CN111546669A - 联动数控铺缠一体化成型装备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种联动数控铺缠一体化成型装备。该成型设备的装备主机上设置有三个平移单元，其中的X轴移动单元设置在Z轴移动单元的输出端上，Y轴移动单元设置在X轴移动单元的输出端上；铺缠手腕的滚转单元固定设置在Y轴移动单元的输出端上，俯仰单元固定设置在滚转单元的输出端上，偏航单元固定设置在俯仰单元的输出端上，铺缠头设置在偏航单元的输出端上，铺缠头上设置有送带单元，以用于输送铺缠工件所需料带卷；旋转工作台设置在装备主机的水平横向一侧，旋转工作台用于安放待铺缠的工件，并带动该工件绕竖直方向旋转。本发明可为自动丝束铺放技术提供了适于工程应用研究和制造的装备平台。

Description

联动数控铺缠一体化成型装备

技术领域

本发明属于机械设计与制造技术领域，尤其涉及一种联动数控铺缠一体化成型装备。

背景技术

传统的数控缠绕机，能够完成筒形、锥形、幂次曲线形回转体的复合材料蒙皮缠绕成型，但无法完成异型曲面蒙皮的铺放成型。对于异型曲面蒙皮，使用传统数控布带缠绕机仅能完成模具旋转及预浸带固定，布带的铺放成型靠人工完成，预浸带在铺放中人为施加张力，导致布带与模具产品之间贴合不实，比理论圆周偏大。

除回转体壳体类复合材料薄壁蒙皮结构件产品可采用布带缠绕机直接缠绕成型外，空间复杂异形曲面类复合材料薄壁产品成型目前均无自动化装备，需要通过靠手工成型。复合材料蒙皮纤维铺放方向、精度及铺放质量对产品综合性能和质量一致性影响较大。手工铺放首先需要对模具进行预热，保证预浸料可以较好地贴模；预浸丝束铺放的角度、缝隙拼接均由人工控制；为了保证预浸料之间贴合良好，每铺2～3层，需要包真空进行一次预压；下次铺层前需要再对模具进行预热，已铺层在模具上的预浸料时常需经历多次加热过程。该成型过程周期漫长，劳动强度大效率低；且手工成型的复合材料结构件的纤维铺放角度、纤维束之间的拼缝、预浸料的树脂含量、纤维拉直程度等均无法保证，产品质量稳定性差且无法满足复材材料空间曲面蒙皮类产品工程化高效率生产节奏需求。

因此，通过人工使用纤维网格布进行平行重叠缠绕、斜纹布斜叠缠绕成型固化后，再进行机加工整形，存在的主要缺点有三个方面：

首先，人工固化成型加工后存在皱褶、架桥、分层、开裂等多种质量缺陷，导致产品质量可靠性、稳定性和一致性差；其次，材料利用率低下导致材料成本高，为降低人工操作难度，提高人工效率，传统固化工艺是直接将整个异形曲面工件包绕，大面积的材料需要在固化后切削掉实现成型，实际缠绕成型的材料利用率不到30％，浪费极其严重；再者，需要通过机械切削加工去除多余的布带蒙皮，布带纤维在此过程中遭到切断破坏导致综合性能低，并且加工成本高、切削时粉尘污染严重、工序周转周期长导致总体成本高周期长等众多缺点。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种联动数控铺缠一体化成型装备，以解决现有技术中通过人工使用纤维网格布进行平行重叠缠绕、斜纹布斜叠缠绕成型固化后，再进行机加工整形带来的技术问题。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种联动数控铺缠一体化成型装备，所述成型设备包括装备主机、铺缠手腕、铺缠头以及旋转工作台，其中：

所述装备主机上设置有三个平移单元，分别为沿竖向升降的Z轴移动单元、沿水平横向移动的X轴移动单元和沿水平纵向移动的Y轴移动单元，所述X轴移动单元设置在所述Z轴移动单元的输出端上，所述Y轴移动单元设置在所述X轴移动单元的输出端上；

所述铺缠手腕包括滚转单元、俯仰单元和偏航单元，所述滚转单元固定设置在所述Y轴移动单元的输出端上，所述滚转单元的输出端可绕所述水平纵向转动，所述俯仰单元固定设置在所述滚转单元的输出端上，所述俯仰单元的输出端可做俯仰动作，所述偏航单元固定设置在所述俯仰单元的输出端上，所述偏航单元的输出端可绕竖向转动，所述铺缠头设置在所述偏航单元的输出端上，所述铺缠头上设置有送带单元，以用于输送铺缠工件所需料带卷；

