基于纤维铺放的光纤自动植入复合材料的方法及装置.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103792033 A (43)申请公布日 2014.05.14 CN 103792033 A (21)申请号 201410055030.2 (22)申请日 2014.02.18 G01L 1/24(2006.01) (71)申请人 西安交通大学 地址 710049 陕西省西安市碑林区咸宁西路 28 号 申请人 中国电子科技集团公司第二十三研 究所 (72)发明人 段玉岗 李金键 王奔 高侃 (74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任 公司 61200 代理人 徐文权 (54) 发明名称 基于纤维铺放的光纤自动植入复合材料的方 法及装置 (57) 摘要 本发明公开。

2、了一种基于纤维铺放的光纤自动 植入复合材料的方法及装置， 该装置包括用于铺 放单层预浸带和中间包裹光纤的双层预浸带的机 械手， 机械手的前端设有铺放头， 机械手上设有用 于输送预浸带的预浸带输送通道。铺放时先把要 植入的光纤置于两根单层预浸带的中间， 利用双 层预浸带包裹保护光纤以有效提高光纤植入复合 材料的存活率。光纤的植入过程采用自动化植入 工艺， 先由铺放头在基板上铺放单层预浸带至所 需厚度， 然后铺放中间包裹光纤的双层预浸带至 所需位置， 再继续铺放单层预浸带至所需厚度， 即 得到智能复合材料。该方法能够有效防止光纤在 输送过程中发生扭转、 偏移而影响光纤植入复合 材料的定位精度， 并。

3、提高光纤的植入效率与质量。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103792033 A CN 103792033 A 1/2 页 2 1. 一种基于纤维铺放的光纤自动植入复合材料的方法， 其特征在于 ： 包括以下步骤 ： 1） 使光纤 （18） 及位于其上下两侧的单层预浸带 （17） 共同进入输送通道 （3） 中进行约 束定位， 然后先经红外灯加热装置 （4） 加热， 再经柔性压辊 （5） 挤压， 使光纤 （18） 上下两侧 的单层预。

4、浸带 （17） 粘结在一起， 并将光纤 （18） 包裹起来， 得到中间包裹光纤的双层预浸带 （16） ； 2） 使至少一根单层预浸带 （17） 和至少一根中间包裹光纤的双层预浸带 （16） 分别进入 若干个预浸带输送通道 （6） 中进行约束定位， 其中每个预浸带输送通道 （6） 只输送一根单 层预浸带 （17） 或中间包裹光纤的双层预浸带 （16） ， 单层预浸带 （17） 和中间包裹光纤的双 层预浸带 （16） 在柔性输送压辊 （7） 的作用下向铺放头 （12） 处输送 ； 3） 由预先设置在机械手 （14） 控制面板中的铺放程序控制铺放头 （12） 在基板 （9） 上铺 放单层预浸带 （1。

5、7） 和中间包裹光纤的双层预浸带 （16） ， 先按照铺放程序设定的运动轨迹 逐层累积铺放单层预浸带 （17） 以达到所需厚度， 得到已铺层预浸带板 （11） ， 再用铺放压辊 （8） 在已铺层预浸带板 （11） 上按需求铺放一根或多根中间包裹光纤的双层预浸带 （16） ， 最 后在铺放了中间包裹光纤的双层预浸带 （16） 的已铺层预浸带板 （11） 上逐层累积铺放单层 预浸带 （17） 以达到所需厚度， 得到自动植入了光纤的智能复合材料， 完成基于纤维铺放的 光纤自动植入复合材料过程。 2. 根据权利要求 1 所述的基于纤维铺放的光纤自动植入复合材料的方法， 其特征在 于 ： 所述的红外灯加。

6、热装置 （4） 的加热温度为 40 50。 3. 根据权利要求 1 所述的基于纤维铺放的光纤自动植入复合材料的方法， 其特征在 于 ： 所述的单层预浸带 （17） 为碳纤维预浸带。 4. 根据权利要求 1-3 中任意一项所述的基于纤维铺放的光纤自动植入复合材料的方 法， 其特征在于 ： 所述的柔性压辊 （5） 的压紧力控制在 45 55N ； 所述的铺放压辊 （8） 的压 紧力控制在 150 250N。 5. 根据权利要求 1-3 中任意一项所述的基于纤维铺放的光纤自动植入复合材料的方 法， 其特征在于 ： 所述的柔性压辊 （5） 、 柔性输送压辊 （7） 和铺放压辊 （8） 均为硅胶材质压 。

