CN105954328B - 一种碳纤维传感器敏感元单向自动化制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维传感器敏感元单向自动化制造装置，包括：工作台；升降和平移模块；水平移动台，水平移动地安装在工作台上，顶面安装有用于铺丝的托板；储丝模块；铺丝模块，安装在升降和平移模块的动力输出端，用于在托板上铺设来自储丝模块的纤维丝；预浸模块，布置在储丝模块与铺丝模块之间的纤维丝路径上用于对纤维丝进行预处理；树脂填充模块，与所述铺丝模块固定连接，用于形成容纳碳纤维敏感元的树脂层，所述树脂填充模块的出脂嘴与铺丝模块的出丝口之间的连线与升降和平移模块的平移方向平行；本发明装置易于实现碳纤维传感器敏感元批量化制造，较人工铺丝过程，能够保证较高的重复性，大大提高碳纤维传感器敏感元制造效率。

Description

一种碳纤维传感器敏感元单向自动化制造装置

技术领域

本发明涉及碳纤维传感器制造技术领域，特别是涉及一种碳纤维传感器敏感元单向自动化制造装置。

背景技术

碳纤维(Carbon Fiber，简称CF)，是一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。碳纤维具有许多优良的性能，如轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳、腐蚀性好，热膨胀系数小且具有各向异性及良好的导电导热性能等。碳纤维丝在拉应变下其电阻随应变呈正比例增加，在压应变下电阻随应变的增加而呈正比例减小，呈现出良好的导电性和压阻效应，具有良好的自感知特性。

例如公开号为CN103422587A的专利文献公开了一种碳纤维电阻传感层智能监测免维护屈曲约束支撑，包括耗能钢芯、GFRP约束段、波形节、成型泡沫、传感层电极和碳纤维智能传感层，所述GFRP约束段的两端设有波形节，GFRP约束段和波形节的内部中心设有耗能钢芯，GFRP约束段沿耗能钢芯对称布置，所述碳纤维智能传感层位于GFRP约束段内，碳纤维智能传感层平行设置在耗能钢芯的长边两侧，碳纤维智能传感层与耗能钢芯之间留有间隙，碳纤维智能传感层与传感层电极连接，碳纤维智能传感层与GFRP约束段连接形成整体结构的空隙内填充有成型泡沫。上述装置具有结构合理、自重轻、耐腐蚀、免维护、能智能监控的特点。

已有研究将碳纤维作为敏感元，设计制造碳纤维智能层，用于大型结构件的健康监测，取得了良好的效果。

为了制造出性能优良的智能层格栅，有研究者提出制造此类格栅的方法，申请公布号CN 105082557A的专利文献公开了一种格栅的制造方法，该制造方法包括：在用于制造格栅的模具内铺设碳纤维预浸料；在该碳纤维预浸料上方形成超材料微结构层；进行合模，并使树脂材料进入该模具内；对该模具内的树脂材料进行固化，之后进行脱模。上述方法通过在模具中加入碳纤维和树脂材料，并对模具内的树脂材料进行固化，不仅能够使格栅具备理想的强度和成型好的特性，而且能够让格栅在面对电磁波时展现出更好的特性，此外，通过上述的方法制造的格栅的密度可以被控制在较低范围，因此.不会显著增加格栅的重量，保证了格栅的轻便性，让格栅便于加工和运输。

但上述方法只对制造过程进行了细化，目前制造智能层格栅时大多采用手工方式，过程繁杂且由于过多引入不可控人为因素，导致所制造传感器重复性差，需对制造的每一个传感器进行标定，不易实现批量化。因此，建立一种高效可控自动化装置对于制造碳纤维传感器具有十分重要的意义。

发明内容

本发明提供了一种碳纤维传感器敏感元单向自动化制造装置，结构简单，使用方便，制造的重复性好、效率高，实现自动化批量生产碳纤维敏感元。

一种碳纤维传感器敏感元单向自动化制造装置，包括：

工作台；

升降和平移模块，安装在工作台上的；

水平移动台，水平移动地安装在工作台上，顶面安装有用于铺丝的托板；

储丝模块；

铺丝模块，安装在升降和平移模块的动力输出端，用于在托板上铺设来自储丝模块的纤维丝；

预浸模块，布置在储丝模块与铺丝模块之间的纤维丝路径上用于对纤维丝进行预处理；

树脂填充模块，与所述铺丝模块固定连接，用于形成容纳碳纤维敏感元的树脂层，所述树脂填充模块的出脂嘴与铺丝模块的出丝口之间的连线与升降和平移模块的平移方向平行。

本发明通过设置纤维丝驱动箱和树脂填充模块，驱动纤维丝运动，代替人工涂脂和铺丝过程，克服因过多引入人工不可控因素导致所制造传感器重复性差及效率低下问题，易于实现批量化制造，并且本发明中将所述树脂填充模块与所述铺丝模块固定连接，所述树脂填充模块的出脂嘴与铺丝模块的出丝口之间的连线与升降和平移模块的平移方向平行，从而实现铺丝和刷树脂液方向相同，可以快速完成碳纤维传感器敏感元的制造，上述设置整体结构简单，在生产碳纤维传感器敏感元的单向结构时，具有生产效率高，稳定性好等优点。

