[发明专利]热塑性复合材料自动铺放装置及方法

权利要求书

1.热塑性复合材料自动铺放装置的铺放方法，其特征在于，所述热塑性复合材料自动铺放装置包括铺放装置，铺放装置固定在支撑板（4）上，激光焊接装置的激光焊接头（7）固定于铺放装置一侧，超声振动装置固定于铺放装置另一侧，支撑板（4）通过法兰（3）与机器人（18）的手臂相连；

所述铺放装置由带盘（5）、张紧装置（6）、热塑性预浸带（10）、第一气压缸（11）、加压滚轮（12）、导向轮（20）、主驱动辊（21）、副驱动辊（22）及第三气压缸（28）组成，热塑性预浸带（10）缠绕在带盘（5）上，带盘（5）中心设有张紧装置（6）；导向轮（20）固定于从带盘（5）引出的热塑性预浸带（10）下方，并与热塑性预浸带（10）接触；相互平行的主驱动辊（21）和副驱动辊（22）位于导向轮（20）下方，热塑性预浸带（10）穿过主驱动辊（21）和副驱动辊（22）中间，并与主驱动辊（21）和副驱动辊（22）接触；加压滚轮（12）位于主驱动辊（21）和副驱动辊（22）下方，热塑性预浸带（10）沿加压滚轮（12）被送至加压滚轮（12）下方与基材（13）接触；加压滚轮（12）一侧连接第一气压缸（11），第一气压缸（11）上设有第一活塞杆（27）、位于第一活塞杆（27）上方的第一气孔（25）和位于第一活塞杆（27）下方的第二气孔（26）；加压滚轮（12）另一侧连接第三气压缸（28），第三气压缸（28）上设有第二活塞杆（30）、位于第二活塞杆（30）下方的第三气孔（29）和位于第二活塞杆（30）上方的第四气孔（31）；

所述激光焊接装置由激光器（1）、计算机（2）、激光焊接头（7）及红外测温探头（9）组成，激光器（1）输入线连接计算机（2），激光器（1）输出线连接激光焊接头（7），激光焊接头（7）上安装红外测温探头（9），红外测温探头（9）连接计算机（2），激光焊接头（7）发出的激光束（19）倾斜照射在加压滚轮（12）下方热塑性预浸带（10）与基材（13）交界处；

所述超声振动装置由超声波发生器（8）、超声振动工具头（14）、变幅杆（15）、换能器（16）、第二气压缸（17）、滑块（23）及导轨（24）组成，超声振动工具头（14）、变幅杆（15）与换能器（16）依次相连组成振动工作单元，换能器（16）通过信号传输线与超声波发生器（8）连接，第二气压缸（17）通过第三活塞杆（32）与换能器（16）连接，换能器（16）上固定滑块（23）一端，滑块（23）另一端卡接在导轨（24）上，振动工作单元通过滑块（23）沿导轨（24）轴线方向直线运动，第二气压缸（17）上设有位于第三活塞杆（32）下方的第五气孔（33）和位于第三活塞杆（32）上方的第六气孔（34），导轨（24）和第二气压缸（17）固定在支撑板（4）上；

所述热塑性预浸带（10），是热塑性树脂与纤维的组合物；

所述热塑性树脂为聚丙烯、聚乙烯或聚酰胺中的一种；

所述纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶或玄武岩纤维中的一种或两种以上的组合体；

所述第一气孔（25）、第四气孔（31）和第六气孔（34）为进气孔；所述第二气孔（26）、第三气孔（29）第五气孔（33）为排气孔；

所述热塑性复合材料自动铺放装置的铺放方法，包括以下步骤：

步骤一：机器人（18）牵引安装铺放装置、激光焊接装置及超声振动装置的支撑板（4）至基材（13）上方，热塑性预浸带（10）经导向轮（20）、主驱动辊（21）和副驱动辊（22）传送至加压滚轮（12）下方，第一气孔（25）和第四气孔（31）进气，第二气孔（26）和第三气孔（29）排气，第一气压缸（11）的第一活塞杆（27）和第三气压缸（28）的第二活塞杆（30）推动加压滚轮（12），使热塑性预浸带（10）和基材（13）紧密贴合，并保持压力稳定；同时第六气孔（34）进气，第五气孔（33）排气，第二气压缸（17）的第三活塞杆（32）推动超声振动工具头（14）与热塑性预浸带（10）接触，并保持压力稳定；

步骤二：计算机（2）控制激光器（1）的输出功率，激光器（1）通过激光焊接头（7）释放激光束（19），对加压滚轮（12）下方热塑性预浸带（10）和基材（13）交界处进行加热，同时开启超声波发生器（8），换能器（16）将超声波发生器（8）产生的高频电流能转换为机械振动能，并通过变幅杆（15）将机械振动放大、汇聚后，转移至超声振动工具头（14），实现超声振动工具头（14）对加压滚轮（12）后方热塑性预浸带（10）超声冲击；

步骤三：基材（13）和机器人（18）同步运动，主驱动辊（21）牵引热塑性预浸带（10）的速率与加压滚轮（12）铺放速率保持一致，实现热塑性预浸带（10）的持续铺放成型，红外测温探头（9）检测加工温度并反馈至计算机（2），实时调整激光器（1）的输出功率，控制激光束（19）功率，从而控制加工温度；

步骤四：通过改变机器人（18）末端手臂位姿调整铺放路径，重复步骤一至步骤三，直至整个热塑性复合材料构件成型结束。