所述旋转工作台设置在所述装备主机的水平横向一侧，所述旋转工作台用于安放待铺缠的工件，并带动该工件绕竖直方向旋转。

进一步地，所述装备主机包括两个相对设置的立柱；

所述Z轴移动单元包括升降电机、第一滚珠丝杠、第一滑块以及升降基座，其中：

每个所述立柱上均设置有一个所述升降电机，两个所述升降电机的输出端均对应和第一滚珠丝杠的一端连接，所述第一滚珠丝杠的另一端通过第一支座安装在对应的立柱上，所述第一滚珠丝杠的中心轴沿竖向设置，每个第一滚珠丝杠上均对应滑动设置有第一滑块，所述升降基座和两个所述第一滑块固定连接，所述升降基座可在两个相对设置的所述立柱上滑动，所述升降基座为所述Z轴移动单元的输出端；

每个所述立柱上均还对应设置有一个第一导轨，所述第一导轨、所述第一滚珠丝杠以及所述第一滑块平行设置，所述第一导轨和对应的所述第一滚珠丝杠平行设置，所述第一滑块滑动设置在对应的所述第一导轨上。

进一步地，所述立柱上还沿竖向相对设置有上挡块和下挡块，所述上挡块和所述下挡块分别位于所述升降基座的行程两侧。

更进一步地，所述装备主机还包括两个重力平衡单元，每个所述立柱上均对应设置有一个所述重力平衡单元，每个所述重力平衡单元均包括：

直线滑轨，所述直线滑轨沿竖向固定设置在对应的立柱上；

动滑轮安装板，所述动滑轮安装板固定于所述直线滑轨的滑块上；

液压缸，所述液压缸通过液压缸安装座固定于所述直线滑轨下方，所述液压缸的活塞杆端部与所述动滑轮安装板固定连接；

动滑轮A、第一定滑轮B以及第二定滑轮C，所述动滑轮A可转动地设于所述动滑轮安装板上，所述第一定滑轮B以及所述第二定滑轮C均可转动地设于所述立柱上，且位于所述直线滑轨一侧，所述第一定滑轮B的位置高于所述动滑轮A的最低点，所述第二定滑轮C的位置低于所述动滑轮A的最低点；

链条，所述链条一端固定于所述液压缸安装座上，所述链条的另一端依次绕过所述动滑轮A、所述第一定滑轮B以及所述第二定滑轮C后，固定在所述升降基座上。

进一步地，所述X轴移动单元包括第一滑轨、第一齿条、第二滑块、第一平移基座、第一电机以及第一齿轮，其中：

所述第一滑轨至少设置有两个，至少两个所述第一滑轨沿水平横向依次间隔设置在所述第一移动单元的输出端上，每个所述第一滑轨上均滑动设置有两个所述第二滑块，所述第一平移基座固定设置在至少两个所述第一滑轨上的所述第二滑块上，所述第一电机固定设置在所述第一平移基座上，所述第一电机的输出端设有第一齿轮，所述第一齿条和所述第一齿轮相啮合，所述第一齿条沿水平横向固定设置在所述第一移动单元的输出端上，所述第一平移基座为所述X轴移动单元的输出端；

所述第一平移基座的水平横向的两端均设置有限位挡块；所述第一移动单元的输出端上设置有分别所述限位挡块相配合的定位挡块。

进一步地，所述Y轴移动单元包括第二滑轨、第三滑块A、第二平移基座、第二齿条、第二电机以及第二齿轮，其中：

所述第二平移基座为所述Y轴移动单元的输出端，所述第二滑轨沿水平纵向相对设置在所述第二平移基座的底部，每个所述第二滑轨上均滑动设置有所述第三滑块A，所述第三滑块A固定设置在所述第一平移基座上；

所述第二齿条沿水平纵向设置在所述第二平移基座上，所述第二电机固定设置在所述第一平移基座上，所述第二电机的输出端设置有第二齿轮，所述第二齿轮与所述第二齿条啮合。

进一步地，所述滚转单元包括滚转电机、滚转基座和俯仰基体，其中：

所述滚转电机固定设置在所述Y轴移动单元的输出端上，所述滚转基座固定于所述滚转电机的输出端，所述滚转基座沿Y轴方向延伸形成两侧臂，所述俯仰基体枢接于两侧臂之间，所述俯仰基体与两侧臂其中一个侧壁的枢接轴上设有从动齿轮；