7、辊。 6. 一种基于纤维铺放的光纤自动植入复合材料的装置， 其特征在于 ： 包括设置在基座 上的用于铺放单层预浸带 （17） 和中间包裹光纤的双层预浸带 （16） 的机械手 （14） ， 机械手 （14） 的前端设有用于将单层预浸带 （17） 和中间包裹光纤的双层预浸带 （16） 铺放在基板 （9） 上的铺放头 （12） ， 机械手 （14） 上设有用于将单层预浸带 （17） 和中间包裹光纤的双层 预浸带 （16） 输送到铺放头 （12） 处的预浸带输送通道 （6） ， 其中中间包裹光纤的双层预浸带 （16） 是由光纤 （18） 及分别设置在光纤 （18） 上下两侧的单层预浸带 （17） 共同。

8、经红外灯加 热装置 （4） 加热和柔性压辊 （5） 的挤压后得到的。 7. 根据权利要求 6 所述的基于纤维铺放的光纤自动植入复合材料的装置， 其特征在 于 ： 所述的机械手 （14） 上设置若干个预浸带输送通道 （6） ， 每个预浸带输送通道 （6） 单独输 送一根单层预浸带 （17） 或中间包裹光纤的双层预浸带 （16） ， 机械手 （14） 上至少设置一个 用于输送单层预浸带 （17） 的预浸带输送通道 （6） ， 机械手 （14） 上至少设置一个用于输送中 间包裹光纤的双层预浸带 （16） 的预浸带输送通道 （6） 。 8. 根据权利要求 6 所述的基于纤维铺放的光纤自动植入复合材料的。

9、装置， 其特征在 权 利 要 求 书 CN 103792033 A 2 2/2 页 3 于 ： 所述的铺放头 （12） 上设有用于铺放单层预浸带 （17） 和中间包裹光纤的双层预浸带 （16） 的铺放压辊 （8） 。 9. 根据权利要求 6-8 中任意一项所述的基于纤维铺放的光纤自动植入复合材料的装 置， 其特征在于 ： 所述的机械手 （14） 上还设有用于将单层预浸带 （17） 和中间包裹光纤的双 层预浸带 （16） 辅助输送至铺放头 （12） 处的中继输送模块 （13） ， 中继输送模块 （13） 内设有 用于传动单层预浸带 （17） 和中间包裹光纤的双层预浸带 （16） 的柔性输送压辊 。

10、（7） 。 10. 根据权利要求 9 所述的基于纤维铺放的光纤自动植入复合材料的装置， 其特征在 于 ： 所述的中继输送模块 （13） 将预浸带输送通道 （6） 分隔成两部分， 其中一部分预浸带输 送通道 （6） 的一端设置在铺放头 （12） 上， 另一端设置在中继输送模块 （13） 上 ； 另一部分预 浸带输送通道 （6） 的一端设置在中继输送模块 （13） 上， 另一端设置在料柜 （15） 上 ； 料柜 （15） 内设有由单层预浸带 （17） 卷成的单层预浸带料卷 （2） 和由中间包裹光纤的双层预浸 带 （16） 卷成的中间包裹光纤的双层预浸带料卷 （10） 。 权 利 要 求 书 CN 。

11、103792033 A 3 1/4 页 4 基于纤维铺放的光纤自动植入复合材料的方法及装置 技术领域 0001 本发明涉及光纤智能复合材料制造领域， 涉及一种预浸带保护式光纤自动植入方 法及装置， 具体涉及一种基于纤维铺放的光纤自动植入复合材料的方法及装置。 背景技术 0002 光纤智能复合材料是目前国内外研究较多的一种智能复合材料， 将光纤传感器埋 入到复合材料中就构成了简单的智能复合材料。当复合材料板受到外力的作用时， 复合材 料板会发生形变， 埋入到复合材料内部的光纤传感器会发生相应的变形从而引起光纤信号 的变化， 这些信号的变化直接反映了材料内部的状态， 通过对信号的处理就可以获得材料。

12、 内部的破坏及应变状态。自动纤维铺放技术主要应用于航空航天， 船舶， 汽车等工业领域 中， 是一种复合材料高质量自动化制造技术， 具有一致性好， 效率高， 材料利用率高等优点。 0003 目前光纤智能复合材料制作过程中光纤的植入过程大多数采用手工方法。 在制作 光纤智能复合材料过程中首先将预浸带铺至所需的层数， 然后采用手工定位等方法确定光 纤在本层的所需位置上， 进而手工将光纤固定， 最后再铺一定层数的预浸带至所需厚度， 从 而得到所需要的光纤智能复合材料。手工植入光纤的方法费时费力， 需要度量相应的尺寸 来确定光纤的植入位置， 且需要手工将光纤固定在该植入位置上， 植入效率低， 同时光纤的。

