复合材料铺叠设备.pdf

公开了用于将多根各自具有一定长度的长纤维加固材料(14)敷贴于物品(12)上的复合材料铺叠设备(10)，设备(10)包括：支撑头(20)；剪切机构(22)，由所述的支撑头(20)承载，用于切断多根各自具有一定长度的长纤维加固材料(14)。剪切机构(22)包括：多个剪切元件(60)，连接到所述支撑头(20)上且相对于所述的支撑头(20)能够移动；以及盒体(65)，以能够移除的方式连接到支撑头(20)上且具有多个相应的反作用元件(76)，静止地安装于盒体(65)上。每个剪切元件(60)能够相对于相应的反作用元件(76)移位以执行剪切冲程，在剪切冲程中相应的剪切元件(60)和反作用元件(76)协作以切断延伸过形成于剪切元件与反作用元件之间形成的缝隙的一定长度的长纤维加固材料(14)。

1.  用于将多根各自具有一定长度的长纤维加固材料敷贴于物品上的复合材料铺叠设备，所述设备包括：
支撑头；以及
剪切机构，由所述支撑头承载，所述剪切机构用于切断多根各自具有一定长度的长纤维加固材料，所述剪切机构包括：
盒体，所述盒体以能够移除的方式连接到所述支撑头上；
多个剪切元件，所述多个剪切元件与所述盒体分离，并且接到所述支撑头上且能够相对于所述支撑头移动；以及
多个相应的反作用元件，静止地安装于所述盒体上；
其中，每个剪切元件能够相对于相应的反作用元件移位以执行剪切冲程，在剪切冲程中相应的剪切元件和反作用元件协作，以切断延伸过形成于剪切元件与反作用元件之间的缝隙的一定长度的长纤维加固材料。

2.  根据权利要求1所述的复合材料铺叠设备，其中，所述剪切机构构造成使得所述盒体能够从所述支撑头上移除，以将所述反作用元件与所述剪切元件分开。

3.  根据权利要求1或2所述的复合材料铺叠设备，其中，所述反作用元件以能够移除的方式安装于所述盒体上。

4.  根据前述权利要求中任一项所述的复合材料铺叠设备，其中，所述剪切元件由比所述反作用元件更硬的材料构成。

5.  根据前述权利要求中任一项所述的复合材料铺叠设备，其中，所述盒体包括多个引导导管，每个反作用元件邻近各自的引导导管布置，所述引导导管布置成引导纤维加固材料离开所述反作用元件和相应的剪切元件之间的缝隙。

6.  根据权利要求5所述的复合材料铺叠设备，其中，每个引导导管具有从导管入口开口至导管出口开口渐缩的轮廓。

7.  根据前述权利要求中任一项所述的复合材料铺叠设备，其中，所述盒体包括排出引导辊，所述排出引导辊布置成引导各自具有一定长度的纤维加固材料离开盒体。

8.  根据前述权利要求中任一项所述的复合材料铺叠设备，其中，每个反作 用元件均具有剪切边缘，且其中每个剪切元件均具有剪切边缘。

9.  根据权利要求8所述的复合材料铺叠设备，其中，每个剪切元件的剪切边缘相对于相应的反作用元件的剪切边缘倾斜，使得在剪切冲程中，所述剪切元件和所述反作用元件以剪刀动作的形式协作。

10.  根据权利要求8或9所述的复合材料铺叠设备，其中，在剪切冲程中，每个反作用元件的剪切边缘均接触到相应的剪切元件的剪切边缘所沿着的路径。

11.  根据权利要求8至10中任一项所述的复合材料铺叠设备，其中，所述反作用元件是大体上平的。

12.  根据权利要求11所述的复合材料铺叠设备，其中，所述盒体还包括能够将每个反作用元件的剪切边缘朝相应的剪切元件弹性地偏移的调节机构。

13.  根据权利要求12所述的复合材料铺叠设备，其中，所述调节机构包括多个调节螺钉，每个反作用元件对应一个调节螺钉，其中每个调节螺钉能够被转动，以便作用于调节螺钉所对应的反作用元件上，从而使剪切边缘偏移。

14.  根据权利要求8至13中的任一项所述的复合材料铺叠设备，其中，多个反作用元件并排地布置成至少一排。

15.  根据权利要求14所述的复合材料铺叠设备，其中，有两排反作用元件。

16.  根据权利要求15所述的复合材料铺叠设备，其中，第一排反作用元件的剪切边缘面对第二排反作用元件的剪切边缘。

17.  根据权利要求8至16中的任一项所述的复合材料铺叠设备，其中，至少两个反作用元件通过以能够移除的方式安装于盒体上的固定件而安装于盒体上，而且其中至少两个反作用元件均能够以单独移除的方式安装于所述固定件上。

18.  根据引用权利要求15时的权利要求17所述的复合材料铺叠设备，其中，有两个固定件，而且其中每排反作用元件对应于各自的固定件。

19.  根据权利要求8至18中的任一项所述的复合材料铺叠设备，其中，各个剪切元件均结合到能够绕着枢轴线枢转的一个单独的延长臂上，其中，所述延长臂布置成使剪切元件在剪切冲程中沿着弧形路径移动。

20.  根据权利要求19所述的复合材料铺叠设备，其中，每个剪切元件的剪切边缘大体上平行于相对应的枢轴线，而且其中每个反作用元件的剪切边缘相对于相对应的枢轴线倾斜。

