1001带动压辊1009移动压紧预浸带12，压辊1009转动，同时冷却接头1013通入空气进行外部冷却和压辊1009通过循环水进行内部冷却，预浸带12层间与道间结合，固化形成一体结构；

情形2：导带机构9位于上方时，预浸带12主动移动至导向槽板902槽内，先后沿着导向槽板902与盖板I903和盖板Ⅱ904之间的槽移动，光纤传感器监测到预浸带12，激光头1102预热并达到设定温度，预浸带12继续移动至压辊1009处，激光头1102激光光斑照射预浸带12，预浸带12基体融化，电缸1001带动压辊1009移动压紧预浸带12，压辊1009转动，同时冷却接头1013通入空气进行外部冷却和压辊1009通过循环水进行内部冷却，预浸带12层间与道间结合，固化形成一体结构；

S10、当存在跳转点时，剪切机构7工作，气缸Ⅲ701推动切刀剪断预浸带12；

S11、重复S5-S10，构件铺缠结束；

S12、各机构回复至初始状态。

本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。