摘 要

复合材料构件比其他材料的成本更低强度更高，因此复合材料在各个领域的应用前景很好。自动纤维铺放技术作为现在比较先进的复合材料成型技术，可以完成十分复杂形状产品的铺放，以适应非对称性曲面的铺放，有十分良好的工作适应能力。我国现在研究出来的铺放样机暂时还不能达到实际工业生产需求标准。本文在查阅了相关文献以及老师的指导下，整理了对研制自适应铺丝头的设计思路。

本次设计中铺丝头采用模块化的设计思路，分成几个部分进行设计。铺丝头大体上应该包括导向装置、重送机构、剪切机构、压紧机构以及一些其他构建的设计和整体的布局。本文在设计上主要有这些思路：导向机构分两部分组成，在梯形体上设置导向槽，采用上下双向送丝的方案，便于节省整个铺丝头的空间；此外，在进入导向槽之前需要设置一个导向辊便于各路丝束更精确的进入导槽。剪切机构中采用气缸带动曲柄以及导向式的刀具来剪切丝束，使得剪切动作更平稳可靠；重送机构中使用挤压摩擦传动来送纱的方案；最后对刀具的剪切力进行计算对轴进行分析计算校核，以便能选出正确的零件来满足设计要求。

关键词：复合材料；纤维铺放；结构设计；铺丝头

Abstract

Composite materials have lower cost and higher strength than other materials, so composites have good application prospects in various fields. Automatic fiber placement technology, as a relatively advanced composite material forming technology, can complete the placement of very complex shape products to accommodate the placement of asymmetrical curved surfaces and has a very good job adaptation capability. The paving prototypes currently being researched in China cannot yet meet the actual industrial production requirements. In this paper, after consulting the relevant literature and the guidance of the teacher, the design ideas of the self-adapting pave head were developed.

In this design, the laying head adopts a modular design concept and is divided into several parts for design. The laying head should generally include guides, double feed mechanisms, shearing mechanisms, press mechanisms, and some other constructed designs and overall layout. This article mainly has these ideas in the design: the guide mechanism is composed of two parts, the guide groove is set on the trapezoidal body, and the two-way wire feeding scheme is adopted, which is convenient for saving the space of the entire laying head; furthermore, it needs to be set before entering the guide groove. A guide roller facilitates more precise entry of the individual tows into the channel. In the shearing mechanism, the cylinder is used to drive the crank and the guide-type cutter to cut the tow, so that the shearing action is more stable and reliable; the scheme of the yarn feeding in the heavy-feeding mechanism using the squeeze friction drive; finally the shearing force of the cutter is performed. The calculation and verification of the axes are calculated so that the correct parts can be selected to meet the design requirements.

