МАЛОГАБАРИТНАЯ ЧЕТЫРЕХОСНАЯ МАШИНА ДЛЯ УКЛАДКИ ВОЛОКОН
SMALL FOUR-AXIS FIBER LAYING MACHINE

Область техники
Машина для укладки композиционного материала содержит неподвижный стационарный мост, поддерживающий головку для её перемещения по оси Y, стол, перемещающийся по оси X и вращающийся относительно оси C, и шпулярник, подающий композиционный материал к головке по прямой в направлении оси Y вдоль стационарного моста.
Предшествующий уровень техники
В патентном документе US 8919410 раскрыта машина для укладки композиционного материала, головка и шпулярник которой зафиксированы и не перемещаются, а стол перемещается под головкой. Такой подход со стационарной головкой является удовлетворительным для, как правило, малогабаритных столов, например, для столов, размер стороны которых не превышает 1 м. С увеличением размеров стола количество горловин, необходимых под рычагом, поддерживающим головку, становится слишком большим для полного охвата во всем диапазоне перемещения и вращения стола, и для полной очистки конструкции опоры. Это требует увеличения габаритов конструкции опоры и занимаемой площади.
Таким образом, желательно, чтобы на машине для укладки композиционного материала можно было устанавливать относительно крупногабаритные компоненты, например, с размером стороны более 1 м, и чтобы эта машина обеспечивала упрощенную траекторию подачи материала при отсутствии скручивания пучка материала при его перемещении от шпулярника к поверхности укладки.
Раскрытие изобретения
Для обеспечения возможности применения укладочного стола с размером стороны, например, 2 м, в машине для укладки композиционного материала, головка перемещается вдоль первого направления линейного перемещения, а стол перемещается во втором направлении линейного перемещения, перпендикулярном первому направлению. Применение стола с ограниченным диапазоном линейного перемещения вдоль одной из осей позволяет столу перемещаться на увеличенное расстояние в любую сторону от точки, где происходит укладка материала, что обеспечивает возможность выполнения вспомогательных операций, таких как контроль и/или загрузка/разгрузка. Такая конфигурация полезна, например, в установках, в которых материал от головки для укладки композиционного материала поступает также на второй лоток или укладочный стол.
Четырьмя основными компонентами машины являются: стационарный поперечный мост; головка, перемещающаяся, в основном, вдоль одной оси и не совершающая вращательного движения; стол, вращающийся и перемещающийся в направлении, перпендикулярном направлению перемещения головки; и стационарный шпулярник. На стационарном поперечном мосту установлены направляющие, поддерживающие головку для укладки композиционного материала. Стол под мостом перемещается в направлении, перпендикулярном мосту, и стол вращается относительно вертикальной оси. Конструкция машины обеспечивает прямолинейную траекторию подачи волокна относительно оси Y между головкой и шпулярником, причем указанная траектория подачи параллельна первому направлению линейного перемещения головки по мосту. В результате, траектория движения волокна не содержит абсолютно никаких поворотов волокна, включающих в себя перекручивание по длине полосы композиционного материала при укладке материала и изменении положения головки. Машина предназначена для производства плоских деталей с длиной стороны до 2 м, и может быть модифицирована для использования стола большего размера.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана машина для укладки композиционного материала, вид в перспективе;
на фиг. 2 - машина для укладки композиционного материала, показанная на фиг. 1, вид спереди;
на фиг. 2A - круглая область 2A на фиг. 2, поясняющая уплотнительный ролик в поднятом положении, увеличенный вид;
на фиг. 2B - уплотнительный ролик справа от центральной линии головки, укладывающий композиционный материал на укладочный стол при перемещении влево;
на фиг. 2C - уплотнительный ролик слева от центральной линии головки, укладывающий композиционный материал на укладочный стол при перемещении вправо;
на фиг. 3 - траектория прохождения волокна на машине для укладки композиционного материала, показанной на фиг. 1 и 2, вид в перспективе;
на фиг. 4 - траектория прохождения волокна при перемещении между шпулярником и головкой, вид сверху.