21.  用于将多根各自具有一定长度的长纤维加固材料敷贴于物品上的复合材料铺叠设备，所述设备包括：
支撑头；以及
剪切机构，由所述支撑头承载，所述剪切机构用于切断多根各自具有一定长度的长纤维加固材料，所述剪切机构包括：
多个剪切元件，所述剪切元件结合到所述支撑头上且能够相对于所述支撑头移动；以及
盒体，所述盒体以能够移除的方式连接到所述支撑头上且具有静止地安装于所述盒体上的多个相应的反作用元件，每个反作用元件均具有剪切边缘，其中多个反作用元件以能够移除的方式安装于所述盒体上，并且其中所述盒体包括：
多个引导导管，每个所述引导导管均具有从导管入口开口至导管出口开口渐缩的轮廓，每个反作用元件邻近相应的引导导管布置，所述引导导管布置成引导纤维加固材料离开所述反作用元件和相应的剪切元件之间的缝隙；以及
调节机构，能够使每个反作用元件的剪切边缘朝相应的剪切元件弹性地偏移；
其中，每个剪切元件能够相对于相应的反作用元件移位，以执行剪切冲程，在剪切冲程中相应的剪切元件和反作用元件协作以切断延伸过形成于所述剪切元件与所述反作用元件之间的缝隙的一定长度的长纤维加固材料。

