耐纤维丝束缠绕的纤维铺放头的制作方法

耐纤维丝束缠绕的纤维铺放头
1.相关申请的交叉引用
2.这是国际专利申请，其要求2019年12月18日提交的第62/949,655号美国临时专利申请的优先权权益，其全部内容通过引用的方式并入本文。
技术领域
3.本技术涉及纤维铺放机器，并且更具体地，涉及防止纤维铺放丝束缠绕的纤维铺放头。


背景技术：

4.纤维铺放机器用于制造复合工件。浸渍有树脂的纤维材料形式的复合材料由机器以精确的位置和长度施加到模具或心轴，总体地形成复合工件。纤维铺放机器使纤维铺放头移动到模具上方，以便以复合工件的最终形状精确地施加复合带。随着纤维铺放头移动，它在模具上留下多个复合带区段，也称为铺层或丝束。虽然多个复合带股可作为铺层的一部分被同时施加，但纤维铺放头可作为施加铺层的一部分独立地控制每个丝束。这些复合带区段在模具上的自动施加涉及保持、移动和最终切割复合带的多种机构的集合的合作。例如，在模具上施加复合带的十六个丝束铺层的纤维铺放头可以包括用于每个丝束的独立通道以及用于保持和切割带的机构。
5.独立的通道均可以接收复合带并将其传送至到模具。然而，随着复合带在其到达模具的途中穿过通道时，带，特别是端部，会移动到通道之外，从而防止带的通路到达模具。从不需要的地方移除带会涉及到拆卸纤维铺放机器的至少一部分，以从带离开通道的位置移除带，然后正确地导向胶带通过通道。拆卸和维护纤维铺放机器会耗费时间，从而降低机器的效率。


技术实现要素：

6.在一个实施方式中，一种用于将多个复合带区段施加在模具上的纤维铺放头，包括：一个或更多个动力轮，该一个或更多个动力轮构造为接合和移动复合带；以及一个或更多个细长指状物，该一个或更多个细长指状物紧密贴靠或邻接该一个或更多个动力轮的外表面，使得该一个或更多个细长指状物的一部分邻近或形成通道路径的至少一部分。
7.在另一个实施方式中，一种用于将多个复合带区段施加在模具上的纤维铺放头，包括：多个动力轮，该多个动力轮构造为接合和移动复合带；中心块，该中心块定位在动力轮之间，具有第一安装表面和第二安装表面；以及多个细长指状物，该多个细长指状物紧密贴靠或邻接动力轮的外表面，并在第一安装表面和第二安装表面处附接到中心块。
8.在另一个实施方式中，一种用于将多个复合带区段施加在模具上的纤维铺放头，包括：一个或更多个动力轮，该一个或更多个动力轮构造为接合和移动复合带；中心块，该中心块定位在动力轮之间，具有至少一个安装表面；以及多个细长指状物，该多个细长指状物紧密贴靠或邻接动力轮的外表面，并被偏置成与动力轮的外表面接合。
附图说明
9.图1是描绘纤维铺放机器的实施方式的立体图；
10.图2是描绘纤维铺放头的实施方式的另一个立体图；
11.图3是描绘纤维铺放头的一部分的实施方式的立体图；
12.图4是描绘纤维铺放头的一部分的实施方式的另一个立体图；
13.图5是描绘纤维铺放头的一部分的实施方式的另一个立体图；
14.图6是描绘纤维铺放头的一部分的实施方式的另一个立体图；
15.图7是描绘纤维铺放头的一部分的实施方式的另一个立体图；
16.图8是描绘纤维铺放头的一部分的实施方式的另一个立体图；
17.图9是描绘纤维铺放头的一部分的实施方式的横截面图；
18.图10是描绘纤维铺放头的一部分的实施方式的横截面图；
19.图11是描绘纤维铺放头的一部分的实施方式的另一个立体图；
20.图12是描绘纤维铺放头的一部分的实施方式的另一个立体图；
21.图13是描绘纤维铺放头的一部分的实施方式的另一个立体图；
22.图14是纤维铺放头的一部分的实施方式的爆炸图；
23.图15是纤维铺放头的一部分的实施方式的侧视图；
24.图16是纤维铺放头的一部分的另一个实施方式的侧视图；
25.图17是纤维铺放头的一部分的另一个实施方式的侧视图；
26.图18是纤维铺放头的一部分的另一个实施方式的侧视图；以及