13、 定位精度比较低， 无法满足批量大规模高精度制作的要求。 发明内容 0004 本发明的目的在于提供一种基于纤维铺放的光纤自动植入复合材料的方法及装 置， 能够克服手工植入光纤的缺点与不足， 结合自动纤维铺放完成光纤在复合材料中的自 动化植入。 0005 为达到上述目的， 本发明采用的技术方案为 ： 0006 一种基于纤维铺放的光纤自动植入复合材料的方法， 包括以下步骤 ： 0007 1） 使光纤及位于其上下两侧的单层预浸带共同进入输送通道中进行约束定位， 然 后先经红外灯加热装置加热， 再经柔性压辊挤压， 使光纤上下两侧的单层预浸带粘结在一 起， 并将光纤包裹起来， 得到中间包裹光纤的双层预浸。

14、带 ； 0008 2） 使至少一根单层预浸带和至少一根中间包裹光纤的双层预浸带分别进入若干 个预浸带输送通道中进行约束定位， 其中每个预浸带输送通道只输送一根单层预浸带或中 间包裹光纤的双层预浸带， 单层预浸带和中间包裹光纤的双层预浸带在柔性输送压辊的作 用下向铺放头处输送 ； 0009 3） 由预先设置在机械手控制面板中的铺放程序控制铺放头在基板上铺放单层预 浸带和中间包裹光纤的双层预浸带， 先按照铺放程序设定的运动轨迹逐层累积铺放单层预 浸带以达到所需厚度， 得到已铺层预浸带板， 再用铺放压辊在已铺层预浸带板上按需求铺 放一根或多根中间包裹光纤的双层预浸带， 最后在铺放了中间包裹光纤的双层。

15、预浸带的已 铺层预浸带板上逐层累积铺放单层预浸带以达到所需厚度， 得到自动植入了光纤的智能复 说 明 书 CN 103792033 A 4 2/4 页 5 合材料， 完成基于纤维铺放的光纤自动植入复合材料过程。 0010 所述的红外灯加热装置的加热温度为 40 50。 0011 所述的单层预浸带为碳纤维预浸带。 0012 所述的柔性压辊的压紧力控制在 45 55N ； 所述的铺放压辊的压紧力控制在 150 250N。 0013 所述的柔性压辊、 柔性输送压辊和铺放压辊均为硅胶材质压辊。 0014 一种基于纤维铺放的光纤自动植入复合材料的装置， 包括设置在基座上的用于铺 放单层预浸带和中间包裹光。

16、纤的双层预浸带的机械手， 机械手的前端设有用于将单层预浸 带和中间包裹光纤的双层预浸带铺放在基板上的铺放头， 机械手上设有用于将单层预浸带 和中间包裹光纤的双层预浸带输送到铺放头处的预浸带输送通道， 其中中间包裹光纤的双 层预浸带是由光纤及分别设置在光纤上下两侧的单层预浸带共同经红外灯加热装置加热 和柔性压辊的挤压后得到的。 0015 所述的机械手上设置若干个预浸带输送通道， 每个预浸带输送通道单独输送一根 单层预浸带或中间包裹光纤的双层预浸带， 机械手上至少设置一个用于输送单层预浸带的 预浸带输送通道， 机械手上至少设置一个用于输送中间包裹光纤的双层预浸带的预浸带输 送通道。 0016 所述。

17、的铺放头上设有用于铺放单层预浸带和中间包裹光纤的双层预浸带的铺放 压辊。 0017 所述的机械手上还设有用于将单层预浸带和中间包裹光纤的双层预浸带辅助输 送至铺放头处的中继输送模块， 中继输送模块内设有用于传动单层预浸带和中间包裹光纤 的双层预浸带的柔性输送压辊。 0018 所述的中继输送模块将预浸带输送通道分隔成两部分， 其中一部分预浸带输送通 道的一端设置在铺放头上， 另一端设置在中继输送模块上 ； 另一部分预浸带输送通道的一 端设置在中继输送模块上， 另一端设置在料柜上 ； 料柜内设有由单层预浸带卷成的单层预 浸带料卷和由中间包裹光纤的双层预浸带卷成的中间包裹光纤的双层预浸带料卷。 00。