Варианты осуществления изобретения
Обращаясь к чертежам, видно, что на фиг. 1 представлена машина для укладки композиционного материала, в целом обозначенная ссылочной позицией 10, вид в перспективе. Машина 10 для укладки композиционного материала содержит стационарный мост 12 с вертикальными опорами 13, расположенными на расстоянии друг от друга, и верхней балкой 14, находящиеся в рабочей зоне 16. Верхняя балка 14 содержит две направляющие 17, поддерживающие каретку 18, установленную с возможностью перемещаться горизонтально в первом направлении линейного перемещения 19 вдоль балки 14. На каретке 18 закреплены головка 20 для укладки композиционного материала и перенаправляющий ролик 21 каретки, ось вращения которого параллельна оси X. Первый стационарный шпулярник 24 может быть размещен рядом с вертикальной опорой 13 с одной стороны верхней балки 14, а второй стационарный шпулярник 26 (см. фиг. 2) может быть размещен рядом с другой вертикальной опорой 13 с другой стороны верхней балки 14. Каждый шпулярник 24 и 26 формирует полосу 30 композиционного материала, длина которой проходит в направлении оси Y, а ширина 31 (лучше видно на фиг. 3 и 4) проходит по оси X. Понятие «композиционный материал» использовано для обозначения пропитанного смолой волокна, жгута, нарезанной ленты, пропитанных смолой материалов и других аналогичных материалов, хорошо известных специалистам в данной области, и понятия, используемые для обозначения всех вышеупомянутых материалов являются взаимозаменяемыми.
Двухосный укладочный стол 32 установлен с возможностью перемещаться горизонтально во втором направлении линейного перемещения 35, перпендикулярном первому направлению линейного перемещения 19, и с возможностью вращения относительно третьей оси 37, перпендикулярной первому направлению линейного перемещения 19 и второму направлению линейного перемещения 35. Первое направление линейного перемещения 19 проходит вдоль оси Y машины, второе направление линейного перемещения 35 проходит вдоль оси X машины, а вращательно перемещение 37A стола относительно третьей оси 37, как показано на фиг. 4, происходит относительно вертикальной оси C, параллельной оси Z машины.
Как показано на фиг. 1 и 2, вертикально ориентированная головка 20 для укладки композиционного материала отходит от каретки 18. Первое линейное перемещение 19 головки 20 над укладочным столом 32 в направлении оси Y обеспечивается стационарным мостом 12. Головка 20 для укладки композиционного материала имеет также ограниченное четвертое направление перемещения 45, параллельное вертикальной оси Z, обеспечиваемое вертикальной направляющей 42 в каретке 18. Это ограниченное вертикальное перемещение 45 головки 20 вдоль оси Z перпендикулярно осям X и Y и используется при переустановке приспособления 32. Четвертое направление перемещения 45 представляет собой перемещение вдоль оси Z, параллельно центральной линии 37 направления вращения 37A стола, и перпендикулярно первому направлению перемещения 19 вдоль оси Y и второму направлению перемещения 35 вдоль оси X. Это четвертое направление перемещения 45 предназначено для поднятия и опускания уплотнительного ролика 44 на расстояние D для касания и отвода головки от приспособления 32 с целью изменения положения приспособления 32 относительно головки. Эта же вертикальная направляющая 42 используется для поднятия и опускания головки 20 для обеспечения размещения наслаивающегося композиционного материала по мере того, как слои композиционного материала 46 укладываются на приспособление 32. На фиг. 2A показан уплотнительный ролик 44, приподнятый на расстояние D от поверхности укладочного стола 32.
Головка 20 не перемещается вдоль оси X и не вращается и не наклоняется относительно каких-либо других осей. Головка 20 может содержать несколько перенаправляющих роликов 43, которые перенаправляют композиционный материал 30 от перенаправляющего ролика 21 каретки к уплотнительному ролику 44 в нижней части головки. Количество и расположение перенаправляющих роликов 43 в головке 20 могут изменяться в зависимости от конкретной конструкции головки. Уплотнительный ролик 44 предназначен для укладки композиционного материала на укладочный стол или устройство 32. Ось вращения 47 уплотнительного ролика 44 и оси вращения перенаправляющих роликов 43 головки параллельны оси вращения перенаправляющего ролика 21 каретки, а также оси X машины. Две траектории прохождения композиционного материала 30 от нижних перенаправляющих роликов 43 головки к уплотнительному ролику 44 образуют V-образную траекторию 48 подачи, симметричную относительно вертикальной центральной линии 49 головки 20. Головка 20 может содержать механизм смещения уплотнительного ролика 44 в обе стороны относительно вертикальной центральной линии 49 головки, предназначенный для обеспечения возможности укладки композиционного материала на приспособление 32 при перемещении головки в обе стороны вдоль направления 19, параллельного оси Y. Один такой механизм смещения уплотнительного ролика раскрыт в документе US 8613302, содержание которого приведено посредством ссылки.