27.图19是纤维铺放头的一部分的另一个实施方式的侧视图。
具体实施方式
28.纤维铺放机器可使用机械臂承载具有模块化切割、夹持和重启(ccr)组件的纤维铺放头。ccr组件包括多个切割通道模块、夹持通道模块和重启通道模块，每个模块均可以可移除地联接到纤维铺放头。每个通道模块可被设计为处理穿过它的一股或更多股复合带。并且，任何一个或更多个模块都可以从纤维铺放头上移除，而不会影响仍然附接于纤维铺放头的其他通道模块的性能。例如，施加十六个纤维带通道的纤维铺放头可以包括独立地控制两个纤维带通道的通道模块。在这种实施方式中，ccr组件可包括二十四个通道模块(八个切割通道模块、八个夹持通道模块和八个重启通道模块，每个模块均控制两个纤维通道)。至少一个通道模块可以包括一个或更多个细长臂，该一个或更多个细长臂附接到ccr组件或一个或更多个通道模块，并且在通道内延伸至非常接近于重启辊处。在这个意义上，ccr组件可以包括均对应于通道的多个细长臂。细长臂的外表面可以紧密贴靠或围绕重启辊，并且臂的远端可以形成与辊邻近的通道的一部分。在一些实施方式中，细长臂可包括弹性或偏置特征，该特征将臂偏置成与重启辊非常接近或接合。
29.通道模块可通过包括可移除子模块进一步模块化。例如，切割通道模块可包括可移除地附接到模块的切割子组件。用于制造复合工件的复合带通常由纤维材料组成，该纤维材料已浸渍有树脂，该树脂被热激活后为复合工件提供强度。复合物的一个示例是碳纤维。这通常被称为“预浸”复合物。复合带包括的树脂可能非常粘稠，并粘附到带所接触的机构。随着复合带继续穿过切割通道模块，带所携带的树脂会越来越多地留下，并且会干扰子
组件中的切割机构。从切割通道模块中移除和更换切割子组件可以提高切割机构可以维修的速度和频率。切割子组件包括切割刀片和复合带所穿过的一个或更多个通道路径，这些通道路径可形成在刀片靴和/或底座中，切割刀片可抵靠该刀片靴和/或底座往复地移动以选择性地切割复合带。连接特征可将切割子组件从切割通道模块上接合或分离，以进行移除和在维修后重新连接。
30.图1中示出了纤维铺放机器10的实施例。纤维铺放机器10包括与纤维铺放头14可拆卸地联接的机械臂12。机械臂可由底座16支撑，机械臂在底座上围绕轴线(x)线性移动。多个可移动区段18可从底座16向外延伸，该可移动区段例如能通过枢转、旋转或伸缩来移动。机械臂12可围绕多个轴线相对于底座16移动。例如，第一区段18a可以在一端处可旋转地联接到底座16，使得机械臂12可以围绕底座16旋转。第二区段18b可与第一区段18a可枢转地联接，第三区段18c可与第二区段可枢转地联接。第四区段18d可联接到第三区段18c，并可伸缩地远离和朝向第三区段移动。可以使用流体柱塞、电动马达或这些的某些组合或其他驱动元件相对于彼此移动区段18，以相对于用于制造工件的模具20或心轴移动机械臂12的远端。
31.与具有可执行指令的计算机可读存储介质通信的微处理器(未示出)可以控制流体柱塞、电动马达或其他驱动元件的移动，从而控制机械臂12的可移动区段18的运动和位置。微处理器可以是能够处理电子指令的任何类型的装置，包括微控制器、主机处理器、控制器和专用集成电路(asics)。它可以是仅用于执行机械臂12的控制的专用处理器，或者也可以与其他机器功能共享。微处理器执行各种类型的数字存储指令，例如存储在存储器中的软件或固件程序。使机械臂移动的机构(如流体柱塞或电动马达)与微处理器之间的通信可以通过通信总线执行。
32.机械臂12可沿三个轴线移动纤维铺放头14，以将该头14定位成用于维修或将复合带施加到模具20。虽然这是可与纤维铺放头一起使用的机械臂12的一个实施方式，但也可以使用施加复合带的机械臂或机械装置的其他实施方式。
33.机械臂12的远离底座16的端部可包括卡盘22，该卡盘可释放地接合纤维铺放头14。卡盘22和纤维铺放头14的一部分可以具有对应的特征，使得卡盘22可以可释放地抓取纤维铺放头14。在一个实施方式中，纤维铺放头14包括与头14的表面正交延伸的圆柱形柄。机械臂12可以定位卡盘22，使其与柄接合，并且纤维铺放头14弹性地联接到臂12。
