CN109279446B - 一种用于管状碳纤维缠丝机构的缠丝装置及缠丝轨迹方法 - Google Patents

一种用于管状碳纤维缠丝机构的缠丝装置及缠丝轨迹方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于管状碳纤维缠丝机构的缠丝装置，其特征在于：包括芯模旋转模块、丝嘴偏转与旋转模块和运动平台模块；还涉及一种用于管状碳纤维缠丝机构的缠丝轨迹方法，具体包括如下：装夹定位和缠丝方法；本发明中运动平台模块采用丝杆传动方式控制XYZ方向的运动，丝嘴偏转模块与运动平台模块的Z轴相连接，实现丝嘴的偏转，丝嘴旋转模块连接于偏转模块下方，辅助碳纤维丝束匀称缠绕至芯模表层的动作，芯模旋转模块与芯模底座固定，使丝嘴能够绕芯模做圆周旋转运动；本发明提供的用于管状碳纤维零件一次性缠丝机构，在保证精度和生产要求的同时能够极大的提高生产效率，节约人力成本。

Description

一种用于管状碳纤维缠丝机构的缠丝装置及缠丝轨迹方法
技术领域
本发明涉及碳纤维缠丝设备领域，尤其涉及一种用于管状碳纤维缠丝机构的缠丝装置及缠丝轨迹方法。
背景技术
自玻璃纤维增强树脂标志复合材料诞生以来，各种复合材料迅速发展，与传统机械行业使用的材料如普通碳钢、合金钢等相比，复合材料在航空航天、医疗、体育器材等需求高性能领域，有着如质量轻、强度高、耐腐蚀等巨大优点，而其中碳纤维复合材料更是复合材料中运用最广泛的材料之一。
碳纤维复合材料指碳纤维与其他基体共同组合构成的无机复合材料，一般含碳量占比90％以上。发展初期主要是通过手工将碳纤维和基体组合制成碳纤维材料，加工效率低，工艺复杂沉长，生产环境恶劣。因此慢慢出现了自动缠丝成型、自动铺带、自动铺丝等一系列自动化生产设备。
现有的碳纤维材料缠丝设备大多针对多种型号曲面，结构复杂，设备要求成本高，当只需要对于某一类特殊曲面缠丝时购买昂贵的通用设备就会导致不必要的浪费；除此之外，生产一种专用某一类曲面设备亦能提高生产效率，去除不必要的生产成本。因此本发明针对管状碳纤维零部件设计一种专用机构，满足这类情况的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于管状碳纤维缠丝机构的缠丝装置及缠丝轨迹方法，用以针对管状碳纤维零部件的缠丝，同时也能够提高对管状零件的生产效率，减少生产成本。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种用于管状碳纤维缠丝机构的缠丝装置，其创新点在于：包括芯模旋转模块、丝嘴偏转与旋转模块和运动平台模块；
所述芯模旋转模块包括芯模底座、顶尖底座、顶尖和三爪卡盘；所述芯模底座呈L型结构包括水平底座和立柱；所述顶尖底座设置在芯模底座的水平底座上，且顶尖底座的底端可沿着水平底座的延伸方向进行移动或固定；所述顶尖设置在顶尖底座上，所述三爪卡盘设置在芯模底座的立柱上，所述顶尖的轴心与三爪卡盘的轴心为同一轴线，所述顶尖与三爪卡盘之间设置有芯模；所述三爪卡盘通过一设置在立柱上的芯模驱动电机驱动旋转；
所述丝嘴偏转与旋转模块包括丝嘴、丝嘴偏转电机、丝嘴旋转电机、横向支撑板、纵向导向板和吊杆轴；所述丝嘴环绕设置在芯模的圆周外侧，所述丝嘴的顶端通过一竖直的连接板与吊杆轴的一端相连，所述丝嘴旋转电机设置在竖直的连接板上，所述丝嘴旋转电机驱动丝嘴旋转；所述吊杆轴沿着竖直方向通过回转轴承设置在横向支撑板上，所述吊杆轴上设置有一与丝嘴偏转电机输出端相连的皮带轮，所述丝嘴偏转电机设置在横向支撑板上且丝嘴偏转电机的输出端通过皮带带动吊杆轴上的皮带轮转动实现吊杆轴的转动；所述纵向导向板沿竖直方向设置在运动平台模块上，纵向导向板与横向支撑板垂直，且横向支撑板通过伺服电机驱动的丝杠结构传动实现横向支撑板沿着纵向导向板在竖直方向往复移动；
