一种碳纤维复合材料板材加工设备

1.本实用新型属于碳纤维切割的技术领域，尤其是涉及一种碳纤维复合材料板材加工设备。


背景技术：

2.碳纤维复合材料作为一种新型材料，在多个领域得到广泛应用，成为了世界各个国际争相发展的关键领域之一。碳纤维复合材料比强度和比模量高，质量轻、刚度及抗疲性能好，在一些高温或者化学稳定性要求高的作业环境，碳纤维复合材料优势明显。因此，碳纤维复合材料广泛地应用于航空航天、汽车、风力发电等重要领域，涉及军用民用的各个方面。
3.在制作碳纤维复合材料工件时，常采用模压、注塑、纤维缠绕、铺设等方法进行整体成型，但是这些成型方法精度较低且局限性较大，无法满足精密件及复杂件的需求，因此还需进行切削、磨削等二次加工来满足实际需求。目前碳纤维复合材料二次加工过程中，常常会出现分层、纤维脱离、毛边等不良现象，一般采用的设备如水刀、激光切割等，加工成本高，占地面积大，设备使用不易得到推广，并且通过其进行加工仍存在分层、树脂融化、偏斜等问题。而使用锯割工艺对碳纤维复合材料板材进行切割不仅可避免分层、毛边、纤维脱离等现象，而且通过伺服控制可达到较高的加工精度；但传统的锯床切割局限性较大，不能适应复杂结构工件的加工；而线锯具有较大的加工灵活性，目前虽有多种基于线锯的板材切割设备，但无法满足自动穿丝、换丝需求，导致其无法对板材封闭图形进行加工。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种碳纤维复合材料板材加工设备，可实现自动穿丝、换丝及碳纤维复合材料板材复杂形状的精准加工，节省了人力，大大提高了加工效率。
5.本实用新型提供一种碳纤维复合材料板材加工设备，包括切割装置、板材固定装置、横向底座以及设置在横向底座上的横向往复移动机构ⅲ、纵向底座以及设置在纵向底座上的纵向往复移动机构；
6.横向底座与纵向底座垂直；
7.切割装置包括切割机架、工作丝以及安装在切割机架上的出丝部分和收丝部分；切割机架安装在横向往复移动机构ⅲ的移动部件上；出丝部分和收丝部分竖向设置在切割机架上，均包括绕丝组件、排线组件、辅助穿丝组件和导丝组件；绕丝组件包括两个半圆柱绕丝辊、辊轴、绕丝转针和绕丝驱动件；半圆柱绕丝辊的半圆形端面上设置有半绕丝转针槽，两个半圆柱绕丝辊贴合构成圆柱绕丝辊，圆柱绕丝辊的圆形端面上由两个半绕丝转针槽构成绕丝转针槽，半圆柱绕丝辊的轴向切面穿过绕丝转针槽的中心，绕丝转针槽的中心两侧设置有绕丝转针轨道，绕丝转针轨道为向绕丝转针槽中心弯曲的弧形轨道，每条绕丝转针轨道被半圆柱绕丝辊的轴向切面切割成分别位于两个半圆柱绕丝辊上的旋转轨道和限位轨道，旋转轨道的深度小于限位轨道的深度；辊轴和绕丝转针分别位于圆柱绕丝辊的
两端，辊轴和绕丝转针上均设置有与绕丝转针轨道滑动卡接的凸起，辊轴转动安装在切割机架上，绕丝转针由绕丝驱动件驱动旋转；