34.如图2至图4所示，纤维铺放头14可以包括：筒子架框架24；多个卷轴26，这些卷轴承载复合带，作为用于头14的这种带的来源；和切割、夹持、重启(ccr)组件32(在图5-图9中更详细地示出)。ccr组件32可以包括压实辊34(或可替代地压实滑块)，压实辊可以从卷轴26接收复合带，并将其施加到模具20，以制造复合部件。筒子架框架24包括多个外表面36和相对于外表面36正交地安装的芯柱38。随着带被施加到模具20，可使用由气动地、机械地或流体地控制的调节元件来使芯柱38移动以产生带张力，该调节元件有助于维持复合带上的张力。复合带可以从卷轴26上解开，并行进到压实辊34中，以便最终施加到模具20。
35.纤维铺放头14可包括ccr框架40，用于支撑纤维铺放头14、ccr组件32和压实辊34的组件，压实辊最终将复合带的铺层压到模具20上。在到达压实辊34处之前，复合带的一部分可以穿过上进给部42，复合带的另一部分可以穿过下进给部44。上进给部42可以处理偶数编号的复合带，下进给部44可以处理奇数编号的复合带，这些复合带在压实辊34处相遇。
例如，对于具有八条纤维路径或通道的纤维铺放头14，上进给部42可以处理由数字2、4、6和8标识的复合带，而下进给部44可以处理由数字1、3、5和7标识的复合带。上进给部42和下进给部44可以以角度(α)分开。上进给辊46和下进给辊48可以将来自卷轴26的复合带分别传送至上进给部42和下进给部44。上进给部42和下进给部44可包括多个通道模块54。
36.上进给部42和下进给部44中的每一个都可以包括歧管64，该歧管用于接收多个安装底座52，该安装底座可以可释放地接收多个通道模块54。安装底座52可包括阀附接特征68，其相对于歧管64定位底座52，并相对于纤维铺放头14可释放地联接多个通道模块54。阀附接特征68(例如，球形锁)，用于定位从安装底座52到歧管64的流体通路66，并有助于在后空气块53和底座52之间形成流体紧密密封。底座52包括多个附接点位58(图7b)，其中通道模块54最终联接到底座52。底座52可以是联接到歧管64的分立元件，在歧管中可以同时移除或安装多个电磁阀62和通道模块54。在一个实施方式中，附接点位58可以是阴燕尾部，其接收通道模块54或后空气块53的元件所包括的相应阳燕尾部。在通道模块54相对于纤维铺放头14的安装或移除过程中，通道模块54可以经由燕尾部连接而相对于安装底座52滑动。然而，多个通道模块54最终可通过十字销60固定到安装底座52上，该十字销在横向于模块54相对于燕尾部滑动的方向上穿过并接合于安装底座52的一部分，以防止通道模块54相对于安装底座52的移动。
37.机电阀62邻接通道模块54，并可经由后空气块53联接到安装底座52。每个通道模块54可邻接电磁阀62，使得阀62选择性地向模块54供应压缩空气以致动。安装底座52可与歧管64联接，并且流体通路66通过后空气块53和机电阀62将来自源(未示出)的压缩空气最终传送到达与底座52联接的通道模块54。后空气块53、电磁阀62和通道模块54的组件可以使用十字销60可移除地固定到安装底座52。压缩空气可通过电磁阀62选择性地供应到通道模块54，从而与来自歧管64和后空气块53的空气连通。在一个实施方式中，电磁阀62包括接收电压的螺线管，该电压由开关控制，使得微处理器打开和关闭以控制通道模块54的致动。
38.转向图10至图13，通道模块54均可包括子组件70和一个或更多个通道路径72，该子组件70执行纤维铺放头14的功能，复合带从该一个或更多个通道路径72穿过。用于每个子组件70的气动缸74可以控制纤维铺放头14的功能。子组件70的元件可与气动缸74联接，并且压缩空气从歧管64到气动缸74中的流动可对穿过通道路径的复合带产生影响。在一个实施例中，流体通路66可将来自机电阀62的压缩空气传送到包括活塞的气动活塞组件80。气动活塞组件80可以相对于气动缸74滑动，从而依靠附接到通道模块54的子组件70对复合带执行一些操作。