所述俯仰单元包括俯仰电机、行星减速器和主动齿轮，所述俯仰电机固定于安装所述从动齿轮的侧臂上，所述俯仰电机的输出端通过所述行星减速器连接有主动齿轮，所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合；

所述偏航单元包括偏航电机和铺缠头安装座，所述偏航电机固定于所述俯仰基体上端，所述偏航电机的输出端沿C轴方向穿过所述俯仰基体，所述偏航电机的输出端在所述俯仰基体下方与所述铺缠头安装座连接，所述铺缠头安装座上安装有铺缠头。

进一步地，所述送带单元包括送带轴和驱动电机，所述送带轴上安装有铺缠工件所需的料带卷，所述驱动电机的输出端与所述送带轴连接；

所述铺缠头包括第一底座、主辊、副辊、主辊气缸、副辊气缸和三角连接板，所述送带轴、主辊、副辊平行设置于所述第一底座上，所述主辊、所述副辊设于所述三角连接板的两个角上，所述副辊气缸的活塞头枢接于所述三角连接板的第三个角上，所述副辊气缸可绕一平行于送带轴的转轴转动，所述主辊气缸的活塞头枢接于所述主辊所在的角上。

进一步地，所述副辊气缸枢接在所述第一底座上或所述铺缠头安装座上，所述主辊气缸固定在所述第一底座上或所述铺缠头安装座上，所述第一底座上设有直线滑轨，所述直线滑轨与所述主辊气缸的活塞杆配合，从而使其只能做单自由度的直线伸缩运动。

更进一步地，所述旋转工作台包括第二底座、转台、齿圈、两个旋转电机以及两个旋转齿轮，其中：

所述第二底座设置在这所述装备主机的水平横向一侧，所述转台可旋转地设于所述第二底座上端，所述转台的旋转轴线为竖直方向，所述转台下部设有所述齿圈，所述齿圈的轴线为竖直方向，两个所述旋转电机分别设于所述第二底座侧壁上，每个所述旋转电机的输出端均设有旋转齿轮，两个所述旋转齿轮均与所述齿圈啮合。

本发明的有益效果是：

本发明公开了一种联动数控铺缠一体化成型装备，能够直接控制铺缠头的空间运动轨迹，即使是异形曲面的工件也能够准确贴合其表面进行铺缠，从而减少甚至避免了固化成型后切除材料进行整形的操作，降低污染、节约成本、提高效率，为自动丝束铺放技术提供了适于工程应用研究和制造的装备平台。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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是本发明实施例的一种联动数控铺缠一体化成型装备的整体结构布局及坐标方位示意图；

图2是本发明实施例中的Z轴移动单元的结构示意图；

图3是本发明实施例中的重力平衡单元结构示意图；

图4是本发明实施例的X轴移动单元以及Y轴移动单元的组装结构示意图；

图5是图4的主视示意图；

图6是图5视角下Y轴移动单元的结构示意图；

图7是图4中第一平移基座的立体示意图；

图8是本发明实施例的铺缠手腕结构示意图；

图9是图8的仰视视角的结构示意图；

图10是本发明实施例中的铺缠头的结构示意图；

图11为本发明实施例中的铺缠头的结构示意图；

图12是本发明实施例的旋转工作台结构示意图；

图13为图12的剖面示意图；

图14为本发明实施例的一种联动数控铺缠一体化成型装备的辅助设备的布置示意图；

图15为图14的侧视示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种联动数控铺缠一体化成型装备。

图1是本发明实施例的一种联动数控铺缠一体化成型装备的整体结构布局及坐标方位示意图，结合图1，本发明实施例的成型设备包括装备主机1、铺缠手腕2、铺缠头3以及旋转工作台4。

结合图1，本发明实施例的装备主机1上设置有三个平移单元，分别为沿竖向升降的Z轴移动单元11、沿水平横向移动的X轴移动单元13和沿水平纵向移动的Y轴移动单元14，X轴移动单元13设置在Z轴移动单元11的输出端上，Y轴移动单元14设置在X轴移动单元13的输出端上。

本发明实施例中，Z轴移动单元11、X轴移动单元13以及Y轴移动单元14构成了三个平移单元，形成图1所示的Z轴移动单元11沿Z轴升降、X轴移动单元13沿X轴移动、以及Y轴移动单元14沿Y轴移动。

