一种用于功能梯度绝缘件的制造系统和方法

摘要

本申请提供了一种用于功能梯度绝缘件的制造系统和方法，通过在三维运动平台的挤出头上设置第一挤出头和第二挤出头，并为第一挤出头配置第一材料输送装置和第一加热装置，为第二挤出头第二材料输送装置和第二加热装置工作，使得本申请中的制造系统能够通过控制第一挤出头和第二挤出头在某一点处挤出材料的时间和顺序，来控制第一材料和第二材料的混合比例，从而确保了功能梯度绝缘件上每一个位置处的材料混合的可靠性，进而保证了功能梯度绝缘件的性能。同时，本申请通过使每一个挤出头分别挤出一种材料，减少了材料的混合时间，提高了生产效率，解决了传统功能梯度绝缘件制造装置中由于装置配置不合理，从而影响绝缘件性能的问题。

说明书

技术领域

本申请涉及功能梯度绝缘件制造技术领域，尤其涉及一种用于功能梯度绝缘件的制造系统和方法。

背景技术

电缆作为高压交直流输电的重要载体，在电力系统中应用十分广泛。在电缆输电系统中，电缆终端是影响电缆系统正常运行的主要因素。据统计，电缆附件的故障率约占电缆线路总故障的70％～80％。电缆终端安装时，必须剥去一段电缆的外屏蔽层，导致终端处电场分布极不均匀，产生对绝缘不利的切向电场。采用应力锥对终端电场强度进行控制可以在一定程度上均化电场。改善电缆屏蔽层切断处的电场强度。通过调整应力锥的厚度、端部曲率和轴向长度可以优化其内部的电场分布，但优化效果有限。随着绝缘材料性能的改进，制造橡胶类功能梯度绝缘件为解决这一问题提供了新模式，即通过控制硅橡胶绝缘材料介电特性在某个或多个维度方向上连续或准连续变化以此均匀化电缆附件处的电场分布。

现有的绝缘件制造工艺大多仅能实现单一材料挤出，而为了实现介电功能梯度绝缘材料的制备，需要频繁自动更换挤出不同介电特性的挤出材料。基于此，传统的技术方案中采用双组分混合环氧浇注介电功能梯度绝缘件制造装置来制备功能梯度绝缘件，其能够根据绝缘件的参数要求将多种挤出材料预先混合并搅拌，然后再由一个挤出头挤出。但是其仍存在以下问题：先将材料混合再挤出，不仅响应时间长，而且前一比例的材料会影响下一比例的材料，进而影响绝缘件性能。

发明内容

本申请提供了一种用于功能梯度绝缘件的制造系统和方法，以解决传统功能梯度绝缘件制造装置中由于装置配置不合理，从而影响绝缘件性能的问题。

本申请解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

一种用于功能梯度绝缘件的制造系统，包括三维运动平台；

所述三维运动平台包括挤出头，所述挤出头置于所述三维运动平台的底座上，并可沿所述底座的水平和竖直方向移动；

所述挤出头包括第一挤出头和第二挤出头，所述第一挤出头和所述第二挤出头的挤出口朝向所述底座平面上；

所述制造系统还包括第一材料输送装置和第二材料输送装置，所述第一材料输送装置与所述第一挤出头连通并向所述第一挤出头输送第一材料，所述第二材料输送装置与所述第二挤出头连通并向所述第二挤出头输送第二材料；

所述第一挤出头与所述第一材料输送装置之间连接有第一加热装置，所述第一加热装置用于对所述第一材料进行加热，所述第二挤出头与所述第二材料输送装置之间连接有第二加热装置，所述第二加热装置用于对所述第二材料进行加热；

所述制造系统还包括控制模块，所述控制模块与所述第一材料输送装置、第二材料输送装置、第一加热装置和第二加热装置连接，用于选择性地控制所述第一材料输送装置和所述第一加热装置、所述第二材料输送装置和所述第二加热装置工作，从而控制所述三维运动平台选择性地通过所述第一挤出头或第二挤出头挤出功能梯度绝缘件。