39.切割通道模块54a可包括切割子组件70a。切割子组件70a能够可移除地附接到切割通道模块54a，并包括切割刀片82、砧板84、刀片靴86和底座88。切割子组件70a可包括复合带从中穿过的通道路径72的一部分。例如，当气动活塞组件80相对于气动缸74移动时，切割刀片82可以被刀片靴86抵靠在砧板84上偏置以形成剪切切口，并在复合带穿过切割子组件70a的通道路径72时切割复合带。在该实施方式中，刀片靴86可以通过弹簧被偏置以辅助剪切。然而，在其他实施方式中，砧板可以通过弹簧不被偏置，并且切割刀片可以与砧板分隔开小的间隙。当切割刀片82和砧板84在第一位置中相对于彼此定位时，该切割刀片82和砧板84可允许复合带穿过通道路径72，并且当切割刀片82相对于砧板84移动时，带可被切割。当处于第一位置中时，切割刀片82中的开口和底座88以及砧板84中的开口可至少部分
限定通道路径72。紧固件92(例如，长形构件、销、钉销或螺纹螺钉)，可延伸穿过切割通道模块54a中的开孔90，并与切割子组件70a接合，以将其固定到切割通道模块54a。紧固件92可从切割通道模块54a和切割子组件70a移除，以从切割通道模块54a释放子组件70a进行维修或更换。在该实施方式中，纤维铺放头14包括八个切割通道模块54a——四个切割通道模块54a位于上进给部42上，四个切割通道模块54a位于下进给部44上。然而，具有更多或更少的切割通道模块54a的其他实施例是可能的。其他通道模块54包括夹持通道模块54b和重启通道模块54c。夹持通道模块54b和重启通道模块54c可包括多个通道路径72，并包括用于每个通道路径72的气动活塞80，该气动活塞可选择性地被致动，使得其滑动以将复合带保持到位。夹持子组件70b和重启子组件70c均可包括导向轮94，用于在复合带被施加到模具20上时保持复合带。
40.在图14至图15中更详细地示出的重启模块102可以由ccr组件32承载，使得它可以作为分立单元从ccr组件32移除。重启模块102可以包括动力轮96，该动力轮96可定位在复合带的一侧上，使得动力轮96与对应的导向轮94相对。动力轮96可以由细长轴形成，该细长轴包括多个凸起的环形部104，随着纤维或复合带穿过纤维铺放头14，这些凸起的环形部可以接合纤维或复合带。然而，在其他实施方式中，动力轮和/或导向轮可以形成为没有凸起的环形部并且大致为圆柱形。动力轮96可被轴向约束在底板106与端板108之间。一个或更多个紧固件110可将底板106和端板108附接到中心板112的相对端。中心板112可以是细长的并且横跨在通道路径72的宽度伸展。多个轴承114、齿轮垫片116、分隔片118和齿轮盖板120可以轴向地定位在底板106与端板108之间。把手71可以贴附到底板106，并且可以用于在垂直于复合带通过通道路径72的行进的方向上将ccr组件32滑动远离纤维铺放头14。动力轮96可以由电动马达98驱动，该电动马达98具有与至少一个动力轮96联接的输出轴。在一些实施例中，驱动齿轮122可以将旋转运动从一个动力轮96传送到另一个动力轮96。电动马达98可以将动力轮96旋转以移动复合带，或者动力轮96可保持不动以牢固地保持复合带。复合带可以抵抗楔块(单向)轴承、离合器轴或定板而保持不动。