图2是本发明实施例中的Z轴移动单元的结构示意图，结合图1以及图2，本发明实施例的装备主机1的主体构造为龙门架，可以直接在现有龙门架的基础上进行改装，其包括两个相对设置的立柱111，两个立柱11之间滑动设置有横梁，该横梁即为Z轴移动单元11的输出端-升降基座131。

结合图2，本发明实施例的Z轴移动单元11包括升降电机116、第一滚珠丝杠113、第一滑块117以及升降基座131，其中：每个立柱111上均设置有一个升降电机116，两个升降电机的输出端均对应和第一滚珠丝杠113的一端连接，第一滚珠丝杠113的另一端通过第一支座114安装在对应的立柱111上，第一滚珠丝杠113的中心轴沿竖向设置，每个第一滚珠丝杠113上均对应滑动设置有第一滑块117，升降基座131和两个第一滑块117固定连接，升降基座131可在两个相对设置的立柱111上滑动。

本发明实施例中，升降电机116与第一滚珠丝杠113可通过减速机或联轴器连接，以驱动第一滚珠丝杠113转动，而第一滚珠丝杠113的一端也可以通过第一支座114支撑，即第一滚珠丝杠113是通过两个第一支座114固定在立柱111上，而升降电机116是通过第二支座115固定安装在立柱111上。升降电机116驱动第一滚珠丝杠113转动，带动第一滑块117沿竖向升降，进而驱动升降基座131在两个相对设置的立柱111上滑动。

结合图2，本发明实施例中，每个立柱111上均还对应设置有一个第一导轨112，第一导轨112、第一滚珠丝杠113以及第一滑块117平行设置，第一导轨112和对应的第一滚珠丝杠113平行设置，第一滑块117滑动设置在对应的第一导轨112上，第一滑块117和对应的第一导轨112的配合，可对第一滑块117的移动进行导向，以驱动升降基座131升降。

具体地，本发明实施例中，升降基座131可与两个第一滚珠丝杠113的丝杠螺母固定连接，升降基座131的两端分别与对应的第一导轨112上的第一滑块117固定连接，以在第一滚珠丝杠113的旋转驱动下，沿第一导轨112上下升降运动。第一滚珠丝杠113的丝杠螺母可以是直接嵌套于升降基座131上或者与升降基座131一体成型的零件，可以是先装在第一滚珠丝杠113上再与升降基座131固定，还可以通过直接在升降基座131上开设与第一滚珠丝杠113匹配的螺纹孔构成，本发明实施例对此不作限制。

进一步地，结合图2，本发明实施例的立柱111上还沿竖向相对设置有上挡块118和下挡块119，上挡块118和下挡块119分别位于升降基座131的行程两侧，以对升降基座131进行上下行程限制，另外，下挡块119还可以在停机时起到支撑升降基座131的作用，此时升降基座131位于最低点，以将后文的重力平衡单元顺利卸除载荷，安全关机。

本发明实施例的装备主机还包括两个重力平衡单元12，图3是本发明实施例中的重力平衡单元结构示意图，结合图3，每个立柱111上均对应设置有一个重力平衡单元12，两个重力平衡单元12沿水平横向对称设置，分别布置在两个立柱111相背的一侧。

结合图3，本发明实施例中，每个重力平衡单元12均包括直线滑轨121、动滑轮安装板122、液压缸安装座123、液压缸124、链条125、动滑轮126A、第一定滑轮126B、第二定滑轮126C，其中，直线滑轨121沿竖向固定设置在对应的立柱111上，动滑轮安装板122固定于直线滑轨121的滑块上，液压缸124可以通过液压缸安装座123固定于直线滑轨121下方，液压缸124的活塞杆端部与动滑轮安装板122固定连接，动滑轮126A可转动地设于动滑轮安装板122上，第一定滑轮126B以及第二定滑轮126C均可转动地设于立柱111上，且位于直线滑轨121一侧，第一定滑轮126B的位置高于动滑轮126A的最低点，第二定滑轮126C的位置低于动滑轮126A的最低点，链条125，链条125一端固定于液压缸安装座123上，链条125的另一端依次绕过动滑轮126A、第一定滑轮126B以及第二定滑轮126C后，可通过连接头127固定在升降基座131上。