18、19 相对于现有技术， 本发明的有益效果为 ： 0020 本发明提供的基于纤维铺放的光纤自动植入复合材料的方法， 将光纤的植入过程 结合单层预浸带的铺放过程进行， 智能复合材料整体采用自动纤维铺放技术制造， 同时在 制造过程中将光纤自动植入到复合材料中， 先铺放单层预浸带， 当单层预浸带铺至所需厚 度时， 由铺放压辊将中间包裹光纤的双层预浸带自动植入到所需位置， 再继续铺放单层预 浸带至所需厚度， 即完成智能复合材料的制造。 本发明在植入光纤时， 首先把要植入的光纤 置于两层预浸带的中间， 在输送和铺放光纤的过程中采用双层预浸带包裹保护光纤， 避免 铺放压辊直接作用于光纤而使光纤发生破坏， 能。

19、够有效提高埋入光纤的存活率。采用的包 裹光纤的单层预浸带与制作智能复合材料的单层预浸带的材料相同， 因此不需要额外的预 浸带原料， 也不会对智能复合材料的质量造成影响。而且采用自动植入中间包裹光纤的双 层预浸带的方式还可以提高光纤植入时的定位精度， 通过预浸带输送通道输送中间包裹光 纤的双层预浸带能够防止光纤在输送过程中发生扭转变形， 提高智能复合材料的制造精度 和质量。同时光纤的植入过程与智能复合材料的纤维 （单层预浸带） 铺放过程实现连续化， 一次性铺放制作完成， 实现了智能复合材料的高效制作和自动化制造。 说 明 书 CN 103792033 A 5 3/4 页 6 0021 本发明提供。

20、的光纤自动植入装置， 采用硅胶材质的柔性压辊、 柔性输送压辊和铺 放压辊输送和铺放中间包裹光纤的双层预浸带， 能够在输送过程中有效避免集中力直接作 用于光纤而使光纤产生微裂纹或断裂而影响光纤的检测和使用寿命。 采用预浸带输送通道 独立输送中间包裹光纤的双层预浸带和单层预浸带， 能够起到约束定位作用， 提高铺放精 度和铺放质量。铺放头能够按照铺放程序设定的轨迹准确地将光纤植入到相应位置， 提高 智能复合材料的制作精度。 附图说明 0022 图 1 为本发明提出的基于纤维铺放的光纤自动植入复合材料的过程示意图。 0023 图 2 为本发明提供的基于纤维铺放的光纤自动植入复合材料的装置的结构示意 图。

21、。 0024 图 3 为光纤植入过程中已铺层预浸带板的示意图。 0025 图 4 为光纤与单层预浸带包裹结合的示意图。 0026 其中 ： 1 为光纤缠绕卷、 2 为单层预浸带料卷、 3 为输送通道、 4 为红外灯加热装置、 5 为柔性压辊、 6 为预浸带输送通道、 7 为柔性输送压辊、 8 为铺放压辊、 9 为基板、 10 为中间 包裹光纤的双层预浸带料卷、 11为已铺层预浸带板、 12为铺放头、 13为中继输送模块、 14为 机械手、 15 为料柜、 16 为中间包裹光纤的双层预浸带、 17 为单层预浸带、 18 为光纤。 具体实施方式 0027 下面结合附图对本发明做进一步详细说明。 0。

22、028 参照图 1 至图 4， 本发明提供的基于纤维铺放的光纤自动植入复合材料的方法， 包 括以下步骤 ： 0029 1） 将由光纤 18 缠绕成的光纤缠绕卷 1 放置于两个单层预浸带料卷 2 之间， 使光纤 18 与单层预浸带 17 在柔性压辊 5 的带动下通过输送通道 3 向前输送， 其中输送通道 3 起 到对光纤18与单层预浸带17的约束定位作用 ； 然后经红外灯加热装置4加热， 加热温度为 40 50， 由于单层预浸带 17 表面涂覆有树脂， 经过红外灯加热装置 4 的加热作用使树脂 粘性增加， 然后再经过柔性压辊 5 挤压后两个单层预浸带 17 包裹光纤 18 形成了一个结合 体， 。

23、即得到中间包裹光纤的双层预浸带 16 ； 其中柔性压辊的压紧力控制在 45 55N。 0030 2） 将由单层预浸带 17 卷成的单层预浸带料卷 2 和由中间包裹光纤的双层预浸带 16 卷成的中间包裹光纤的双层预浸带料卷 10 放置于料柜 15 中， 使至少一根单层预浸带 17 和至少一根中间包裹光纤的双层预浸带16在铺放头12中的输送压辊8和中继输送模块13 中的柔性输送压辊 7 的带动下， 在预浸带输送通道 6 中向前输送至铺放头 12 处， 其中预浸 带输送通道 6 起到对单层预浸带 17 和中间包裹光纤的双层预浸带 16 的约束定位作用， 每 个预浸带输送通道 6 只输送一根单层预浸带。