在水平移动台上设有可拆卸托板，便于制造好的碳纤维智能层敏感元的后续处理，如填加电极、进一步固化等。

为了准确、灵活、稳定地输出纤维丝，优选的，所述铺丝模块包括：

安装座，与升降和平移模块的动力输出端固定连接，

纤维丝驱动箱，固定在所述安装座上的；

铺丝头，安装在所述纤维丝驱动箱下方，所述纤维丝驱动箱将储丝模块的纤维丝牵引至铺丝头并驱动纤维丝自该铺丝头出丝。本发明中纤维丝驱动箱直接安装在动力输出端上，距离所述铺丝头的出丝口很近，可以稳定有效输送纤维丝。

为了灵活稳定地输送纤维丝，优选的，所述纤维丝驱动箱包括：

箱体，侧面设有进丝口，底面设有出丝口；

一对调整辊，安装在箱体外且与所述进丝口相对布置，用于引导纤维丝进入所述进丝口；调整辊避免因滑动摩擦导致纤维丝部分断裂。

导向轮组，安装在箱体内将来自进丝口的纤维丝引导并送至所述出丝口，包括至少一个输送纤维丝的驱动轮；所述导向轮组包括调整方向的第一导向轮，承接来自第一导向轮的纤维丝的一对第二导向轮，其中一个第二导向轮为驱动轮与转动动力源连接。

转动动力源，带动驱动轮转动。转动动力源可以采用驱动电机。

树脂液可通过各种方式挤出，如气体(外接气泵)，螺杆式(电机驱动)等，为了简化结构，便于使用以及均匀涂布树脂，优选的，所述树脂填充模块包括：

树脂液箱，一侧面与所述的箱体的一侧面固定连接，另一侧面设有进气口，底面设有树脂出口；

树脂铺刷，与所述树脂出口连接；

橡胶刮，固定在树脂铺刷的一侧边上。树脂铺刷和铺丝头对齐。所述树脂铺刷与树脂液箱通过螺纹连接，便于更换不同树脂铺刷，如不同宽度，不同大小出脂嘴等，以适应不同尺寸碳纤维传感元的制造要求。

优选的，所述铺丝头包括：

转动座，固定在纤维丝驱动箱底部；

连杆，一端与所述转动座铰接，铰接处设有锁紧螺母；

压辊，安装在所述连杆的另一端。

所述连杆可以转动，从而具有收起的水平位置和工作的竖直位置。

为了便于收起铺丝头，优选的，所述连杆和转动座之间连接有驱动所述连杆至水平位置的收起弹簧。松开锁紧螺母后，在收起弹簧的作用下所述连杆转动至水平。

为了在铺丝过程中连杆不会在纤维丝的拉力作用下松动而被收起弹簧收起，优选的，所述连杆转动到垂直位置时所述收起弹簧施加在所述连杆上的拉力与所述纤维丝施加在连杆上的拉力方向相反。