8.辅助穿丝组件包括辅助穿丝支架ⅰ、辅助穿丝支架ⅱ、辅助穿丝轮、辅助穿丝转针和辅助穿丝驱动件；辅助穿丝支架ⅰ与切割机架通过竖向往复移动机构ⅰ连接，设置有朝向导丝组件的穿丝孔和朝向绕丝组件和排线组件的开口，开口上设置有竖向限位杆，竖向限位杆上滑动设置有两个辅助穿丝支架ⅱ；辅助穿丝支架ⅱ的开口与辅助穿丝支架ⅰ的开口相对设置，辅助穿丝支架ⅱ的开口上转动安装有辅助穿丝轮，两个辅助穿丝支架ⅱ与辅助穿丝轮平行的侧板外侧设置有半辅助穿丝转针槽，两个辅助穿丝支架ⅱ贴合后两个半辅助穿丝转针槽构成辅助穿丝转针槽，两个辅助穿丝支架ⅱ的相接面穿过辅助穿丝转针槽的中心，辅助穿丝转针槽的中心两侧设置有辅助穿丝转针轨道，辅助穿丝转针轨道为向辅助穿丝转针槽中心弯曲的弧形轨道；辅助穿丝转针位于辅助穿丝转针槽中，设置有与辅助穿丝转针轨道滑动卡接的凸起，由辅助穿丝驱动件驱动旋转；
9.导丝组件包括导丝架以及设置在导丝架中的支撑轮、换向轮和横向往复移动机构ⅰ；导丝架横向设置，出丝部分的导丝架的横向两端设置有进丝口ⅰ和出丝口ⅰ，收丝部分的导丝架的横向两端设置有进丝口ⅱ和出丝口ⅱ，进丝口ⅰ朝向出丝部分的辅助穿丝组件，出丝口ⅱ朝向收丝部分的辅助穿丝组件，出丝口ⅰ和进丝口ⅱ相对设置；出丝部分的导丝架中，支撑轮ⅰ靠近进丝口ⅰ，换向轮ⅰ靠近出丝口ⅰ；收丝部分的导丝架中，支撑轮ⅱ靠近出丝口ⅱ，换向轮ⅱ靠近进丝口ⅱ；横向往复移动机构ⅰ上设置有夹持机构，带动夹持机构在换向轮和支撑轮之间横向往复移动；
10.工作丝从出丝部分的圆柱绕丝辊引出，穿过出丝部分的排线组件、两个辅助穿丝轮、辅助穿丝支架ⅰ的穿丝孔，进入进丝口ⅰ、经过支撑轮ⅰ、由出丝部分的夹持机构夹紧且由横向往复移动机构ⅰ运送至换向轮ⅰ，经过换向轮ⅰ由横向变为竖向，穿过出丝口ⅰ，进入进丝口ⅱ，经过换向轮ⅱ由竖向变为横向，由收丝部分的夹持机构夹紧且由横向往复移动机构ⅰ运送至支撑轮ⅱ，穿过出丝口ⅱ，穿过收丝部分的辅助穿丝支架ⅰ的穿丝孔、两个辅助穿丝轮、排线组件，进入收丝部分的两个半圆柱绕丝辊之间，收丝部分的绕丝驱动件驱动两个半圆柱绕丝辊旋转夹紧工作丝，辊轴和绕丝转针的凸起从旋转轨道进入限位轨道并卡在限位轨道中，旋转圆柱绕丝辊将工作丝缠绕到圆柱绕丝辊上；
11.板材固定装置包括增高架、板材旋转驱动件、吸盘架ⅰ以及设置在吸盘架ⅰ上的吸盘ⅰ；增高架安装在纵向往复移动机构的移动部件上；板材旋转驱动件设置在增高架上，旋转轴纵向设置与吸盘架ⅰ连接；两组板材固定装置位于横向底座的两侧，吸盘架ⅰ相对设置。
12.进一步地，出丝部分中，辅助穿丝支架ⅰ和导丝架上分别设置有用于判断穿丝孔和进丝口ⅰ是否对准的红外线发射器ⅰ和红外线接收器ⅰ；收丝部分中，辅助穿丝支架ⅰ和导丝架上分别设置有用于判断穿丝孔和出丝口ⅱ是否对准的红外线发射器ⅱ和红外线接收器ⅱ。
13.进一步地，导丝架与切割机架通过竖向往复移动机构ⅲ连接，导丝架上设置有用于检测工作丝张力的张力传感器。
14.进一步地，上述碳纤维复合材料板材加工设备，还包括旋转升降装置；旋转升降装置包括竖向升降机构、旋转机构、吸盘架ⅱ以及设置在吸盘架ⅱ上的吸盘ⅱ；旋转机构安装在竖向升降机构的升降部件上，旋转轴与吸盘架ⅱ连接；纵向底座上设置有供吸盘ⅱ穿过
的通道。
15.本实用新型具有以下有益效果：