复合材料铺叠设备
背景技术
本发明涉及用于将一定长度的长纤维加固材料敷贴于物品上的复合材料铺叠设备。
复合纤维成分经常用于需要集轻量及强度与一身的应用中，例如运动设备以及在航空组件中。大多数的复合纤维制造工艺需要在铺叠过程中将连续的纤维加固材料层涂布于物品或模具上。基体材料或是预敷贴到纤维加固材料(预浸渍，或“预浸”)上，或是在加固材料于高压釜内或外的固化之前而后续地敷贴到加固材料上。近来制造业的发展已经允许自动执行铺叠过程了。
三种示例性的自动复合制造过程为自动铺带(ATL)、自动铺丝(AFP)以及自动挂纱。简而言之，ATL涉及将包括纤维加固材料的带体敷贴到物品上。该带体通常包括预浸渍有基体材料(例如环氧树脂)的单向纤维。连续带体层通常以彼此不同的方向敷贴，以形成层状结构。带体通常通过敷贴辊敷贴于物品上。
在AFP中，纤维加固材料以“丝束”的形式敷贴于物品上，其包括多根单纤维，或者多根“丝束”。“丝束”可以是从较宽带体上撕下的具有较窄宽度的带体。AFP通常更适合于具有高曲率或非均匀曲率的复杂部件。纤维通常是预浸渍有基体材料的或是从基体材料溶液中取出的。通常通过敷贴辊将一系列或一连串的“丝束”敷贴到物品上。
自动挂纱与AFP的不同之处在于物品通常作为旋转的芯轴，而且铺叠设备通常横穿在芯轴上，以将承受拉力的纤维丝束敷贴到芯轴表面上。可以在芯轴的连续路径中调节丝束在芯轴上铺叠的角度，使得连续层彼此之间的铺叠角度不同，以形成层状结构并影响组件的性能(例如增强所制造的组件的抗压强度或抗张强度)。纤维丝束通常借助于芯轴与铺叠设备的敷贴辊之间的丝束中的张力敷贴到物品上。
在上述所有的工艺中，均需要在过程结束时或在过程中的一个阶段结束时切断(或剪切)纤维加固材料(无论预浸渍与否)的丝束或带体。
然而，公知的复合材料铺叠设备中所使用的剪切机构是庞大的，造成设备在 尖端区也是庞大的。庞大的尖端区会限制可通过该设备将纤维加固材料敷贴到其上的物品的复杂性，这是由于可能无法操控该尖端区覆盖物品的高曲率或其他难以接近的部分。
因此需要提供改进的复合材料铺叠设备，它的尖端区的体积更小，并且需要提供用于这种设备的改进的剪切机构。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了用于将多根一定长度的单股伸长加固纤维材料敷贴于物品上的复合材料铺叠设备，所述设备包括：支撑头；剪切机构，由所述支撑头承载，所述剪切机构用于切断多根各自具有一定长度的长纤维加固材料，所述剪切机构包括：多个剪切元件，连接到所述支撑头上且可相对于所述支撑头移动；以及盒体，所述盒体以能够移除的方式连接到所述支撑头上且具有多个相应的静止地安装于所述盒体上的反作用元件；其中，每个剪切元件能够相对于相应的反作用元件移位以执行剪切冲程，在剪切冲程中相应的剪切元件和反作用元件协作以切断延伸过形成于剪切元件与反作用元件之间的缝隙的一定长度的长纤维加固材料。“静止地”的含义是在使用中反作用元件不用移动来执行剪切冲程。
多个剪切元件可与盒体分离。所述剪切机构可被构造成使得所述盒体可从所述支撑头上移除，以将所述反作用元件与所述剪切元件分开。
所述剪切机构可包括盒体组件，所述盒体组件包括盒体和多个静止地安装于盒体上的反作用元件。所述剪切机构可构造成使得所述盒体组件能够从支撑头上移除，以使盒体组件与剪切元件分开。所述剪切机构可构造成使得盒体组件可独立于所述剪切元件而从支撑头上移除。
所述盒体组件可以不具有移动部件。换言之，所述盒体组件可由布置成在设备的操作过程中相对于支撑头保持静止的部件组成。
所述盒体可具有前面和背面。所述背面可在盒体连接到支撑头上时最接近剪切元件，使得所述剪切元件在剪切冲程中移动经过盒体的背面。所述前面可以最接近物品或最接近远离夹合区的设备的敷贴区，来自所述敷贴区的一定长度的纤维加固材料可被敷贴于物品上。
所述反作用元件可移除地安装于所述盒体上。
所述剪切元件由比反作用元件更硬的材料构成。
所述盒体可包括多个引导导管，每个反作用元件邻近相应的引导导管布置，且所述引导导管可布置成引导纤维加固材料离开反作用元件和相对应的剪切元件之间的夹合区。
其中，每个引导导管可具有从导管入口朝导管出口渐缩的轮廓。
所述盒体可包括排出引导辊，所述排出引导辊布置成引导各自具一定长度的纤维加固材料离开盒体。
每个反作用元件均可具有剪切边缘，且每个剪切元件均可具有剪切边缘。每个剪切元件的剪切边缘可相对于相对应的反作用元件的剪切边缘倾斜，使得在剪切冲程中，所述剪切元件和所述反作用元件以剪刀动作的形式协作。
在剪切冲程中，每个反作用元件的剪切边缘可接触到相对应的剪切元件的剪切边缘所沿着的路径。
所述反作用元件可以是大体上平的。所述盒体还可包括能够使每个反作用元件的剪切边缘朝向相对应的剪切元件弹性地偏移的调节机构。所述调节机构可包括多个调节螺钉，每个反作用元件对应一个调节螺钉。可转动每个调节螺钉以便作用于调节螺钉所对应的反作用元件上，由此使剪切边缘偏移。
多个反作用元件可并排布置于至少一排中。可以有两排反作用元件。第一排反作用元件的剪切边缘可面向第二排反作用元件的剪切边缘。至少两个反作用元件可通过可移除式安装于盒体上的固定件而安装于盒体上。至少两个反作用元件分别可单独地移除式安装于所述固定件上。可以有两个固定件，而且每排反作用元件对应于各自的固定件。
每个剪切元件均可连接到绕着枢轴线枢转的单独的延长臂上，所述延长臂可被布置成使剪切元件在剪切冲程的过程中沿着弧形路径移动。每个剪切元件的剪切边缘可大体上平行于相对应的枢轴线。每个反作用元件的剪切边缘可相对于相对应的枢轴线倾斜。