本发明实施例的动滑轮126A、第一定滑轮126B、第二定滑轮126C均选用链轮。

进一步地，结合图3，本发明实施例的液压缸安装座123包括座体123A、固定板123B以及两个导向板128，座体123A上设有液压缸安装孔，液压缸124穿过液压缸安装孔，且通过安装法兰123B固定在座体123A上。安装法兰123B的两个相对侧与液压缸安装孔的两个相对的孔壁之间形成分别供两个导向板128穿过的缝隙。两个导向板的下端分别穿过对应侧的缝隙，上端固定在液压缸124的活塞杆端部。

当升降基座131上升及下降时，升降基座131及其上所有零部件的重力由液压缸124的活塞杆升力进行平衡。活塞杆推动或拉动动滑轮安装板122带动动滑轮126A上升或下降，从而驱动链条125的前侧部分(图3标注方位)缩短或伸长，以随升降基座131同步运动，实时进行重力平衡。

图4是本发明实施例的X轴移动单元以及Y轴移动单元的组装结构示意图，图5是图4的主视示意图，图6是图5视角下Y轴移动单元的结构示意图。结合图4-图6，本发明实施例的X轴移动单元13包括第一滑轨132、第一齿条133、第二滑块134、第一平移基座135、第一电机136以及第一齿轮137，其中：

第一滑轨132至少设置有两个，至少两个第一滑轨132沿水平横向依次间隔设置在第一移动单元11的输出端上，每个第一滑轨132上均滑动设置有两个第二滑块134，第一平移基座135固定设置在至少两个第一滑轨132上的第二滑块134上，第一电机136固定设置在第一平移基座135上，第一电机136的输出端设有第一齿轮137，第一齿条133和第一齿轮137相啮合，第一齿条133沿水平横向固定设置在第一移动单元11的输出端上，第一平移基座135为X轴移动单元13的输出端。

本发明实施例中，第一电机136驱动第一齿轮137，使第一齿轮137和第一齿条133啮合传动，进而带动第一平移基座135沿水平横向在第一移动单元11的输出端上移动，第一平移基座135即为X轴移动单元13的输出端。

具体到本发明实施例中，可以设置有三个第一滑轨132，均沿水平横向设置于升降基座131上表面上，六个第二滑块134两两一组与三个第一滑轨132滑动配合，第一平移基座135即固定在六个第二滑块134上，以提高稳定性，当然，上述数量并不以此为限，只要能保证第一平移基座135的稳定性即可，本发明实施例对此不作限制。

进一步地，结合图4以及图5，本发明实施例中，第一平移基座135的水平横向的两端均设置有限位挡块138，第一移动单元11的输出端(即升降基座)或者立柱111上设置有分别限位挡块138相配合的定位挡块，以对第一平移基座135的水平横向的行程限位。当然，也可以直接在第一滑轨132两端设置限位滑块，将限位滑块移动至不同位置后再固定在第一滑轨132上，从而实现行程范围的快速调节。

结合图4-图6，本发明实施例的Y轴移动单元14包括第二滑轨141、第三滑块141A、第二平移基座142、第二齿条143、第二电机144以及第二齿轮146，其中，第二平移基座142为Y轴移动单元14的输出端，第二滑轨141沿水平纵向相对设置在第二平移基座142的底部，每个第二滑轨141上均滑动配合设置有第三滑块141A，第三滑块141A固定设置在第一平移基座135上，第二齿条141沿水平纵向设置在第二平移基座142上，第二电机144固定设置在第一平移基座135上，第二电机144的输出端设置有第二齿轮146，第二齿条146沿水平纵向固定设置在第二平移基座142的侧面上，第二齿轮146与第二齿条143相啮合。

本发明实施例中，第二电机144驱动第二齿轮146转动，第二齿轮146和第二齿条143相啮合，进而驱动安装有第二齿条143的第二平移基座142沿水平纵向移动。

图7是图4中第一平移基座的立体示意图，结合图4、图6以及图7，本发明实施例中的，第一平移基座135是由多个横杆及纵杆组成的框架结构。横杆数量及间距与第一导轨132的数量及间距相等，安装时位置相互对应，以提升第一平移基座135的支撑强度及稳定性，同时尽量减轻平移基座的重量。第一平移基座135上设有用于安装第一电机136的第一电机安装孔135A，以及用于安装第二电机144的第二电机安装座135B、两个用于安装第三滑块141A的滑块安装座135C以及多对滑块定位件135D。