为了方便制造和使用，优选的，所述升降和平移模块包括：

两根立柱，间隔地固定在工作台上，至少一根立柱上设有升降机构；

横梁，两端安装在两根立柱上，通过升降机构实现上下移动；

平移机构，安装在横梁上，具有所述的动力输出端。升降平移机构种类很多，例如滚珠丝杆。

本发明使用时，碳纤维丝起始端可通过各种方式进行固定，如胶粘、夹紧等，作为优选，所述碳纤维丝通过橡胶夹子进行初始固定，操作简单方便。

预浸模块对纤维丝预浸，以进一步提高其抗拉强度，优选的，所述预浸模块包括：

预浸缸，固定在工作台上，用于盛装预浸液，相对两侧设有过丝孔；

第一张紧机构，分别固定在安装有过丝孔的预浸缸的侧边上；

第二张紧机构，设置在预浸缸内限制纤维丝始终通过预浸液。张紧机构都可以采用张紧轮。

本发明的有益效果：

本发明装置驱动纤维丝运动，代替人工涂脂和铺丝过程，克服因过多引入人工不可控因素导致所制造传感器重复性差及效率低下问题，易于实现碳纤维传感器敏感元的批量化制造。

附图说明

图1是本发明的碳纤维传感器敏感元单向自动化制造装置的立体结构示意图。

图2是图1中驱动箱和树脂液箱的立体结构示意图。

图3是图2中树脂液箱的立体结构示意图。

图4是图1中预浸箱的立体结构示意图。

图5是图4中A部分的放大结构示意图。

图6是图2中铺丝头的立体结构示意图。

图7是图2中树脂铺刷的立体结构示意图。

图8是图7的树脂铺刷的剖视结构示意图。

图9是本发明装置的工作过程示意图。

图中各附图标记为：

1、水平移动台，2、驱动电机，3、导轨滑块，4、立柱，5、驱动箱，6、树脂液箱，7、横梁，8、树脂液箱盖，9、立柱，10、驱动电机，11、滚珠丝杠，12、工作台，13、纤维丝卷，14、支架，15、预浸缸，16、驱动电机，17、横柱，18、托板，19、横柱，20、驱动电机，21、纤维丝，22、预浸缸盖板，23、轴承，24、凸台，25、树脂液，26、过丝孔，27、预浸液，28、张紧轮，29、橡胶夹，30、固化树脂胶，51、驱动箱盖，52、铺丝头，53、导向轮组，54、调整辊，61、树脂铺刷，151、滚轮，511、观察口，521、压辊支架，522、连杆，523、转动座，524、挂钩，525、压辊，526、收起弹簧，601、进气口，602、树脂出口，611、橡胶刮，612、螺母，613、出脂嘴。

具体实施方式

下面结合各附图，对本发明做详细描述：

如图1所示，本实施例的碳纤维传感器敏感元单向自动化制造装置，包括：

水平移动台1，通过滚珠丝杠和导轨滑块设置在两根横柱17、19上，驱动电机16驱动滚珠丝杠控制移动台1做前后运动，横柱设置在工作台12上；

纤维丝驱动箱5，设有控制纤维丝21挤出速度的驱动电机20；

树脂液箱6，设置在纤维丝驱动箱5上，用于盛放树脂液；

预浸缸15，固定在工作台12上，用于盛放预浸树脂，对纤维丝21预浸；

支架14，设置在工作台12上，用于放置纤维丝卷13，作为储丝模块。

升降和平移模块，包括立柱4、立柱9和横梁7，两根立柱4、立柱9设置在工作台12上，其上分别设有滚珠丝杠11和导轨滑块3；横梁7两端分别与滑块和滚珠丝杠螺母连接，在驱动电机10控制滚珠丝杠下，沿两根立柱上下运动；横梁7上设有滚珠丝杠和驱动电机2，驱动电机2驱动滚珠丝杠进而带动纤维丝驱动箱5沿横梁7左右运动。

如图2所示，纤维丝驱动箱5下部设有凸台24和铺丝头52，纤维丝驱动箱5包括箱体、驱动箱盖51、驱动电机20、导向轮组53以及调整轮54，驱动箱盖51上设有观察口511及用于安装轴承23的座孔；通过观察口511可观察纤维丝21在导向轮组53的作用下运动情况；树脂液箱6下部设有树脂铺刷61；导向轮组53包括布置在箱体内的上部的第一导向轮和位于下方的一对第二导向轮，纤维丝21自该对第二导向轮之间通过，其中一个第二导向轮为驱动轮，由驱动电机20带动。

如图3所示，树脂液箱6侧面设有进气口601，底部设有树脂出口602，进气口601与外界气泵连接，树脂出口602与树脂铺刷61螺纹连接，树脂液25在气体压力下通过出脂嘴613并在橡胶刮611作用下铺平，图中箭头A表示进气方向，箭头B表示树脂液输出方向。

如图4和5所示，预浸缸15的两端设有作为张紧机构的滚轮151及过丝孔26，内部设有张紧轮28，限制纤维丝21始终能够通过预浸液27。

如图6所示，铺丝头52包括压辊525、压辊支架521、连杆522和转动座523；压辊支架521和连杆522通过螺栓铰接，并可以通过螺栓锁紧；连杆522可以绕转动座523转动具有收起的水平位置和工作的竖直位置，连杆522和转动座523上设有用于安装收起弹簧526的挂钩524，用于收起连杆522和压辊525，连杆522转动到垂直位置时收起弹簧526施加在连杆522上的拉力与纤维丝21施加在连杆522上的拉力方向相反。