根据本发明的一个方面，提供了用于在复合材料铺叠设备中的切断长纤维加固材料的剪切机构，所述剪切机构包括：剪切元件以及反作用元件，所述剪切元件和所述反作用元件协作协作以切断延伸过形成于剪切元件与反作用元件之间的缝隙的纤维加固材料，所述剪切元件安装于延长臂上，所述延长臂能够绕着与所述缝隙间隔开的枢轴线枢转，以使剪切元件相对于反作用元件移位而执行剪切 冲程，所述机构还包括布置成引导纤维加固材料在垂直于枢轴线的供给方向上穿过所述缝隙的引导机构，以及用于在剪切冲程中驱动延长臂的致动装置，所述致动装置作用于所述延长臂上的远离剪切元件的位置处。
所述致动装置可在所述枢轴线的一侧作用于延长臂上，且所述剪切元件可在所述枢轴线的另一侧安装于延长臂上。在枢轴线偏离延长臂的构造中，枢轴线的位置被看作是枢轴在延长臂上的垂直投影。
所述延长臂可在大体上垂直于枢轴线的平面内延伸。所述引导机构可布置成沿着在大体垂直于枢轴线的平面内延伸的引导路径引导纤维加固材料，而且所述引导机构可沿着延长臂延伸。
所述引导机构可包括导向通道，所述引导通道具有邻近所述缝隙区的出口。所述引导通道可形成于所述延长臂上。所述导向通道在其至少一部分的长度上可以是封闭的通道，在这种情况下，所述出口可以是槽。所述引导通道可具有能够在其一端枢转的可移除的盖体。
所述剪切元件可定位成使得剪切元件的剪切边缘位于所述通道的端部。所述延长臂可包括用于接收第一剪切元件的槽。所述剪切元件的剪切边缘可具有出口唇缘的尖端。所述剪切元件可具有与通道的表面齐平的引导面，通道的表面在剪切元件的剪切边缘处终止。
所述剪切元件可移除地安装于延长臂上，以便于更换剪切元件。所述剪切元件可包括硬化的材料。
所述剪切元件和反作用元件可设置成使得由剪切冲程在纤维加固材料上形成的切口垂直于长纤维复合材料和/或大体上平行于枢轴线延伸。
所述剪切元件和反作用元件可设置成使得纤维加固材料能够在垂直于枢轴线所在的平面的方向上通过剪切元件和反作用元件之间。
所述剪切元件和反作用元件可分别具有相对于彼此倾斜的剪切边缘，使得在剪切冲程中所述剪切元件和反作用元件在以剪刀动作的形式配合。所述剪切元件和反作用元件可具有相对的剪切边缘。
所述剪切元件和反作用元件可分别具有剪切边缘，并且在剪切冲程中，反作用元件的剪切边缘可接触到剪切元件的剪切边缘所沿着的路径。
所述延长臂可安装于用于绕着枢轴线枢转的结构支撑体上，所述枢轴线相对于结构支撑体是固定的。
所述剪切元件可以是布置成阵列的多个剪切元件中的一个，并且可具有至少一个反作用元件，每个剪切元件与反作用元件协作，或者与所述反作用元件中的一个协作，以切断延伸过所述剪切元件和对应的反作用元件之间对应的缝隙的、对应的一定长度的纤维加固材料。每个剪切元件可安装于可绕着与所述缝隙间隔开的枢轴线枢转的多个延长臂中相应的一个上，使所述剪切元件相对于所述反作用元件或对应的反作用元件移位以执行剪切冲程。所述引导机构可布置成引导所述纤维加固材料在垂直于所述枢轴线或各个枢轴线的供给方向上穿过所述缝隙。可具有至少一个致动装置，用于在各自的剪切冲程中驱动延长臂，所述致动装置或各个致动装置作用于所述延长臂上的远离各自的剪切元件的位置处。
延长臂阵列的枢轴可大体上彼此平行。所述延长臂阵列的枢轴可大体上彼此重合。
所述阵列可以是设置于延伸过所述枢轴线的平面的量侧的至少两个阵列中的一个。
所述阵列中的延伸臂或各阵列中的延长臂可大体上并排地布置以形成排。可具有至少两排的延长臂，而且每排的延长臂可大体上并排地布置。可具有向剪切机构的远端汇聚的两个延长臂阵列。
至少一个致动装置可连接到两个或更多个延长臂上，以便一致地驱动这些延长臂。每个致动装置可作用于单个延长臂上。可以有多个可彼此地独立运作的致动装置。
至少一个反作用元件可被布置成与两个不同的的剪切元件协作。每个反作用元件可布置成与一个剪切元件协作。
根据本发明的一个方面，提供了复合材料铺叠设备中用于切断长纤维加固材料的剪切机构，所述剪切机构包括多个剪切元件以及至少一个反作用元件，每个剪切元件与所述反作用元件或者与其中一个所述反作用元件协作，以切断延伸过所述剪切元件与相应的反作用元件之间的相应的缝隙的相应长度的纤维加固材料，每个剪切元件安装于可绕着远离夹合区的枢轴线枢转的相应的延长臂上，使剪切元件相对于相应的反作用元件移位以执行剪切冲程，所述机构还包括布置成引导所述纤维加固材料在垂直于所述枢轴线或每条枢轴线的供给方向上穿过缝隙的引导机构，以及用于在各自的剪切冲程中驱动延长臂的至少一个致动装置，所述致动装置或每个致动装置作用在所述延长臂上的远离相应的剪切元件的位 置处。
根据本发明的一个方面，提供了用于将一定长度的长纤维加固材料敷贴于物品上的复合材料铺叠设备，所述设备包括根据本文的任意一处所描述的剪切机构以及承载所述剪切机构的支撑头。
所述致动装置可安装于所述支撑头上。所述致动装置作用于支撑头与延长臂之间。所述致动装置可大体位于支撑结构的近端内侧。
所述致动装置可包括具有从动元件和基部元件的线性致动器，而且所述致动装置可操作用于使从动元件相对于基部元件线性移动。所述基部元件可结合到所述支撑头上，且所述从动元件可结合到所述延长臂上。
所述基部元件和/或从动元件可大体上位于支撑结构的近端的内侧。
所述致动装置可通过机械联动机构与延长臂连接且作用于延长臂上。
所述机械联动机构可包括在所述致动装置和所述延长臂之间起作用的双臂曲柄。所述双臂曲柄可具有不等长的臂，例如为了产生机械效率。所述双臂曲柄可具有大于1的机械效率。