本发明实施例中，第二电机144通过第二电机支座145固定于第二电机安装座135B上，四个第三滑块141A通过螺栓固定在滑块安装座135C的对应位置，并各通过一对滑块定位件135D进行固位。

本发明实施例中，Y轴移动单元14一反其他运动单元的设计，将第三滑块141A而非第二导轨141设置在第一平移基座135上，可以大大缩小升降基座131的水平纵向的长度，从而大大减轻升降基座131的重量，降低重力平衡机构的负担。而第二平移基座142本身就可以进行轻量化设计，例如使用质地较轻的铝合金、铜等，且需要伸长，即需要具有一定的长度，因此上述设计可以在保证运动范围的情况下尽量减轻整体重量。

结合图1，本发明实施例中，铺缠手腕2包括滚转单元21、俯仰单元22和偏航单元23，滚转单元21固定设置在Y轴移动单元14的输出端上，滚转单元21的输出端可绕水平纵向转动，俯仰单元22固定设置在滚转单元21的输出端上，俯仰单元22的输出端可做俯仰动作，偏航单元23固定设置在俯仰单元22的输出端上，偏航单元23的输出端可绕竖向转动，铺缠头3设置在偏航单元23的输出端上，铺缠头3上设置有送带单元，以用于输送铺缠工件所需料带卷。

本发明实施例中，滚转单元21、俯仰单元22和偏航单元23为三个旋转单元，即图1所示的滚转单元21绕A轴转动，俯仰单元22绕B轴转动，偏航单元23绕C轴转动，A轴平行于Y轴，B轴平行于X轴，C轴平行于Z轴。滚转单元21可随着Y轴移动单元14沿水平纵向运动，滚转单元21带动俯仰单元22绕A轴进行滚转，俯仰单元22带动偏航单元23绕B轴进行俯仰运动，而铺缠头3可以在偏航单元23的带动下绕C轴旋转实现偏航运动。

图8是本发明实施例的铺缠手腕的结构示意图，图9是图8的仰视视角的结构示意图，结合图8-图9，本发明实施例的滚转单元21包括滚转电机211、滚转基座213和俯仰基体24，其中，滚转电机211固定设置在Y轴移动单元14的输出端(即第二平移基座142)上，滚转基座213固定于滚转电机211的输出端，滚转基座213沿Y轴方向延伸形成两侧臂，俯仰基体24枢接于两侧臂之间，俯仰基体24与两侧臂其中一个侧壁的枢接轴241上设有从动齿轮224，为提升俯仰基体24转动的流畅性，可以选择在另一个枢接轴241上加装轴承与滚转基座213或俯仰基体24配合。

结合图8以及图9，本发明实施例的俯仰单元22包括俯仰电机221、行星减速器222和主动齿轮223，俯仰电机221固定于安装从动齿轮224的侧臂上，俯仰电机221的输出端通过行星减速器222连接有主动齿轮223，主动齿轮223与从动齿轮224啮合，而偏航单元23包括偏航电机231和铺缠头安装座232，偏航电机231固定于俯仰基体24上端，偏航电机231的输出端沿C轴方向穿过俯仰基体24，偏航电机231的输出端在俯仰基体24下方与铺缠头安装座232连接，铺缠头安装座232上安装有铺缠头3。

图10是本发明实施例中的铺缠头的结构示意图，结合图10，本发明实施例的送带单元(由于料带卷31遮挡而未图示)包括送带轴和驱动电机，送带轴上安装有铺缠工件所需的料带卷31，驱动电机的输出端与送带轴连接，用于调节送带速度。

进一步地，结合图10，本发明实施例的铺缠头3包括第一底座(未图示)、主辊32、副辊33、主辊气缸34、副辊气缸35和三角连接板36，其中：第一底座安装在铺缠头安装座232上，送带轴、主辊32、副辊33平行设置于第一底座上，主辊32、副辊33设于三角连接板36的两个角上，副辊气缸35的活塞头枢接于三角连接板36的第三个角上，副辊气缸35可绕一平行于送带轴的转轴转动，而副辊气缸35枢接在第一底座上或铺缠头安装座232上，主辊气缸34的活塞头枢接于主辊32所在的角上，且主辊气缸34只有一个直线运动自由度，以使活塞头仅作直线伸缩运动，主辊32和副辊33先后布置于料带卷31中牵出的铺缠带31A运动路径上，用于调节铺缠带31A的角度。底座安装于铺缠头安装座232上。