所述运动平台模块包括丝杆支撑座、丝杆、平台运动电机和移动平台；所述丝杆支撑座沿着延伸方向开有一容纳丝杆的容纳槽且该容纳槽的边缘上设置有与移动平台配合导向滑轨；所述丝杆通过回转轴承座设置在丝杆支撑座的容纳槽内；所述平台运动电机的输出端通过联轴器与丝杆的一端相连；所述移动平台的底端设置有一与丝杆配合的螺纹结构，移动平台在平台运动电机的驱动下沿着丝杆的延伸方向往复移动。
进一步的，所述顶尖底座上以及立柱上等高水平设置有一芯模支撑架，且芯模支撑架上设置有与芯模外轮廓贴合的支撑辊。
进一步的，所述丝杠结构沿着竖直方向设置在运动平台模块上，所述横向支撑板与丝杠结构的衔接处设置有螺纹结构，在丝杠的传动下横向支撑板实现沿着竖直方向移动。
一种用于管状碳纤维缠丝机构的缠丝轨迹方法，其创新点在于：具体方法如下：
S1：装夹定位：
S1.1:计算用于管状碳纤维零件缠丝机构的X轴、Y轴、Z轴、R轴、S轴、W轴各轴初始位置理论目标原点记为O，按右旋法建立三维笛卡尔直角坐标系，将目标点的缠丝轨迹分解主矢量以及芯模旋转量，即
Figure BDA0001875638380000031
其中
Figure BDA0001875638380000032
S1.2:调节芯模底座下方螺丝，移动芯模底座到预定位置
Figure BDA0001875638380000041
其中l1为芯模夹具内总长，l2使为芯模总长，使芯模中心于理论目标原点O上；
S1.3：拧松芯模主轴箱上三抓卡盘，手持铺丝芯模，对准主轴箱芯模孔套嵌入其中，夹装好圆形或者方形芯模；
S1.4：预设置选择缠丝的方向角度θ，角度θ为各层不同角度交叉网格缠丝；
S1.5：控制X轴、Y轴、Z轴丝杆上伺服电机回转使丝嘴旋转模块回到中心位置，控制丝嘴偏转伺服电机以及丝嘴旋转伺服电机旋动，使丝嘴旋转模块传动第二旋转带轮实际中心位置与理论原点O重合；
S2：缠丝方法：
S2.1:导入待缠工件模型，选定待缠工件轴向面，判断待缠工件包容圆柱R0，包容长度L；
S2.2:设置轴向面方向上半径为r+d,r+2d....r+kd的等距组圆，其中d为丝束厚度,r为芯模半径，k为
Figure BDA0001875638380000042
最大整数，与待缠工件求交得轨迹面；
S2.3:当待缠工件管状外层非圆层结构过多采用时采用分层出轨迹，额外输入待缠工件管状外层非圆层结构处半径r2，r2半以内采用所述S2.2相同轨迹求轨迹面，在r2到r+kd中，输入与XOY面成为一定角度θ1一定距离d1的初始面，在初始面法线上一串距离为d，2d...k1d的等距面与待缠工件外层相交，得到轨迹面，k1为
Figure BDA0001875638380000043
最大整数；
S2.4:依据输入各层缠丝轨迹方向θ，在该θ方向上距离为0,10d....10k2d的等距组面，k2为
Figure BDA0001875638380000051
最大整数，与所述S2.2,S2.3轨迹面相交求得轨迹线；
S2.5:离散轨迹线记录离散点，在各线开始处加入送丝指令，断点处加入切丝指令，实现个性化缠丝。
本发明的优点在于：