Keywords: composites; fiber placement; structural design; laying head

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 1

1.1 课题背景 1

1.1.1 复合材料的发展及运用 1

1.1.2先进复合材料成型技术 1

1.2 纤维铺放技术发展现状 2

1.2.1 纤维铺放技术国外发展现状 2

1.2.2 纤维铺放技术国内发展现状 2

1.3 课题研究目的及意义 3

1.4 课题研究内容 3

1.5课题研究使用的工具 3

第2章 自适应铺丝头设计方案 4

2.1 自动铺丝头的工作原理和基本组成 4

2.1.1 自动铺丝头的工作原理 4

2.1.2 自动铺丝头的基本构成 4

2.2 各机构的设计方案 4

2.2.1 执行元件的选择 4

2.2.2 梯形体及导向机构的设计 5

2.2.3 重送机构的设计 6

2.2.4 剪切机构的设计 7

2.2.5 压紧装置的设计 8

2.2.6冷却与加热装置的设计 10

2.2.其他装置的设计 10

2.3 铺丝头的整体装配 11

2.4 本章小结 12

第3章 铺丝头各机构零件选型及校核 13

3.1 重送机构的结构与分析 13

3.1.1 电机的选择 13

3.1.2 重送轴的计算校核 14

3.1.3 轴的结构设计及轴承的选择 15

3.2 剪切机构的结构设计与分析 15

3.2.1 结构设计 15

3.2.2 剪切机构力学分析 15

3.2.3 气缸的选择 16

3.3 压紧机构的气缸选择 17

3.5本章小结 17

第4章 总结与展望 18

4.1总结 18

4.2展望 18

参考文献 19

致谢 20

第1章 绪 论

1.1 课题背景

近年来，越来越多的厂家使用加强塑料和其它复合材料来织造结构部件。这些复合材料结构是依靠多层相互交叠的预浸丝束成型的。预浸丝就是用基料（如环氧树脂）预浸加强材料（如碳纤维）。作为金属材料部件的替代，由于复合材料所展现出的高比强度，优异的耐腐蚀性，高抗冲击能力，高电阻和高热阻，复合材料结构件得到了越来越广泛的使用，尤其是在那些对材料性能要求高的应用场合，如航空工业。一个限制复合材料部件使用的方面是：通常，许多复合材料部件需要用手工织造或其中几道工序要手工操作。目前，复合材料织造自动化技术已经有了发展，但应用仍然有限，尤其是对于那些具有相对复杂的形状的部件。也就是说，部件不再是圆柱体或其它标准形体，而是等高曲面或弓形面。目前国内的纤维铺放技术发展较为缓慢，而国外已经十分成熟。所以大型多坐标的数控纤维铺丝机的研发十分紧迫，本课题主要是为了解决自动铺丝机的主要部位铺丝头的结构设计。

1.1.1 复合材料的发展及运用

复合材料是以一种材料为基体，其他材料为增强体材料，运用先进技术组合而成的新材料。其中纤维增强材料因为其比重小、比强度和比模量大的特性在生产中使用最为普遍，上世纪40年代玻璃纤维增强树脂出现了，其低密度高强度的特性标志着现代复合材料的诞生，其后60年代出现了高强度高模量的纤维复合材料再发展到了现在的先进复合材料。中间出现的玻璃钢材料，其最初是制造飞机的雷达罩，发展到现在已经涉及到了我们生活的各个领域。随着航空航天技术的发展，比重小的复合材料被广泛使用，因为航空航天器重量的减小可以对各项性能系数有极大的提升。以碳纤维复合材料为例，它的使用可以使飞机的质量减少23%，它也是目前应用最为广泛的复合材料之一。因此，比重小、比强度和比模量打的复合材料得以广泛应用在各类飞行器上。与此同时，复合材料在火车、地铁、汽车等交通工具上也得到了广泛的应用，它不仅可以减轻重量和能量损耗，还能提高生产效率降低成本。其他方面，高比强度高比刚度的特性也满足了风机叶片的需求，目前其用材也正向复合材料在转变。未来复合材料的运用也会更加普遍，其需求也会越来越大。

1.1.2先进复合材料成型技术

目前，复合材料构件的生产方式主要可以分成以下几种：

（1）半自动人工铺放 这种方法铺放时十分灵活，可以生产十分复杂的异型构件，但是由于铺放过程依靠工人手工铺放，所以效率很低，同时构件的各位置的丝束可能不均匀需要进行检验。

（2）自动纤维缠绕 缠绕成型技术是将长纤维带反复缠绕在旋转的芯模上，缠绕成本低效率高但是制约因素较多。首先，在构件形状为不规则面或者凹面时，不容易贴合；其次，由于芯模旋转，所以私塾的缠绕轨迹必须经过严格的规划，不能自由运动；最后，缠绕过程中，丝束的运动必须符合周期性从而来使成型后的厚度和纤维的分布更均匀。

（3）自动铺带技术 铺带技术是将纤维丝束一层一层的铺放在芯模上在进行加压热固化。在欧美国家的普及度很高，可以完全摆脱人工用于工业生产，国内目前尚未大范围用于工业生产。但是对于曲率大的型面效率比较低。

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