可选的，所述控制模块，用于控制所述第一挤出头从当前所在位置移动到所述第二挤出头的当前所在位置，从而使所述第一挤出头接替所述第二挤出头进行挤出作业；

所述控制模块，用于控制所述第二挤出头从当前所在位置移动到所述第一挤出头的当前所在位置，从而使所述第二挤出头接替所述第一挤出头进行挤出作业。

可选的，所述第一材料和第二材料均为丝状材料。

一种用于功能梯度绝缘件的制造方法，所述方法应用于所述用于功能梯度绝缘件的制造系统，所述方法包括以下步骤：

获取功能梯度绝缘件的三维模型；

根据所述三维模型确定挤出头的挤出路径；

根据所述三维模型和所述挤出路径确定第一挤出头和第二挤出头的使用顺序；

根据所述挤出路径和所述使用顺序控制所述制造系统挤出所述功能梯度绝缘件。

可选的，所述三维模型包括所述功能梯度绝缘件的几何形状信息、介电常数空间分布信息和电导率空间分布信息。

可选的，所述根据所述三维模型确定挤出头的挤出路径，包括：

根据所述几何形状信息确定所述挤出头的挤出路径。

可选的，所述根据所述三维模型和所述挤出路径确定第一挤出头和第二挤出头的使用顺序，包括：

根据所述介电常数空间分布信息、所述电导率空间分布信息和所述挤出路径，确定所述介电常数空间分布信息和所述电导率空间分布信息在所述挤出路径上的分布情况；

根据所述分布情况确定所述第一挤出头和所述第二挤出头的使用顺序。

可选的，所述根据所述分布情况确定所述第一挤出头和所述第二挤出头的使用顺序，包括：

根据所述分布情况确定所述挤出路径上每一个位置处的材料混合比例，其中，所述材料混合比例为第一材料和第二材料的混合比例；

根据所述材料混合比例确定每一个位置处使用所述第一挤出头和所述第二挤出头的情况。

可选的，所述第一材料为高介电常数/电导率复合材料，所述第二材料位低介电常数/电导率复合材料。

可选的，所述高介电常数/电导率复合材料的介电常数为4至100，电导率为1×10

所述低介电常数/电导率复合材料的介电常数为3至5，电导率为1×10

本申请提供的技术方案包括以下有益技术效果：

本申请提供了一种用于功能梯度绝缘件的制造系统和方法，通过在三维运动平台的挤出头上设置第一挤出头和第二挤出头，并为第一挤出头配置第一材料输送装置和第一加热装置，为第二挤出头第二材料输送装置和第二加热装置工作，使得本申请中的制造系统能够通过控制第一挤出头和第二挤出头在某一点处挤出材料的时间和顺序，来控制第一材料和第二材料的混合比例，从而确保了功能梯度绝缘件上每一个位置处的材料混合的可靠性，进而保证了功能梯度绝缘件的性能。同时，本申请通过使每一个挤出头分别挤出一种材料，减少了材料的混合时间，提高了生产效率，解决了传统功能梯度绝缘件制造装置中由于装置配置不合理，从而影响绝缘件性能的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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。

图1为本申请实施例提供的用于功能梯度绝缘件的制造系统结构示意图；

图2为本申请实施例提供的用于功能梯度绝缘件的制造方法流程图。

附图标记说明：

1-三维运动平台；101-底座；102-挤出头；2-第一挤出头；3-第一加热装置；4-第一材料输送装置；5-第二挤出头；6-第二加热装置；7-第二材料输送装置；8-第一材料；9-第二材料；10-功能梯度绝缘件。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