本发明实施例中，副辊气缸35既可以枢接在第一底座上，也可以枢接在铺缠头安装座232上，而主辊气缸34既可以固定在底座上也可以固定在铺缠头安装座232上，本发明实施例对此不作限制。

另外，本发明实施例中，第一底座上设有直线滑轨37，该直线滑轨37与主辊气缸34的活塞杆配合，从而使其只能做单自由度的直线伸缩运动。

图11为本发明实施例中的铺缠头的结构示意图，结合图11，本发明实施例中，第一底座46的一侧设置有可转动的料卷轴47以及收膜轴48，第一底座46朝向料卷轴47的一侧设置有第一张力检测器49，第一底座46的另一侧分别设置有第二张力检测器50以及第三张力检测器51，第一张力检测器49位于第二张力检测器50以及第三张力检测器51，第一底座46的另一侧还设置有行程纠偏器52，行程纠偏器52也位于第二张力检测器50以及第三张力检测器51之间，主辊32以及副辊33设置在第一底座46的端部，在实际操作时，料带卷31缠绕在料卷轴47上，料带卷31上的预侵带53依次绕过第一张力检测器49、第二张力检测器50、行程纠偏器52、第三张力检测器51后，进入到主辊32中，并从副辊33输出，而料带卷31上的预侵带覆模54则缠绕在收膜轴8上。

本发明实施例中，通过设置第一张力检测器49、第二张力检测器50、行程纠偏器52、第三张力检测器51形成铺缠张力控制系统，能够实现大范围铺缠张力自动控制，最小5N，最大200N，以保证预侵带53按设定张力铺放，铺放张力要求预侵带53张紧不松弛，并能适度变形，特别是在构件凹曲面处的铺放，过大的铺放张力会引起凹面处的架桥缺陷。

本发明实施例中的行程纠偏器52的作用在于：在铺缠缠绕成型过程中，由于布带斜缠变形、导辊的安装误差、布带速度及张力的波动等因素影响，预浸带会发生横向偏移，即跑偏现象，行程纠偏器52即可解决上述问题，其两侧均设置有一个导辊，可根据红外线纠偏传感器检测到的预浸带边缘位置偏差，来控制预浸带传送路径中两根平行导辊的偏转角度，以实现预浸带铺缠缠绕位置的控制

另外，结合图11，本发明实施例中，在第一底座46的端部还设置有热风加热器55，该热风加热器55的输出端作用在进入到主辊32之前的预侵带53上，这样可以对预浸带和待铺缠区域进行加热，增加预浸带黏性，热风加热器55的加热方式可采用压缩空气作为空气加热器的气源，加热后的空气经过笛形管喷射到待加热区域，具有加热均匀的优点。热风加热器55的最高出口温度可达400℃，加热温度可根据工艺需求进行自行设定，通过出口温度传感器进行闭环控制。

此外，本发明实施例的主辊和副辊均采用橡胶制成的柔性辊，以提高复杂型面的适应性。主辊可沿直线导轨平动，采用4个φ25mm气缸提供辊压力，供气压力0.6MPa时，辊压力可达1200N。副辊可绕主辊轴线摆动，采用2个φ25mm气缸提供辊压力，供气压力0.6MPa时，气缸推力可达600N，模具表面法向的辊压力大小随副辊摆动角度的变化而变化。副辊的摆动行程可满足凹面最小曲率半径R250mm，凸面最小曲率半径R15mm，满足目标产品的外形曲率。

结合图1，本发明实施例的旋转工作台4设置在装备主机1的水平横向一侧，旋转工作台4用于安放待铺缠的工件，并带动该工件绕竖直方向旋转，该竖直方向为图1中的C1轴，具体地：

图12是本发明实施例的旋转工作台结构示意图，结合图12，本发明实施例的旋转工作台4包括第二底座41、转台42、齿圈43、两个旋转电机44以及两个旋转齿轮，其中：

第二底座41设置在这装备主机1的水平横向一侧，转台42可旋转地设于第二底座41上端，转台的旋转轴线为竖直方向，转台42下部设有齿圈43，齿圈的轴线为竖直方向(即C1轴)，两个旋转电机44分别设于第二底座41侧壁上，每个旋转电机44的输出端均设有一个旋转齿轮，两个旋转齿轮关于C1轴对称，两个旋转齿轮均与齿圈43啮合，工作时，两个旋转电机44同步启动，驱动对应的旋转齿轮转动，两个旋转齿轮共同带动齿圈43转动，进而带动转台42转动。