致动装置中的至少一些可成对地布置，使得每对致动装置相对于彼此错开。一对致动装置中的第一致动装置可相对于第二致动装置在朝向支撑头的近端的方向上偏置，而且所述第一致动装置可具有用于连接到相应的机械联动机构的延伸臂。
所述设备可在致动区大体上为纵向的敷贴方向上从致动区延伸到尖端区，所述致动装置在致致动区内安装于支撑头上，一定长度的纤维加固材料在尖端区内被剪切并敷贴到物品上。所述致动区可与尖端区纵向间隔开。所述设备在垂直于敷贴方向的平面内截面轮廓在尖端区内小于在致动区。
所述支撑头可在至少一个平移方向上移动。所述支撑头可构造成绕着纵向旋转轴线旋转。
本发明可包括本文中所描述的特征和/或限制条件的任意组合，除了那些互相排斥的特征的组合。
附图说明
现在将参照附图，以举例的方式描述本发明的实施例，其中：
图1显示了将一定长度的长纤维加固材料敷贴于物品上的附图材料铺叠机；
图2是图1中机器的支撑头和剪切机构的立体图；
图3是图2中的支撑头和剪切机构的侧视图；
图4是图2中的支撑头和剪切机构的剖视立体图；
图5是图2中的剪切机构在可移除的导向通道盖体处于打开位置时的立体图；
图6是图2中剪切机构的伸长臂的端视图；
图7是图2中的剪切机构将一段长纤维加固材料切断时的截面侧视图；
图8是图2中的剪切机构的端部的分解立体图，该剪切机构包括可移除的盒体；
图9显示了在几段纤维加固材料从盒体中穿出时的图2中的剪切机构的尖端区；
图10显示了连接盒体的图2中的剪切机构的一个延长臂；
图11是图7中所示的剪切机构的剪切元件和反作用元件的放大图；以及
图12是图2中支撑头的一部分连同剪切机构的一部分的立体图。
具体实施方式
图1显示了复合材料铺叠机构10以及工件12，复合纤维材料正被敷贴到工件12上以形成复合材料组件，例如航空组件，比如机翼。如图1所示，机器10在执行铺叠处理中，其中复合纤维丝束14被敷贴于工件12上。机器10包括基座或吊架以及从基座或吊架延伸的操控装置18，该操控装置18支撑支撑头20，该支撑头20在其远端承载剪切机构22。
在使用中，机器10供给几个丝束14穿过支撑头20和剪切机构22并通过敷贴辊24将丝束14敷贴于工件12上。在铺叠过程的适当阶段结束时，丝束14被剪切机构22剪切。在该实施例中，丝束14预浸渍有例如是环氧树脂的基体材料，但是在其他实施例中，每个丝束可以只包括纤维加固材料(通常是指“干纤维(dryfibre)”)，而基体材料可以在随后加入。
与先前公知的铺叠机相比，机器10具有紧凑的尖端区26，丝束14在尖端区26处被剪切并被敷贴于工件12上。紧凑的尖端区26使机器10能够在具有复杂表面的几何结构的组件上进行铺叠，因为其可以在物品的高曲率或其他难以接近的部分的区域(例如窄槽)中进行操作。如下文将要描述的那样，紧凑的尖端区26得益于将例如是致动器的较为庞大的部件远离尖端区26布置，而且得益于设 置有可以在远离其剪切机构剪切位置而进行驱动剪切机构22。
如图2至图4所示，支撑头20和剪切机构22从支撑头的近端沿大体上为纵向的敷贴方向延伸到剪切机构22的远端尖端区26，丝束14在尖端区26处被敷贴于工件12(未示出)上并被间歇地剪切，支撑头20在使用时会连接到操控装置18(图2至图4中未示出)上。
支撑头20包括从支撑头20的近端延伸到机器的尖端区26的两块平行的三角形侧板28。侧板28的形状为锐角等腰三角形，时支撑头20和剪切机构22具有锥形或收缩的外形。支撑头20还包括支撑在侧板28之间的上供料板和下供料板30，两个构件30均布置成剪切机构沿着多条相邻的通道32朝向剪切机构22传送丝束14。在该实施例中，每块供料板30均具有六条相邻的通道32，每条通道均具有供料通道入口和供料通道出口33。每块供料板30具有外盖板34，外盖板34在使用中将丝束14封入通道32内。
供料板30还具有常规的丝束供料设备，用于将丝束14输送到通道32中并穿过通道32，对此将不予详述。简而言之，供料板30具有在支撑头的后方延伸并将丝束14引导到通道32中的上重定向辊36和下重定向辊36，而且供料辊38延伸穿过盖板34内相应的空隙，以驱使丝束14穿过通道32。
如图3所示，每块供料板30的内侧具有两排驱动器安装点40、41，每排致动器安装点上有三个，剪切机构22的致动器84、85安装于致动器安装点上。如图4所最好地显示的那样，第一排的致动器安装点40相对于第二排致动器安装点41纵向地偏置，而且两排中的各个安装点相对于彼此交替地横向地偏置，使得安装于致动器安装点上的致动器是交错布置的(需要注意的是，图4仅显示了每块供料板30的代表性的致动器84、85)。
现在参照图3和图4，剪切机构22邻近两块供料板30的远端布置且位于三角形侧板28的两个尖端区之间。该剪切机构包括在两块侧板28之间延伸的枢轴42，以及安装在枢轴42上用于绕着横向敷贴方向的枢轴线A做枢转运动的多根延长臂44。枢轴42插入到三角形侧板28的尖端区内的相对应的孔中。
每个延长臂44均为具有朝外的开口的通道段的形式，且具有向内延伸的枢转连接部46，枢转连接部46具有接收枢轴42的横向延伸的孔。每个臂的枢转连接部46大约位于延长臂的中间，但稍微更靠近远端。在该实施例中，有十二个延长臂以排的形式布置成两组：上面一排46包括并排布置的六个延长臂44，下 面一排包括并排布置的其余的六个延长臂44。两排延长臂44交错地布置于枢轴42上，使得上面的臂和下面的臂44的通道部分相对于彼此横向偏置。