16.本实用新型创造提供了一种碳纤维复合材料板材加工设备，可实现碳纤维复合材料板材的复杂形状加工、精准加工，如拉伸试验件、三点弯曲件以及需要扩孔的碳纤维复合材料工件等的二次加工，且加工表面光整，表面质量高，避免了因无法满足自动穿丝扩孔、自动换丝等需求而导致的无法对板材封闭图形进行加工问题，极大提高了加工表面光整度和表面质量，使加工成本低，同时可实现换丝穿丝自动化，节省了人力，大大提高了加工效率。
附图说明
17.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为碳纤维复合材料板材加工设备的整体图；
19.图2为切割装置的整体图；
20.图3为绕丝组件和排线组件的放大图；
21.图4为绕丝组件的爆炸图；
22.图5为圆柱绕丝辊的平面图；
23.图6为半圆柱绕丝辊的立体图；
24.图7为辅助穿丝组件的放大图；
25.图8为导丝架内的结构图；
26.图9为横向往复移动机构ⅰ和夹持机构的放大图；
27.图10为辅助加工装置的整体图；
28.图11为板材固定装置的整体图；
29.图12为旋转升降装置的整体图。
30.图标：切割机架100、工作丝200、绕丝组件300、半圆柱绕丝辊301、辊轴302、绕丝转针303、半绕丝转针槽304、旋转轨道305、限位轨道306、绕丝伺服电机307、辅助穿丝组件400、辅助穿丝支架ⅰ401、辅助穿丝支架ⅱ402、辅助穿丝轮403、辅助穿丝转针404、竖向限位杆405、半辅助穿丝转针槽406、辅助穿丝伺服电机407、导丝架501、出丝口ⅰ501.1、进丝口ⅱ501.2、支撑轮ⅰ502.1、支撑轮ⅱ502.2、换向轮ⅰ503.1、换向轮ⅱ503.2、横向往复移动机构ⅰ504、夹持机构505、滚珠丝杠副506、滚珠丝杠排线器600、龙门架701、横向往复移动机构ⅱ702、竖向往复移动机构ⅱ703、电主轴704、刀头705、刀架706、增高架801、吸盘架ⅰ802、吸盘ⅰ803、板材固定电机804、减速器805、吸盘架ⅱ901、吸盘ⅱ902、气缸903、旋转电机904、横向底座1001、横向往复移动机构ⅲ1002、纵向底座1003、纵向往复移动机构1004。
具体实施方式
31.下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本
领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
32.本实施例提供一种碳纤维复合材料板材加工设备，包括切割装置、辅助加工装置、用于固定碳纤维复合材料板的板材固定装置、旋转升降装置、横向底座1001以及设置在横向底座1001上的横向往复移动机构ⅲ1002、纵向底座1003以及设置在纵向底座1003上的纵向往复移动机构1004，横向底座1001与纵向底座1003垂直。横向往复移动机构ⅲ1002和纵向往复移动机构1004包括但不仅限于滚珠丝杠副、同步带直线模组、齿轮齿条等直线传动机构。
33.切割装置包括切割机架100、工作丝200以及安装在切割机架100上的出丝部分和收丝部分，切割机架100安装在横向往复移动机构ⅲ1002的移动部件上。
34.位于上方的出丝部分和位于下方的收丝部分竖向设置在切割机架100上，均包括绕丝组件300、排线组件、辅助穿丝组件400和导丝组件。