请参考附图1，附图1为本申请实施例提供的一种用于功能梯度绝缘件的制造系统，如图所示，本申请实施例提供的制造系统包括三维运动平台；

具体的，该三维运动平台1包括挤出头102，挤出头102置于三维运动平台1的底座101上，并可沿底座101的水平和竖直方向移动，其中，底座101设置在工作平台上，该工作平台可以为桌面或者底面等；

挤出头102包括第一挤出头2和第二挤出头5，第一挤出头2和第二挤出头5的挤出口朝向底座101平面上。

如图1所示，该制造系统还包括第一材料输送装置4和第二材料输送装置7，第一材料输送装置4与第一挤出头2连通并向第一挤出头2输送第一材料8，第二材料输送装置7与第二挤出头5连通并向第二挤出头5输送第二材料9；

第一挤出头2与第一材料输送装置4之间连接有第一加热装置3，第一加热装置3用于对第一材料8进行加热，第二挤出头5与第二材料输送装置7之间连接有第二加热装置6，第二加热装置6用于对第二材料9进行加热。

作为一种实施方式，第一加热装置3设置在第一挤出头2的进口端，并且与挤出头102固定连接。第一材料输送装置4可以设置在任意可行的位置，例如设置在挤出头102上。其中，第一材料输送装置4能够将丝状的固态第一材料8输送给第一加热装置3，进而被第一加热装置3加热成液态，然后再由第一挤出头2挤出。第二加热装置6设置在第二挤出头5的进口端，并且与挤出头102固定连接。第二材料输送装置7可以设置在任意可行的位置，例如设置在挤出头102上。其中，第二材料输送装置7能够将丝状的固态第二材料9输送给第二加热装置6，进而被第二加热装置6加热成液态，然后再由第二挤出头5挤出。

所述制造系统还包括控制模块，控制模块与第一材料输送装置4、第二材料输送装置7、第一加热装置3和第二加热装置6连接，用于选择性地控制第一材料输送装置4和第一加热装置3、第二材料输送装置7和第二加热装置6工作，从而控制三维运动平台选择性地通过第一挤出头2或第二挤出头5挤出功能梯度绝缘件10。

本实施例中，控制模块，一方面用于控制第一挤出头2从当前所在位置移动到第二挤出头5的当前所在位置，从而使第一挤出头2接替第二挤出头5进行挤出作业；

另一方面，还用于控制第二挤出头5从当前所在位置移动到第一挤出头2的当前所在位置，从而使第二挤出头5接替第一挤出头2进行挤出作业。

基于此，本领域技术人员能够理解的是，当需要第二材料9挤出功能梯度绝缘件10时，如图1所示地，控制模块使第二挤出头5移动到挤出位置(挤出头102挤出功能梯度绝缘件10的位置)，并使第二材料输送装置7和第二加热装置6工作。当需要第一材料8挤出功能梯度绝缘件10时，控制模块使图1中的挤出头102向右移动，以使第一挤出头2移动到挤出位置(图1中第二挤出头5所处的位置)，并使第一材料输送装置4和第一加热装置3工作。

因此，本实施例的制造系统能够通过控制第一挤出头2和第二挤出头5在某一点处挤出材料的时间和顺序，来控制第一材料8和第二材料9的混合比例，从而确保了功能梯度绝缘件10上每一个位置处的材料混合的可靠性，进而保证了功能梯度绝缘件10的性能。同时，本实施例通过使每一个挤出头分别挤出一种材料，减少了材料的混合时间，提高了生产效率。

作为一种实施方式，本申请实施例中所述的第一材料8和第二材料9均为丝状材料。在使用时，通过材料输送装置将丝状的固态第一材料8或第二材料9输送给加热装置，进而被加热装置加热成液态，然后再由挤出头102挤出。

需要强调的是，本实施例提供的用于功能梯度绝缘件的制造系统，挤出头、材料输送装置以及加热装置数量的设置可以具体根据实际应用的需求进行限定，如分别将挤出头、材料输送装置以及加热装置设置为三组、四组或者多组，只要是满足实际需求的，均为合理设置，本实施例中只是提供了一种实现方式，并不作为一种具体特定的限制。