每个延长臂44在平行于大体垂直枢轴线A的平面的方向上延伸。
每个延长臂的通道段的轮廓形成具有近端导向通道入口54(图5)和远端导向通道出口56(图6)的导向通道52。延长臂44布置成使得导向通道入口54的横向位置对应于支撑头20的供料通道出口33(图2)的位置。在供料通道出口33和导向通道入口54之间只有一段短距离的纵向间隔，使得丝束14的未受支撑的区段缩短到最短。导向通道52具有可移除的盖体58，使得该通道52在使用时被盖住(图5)。可移除的盖体58可在其近端处枢转，使得可以例如为了维修而接触到导向通道52。
如图6所示，剪切元件60连接到每根延长臂44的远端。剪切元件60包括硬化材料。在该实施例中，每根延长臂44具有用于接收剪切元件60的槽，使得剪切元件60卧置时的外表面与导向通道52的内壁齐平，而且使得剪切元件60锋利的剪切边缘62在导向通道出口56处形成导向通道52的唇缘。剪切元件60的形状大体上为长方体，但具有邻近剪切边缘62的渐缩的远端面，其从剪切边缘62在朝向支撑头20的方向上逐渐缩小，使得在一个剪切冲程中(如图7所示)，剪切边缘62是剪切元件的最远端的部分。类似地，延长臂44的端面从剪切边缘62处在朝向支撑头20的方向上逐渐缩小。
图7显示了延长臂44和剪切机构22在横截面侧视图中的其他部件。导向通道插入件63设置于每个导向通道52的远端，且紧固于U型导向通道52的两侧壁之间，使得导向通道出口56形成槽的形式。插入件63限定了导向通道出口56的边缘与剪切元件60的剪切边缘62相对。在使用中，可移除的盖体58通过螺栓紧固于插入件63上。图7还显示了止动件64，其被布置成在延长臂44向内旋转时与延长臂44的端部的内表面接触，且该止动件64阻止了超过该停止位置而继续旋转。止动件64安装于支撑头20的三角形侧板28之间。
现在参照图8至图11，剪切机构22还包括盒体65，其可移除地安装于两块三角形侧板28的远端。盒体65包括盒体板66，盒体板66内形成有两排排出导管68，每个导管68均具有供丝束14通过的导管入口70和导管出口72。导管68布置成使得其横向位置对应于各个导向通道出口56的位置，且设置成在执行一次剪切之后引导丝束14从剪切机构离开(如下文将要描述的那样)。
导管出口72小于导管入口70，使得排出导管68具有沿着敷贴方向逐渐变小的渐缩轮廓。导管出口72并不比导管入口70窄(即在大致平行于枢轴线A的横向方向上)，但具有较浅的深度(即在垂直于枢轴线A和敷贴方向的方向上)。
刀片凹槽74形成于盒体板66的内表面上延伸到排出导管入口70之上的位置处，使得排出导管68从这些凹槽74处延伸穿过盒体板66而到达盒体板66的外表面。每个刀片凹槽74均布置成接收刀片76形式的反作用元件，使得反作用元件76的剪切边缘78紧邻各个排出导管入口70布置。在该实施例中，六个反作用元件76可移除地连接到每个上、下刀片固定件80上，上、下刀片固定件80作为刀片76可移动地安装于其上的的支撑条，且上、下刀片固定件80其自身分别可移动地安装到盒体板66的上、下表面上。
如图8所示，上排的排出导管68上设置有具有向下突出的反作用元件76，且下排的排出导管68上设置向上突出的反作用元件76。反作用元件76相对于由枢轴线A限定的大致横向的方向倾斜，使得在剪切冲程中的一次剪切动作中从一侧至另一侧逐渐地剪切丝束14。剪切元件60由比反作用元件76更硬的材料组成，使得使用一段时间后，易于替换的反作用元件76会先于剪切元件60被磨损。
如图9所示，排出导向辊83安装于盒体板66的外表面上且设置成在丝束14离开排出导管68且朝向敷贴辊24运动时支撑丝束14。图9还显示了上、下排的排出导管68彼此横向偏置，使得来自这两排的、离开盒体65的丝束14被交替地拖拽到排出导向辊83上。相应地，剪切机构和支撑头20的上、下排的延长臂44和供料通道32也如上所述的那样相对于彼此横向地偏置。
图10显示了与盒体65连在一起的一根延长臂44。如上所述，延长臂44和盒体65设置成使得导向通道58的导向通道出口56与盒体65的排出导管入口70横向对齐。相应地，剪切元件60与紧邻导管68设置的反作用元件76横向对齐。剪切元件60和反作用元件76构造成限定了位于二者之间的缝隙，即剪切元件60与反作用元件76之间的空间，待剪切的材料能够穿过该空间，并且当所述材料在剪切冲程中被剪切时，该空间闭合。具体地是，剪切元件的剪切边缘62设置成当延长臂44在剪切冲程中枢转时，剪切元件的剪切边缘62被设置成能沿着绕着枢轴线A的弧形路径前进。在剪切冲程中，反作用元件76的剪切边缘78保持仍然相对于枢轴线A和支撑头20是固定的。剪切元件60和反作用元件76被设置成使得反作用元件76的剪切边缘78接触到剪切元件60的剪切边缘62的弧形 路径。换言之，剪切元件的剪切边缘62沿着的弧形路径限定了一个假想的表面，由反作用元件76的剪切边缘78所限定的线位于该表面上。
因此，延长臂44设置成在打开位置和剪切位置之间枢转，在打开位置，丝束14会从导向通道52通过而进入到排出导管68中，不会被剪切元件60和/或反作用元件76剪切，在剪切位置，剪切元件60和反作用元件76的剪切边缘62、78已彼此交错，以便于通过剪切动作或剪刀动作而剪切丝束14，如图11所示。在实施例中，延长臂44的远端从打开位置向外移动至剪切位置。