35.绕丝组件300包括两个半圆柱绕丝辊301、辊轴302、绕丝转针303和绕丝驱动件；半圆柱绕丝辊301的半圆形端面上设置有半绕丝转针槽304，两个半圆柱绕丝辊301贴合构成的圆柱绕丝辊，圆柱绕丝辊的圆形端面上由两个半绕丝转针槽304构成绕丝转针槽，半圆柱绕丝辊301的轴向切面穿过绕丝转针槽的中心，绕丝转针槽的中心两侧设置有绕丝转针轨道，绕丝转针轨道为向绕丝转针槽中心弯曲的弧形轨道，每条绕丝转针轨道被半圆柱绕丝辊301的轴向切面切割成分别位于两个半圆柱绕丝辊301上的旋转轨道305和限位轨道306，旋转轨道305的深度小于限位轨道306的深度；辊轴302和绕丝转针303分别位于圆柱绕丝辊的两端，辊轴302和绕丝转针303上均设置有与绕丝转针轨道滑动卡接的凸起307，辊轴302转动安装在切割机架100上，绕丝转针303由绕丝驱动件驱动旋转，本实施例中绕丝驱动件为绕丝伺服电机307。
36.辅助穿丝组件400包括辅助穿丝支架ⅰ401、辅助穿丝支架ⅱ402、辅助穿丝轮403、辅助穿丝转针404和辅助穿丝驱动件；辅助穿丝支架ⅰ401与切割机架100通过竖向往复移动机构ⅰ（本实施例中竖向往复移动机构ⅰ可采用滚珠丝杠副、同步带直线模组、齿轮齿条等，图中未示出）连接，设置有朝向导丝组件的穿丝孔和朝向绕丝组件300和排线组件的开口，开口上设置有竖向限位杆405，竖向限位杆405上滑动设置有两个辅助穿丝支架ⅱ402；辅助穿丝支架ⅱ402的开口与辅助穿丝支架ⅰ401的开口相对设置，辅助穿丝支架ⅱ402的开口上转动安装有辅助穿丝轮403，同一辅助穿丝支架ⅰ401的竖向限位杆405上，两个辅助穿丝支架ⅱ402对称设置在穿丝孔两侧。两个辅助穿丝支架ⅱ402与辅助穿丝轮403平行的侧板外侧设置有半辅助穿丝转针槽406，两个辅助穿丝支架ⅱ402贴合后两个半辅助穿丝转针槽406构成辅助穿丝转针槽，两个辅助穿丝支架ⅱ402的相接面穿过辅助穿丝转针槽的中心，辅助穿丝转针槽的中心两侧设置有辅助穿丝转针轨道，辅助穿丝转针轨道为向辅助穿丝转针槽中心弯曲的弧形轨道（与绕丝转针轨道形状相同）；辅助穿丝转针404位于辅助穿丝转针槽中，设置有与辅助穿丝转针轨道滑动卡接的凸起，由辅助穿丝驱动件驱动旋转，本实施例中辅助穿丝驱动件为辅助穿丝伺服电机407。
37.导丝组件包括导丝架501以及设置在导丝架501中的支撑轮、换向轮和横向往复移动机构ⅰ504；导丝架501横向设置，与切割机架100通过竖向往复移动机构ⅲ连接，竖向往复移动机构ⅲ可采用滚珠丝杠副506、同步带直线模组、齿轮齿条等。两个导丝架501之间的工
作丝200为切割段，可根据待切割碳纤维板的厚度调节两个导丝架501之间的间距。出丝部分的导丝架501的横向两端设置有进丝口ⅰ和出丝口ⅰ501.1，收丝部分的导丝架501的横向两端设置有进丝口ⅱ501.2和出丝口ⅱ，进丝口ⅰ朝向出丝部分的辅助穿丝组件，出丝口ⅱ朝向收丝部分的辅助穿丝组件，出丝口ⅰ501.1和进丝口ⅱ501.2相对设置；出丝部分的导丝架501中，支撑轮ⅰ502.1靠近进丝口ⅰ，换向轮ⅰ503.1靠近出丝口ⅰ501.1；收丝部分的导丝架501中，支撑轮ⅱ502.2靠近出丝口ⅱ，换向轮ⅱ503.2靠近进丝口ⅱ501.2；横向往复移动机构ⅰ504上设置有夹持机构505，带动夹持机构505在换向轮和支撑轮之间横向往复移动，横向往复移动机构ⅰ504可采用滚珠丝杠副、同步带直线模组、齿轮齿条等。