1)本发明中运动平台模块采用丝杆传动方式控制XYZ方向的运动，丝嘴偏转模块与运动平台模块的Z轴相连接，实现丝嘴的偏转，丝嘴旋转模块连接于偏转模块下方，辅助碳纤维丝束匀称缠绕至芯模表层的动作，芯模旋转模块与芯模底座固定，使丝嘴能够绕芯模做圆周旋转运动；本发明提供的用于管状碳纤维零件一次性缠丝机构，在保证精度和生产要求的同时能够极大的提高生产效率，节约人力成本。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的一种用于管状碳纤维缠丝机构的缠丝装置的立体结构图。
图2为本发明的一种用于管状碳纤维缠丝机构的缠丝装置主视图。
图3为本发明的一种用于管状碳纤维缠丝机构的缠丝装置的侧视图。
图4为本发明的一种用于管状碳纤维缠丝机构的缠丝装置的俯视图。
图5为本发明的一种用于管状碳纤维缠丝机构的缠丝装置的侧剖图。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
如图1至图5所示的一种用于管状碳纤维缠丝机构的缠丝装置，包括芯模旋转模块1、丝嘴偏转与旋转模块2和运动平台模块3。
芯模旋转模块1包括芯模底座11、顶尖底座12、顶尖13和三爪卡盘14；所述芯模底11座呈L型结构包括水平底座111和立柱112；所述顶尖底座12设置在芯模底座11的水平底座111上，且顶尖底座12的底端可沿着水平底座111的延伸方向进行移动或固定；所述顶尖13设置在顶尖底座12上，所述三爪卡盘14设置在芯模底座11的立柱112上，所述顶尖13的轴心与三爪卡盘14的轴心为同一轴线，所述顶尖13与三爪卡盘14之间设置有芯模15；所述三爪卡盘14通过一设置在立柱112上的芯模驱动电机151驱动旋转。
丝嘴偏转与旋转模块2包括丝嘴21、丝嘴偏转电机22、丝嘴旋转电机23、横向支撑板24、纵向导向板25和吊杆轴26；所述丝嘴21环绕设置在芯模15的圆周外侧，所述丝嘴21的顶端通过一竖直的连接板27与吊杆轴26的一端相连，所述丝嘴旋转电机23设置在竖直的连接板27上，所述丝嘴旋转电机23驱动丝嘴21旋转；所述吊杆轴26沿着竖直方向通过回转轴承设置在横向支撑板24上，所述吊杆轴26上设置有一与丝嘴偏转电机22输出端相连的皮带轮，所述丝嘴偏转电机22设置在横向支撑板24上且丝嘴偏转电机22的输出端通过皮带带动吊杆轴26上的皮带轮转动实现吊杆轴26的转动；所述纵向导向板25沿竖直方向设置在运动平台模块3上，纵向导向板25与横向支撑板24垂直，且横向支撑板24通过伺服电机驱动的丝杠结构28传动实现横向支撑板24沿着纵向导向板25在竖直方向往复移动。
运动平台模块3包括丝杆支撑座31、丝杆32、平台运动电机33和移动平台34；所述丝杆支撑座31沿着延伸方向开有一容纳丝杆32的容纳槽且该容纳槽的边缘上设置有与移动平台34配合导向滑轨；所述丝杆32通过回转轴承座设置在丝杆支撑座31的容纳槽内；所述平台运动电机33的输出端通过联轴器与丝杆32的一端相连；所述移动平台34的底端设置有一与丝杆32配合的螺纹结构，移动平台34在平台运动电机33的驱动下沿着丝杆32的延伸方向往复移动。
顶尖底座12上以及立柱112上等高水平设置有一芯模支撑架121，且芯模支撑架121上设置有与芯模15外轮廓贴合的支撑辊。
丝杠结构28沿着竖直方向设置在运动平台模块3上，所述横向支撑板24与丝杠结构28的衔接处设置有螺纹结构，在丝杠的传动下横向支撑板24实现沿着竖直方向移动。
一种用于管状碳纤维缠丝机构的缠丝轨迹方法，具体方法如下：
S1：装夹定位：