41.中心板112可定位在定位于板112上方接合与导向轮94的动力轮96和定位于板112下方接合与导向轮94的动力轮96之间，导向轮94与上进给部42相关联，导向轮94与下进给部44相关联。多个细长臂124或指状物可以固定到中心板112的第一安装表面126并远离板112朝向动力轮96中的一个向外延伸，该多个细长臂124或指状物成形为防止不希望的纤维缠绕在导向轮94或动力轮96中的一个上，而另外的多个细长臂124或指状物可以固定到第二安装表面128，并且远离板112朝向动力轮96中的另一个向外延伸，该另外的多个细长臂124或指状物成形为防止不希望的纤维缠绕在导向轮94或动力轮96中的一个上。在一些实施例中，细长臂124可以通过紧固件(例如，螺钉、销或螺栓/螺母组合)刚性地贴附到紧固表面124、126 130。细长臂124、126可以具有沿着部段132的弓形形状，该部段132远离中心板112的安装表面126、128延伸。在一些实施方式中，细长臂124可以是每个通道路径72的分立元件，而在在其他实施方式中，细长臂124相对彼此刚性附接，这样它们相对于彼此固定。弓形形状的轮廓可以紧密地贴靠动力轮96的外表面134，使得细长臂124非常接近于或直接地接触外表面134。细长臂124还可以包括在远端138处的平面表面136。平面表面136可以与通道路径72齐平，以便填充或阻挡在纤维带沿着通道路径72行进时可能容易卡住纤维带的空隙。在一些实施例中，平面表面136可以相对于通道路径72的表面成角度，使得平面表面136
不与通道路径72共面。平面表面相对于通道路径72的角度关系可以用于在纤维带沿着通道路径72穿过并接触平面表面136时导向纤维带的方向。细长臂124可以由多种金属合金中的任何一种铸造而成，从金属棒料中水切而成，由塑料形成，该塑料在细长臂124暴露于纤维铺放过程中存在的温度时维持其形状，或者这些细长臂124可以利用三维打印机制造。
42.重启模块的其他实施方式是可能的。例如，转向图16，重启模块102b以侧视图示出，其具有多个细长臂124b，这些细长臂124b可相对地偏置成与动力轮96接合。在一些实施方式中，细长臂124b可以相对于彼此固定，而在其他实施方式中，臂124b可以彼此独立，并且围绕由齿轮盖板120承载的枢轴140旋转为与动力轮96接合。在其他实施方式中，如果细长臂刚性足够，则可以省略枢轴。或者在其他实施方式中，枢轴杆可以由齿轮盖板承载。阻力块142可以贴附到中心板112的第一安装表面126或第二安装表面128，以将偏置元件144(例如，螺旋弹簧)约束在细长臂124b与块之间。偏置元件可以维持细长臂与动力轮96接触。
43.转向图17，重启模块102c的另一个实施方式以侧视图示出，其具有多个细长臂124c，这些细长臂124c可相对地偏置成与动力轮96接合。细长臂124均可以独立地移动，但是在其他实施方式中这些细长臂124可以是相对于彼此固定的。细长臂124c也可以与偏置元件144c刚性联接。每个细长臂124与其自己的偏置元件144c接合是可能的，或者在其他实施方式中，单个偏置元件144c可以移动所有细长臂124c。在该实施方式中，偏置元件144c可以是板簧。板簧偏置元件144c驱动细长指状物与最靠近上进给部42的动力轮96接合，该板簧偏置元件144c可以从邻近于动力轮96的外表面134的安装表面126、128处推动细长指状物124c与动力轮96接合，相对于动力轮96的旋转轴线(a)测得的，该动力轮96的外表面134与细长指状物124c接触。板簧偏置元件144c驱动细长指状物124c与最靠近下进给部44的动力轮96接合，该板簧偏置元件144c可以从与动力轮96的外表面134相对的支撑表面126、128处推动或拉动细长指状物124c与动力轮96接合，相对于动力轮96的旋转轴线(a)测得的，该动力轮96的外表面134接触细长指状物124c。偏置元件144c可以维持细长臂124c与动力轮96接触。