工作丝200从出丝部分的圆柱绕丝辊引出，穿过出丝部分的排线组件、两个辅助穿丝轮403、辅助穿丝支架ⅰ401的穿丝孔，进入进丝口ⅰ、经过支撑轮ⅰ502.1、由出丝部分的夹持机构505夹紧且由横向往复移动机构ⅰ504运送至换向轮ⅰ503.1，经过换向轮ⅰ503.1由横向变为竖向，穿过出丝口ⅰ501.1，进入进丝口ⅱ501.2，经过换向轮ⅱ503.2由竖向变为横向，由收丝部分的夹持机构505夹紧且由横向往复移动机构ⅰ504运送至支撑轮ⅱ502.2，穿过出丝口ⅱ，穿过收丝部分辅助穿丝支架ⅰ401的穿丝孔、两个辅助穿丝轮403、排线组件，进入收丝部分的两个半圆柱绕丝辊301之间，收丝部分的绕丝驱动件驱动两个半圆柱绕丝301辊旋转夹紧工作丝200，辊轴302和绕丝转针303的凸起从旋转轨道305进入限位轨道306并卡在限位轨道306中，旋转圆柱绕丝辊将工作丝200缠绕到圆柱绕丝辊上。
38.出丝部分中，辅助穿丝支架ⅰ401和导丝架501上分别设置有用于判断穿丝孔和进丝口ⅰ是否对准的红外线发射器ⅰ和红外线接收器器ⅰ；收丝部分中，辅助穿丝支架ⅰ401和导丝架501上分别设置有用于判断穿丝孔和出丝口ⅱ是否对准的红外线发射器ⅱ和红外线接收器器ⅱ。
39.导丝架501上设置有用于检测工作丝200张力的张力传感器。
40.排线组件为滚珠丝杠排线器600，丝杠与辊轴302上设置有通过同步带连接的同步轮。
41.工作丝200为金刚线锯。
42.辅助加工装置包括龙门架701、横向往复移动机构ⅱ702、竖向往复移动机构ⅱ703和电主轴704；龙门架701的横梁与导丝架501平行且位于两组板材固定装置之间；横向往复移动机构ⅱ702安装在龙门架701的横梁上；竖向往复移动机构ⅱ703安装在横向往复移动机构ⅱ702的移动部件上；电主轴704安装在竖向往复移动机构ⅱ703的移动部件上，通过气动方式配有刀头705、磨头。龙门架701的两根竖向立柱上设置有刀架706，闲置的刀头705置于刀架706上。
43.纵向底座1003位于龙门架701的两根竖向立柱之间，与横梁垂直。
44.板材固定装置包括增高架801、板材旋转驱动件、吸盘架ⅰ802以及设置在吸盘架ⅰ802上的吸盘ⅰ803；增高架801安装在纵向往复移动机构1004的移动部件上；板材旋转驱动件设置在增高架801上，包括板材固定电机804以及与板材固定电机804连接的减速器805，减速器805的旋转轴纵向设置与龙门架701的横梁垂直，与吸盘架ⅰ802连接。吸盘ⅰ803为气动式吸盘。
45.旋转升降装置包括竖向升降机构、旋转机构、吸盘架ⅱ901以及设置在吸盘架ⅱ901上的吸盘ⅱ902；竖向升降机构为气缸903，旋转机构为旋转电机904，旋转电机904安装
在气缸903的升降部件上，旋转轴与吸盘架ⅱ901连接；纵向底座上设置有供吸盘ⅱ902穿过的通道。吸盘ⅱ902为气动式吸盘。
46.上述碳纤维复合材料板材加工设备的使用方法如下所述：