如图7和8所示，树脂铺刷61包括橡胶刮611、螺母612和出脂嘴613，橡胶刮611通过螺钉固定，螺母612和树脂液箱6上的树脂出口602连接。

本实施例的工作过程：

如图1所示，将购置纤维丝卷13安装在支架14上，纤维丝21依次经过预浸缸15右侧的滚轮151、右侧的过丝孔26、张紧轮28、左侧的过丝孔26、左侧的滚轮151、纤维丝驱动箱5的右侧一对调整辊54、箱体内导向轮组53、凸台24、铺丝头52、压辊525；将事先配置好的预浸液27倒入预浸缸15中至覆盖张紧轮28并盖好盖板22；将事先配置好的树脂液25倒入树脂液箱6并盖好箱盖8；将托板18固定在水平移动台1上；根据需要制备的碳纤维智能层结构，设置各驱动电机控制程序完成整个准备过程。

如图9所示，将纤维丝21一端用橡胶夹29固定，启动设备，各驱动电机按照设定程序自动完成铺丝涂脂过程，铺丝头52和出脂嘴613沿同一直线工作，控制过程简单，可制备出精准控制下的碳纤维智能层传感元。

铺丝完成后，人工剪断纤维丝；驱动电机10驱动滚珠丝杠11拖动横梁7上的铺丝模块上移一定距离；驱动电机2驱动滚珠丝杠拖动铺丝模块水平方向移至铺丝起始位置；驱动电机10驱动滚珠丝杠11带动横梁7上的铺丝模块下移至铺丝头与托板接触；用橡胶夹夹住纤维丝21，进行下一轮铺丝过程。除纤维丝起始位置固定和铺丝结束后纤维丝剪断外，整个过程完全由各驱动电机协调工作，自动完成每一根碳纤维传感器敏感元的制造。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种碳纤维传感器敏感元单向自动化制造装置，其特征在于，包括：

工作台；

升降和平移模块，安装在工作台上的；

水平移动台，水平移动地安装在工作台上，顶面安装有用于铺丝的托板；

储丝模块；

铺丝模块，安装在升降和平移模块的动力输出端，用于在托板上铺设来自储丝模块的纤维丝；

预浸模块，布置在储丝模块与铺丝模块之间的纤维丝路径上用于对纤维丝进行预处理；

树脂填充模块，与所述铺丝模块固定连接，用于形成容纳碳纤维敏感元的树脂层，所述树脂填充模块的出脂嘴与铺丝模块的出丝口之间的连线与升降和平移模块的平移方向平行；

所述铺丝模块包括：

安装座，与升降和平移模块的动力输出端固定连接，

纤维丝驱动箱，固定在所述安装座上的；

铺丝头，安装在所述纤维丝驱动箱下方，所述纤维丝驱动箱将储丝模块的纤维丝牵引至铺丝头并驱动纤维丝自该铺丝头出丝；

所述纤维丝驱动箱包括：

箱体，侧面设有进丝口，底面设有出丝口；

一对调整辊，安装在箱体外且与所述进丝口相对布置，用于引导纤维丝进入所述进丝口；

导向轮组，安装在箱体内将来自进丝口的纤维丝引导并送至所述出丝口，包括至少一个输送纤维丝的驱动轮；

转动动力源，带动驱动轮转动。

2.如权利要求1所述的碳纤维传感器敏感元单向自动化制造装置，其特征在于，所述树脂填充模块包括：

树脂液箱，一侧面与所述的箱体的一侧面固定连接，另一侧面设有进气口，底面设有树脂出口；

树脂铺刷，与所述树脂出口连接；

橡胶刮，固定在树脂铺刷的一侧边上。

3.如权利要求1所述的碳纤维传感器敏感元单向自动化制造装置，其特征在于，所述铺丝头包括：

转动座，固定在纤维丝驱动箱底部；

连杆，一端与所述转动座铰接，铰接处设有锁紧螺母；

压辊，安装在所述连杆的另一端。

4.如权利要求3所述的碳纤维传感器敏感元单向自动化制造装置，其特征在于，所述连杆和转动座之间连接有驱动所述连杆至水平位置的收起弹簧。

5.如权利要求4所述的碳纤维传感器敏感元单向自动化制造装置，其特征在于，所述连杆转动到垂直位置时所述收起弹簧施加在所述连杆上的拉力与所述纤维丝施加在连杆上的拉力方向相反。

6.如权利要求1所述的碳纤维传感器敏感元单向自动化制造装置，其特征在于，所述升降和平移模块包括：

两根立柱，间隔地固定在工作台上，至少一根立柱上设有升降机构；

横梁，两端安装在两根立柱通过升降机构实现上下移动；

平移机构，安装在横梁上，具有所述的动力输出端。

7.如权利要求1所述的碳纤维传感器敏感元单向自动化制造装置，其特征在于，所述预浸模块包括：

预浸缸，固定在工作台上，用于盛装预浸液，相对两侧设有过丝孔；

第一张紧机构，分别固定在安装有过丝孔的预浸缸的侧边上；

第二张紧机构，设置在预浸缸内限制纤维丝始终通过预浸液。