1. 研究目的与意义（文献综述）

复合材料，是由两种或两种以上互不相溶的性质不同的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料，该材料强度和刚度高、质量轻。汽车、民用、航空航天等领域的快速发展离不开复合材料的引入，而先进的铺放设备是实现复合材料应用的关键。目前复合材料制品主要通过半自动人工铺放、自动纤维缠绕、自动铺带技术和自动纤维铺放四种铺放制造技术制成。

自动纤维铺放技术与纤维缠绕技术、自动铺带技术相比，有很大的优越性： 1）铺丝头运动的灵活性和多组纤维预浸束的独立可控性 2）纤维铺放技术具有纤维缠绕和自动铺带的优点，其通过计算机控制，可以使压辊较均匀对纤维进行试压；该技术可实现多自由度铺放，对制品适应性强，即使对形状复杂的型面仍可保持很高的效率。 3）其落纱准确施压均匀，保证了型面质量且表面光洁，自动化程度高，可实现“低成本、高性能”。

国外的纤维铺放技术已日趋完善，现在国外的很多研究都是围绕机型多样化，降低成本和提升性能展开的。由于涉及商业机密，很难得到纤维铺放机的重要技术信息。仅能从公开的部分非保密专利和公开文献中了解一些。辛辛那提公司关于铺放头的专利和 赫拉克勒斯公司的纤维铺放系统专利很具有代表性，它们基本建立了自动纤维铺放机的机构原型。后来的很多专利都可看做为对它们的局部改进或者调整。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 装置的组成

自动纤维铺丝机主要由铺丝头、丝束架、法兰连 接组件、床身、工作台面等构成，其中最主要的机构是铺丝头，铺丝设备的绝大部分工作都由铺丝头完成，所以铺丝头应该包括压紧机构、加热模块、剪切机构、重送机构、夹紧机构。丝束架包括圆盘、张力控制机构、收膜机构和丝束导向机构，而床身可采用类似于龙门铣床的设计，这样结构比较紧凑且安全可靠。

2.2 装置的设计

2.2.1工作原理及整体设计方案

自动纤维铺放技术是使用多个紧密排列的预浸带进行铺放，多路丝束从纱架引出后在导向机构的引导下，被分配到铺丝头纤维 导向槽中，经过夹紧机构、重送机构和剪切机构，最终在加热后由压紧机构铺放在芯模上。其中夹紧机构、重送机构和剪切机构共同实现丝束的剪切和重送，以达到根据芯模表面形状增减丝束的目的。

2.2.2剪切机构设计

剪切机构接收到控制系统的指令后，对纤维实施剪切动作。考虑到所剪切的纤维为碳纤维预浸带，且剪切的过程中有一定的粘性，要求剪切机构动作快、可靠性好，故选择气缸作为执行元件，运动方案如图1

图1 1―移动轴 2―刀具 3―压块 4―纤维 5―弹片 6―砧 7―气缸

气缸7驱动移动轴带动刀具向下运动，刀具2在导向机构的作用下与砧板配合完成剪切运动，然后通过弹簧的作用，刀具恢复原位等待下一次动作指令

2.2.3 压紧机构设计

运动方案如图2

图2 1-气缸 2-压紧轴 3-压紧轮 4-纤维

气缸1驱动压紧轴2驱动压紧轮3压紧纤维4，在重送之前，气缸1将纤维松开，从而实现纤维的压紧。

该方案的优点：结构简单，压紧可靠。通过气压值的变化可以调节压紧力。 该方案的缺点：纤维可能被压实，需要通气吹开。

2.2.4 重送装置设计

如图 3 所示，控制系统发送重送指令后，气缸 1 动作驱动曲柄连杆动作，进而使重送从动轮 4将纤维 5 紧紧压在重送主动轮 6 上，当 纤维重送到指定位置时，气缸 1弹簧作用驱动曲柄连杆动作，使重送从动轮4抬起。

图3 1-气缸 2-曲柄 3-连杆 4-重送从动轮

5-纤维 6-重送主动轮

该方案的优点：①在重送主动轮不停转动的情况下，利用重送从动轮动作即可独立控制各路纤维束的重送，简单易行；②依靠摩擦力重送纤维，原理简单；③在铺丝头有限的空间内，该重送机构所占用的空间小；④根据重送主动轮的转速和重 送从动轮的压紧时间，便可确定纤维重送长度，方便了重送长度的调整。
2.2.5 其它辅助机构的设计
加热设备拟使用吹风设备通过吹送热风，实现对纤维的加热。
导向机构采用导向槽引导纤维的方法，该方案导向槽截面为 U 型，不易使纤维变形，但由于纤维束较多，路径设计和制造复杂。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅文献资料，确定方案，完成开题报告。

第4－5周：检索外文资料，并完成外文资料的翻译工作。

第6－10周：完成设计计算及绘图工作及装置相关零部件的分析。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] processing andcharacterization of the thermoplastic composites manufactured by ultrasonicvibration–assistedautomated fiber placement[j]. chu, q., li, y., xiao, 2018

[2] simulation based optimizationon automated fibre placement process [j].lei, s., 2018