图11显示了机器10的尖端区26的截面，包括延长臂44的远端以及盒体65。示出了纤维复合丝束14在延长臂44的导向通道52中。延长臂44处于剪切位置，在剪切位置，剪切元件60的剪切边缘62沿着弧形路径经过反作用元件76的剪切边缘78向外移动，以在剪切冲程中通过剪切而切断纤维复合丝束14。被切断的丝束14的远端部分从反作用元件76延伸穿过排出导管68并到达排出导向辊83上。
图11还显示了位于邻近反作用元件76的盒体板66上的螺纹贯孔82内的调节螺钉81。调节螺钉81可被旋转穿过贯孔82直至其接触到处于未偏转位置的反作用元件76为止。然后可进一步地转动调节螺钉81以将反作用元件76的剪切边缘弹性偏转至一个偏转位置，且可以拧紧或不拧紧，以便于微调剪切元件60与反作用元件76的剪切边缘的对齐程度。因为反作用元件76是弹性的，当调节螺钉81未拧紧时，反作用元件76可返回到其未偏转位置。这产生了一个用于调节反作用元件76的调节机构。与使用调节螺钉81相反的是，在其他实施例中，调节机构可包括一个或更多个弹簧，其提供使反作用元件76向剪切元件60偏转的力。
现在参照图12，致动器84、85设置成在剪切冲程中通过机械联动装置作用于延长臂44上而使剪切元件60移动。尽管图12仅显示了用于下排延长臂44的致动器84、85，能够理解的是还提供了用于上排延长臂44的相应的致动器84、85组。该致动器可以是任意适合的形式，例如电磁、气压或液压致动器。
每个线性致动器84、85包括基部元件86以及从动元件88，基部元件86在致动器安装点40、41处可枢转地安装于支撑头20的各个供料板30内侧上，从动元件88通过驱动杆90连接到基部元件86上并相对于基部元件86线性地移动。剪切机构22设置成通过包括双臂曲柄92的机械联动装置，将从动元件88的线 性运动转变成延长臂44(进而剪切元件60也是)的枢转运动。双臂曲柄92大体上为三角形的元件，其具有三个枢转接合点。双臂曲柄92在第一接合点处可枢转地连接到支撑头20上，且在第二接合点和第三可枢转的接合点处分别可枢转地接合到致动器84的从动元件88上和延长臂44的近端上。因此，双臂曲柄92具有两个大体垂直的臂，从动元件88和延长臂44分别连接到这两个臂上。这些连接相对地布置成使得这些臂具有不同的长度。具体地，从动元件88作用于双臂曲柄92上的力臂大于双臂曲柄92作用于延长臂44上的力臂，使得从动元件88的线性运动以一定的机械效率(mechanicaladvantage)转变成延长臂44的枢转运动。该机械效率导致曲柄92施加于延长臂44上的力大于驱动设备84施加于双臂曲柄92上的力(机械利益大于1)。
如上所述，支撑头上的致动器安装点40、41设置成超过两排，使得连接接到该致动器安装点40、41上的致动器84是交错的。图12中清楚地显示了这种布置形式，而且需要较长的驱动杆90用于将致动器85安装于邻近一排的致动器安装点41上。这些较长的驱动杆90足够细，以经过安装于远侧一排的致动器安装点40上的相邻的致动器84之间穿过。这种交错的布置形式允许将相对庞大的致动器84设置在相对狭小的空间内。
在使用中，操作装置18相对于工件12移动承载有剪切机构22的支撑头20，使得作为自动控制铺叠程序的一部分，穿过支撑头20和剪切机构22供料到敷贴辊24的丝束14被敷贴于工件12的表面上。在该实施例中，操作设备18能够向前、后、上、下移动支撑头20，且工件12可以从一侧到另一侧地移动，且绕着三根互相垂直的轴旋转。这提供了六个自由度。
当连续地供给丝束14穿过剪切机构22时，各个的延长臂44处在打开位置，其中丝束14能够如上所述的那样从导向通道出口56穿过导管68而不被剪切元件60或反作用元件76剪切。
在铺叠程序的合适阶段，机器10将会判定是否对复合纤维丝束14进行剪切。机器10可操作用于依次地或同时地对每根丝束14进行单独地剪切。一旦判定特定的复合纤维丝束14将要被剪切，机器10将激活与其相应的延长臂44相关联的各自的致动器84、85，延长臂44将丝束14传送至相应的缝隙，使得致动器84、85将从动元件88拖向基部元件86。该运动造成双臂曲柄92相对于支撑头20枢转，随后造成延长臂44的近端绕着枢轴线A向内移动。由于曲柄92不同 的臂长，曲柄92具有导致致动器84向延长臂44施加的旋转力大于致动器84向曲柄施加的旋转力的机械效率，虽然延长臂44的近端会有较小的移位(弧长)。
因此，致动器84的枢转运动造成了延长臂44的远端向外枢转，使得剪切元件60的剪切边缘62在剪切冲程中与反作用元件76的剪切边缘78协作，其以类似于剪刀的剪切动作的方式将位于剪切元件60与反作用元件76之间的缝隙内的丝束14切断。
由于枢轴线A相较于延长臂44的近端更接近其远端，延长臂44具有导致在剪切冲程中在延长臂44的远端向剪切元件60施加的力大于由双臂曲柄92向延长臂44的近端施加的力的机械效率，虽然相比于延长臂44的近端，延长臂44的远端会有较小的移位(弧长)。
剪切冲程之后，被剪切的丝束14的末梢部分可借助于支撑头20随后的运动而被拖离所述的缝隙，由排出导向辊83和敷贴辊24引导而覆盖到工件12上。然后，各个致动器84、85被控制成使得从动元件88离开基部元件86，延长臂44反向枢转，并且臂44恢复到打开位置，在该处延长臂44的远端的内表面抵靠在止动件64上。
然后，机器10可控制供料辊38供给复合材料丝束14再次穿过所述的缝隙。
在该实施例中，所供给的穿过机器10的每根纤维复合丝束14与连接到各自的驱动设备84、85上的延长臂44相关联。为了切断特定的丝束14，各自的致动器84、85会被激活。然而，在其他实施例中，两根或更多的延长臂44可连接到一个致动器84上，使得一个致动器84同时切断两根或更多的丝束14。