24、 17 或中间包裹光纤的双层预浸带 16。 0031 3） 铺放头 12 根据所需制作的复合材料的形状， 按照预先设定在机械手 14 的控制 面板中的铺放程序在基板 9 上铺放单层预浸带 17 和中间包裹光纤的双层预浸带 16。当采 用具有十六束预浸带输送通道 6 的基于纤维铺放的光纤自动植入复合材料的装置铺放时， 铺放过程中可以同时输送十五根单层预浸带 17 和一根中间包裹光纤的双层预浸带 16， 同 时每根单层预浸带 17 和中间包裹光纤的双层预浸带 16 的输送可以由铺放程序单独控制。 说 明 书 CN 103792033 A 6 4/4 页 7 先按照铺放程序设定的运动轨迹逐层累积同时。

25、铺放十五根单层预浸带 17 以达到所需厚度 和面积， 得到已铺层预浸带板 11， 再用铺放压辊 8 在已铺层预浸带板 11 上按需求铺放一根 或多根中间包裹光纤的双层预浸带16至所需位置 （多根时分多次铺放） ， 最后在铺放了中间 包裹光纤的双层预浸带16的已铺层预浸带板11上继续逐层累积同时铺放十五根单层预浸 带 17 以达到所需厚度和面积， 得到自动植入了光纤的智能复合材料， 完成基于纤维铺放的 光纤自动植入复合材料过程 ； 其中铺放压辊的压紧力控制在 150 250N， 单层预浸带 17 为 碳纤维预浸带， 柔性压辊 5、 柔性输送压辊 7 和铺放压辊 8 均为硅胶材质压辊。 0032 。

26、参见图 1 至图 4， 本发明提供的基于纤维铺放的光纤自动植入复合材料的装置， 包 括设置在基座上的用于铺放单层预浸带 17 和中间包裹光纤的双层预浸带 16 的机械手 14， 机械手14的前端设有用于将单层预浸带17和中间包裹光纤的双层预浸带16铺放在基板9 上的铺放头 12， 铺放头 12 上设有用于铺放单层预浸带 17 和中间包裹光纤的双层预浸带 16 的铺放压辊 8。机械手 14 上设有用于将单层预浸带 17 和中间包裹光纤的双层预浸带 16 输 送到铺放头 12 处的预浸带输送通道 6， 机械手 14 上设置若干个预浸带输送通道 6， 每个预 浸带输送通道 6 单独输送一根单层预浸带。

27、 17 或中间包裹光纤的双层预浸带 16， 机械手 14 上至少设置一个用于输送单层预浸带 17 的预浸带输送通道 6， 机械手 14 上至少设置一个 用于输送中间包裹光纤的双层预浸带 16 的预浸带输送通道 6。机械手 14 上还设有用于将 单层预浸带 17 和中间包裹光纤的双层预浸带 16 辅助输送至铺放头 12 处的中继输送模块 13， 中继输送模块 13 内设有用于传动单层预浸带 17 和中间包裹光纤的双层预浸带 16 的柔 性输送压辊 7。中继输送模块 13 将预浸带输送通道 6 分隔成两部分， 其中一部分预浸带输 送通道6的一端设置在铺放头12上， 另一端设置在中继输送模块13上 。

28、； 另一部分预浸带输 送通道 6 的一端设置在中继输送模块 13 上， 另一端设置在料柜 15 上 ； 料柜 15 内设有由单 层预浸带 17 卷成的单层预浸带料卷 2 和由中间包裹光纤的双层预浸带 16 卷成的中间包裹 光纤的双层预浸带料卷 10。 0033 本发明利用双层预浸带包裹保护光纤以有效提高光纤植入复合材料中的存活率， 光纤的植入过程采用自动化植入工艺， 经预浸带输送通道和铺放压辊植入到复合材料中， 预浸带铺放过程与光纤植入过程一步完成。可以有效防止光纤输送和铺放过程中发生扭 转、 偏移而影响光纤植入复合材料后的定位精度， 并提高光纤的植入效率与质量。 0034 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明， 不能认定 本发明的具体实施方式仅限于此， 在不脱离本发明构思的前提下， 所做出简单的推演或替 换， 都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。 说 明 书 CN 103792033 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103792033 A 8 2/2 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103792033 A 9 。