47.步骤一：通过板材固定装置将碳纤维复合材料板固定在龙门架的横梁下方预设位置；放置碳纤维复合材料板前，板材固定装置首先沿着纵向底座1003移动至远离辅助加工装置的一端，并根据碳纤维复合材料板大小调整位置，碳纤维复合材料板放置于板材固定装置的吸盘ⅰ803上，定位结束后吸盘ⅰ803将碳纤维复合材料板吸紧，完成装夹，随后板材固定装置移动至龙门架701下方的加工区；
48.步骤二：电主轴704横向移动至预设位置，竖向移动对碳纤维复合材料板进行打孔，将预制孔对准出丝口ⅰ501.1和进丝口ⅱ501.2；
49.步骤三：出丝部分出丝
50.工作丝200缠绕在出丝部分的圆柱绕丝辊上，绕丝转针303的凸起卡在限位轨道306中，圆柱绕丝辊为闭合状态，绕丝驱动件驱动圆柱绕丝辊正向旋转出丝，工作丝200的头端旋出穿过出丝部分的排线组件、进入两个处于打开状态的辅助穿丝轮403，辅助穿丝驱动件驱动辅助穿丝转针404正向旋转夹紧工作丝200，对工作丝200进行校直，圆柱绕丝辊继续正向旋转出丝，进入辅助穿丝支架ⅰ401的穿丝孔、进丝口ⅰ、经过支撑轮ⅰ502.1、由出丝部分的夹持机构505夹紧且由横向往复移动机构ⅰ504运送至换向轮ⅰ503.1，经过换向轮ⅰ503.1由横向变为竖向，穿过出丝口ⅰ501.1和预制孔；
51.步骤四：收丝部分收丝
52.工作丝200的头端进入进丝口ⅱ501.2，经过换向轮ⅱ503.2由竖向变为横向，由收丝部分的夹持机构505夹紧且由横向往复移动机构ⅰ504运送至支撑轮ⅱ502.2，穿过出丝口ⅱ，穿过辅助穿丝支架ⅰ401的穿丝孔、两个处于打开状态的辅助穿丝轮403、排线组件，进入收丝部分的两个半圆柱绕丝辊301之间，收丝部分的绕丝驱动件驱动两个半圆柱绕丝辊301正向旋转闭合夹紧工作丝200，辊轴302和绕丝转针303的凸起从旋转轨道305进入限位轨道306并卡在限位轨道306中，旋转圆柱绕丝辊将工作丝200缠绕到圆柱绕丝辊上；
53.步骤五：切割
54.出丝部分的辅助穿丝驱动件驱动辅助穿丝转针404反向旋转，使两个辅助穿丝轮403打开，避免了工作丝200反复拉伸切割时，对辅助穿丝轮403造成磨损，收丝部分和出丝部分的圆柱绕丝辊正反旋转，带动工作丝200的切割段上下移动实现切割。
55.在步骤五中，为了便于切割，通过板材固定电机804驱动可使吸盘架ⅰ802带动碳纤维复合材料板进行小角度旋转，以免切割发生误差；当碳纤维复合材料板需要从另一方向进行加工时，待刀具退回，气缸903顶出，其上的吸盘ⅱ902与碳纤维复合材料板充分接触并吸紧碳纤维复合材料板后，吸盘ⅰ803进行卸载，放开碳纤维复合材料板，此时气缸903继续向上保持碳纤维复合材料板高于吸盘ⅰ803，随后旋转电机904驱动吸盘架ⅱ901旋转所需角度，气缸903进行回程，当吸盘ⅰ803与碳纤维复合材料板充分接触并吸紧后，吸盘ⅱ902卸载，放下碳纤维复合材料板，气缸903回程，整个旋转升降装置退回起始点。
56.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部
技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。