在该实施例中，当丝束14将要被剪切时，操作设备18将会使支撑头20和剪切机构22相对于工件12停止运动，尽管如此，能够理解的是，在其他实施例中，臂18可以继续运动。
如上所述，将驱动设备远离尖端区放置可允许尖端区是紧凑的。这有利于使机器的尖端区能够在铺叠过程中避免与具有复杂几何形状的工件相碰撞，例如具有高曲率区域、窄槽以及其他难以接触到的区域的工件。紧凑的尖端区允许剪切元件和反作用元件(即剪切位置)靠近敷贴辊，这会使丝束比先前可实现的丝束具有更短的最小丝束长度。
曲柄和延长臂的机械效率具有在剪切冲程在致动器上施加较小的力，而可以在剪切元件和反作用元件之间实现高的剪切力的效果。因此，机械联动装置的机 械效率可降低对具有高力量额定值的庞大致动器的需求。
可移除的盒体允许对剪切部件进行的容易的维护和替换。在整排反作用元件安装在作用元件固定件上时，盒体可被迅速地移除，反作用元件可被单独地替换，或者备选地，盒体和静止安装于盒体上的反作用元件可全部被替换。对盒体的移除和替换可独立于与连接到可能会需要的支撑头的剪切元件的任何移除或替换而完成。因此，剪切元件由比反作用元件更硬的材料组成，使得使用一段时间后，反作用元件会先于剪切元件被磨损，安装有反作用元件的盒体可被迅速地替换，而不需要同时替换较硬且具有更长寿命的剪切元件。因此可移除的盒体导致占用最少的设备停工时间来替换反作用元件。可移除的盒体还会导致最低的维修成本，因为更难磨损的剪切元件可能更加昂贵，当替换反作用元件时并不需要替换剪切元件。
此外，如果必要的话，可移除的盒体允许连接到延长臂的剪切元件易于接近及替换。特别地，可以将盒体从支撑头移除，以使反作用元件与剪切元件分开。盒体的移除允许剪切元件易于接近及替换，否则尽管剪切元件与盒体分开，由于剪切元件接近反作用元件和盒体，剪切元件可能还是难以接近。因此，可移除的盒体允许用最少的设备停工时间进行迅速地维护。
尽管本发明的实施例已经参照预浸渍纤维复合丝束进行了描述，能够理解的是本发明同样适用于对其他形式的纤维复合材料和/或纤维加固材料的敷贴和剪切。例如，本发明同样适用于纤维复合材料带体或纤维加固材料带体的敷贴和剪切。该带体可包括：单向碳纤维，并且其可以预浸渍集体材料也可以没有预浸渍。此外能够理解的是，在上文描述中，术语“丝束”同样适用于多根不同的干纤维加固材料/纤维复合材料缕，且适用于纤维加固材料/纤维复合材料的窄带体。
为了避免产生疑问，表述“复合材料”意指包括用于制作复合组分(例如干复合纤维)的加固材料，以及包含加固材料和基体材料二者的复合材料。
尽管在本发明所描述的实施例中，支撑头向前、后、上、下移动，且工件从一侧到另一侧并排地移动并绕着三根轴旋转，能够理解的是，在其他实施例中，支撑头和工件可做其他运动。例如，工件可向前、后移动且从一侧到另一侧地移动，而支撑头可向上、下移动，并绕着三根互相垂直的轴旋转。这种布置形式也能够提供六个自由度。当然，可提供少于或多于六个自由度。工件可包括芯轴或者工件可安装于芯轴上。
此外，尽管本发明是在自动铺丝(AFP)工艺的背景下进行描述的，能够理解的是，本发明同样适用于包括自动铺带(ATL)和自动挂纱的其他复合铺叠工艺中。
尽管本发明所描述的实施例包括大体上线性延伸的延长臂，能够理解的是，在其他实施例中，延长臂可以是弯曲的，或者相反地是非线性的，同时仍然在垂直于枢轴线的面内延伸。在一些实施例中，双臂曲柄或各个曲柄与各自的延长臂可一体成型。
尽管本发明所描述的实施例包括一根枢轴以及与之对应的一条枢轴线，能够理解的是，在其他实施例中可以有多根枢轴。例如，对应并排的延长臂中的每排，可以有一根单独的枢轴。进一步地，延长臂的一个子集或一根延长臂可具有其自己的枢轴线。枢轴彼此可纵向分隔开和/或可在彼此的上方和下方(即在垂直于枢轴线和大致为纵向的敷贴方向的方向上平行但分隔开)。
在上述描述中，大致纵向延伸的敷贴方向与支撑头和剪切机构的整体的近端至远端或后至前的方向有关。其被称为是敷贴方向是因为在所描述的实施例中，供给的纤维加固材料大致沿着该方向穿过支撑头和剪切机构以敷贴到工件上。为方便起见，枢轴线限定了一个认为是大致水平或横向的方向，尽管在使用中机器没有必要进行定向使得枢轴线保持是水平的。类似地，例如“垂直的”、“上方的”、“下方的”等等参照与垂直于枢轴线的方向和敷贴方向的方向有关。再一次地，在使用中机器没有必要进行定向，使得“上方的”部件总是在“下方的”部件的上方，因为支撑头和剪切机构可旋转以适应各种构造。所使用的术语体现了图2中所示的设备的位置，且目的在于为上面的描述建立有用的参照系。
尽管已经描述了反作用元件的剪切边缘位于由剪切元件的剪切边缘的弧形路径所限定的假想圆柱形表面上或者接触该假想圆柱形表面，能够理解的是，对齐不需要很精确。特别可以理解的是，当反作用元件是平坦的刀片，且反作用元件的剪切边缘是倾斜的时，可以并不精确地位于该假想圆柱形表面上或接触该假想圆柱形表面。
剪切元件的剪切边缘所沿着的弧形路径的半径取决于剪切边缘与枢轴线之间的距离。在大多数实施例中，该半径显著地大于剪切冲程的弧长，且因此剪切元件的剪切边缘的弧形运动可接近于线性运动。
尽管已描述了本发明的实施例，其中复合纤维材料由剪切动作被剪切，能够 理解的是，在其他实施例中，剪切机构可布置成通过其他剪切工艺来剪切复合纤维材料，例如通过砧板剪切，在砧板剪切中竖直的剪切元件施压在砧板上，以剪切位于其间的材料。