S1.1:计算用于管状碳纤维零件缠丝机构的X轴、Y轴、Z轴、R轴、S轴、W轴各轴初始位置理论目标原点记为O，按右旋法建立三维笛卡尔直角坐标系，将目标点的缠丝轨迹分解主矢量以及芯模旋转量，即
Figure BDA0001875638380000081
其中
Figure BDA0001875638380000082
S1.2:调节芯模底座下方螺丝，移动芯模底座到预定位置
Figure BDA0001875638380000083
其中l1为芯模夹具内总长，l2使为芯模总长，使芯模中心于理论目标原点O上；
S1.3：拧松芯模主轴箱上三抓卡盘，手持铺丝芯模，对准主轴箱芯模孔套嵌入其中，夹装好圆形或者方形芯模；
S1.4：预设置选择缠丝的方向角度θ，角度θ为各层不同角度交叉网格缠丝；
S1.5：控制X轴、Y轴、Z轴丝杆上伺服电机回转使丝嘴旋转模块回到中心位置，控制丝嘴偏转伺服电机以及丝嘴旋转伺服电机旋动，使丝嘴旋转模块传动第二旋转带轮实际中心位置与理论原点O重合；
S2：缠丝方法：
S2.1:导入待缠工件模型，选定待缠工件轴向面，判断待缠工件包容圆柱R0，包容长度L；
S2.2:设置轴向面方向上半径为r+d,r+2d....r+kd的等距组圆，其中d为丝束厚度,r为芯模半径，k为
Figure BDA0001875638380000084
最大整数，与待缠工件求交得轨迹面；
S2.3:当待缠工件管状外层非圆层结构过多采用时采用分层出轨迹，额外输入待缠工件管状外层非圆层结构处半径r2，r2半以内采用所述S2.2相同轨迹求轨迹面，在r2到r+kd中，输入与XOY面成为一定角度θ1一定距离d1的初始面，在初始面法线上一串距离为d，2d...k1d的等距面与待缠工件外层相交，得到轨迹面，k1为
Figure BDA0001875638380000091
最大整数；
S2.4:依据输入各层缠丝轨迹方向θ，在该θ方向上距离为0,10d....10k2d的等距组面，k2为
Figure BDA0001875638380000092
最大整数，与所述S2.2,S2.3轨迹面相交求得轨迹线；
S2.5:离散轨迹线记录离散点，在各线开始处加入送丝指令，断点处加入切丝指令，实现个性化缠丝。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种用于管状碳纤维缠丝机构的缠丝轨迹方法，该方法基于管状碳纤维缠丝机构的缠丝装置完成，其特征在于：具体方法如下：
S1：装夹定位：
S1.1:计算用于管状碳纤维零件缠丝机构的X轴、Y轴、Z轴、R轴、S轴、W轴各轴初始位置理论目标原点记为O，按右旋法建立三维笛卡尔直角坐标系，将目标点的缠丝轨迹分解主矢量以及芯模旋转量，即
Figure FDA0002699180240000011
其中
Figure FDA0002699180240000012
S1.2:调节芯模底座下方螺丝，移动芯模底座到预定位置
Figure FDA0002699180240000013
其中l1为芯模夹具内总长，l2使为芯模总长，使芯模中心于理论目标原点O上；
S1.3：拧松芯模主轴箱上三抓卡盘，手持铺丝芯模，对准主轴箱芯模孔套嵌入其中，夹装好圆形或者方形芯模；
S1.4：预设置选择缠丝的方向角度θ，角度θ为各层不同角度交叉网格缠丝；
S1.5：控制X轴、Y轴、Z轴丝杆上伺服电机回转使丝嘴旋转模块回到中心位置，控制丝嘴偏转伺服电机以及丝嘴旋转伺服电机旋动，使丝嘴旋转模块传动第二旋转带轮实际中心位置与理论原点O重合；S2：缠丝方法：