44.转向图18，重启模块102d的又一个实施方式以侧视图示出，其具有多个细长臂124d，这些细长臂124d可相对地偏置成与动力轮96接合。细长臂124d可以彼此独立地移动，并且围绕由齿轮盖板120承载的枢轴140旋转成与动力轮96接合。然而，在其他实施方式中，细长臂124d可以相对于彼此固定。连杆构件146可以刚性地附接到细长臂124d，使得施加在连杆构件146的远端148上的力可以迫使细长臂124d与动力轮96接触。偏置元件144d(例如，螺旋弹簧)可以被约束在中心板112与连杆构件146的远端148之间。偏置元件144可以维持细长臂124d与动力轮96接触。
45.转向图19，重启模块102e的又一个实施方式以侧视图示出，其具有多个细长臂124e，这些细长臂124e可相对地偏置成与动力轮96接合。细长臂124e可以相对于彼此固定，并且围绕由齿轮盖板120承载的枢轴140旋转成与动力轮96接合。然而，在其他实施方式中，细长臂124e可以彼此独立地移动。连杆构件146可以刚性地附接到细长臂124e，使得施加在连杆构件146的远端148上的力可以迫使细长臂124e与动力轮96接触。例如，气动力可以由压缩气体通过活塞施加，可以通过中心板112传送以与连杆构件146的远端148接触。气动力可以保持细长臂与动力轮96接触。
46.导向轮94与复合纤维带的一侧接触，该一侧与动力轮96所接触的一侧相对，从而
在轮之间挤压带。导向轮94可与动力轮96协同工作，以移动复合带穿过通道路径72或将复合带保持到位。动力轮96可由电动马达98驱动，而导向轮94可自由旋转并允许复合纤维带移动。或者，电动马达98可以使动力轮96保持静止，并且气动活塞80可被致动，以防止导向轮94旋转，从而将带保持到位。气动活塞80可以响应于压缩空气的接收而移动，以选择性地使导向轮94保持不动，从而将复合纤维保持到位。在该实施例中，纤维铺放头14包括八个夹持通道模块54b和八个重启通道模块54c——上进给部42上具有四个夹持通道模块和四个重启通道模块，下进给部44上具有四个夹持通道模块54b和四个重启通道模块54c。在该实施方式中，纤维铺放头14可包括二十四个包括切割通道模块54a的通道模块54。然而，具有更多或更少通道模块54的其他实施方式是可能的。
47.机械臂12可以相对于模具20移动纤维铺放头14以制造复合部件。机械臂12、动力轮96、切割通道模块54a、夹持通道模块54b和重启通道模块54c一致工作，以将复合带施加到模具20。重启通道模块54c可移动复合纤维通过通道72，直到其到达压实辊34为止。然后，夹持通道模块54b可被致动以保持复合纤维，防止其在通道72内移动。然后，压实辊34可以移动成与模具20接触，并将复合带的一端施加到模具20。夹持通道模块54b可以释放复合纤维，机械臂12将纤维铺放头14移动到模具20上，并且压实辊34可以将复合带施加到模具20。一旦限定数量的复合带已被施加到模具20，夹持通道模块54b可被致动，以将来自卷轴26的复合带保持到位，并且切割通道模块54a可被致动，以切割施加到模具20的期望长度的复合带。重启通道模块54c可被接合，夹持模块54b可以脱离，以允许向压实辊34提供额外的复合带，从而可以在模具20上施加复合带的新铺层。
48.应当理解，前述内容是对本发明的一个或更多个实施例的描述。本发明不局限于本文公开的特定实施例，而是仅由下面的权利要求限定。此外，前述描述中包含的陈述涉及特定实施例，并且不应被解释为对本发明的范围或权利要求中使用的术语的定义的限制，除非上面明确定义了术语或词语。其他各种实施例以及对所公开的实施例的各种改变和修改对于本领域技术人员将变得显而易见。所有这些其他实施例、改变和修改应落在所附权利要求的范围内。
49.如本说明书和权利要求书中所使用的，当与一个或更多个部件或其他物品的列表结合使用时，术语“例如”、“比如”、“举例”、“诸如”和“像”以及动词“包括”、“具有”、“包含”及它们的其他动词形式都被解释为开放式的，这意味着该列表不被认为排除其他附加部件或物品。其他术语应使用其最广泛的合理含义来解释，除非它们在需要不同解释的语境中使用。