另一方面，本申请实施例还提供了一种用于功能梯度绝缘件的制造方法，该方法通过上述制造系统中的控制模块控制各个部件执行。以下结合上述实施方式中具有两个挤出头的用于功能梯度绝缘件的制造系统来对本制造方法进行详细说明。

如图2所示，所述方法包括以下步骤：

S100：获取功能梯度绝缘件10的三维模型。

具体的，获取功能梯度绝缘件10的三维模型，包括获取功能梯度绝缘件10的几何形状信息、介电常数空间分布信息和电导率空间分布信息。在本实施例中，构建能梯度绝缘件10的几何形状和介电参数空间分布三维CAD模型，将模型分割成多个几何单元并生成模型的STL文件，使用切片软件将STL文件定义的三维CAD模型按照预先设定的层厚模拟分割成不同的层面，计算得到每层的挤出轨迹，最终得到3D挤出设备所需的G-code控制文件。利用三维有限元方法计算绝缘子内部及表面的电场分布，根据实际绝缘子的电气特性需求，获得绝缘子的介电常数/电导率空间分布。

S200：根据三维模型确定挤出头的挤出路径。

具体包括：根据几何形状信息确定挤出头102的挤出路径。进一步的，从步骤S100中获取三维CAD模型的每层的挤出轨迹，然后将每层的挤出轨迹整合到一起，从而获得挤出头102的总的挤出路径。

S300：根据三维模型和挤出路径确定第一挤出头和第二挤出头的使用顺序。

根据介电常数空间分布信息、电导率空间分布信息和挤出路径，确定介电常数空间分布信息和电导率空间分布信息在挤出路径上的分布情况；

根据分布情况确定第一挤出头2和第二挤出头5的使用顺序。具体地，根据介电常数和电导率在空间中的分布情况确定挤出路径上每一个位置处的材料混合比例，其中，材料混合比例是第一材料8和第二材料9的混合比例；根据材料混合比例确定每一个位置处使用第一挤出头2和第二挤出头5的情况。作为示例一，针对于功能梯度绝缘件10上的某一处，仅使第一挤出头2或第二挤出头5在挤出位置挤出功能梯度绝缘件10。作为示例二，针对于功能梯度绝缘件10上的某一处，先使第一挤出头2挤出功能梯度绝缘件10，再使第二挤出头5挤出功能梯度绝缘件10；或者，先使第二挤出头5挤出功能梯度绝缘件10，再使第一挤出头2挤出功能梯度绝缘件10。作为示例三3，使第一挤出头2和第二挤出头5以一定的频率(例如三维运动平台1所能达到的最大频率)反复、交替地挤出功能梯度绝缘件10。

S400：根据挤出路径和使用顺序控制制造系统挤出功能梯度绝缘件。

示例性地，在步骤S300中，先使制造系统如图1所示地使第二挤出头5挤出30cm长的功能梯度绝缘件10，然后再使第一挤出头2和第二挤出头5按照50次/min的频率反复、交替地挤出20cm长的功能梯度绝缘件10，然后再使第一挤出头2挤出45cm长的功能梯度绝缘件10。

基于前文的描述，本领域技术人员能够理解的是，本实施例的制造方法能够通过控制第一挤出头2和第二挤出头5在某一点处挤出材料的时间和顺序，来控制第一材料8和第二材料9的混合比例，从而确保了功能梯度绝缘件10上每一个位置处的材料混合的可靠性，进而保证了功能梯度绝缘件10的性能。同时，本实施例通过使每一个挤出头分别挤出一种材料，减少了材料的混合时间，提高了生产效率。

最后需要说明的是，本实施例的第一材料8是高介电常数/电导率复合材料，第二材料9是低介电常数/电导率复合材料。优选地，高介电常数/电导率复合材料的介电常数为4至100，电导率为1×10

需要说明的是，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。