На фиг. 2B показан уплотнительный ролик справа от вертикальной центральной линии 49 головки, укладывающий композиционный материал на укладочный стол 32 при перемещении влево. На фиг. 2C показан уплотнительный ролик слева от вертикальной центральной линии 49 головки, укладывающий композиционный материал на укладочный стол 32 при перемещении вправо. Укладка композиционного материала на укладочный стол 32 может осуществляться также при перемещении только в одном направлении, и в этом случае механизм смещения уплотнительного ролика 44 может быть исключен из конструкции машины.
Стол 32 установлен на поворотном столе 50 для вращения в направлении 37 относительно вертикальной оси C, перпендикулярной осям X и Y, а поворотный стол 50 установлен на тележке 51, которая перемещается по рельсам или направляющим 52, проходящим в направлении 35 вдоль оси X и перпендикулярно направлению 19 вдоль оси Y. Как показано на фиг. 1 и 3, может быть обеспечено два стола 32 и 33; один стол может быть расположен под головкой 20 для укладки волокна, а другой в это время может быть расположен с другой стороны направляющих 52 для снятия детали. Каждый из укладочных столов 32 и 33 представляет собой двухосный стол, совершающий движение во втором направлении 35 по оси X, перпендикулярном первому направлению перемещения 19 по оси Y, и третье вращательное движение относительно оси C с осью 37 вращения, перпендикулярной как первому 19, так и второму 35 направлениям перемещения. Длина линейного перемещения каждого из столов 32 и 33 по направляющим 52 по оси X достаточна для шагового перемещения уложенного материала 46 на столе 32 до заданной точки на расстоянии от стационарного моста 12 и от другого стола для снятия готовой детали.
Как показано на фиг. 4, шпулярник 24 может содержать шпули 55 с композиционным материалом, установленные на обеих сторонах, и накопитель 56. Накопитель 56 обеспечивает натяжение полосы композиционного материала 30, подаваемого на головку 20, и прием композиционного материала 30 при перемещении головки 20 в сторону шпулярника 24. Шпулярник 24 установлен на рабочей площадке 65, и его центральная линия 66 проходит через центр накопителя 56, перенаправляющего ролика 21 каретки, перенаправляющего ролика 43 головки, уплотнительного ролика 44 и головки 20 в направлении 19 по оси Y. При перемещении головки к шпулярнику 24 и в сторону от него по прямой в направлении 19, параллельном оси Y, происходит подача композиционного материала 30 к головке. На фиг. 4 показана траектория прохождения волокнистого материала от шпулярника 24 к перенаправляющему ролику 21 каретки, представляющая собой прямую линию, параллельную оси Y и первому направлению перемещения 19 головки вдоль балки 14.
Как показано на фиг. 2 и 4, накопитель 56 при разматывании со шпулярника 24 обеспечивает поддержание необходимого натяжения композиционного материала 30 при движении головки в первом направлении линейного перемещения 19 к шпулярнику 24 и в сторону от него. Накопитель 56 содержит первый перенаправляющий ролик 57 на выходе из шпулярника 24, второй перенаправляющий ролик 58 в нижней части накопителя 56 и третий перенаправляющий ролик 59 на выходе из накопителя. Второй перенаправляющий ролик 58 накопителя установлен на скользящем элементе 60 накопителя, который перемещается вверх и вниз параллельно оси Z, в зависимости от положения головки 20 при её перемещении в направлении 19 вдоль оси Y, для обеспечения натяжения без провисания композиционного материала, проходящего через накопитель 56. Оси вращения роликов 57, 58 и 59 накопителя параллельны оси вращения перенаправляющего ролика 21 каретки, осям перенаправляющих роликов 43 головки, а также оси X машины. Количество и расположение роликов в накопителе могут изменяться в зависимости от конкретной конструкции накопителя.
Операторская станция 61 может быть расположена рядом с передней стороной шпулярника 24, вне рабочей зоны 16, чтобы обеспечивалось обозрение шпулярника 24 и стола 32. Операторская станция 61 может быть либо подвешена сверху для обеспечения простоты обзора шпулярника 24 и стола 32, либо установлена на рабочей площадке 65. Вспомогательные операторская станции 62 могут быть расположены рядом с обоими краями направляющих 52 для контроля перемещения тележки 51 и столов 32 и 33, при нахождении тележки на концах направляющих для выполнения операций загрузки и выгрузки.