S2.1:导入待缠工件模型，选定待缠工件轴向面，判断待缠工件包容圆柱R0，包容长度L；
S2.2:设置轴向面方向上半径为r+d,r+2d....r+kd的等距组圆，其中d为丝束厚度,r为芯模半径，k为
Figure FDA0002699180240000021
最大整数，与待缠工件求交得轨迹面；
S2.3:当待缠工件管状外层非圆层结构过多采用时采用分层出轨迹，额外输入待缠工件管状外层非圆层结构处半径r2，r2半以内采用所述S2.2相同轨迹求轨迹面，在r2到r+kd中，输入与XOY面成为一定角度θ1一定距离d1的初始面，在初始面法线上一串距离为d，2d...k1d的等距面与待缠工件外层相交，得到轨迹面，k1为
Figure FDA0002699180240000022
最大整数；
S2.4:依据输入各层缠丝轨迹方向θ，在该θ方向上距离为0,10d....10k2d的等距组面，k2为
Figure FDA0002699180240000023
最大整数，与所述S2.2,S2.3轨迹面相交求得轨迹线；
S2.5:离散轨迹线记录离散点，在各线开始处加入送丝指令，断点处加入切丝指令，实现个性化缠丝；
所述用于管状碳纤维缠丝机构的缠丝装置，包括芯模旋转模块、丝嘴偏转与旋转模块和运动平台模块；
所述芯模旋转模块包括芯模底座、顶尖底座、顶尖和三爪卡盘；所述芯模底座呈L型结构包括水平底座和立柱；所述顶尖底座设置在芯模底座的水平底座上，且顶尖底座的底端可沿着水平底座的延伸方向进行移动或固定；所述顶尖设置在顶尖底座上，所述三爪卡盘设置在芯模底座的立柱上，所述顶尖的轴心与三爪卡盘的轴心为同一轴线，所述顶尖与三爪卡盘之间设置有芯模；所述三爪卡盘通过一设置在立柱上的芯模驱动电机驱动旋转；
所述丝嘴偏转与旋转模块包括丝嘴、丝嘴偏转电机、丝嘴旋转电机、横向支撑板、纵向导向板和吊杆轴；所述丝嘴环绕设置在芯模的圆周外侧，所述丝嘴的顶端通过一竖直的连接板与吊杆轴的一端相连，所述丝嘴旋转电机设置在竖直的连接板上，所述丝嘴旋转电机驱动丝嘴旋转；所述吊杆轴沿着竖直方向通过回转轴承设置在横向支撑板上，所述吊杆轴上设置有一与丝嘴偏转电机输出端相连的皮带轮，所述丝嘴偏转电机设置在横向支撑板上且丝嘴偏转电机的输出端通过皮带带动吊杆轴上的皮带轮转动实现吊杆轴的转动；所述纵向导向板沿竖直方向设置在运动平台模块上，纵向导向板与横向支撑板垂直，且横向支撑板通过伺服电机驱动的丝杠结构传动实现横向支撑板沿着纵向导向板在竖直方向往复移动；
所述运动平台模块包括丝杆支撑座、丝杆、平台运动电机和移动平台；所述丝杆支撑座沿着延伸方向开有一容纳丝杆的容纳槽且该容纳槽的边缘上设置有与移动平台配合导向滑轨；所述丝杆通过回转轴承座设置在丝杆支撑座的容纳槽内；所述平台运动电机的输出端通过联轴器与丝杆的一端相连；所述移动平台的底端设置有一与丝杆配合的螺纹结构，移动平台在平台运动电机的驱动下沿着丝杆的延伸方向往复移动。
2.根据权利要求1所述的一种用于管状碳纤维缠丝机构的缠丝轨迹方法，其特征在于：所述顶尖底座上以及立柱上等高水平设置有一芯模支撑架，且芯模支撑架上设置有与芯模外轮廓贴合的支撑辊。
3.根据权利要求1所述的一种用于管状碳纤维缠丝机构的缠丝轨迹方法，其特征在于：所述丝杠结构沿着竖直方向设置在运动平台模块上，所述横向支撑板与丝杠结构的衔接处设置有螺纹结构，在丝杠的传动下横向支撑板实现沿着竖直方向移动。
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