Во время работы, поскольку перемещение головки 20 ограничено направлением 19 вдоль оси Y, а направление движения укладочного стола 32 ограничено направлением 35 линейного перемещения вдоль оси X и вращением 37 относительно вертикальной оси C, это позволяет головке укладывать композиционный материал на укладочный стол 32 в любой ориентации без перекручивания по ширине 31 полосы композиционного материала 30 относительно осей Y и Z в ходе операции укладки. Во время работы машины траектория движения волокна от катушечной рамы 24 к головке 20 остается прямой относительно оси Y, так как головка 20 перемещается только в направлении 19 параллельно оси Y, параллельно балке 14. Во время операций укладки материала оси вращения роликов 57, 58 и 59 накопителя, перенаправляющего ролика 21 каретки, перенаправляющих роликов 43 головки и уплотнительного ролика 44 все остаются параллельными оси X машины. Как показано на фиг. 2B и 2C, смещающийся уплотнительный ролик 44 обеспечивает укладку композиционного материала в двух направлениях. Может применяться второй шпулярник 26 для изменения направления подачи композиционного материала к головке 20 с целью обеспечения непрерывной укладки композиционного материала на приспособление 32.
Преимущества малогабаритной четырехосной машины для укладки композиционного материала по сравнению с другими малогабаритными системами плоской укладки с неподвижной головкой 20 заключается в том, что перемещение головки 20 по мосту 12 обеспечивает возможность создания деталей намного большего размера, чем у машин с головкой, закрепленной над большим челночно-перемещающимся столом, и в том, что не требуется опорный кронштейн головки с большой глубиной горла, который потребовался бы для челночно-перемещающегося стола большей ширины. Симметричный V-образный профиль траектории 48 подачи композиционного материала 30 и перемещение уплотнительного ролика 44 в обе стороны от центральной линии 49 головки обеспечивает возможность быстрого перемещения головки вдоль оси Y с укладкой композиционного материала в двух направлениях на приспособление 32.
Машина для укладки композиционного материала имеет упрощенную траекторию прохождения полосы 30 волокон от шпулярника 24 к двухосному укладочному столу 32. Поперечное ламинирование в направлении перемещения 19 головки 20 всегда происходит в направлении по длине балки 14, параллельно оси Y и направлению подачи волокна от шпулярника 24. Это обеспечивает простую линейную траекторию прохождения материала в любой момент времени без перекручивания полосы 30 волокон на участке между шпулярником 24 и уплотнительным роликом 44. Поскольку головка 20 не вращается относительно какой-либо оси, любое протягивание композиционного материала через перенаправляющий ролик 21 каретки всегда происходит в плоскости вращения перенаправляющего ролика 21. В результате, при изменении направления не возникают никакие боковые нагрузки, действующие на композиционный материал. Это обеспечивает меньшую степень ломки волокон композиционного материала 30 при высоких скоростях укладки. Накопитель 56 применяется для контроля натяжения волокон при поперечном перемещении головки 20 по мосту 12 над столом 32. Накопитель 56 позволяет головке 20 быстро перемещаться к шпулярнику и в сторону от него в любой момент работы.
Предлагаемая малогабаритная четырехосная машина для плоской укладки композиционного материала обеспечивает возможность производства деталей с размером стороны от 1 м до 3 м. Разумеется, производимая деталь вовсе не обязательно должна быть квадратной; она может иметь прямоугольную, призматическую, круглую, неправильную форму или любое сочетание вышеупомянутых форм. Наименьший размер стороны детали, которую можно произвести с помощью этой машины, составляет 0,25 м. Четыре оси перемещения машины обеспечивают возможность изготовления деталей плоской укладки с любой ориентацией слоев относительно осей X и Y. Перемещающийся укладочный стол 32 имеет меньшую массу привода, чем привод головки, перемещающейся по нескольким направлениям, и обеспечивает более удобный доступ для оператора. Вращение стола 32 в направлении 37 относительно оси C обеспечивает возможность укладки композиционного материала в двух направлениях, что может обеспечивать сбалансированное ламинирование. Это обеспечивает возможность производства более толстых деталей с более высокой скоростью укладки материала и ускорением, при снижении затрат.
Специалистам в данной области будут очевидны различные возможные модификации и изменения описанного устройства, не выходящие за объем притязаний, определяемый формулы изобретения.