图13为图12的剖面示意图，结合图13，本发明实施例中，在转台42的顶部的外侧设置有多个卡爪55，多个卡爪55以转台42的中心轴等角度间隔设置，芯模即夹装在多个卡爪55之间。

进一步地，结合图13，本发明实施例中，转台42的中心轴上安装有编码器56，可实现转台42转动的闭环控制，以实现芯模精确旋转运动。

本发明实施例的旋转工作台采用双电机消隙驱动，结构简单、承载大、精度高。此外，操作者可沿升降基座上的第一滑轨手动移动平移基座使铺缠头靠近，方便更换料卷以及检测和观察铺缠质量状态。

图14为本发明实施例的一种联动数控铺缠一体化成型装备的辅助设备的布置示意图，结合图14，该辅助设备包括底座5，底座5是这个装备的装配基础，其通过地脚螺栓固定在混凝土地基上，两个立柱111相对设置在底座5上，两个立柱111的顶端通过顶梁6连接，底座5、两个立柱111以及顶梁6构成立式框架床身主体。

结合图14，本发明实施例中，每个立柱111上均设置有安全通道7，而升级基座131上设置有可移动的操作平台8，安全通道7用于设备操作、维护及检修，操作人员可通过安全通道7到达操作平台8，在操作平台8上进行铺缠带安装、工作状态观察等工作。

图15为图14的侧视示意图，结合图14以及图15，本发明实施例所示的设备还包括液压平衡装置，该液压平衡装置包括油箱9、液压平衡油缸10、滑轮组、链条12以及蓄能器13，其中，油箱9设置在底座5的外侧，每个立柱111上均设置有一个液压平衡油缸10以及蓄能器13，液压平衡油缸10沿竖向伸缩，液压平衡油缸10的无杆腔以及有杆腔分别与油箱9以及同侧的蓄能器13连接，滑轮组包括第一滑轮11、第二滑轮14以及第三滑轮15，第一滑轮11设置在液压平衡油缸10的输出端上，第二滑轮14设置在立柱111上，而每个升降基座131的两端均设置有第三滑轮15，链条12的一端缠绕在第一滑轮11上，链条12的另一端绕过第二滑轮14上，且链条12的另一端缠绕在同侧的第三滑轮15上，以用于平衡升降基座131及其上面部件的整体质量，以提高其运动精度及动态性能。

以某大型异形工件的铺缠加工及其配套装备设计要求为例，预浸布带的宽度一般为75mm、150mm、300mm、600mm等规格，国内也有100mm、200mm等规格，厚度一般为0.1～0.25mm。优选地，可以采用40-60mm宽布带，设置55％铺放重叠量结合非重叠区等距细分进行往复循环铺缠成型提高铺放的轮廓度。

本发明实施例的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明实施例采用XYZ三个线性轴驱动铺放头的沿Z轴上下升降、沿Y轴伸缩、沿X轴移动，通过ABC三个回转轴驱动铺放头的俯仰A轴、滚转B轴、偏航C轴，通过旋转工作台驱动工件回转C1轴，实现铺缠头的空间运动控制和工件回转，结合数控单元进行轨迹控制实现八轴控制七轴联动铺放。由于能够直接控制铺缠头的空间运动轨迹，即使是异形曲面的工件也能够准确贴合其表面进行铺缠，从而减少甚至避免了固化成型后切除材料进行整形的操作，大大提高了材料利用率，且降低乃至避免因切除造成的纤维断裂，降低污染、节约成本、提高效率。

2、由于铺缠头具有三个平移自由度和三个旋转自由度，能如人手一般灵活运动，且铺缠头与旋转工作台能像人的双手一般默契配合，但相比于人工铺缠却又能够稳定收放和拉扯布带，获得的产品质量可靠性、稳定性和一致性显著提高。

3、本发明实施例的机械运动可通过数控单元设定轨迹，能够实现复循环铺放、平行重叠铺放、斜叠缠绕铺放、螺旋缠绕铺放等不同比例重叠量往复循环铺放成型，实现各种空间异形曲面类复杂蒙皮结构件的铺放成型，具有极高的通用性。

4、由于面向大型工件的铺缠加工，加工行程范围可能有数米，本发明实施例各运动部件的总尺寸及总重量也会较大，采用双立柱式升降结构，通过两个第一滚珠丝杠同时控制升降运动，可以提升运动稳定性。采用重力平衡单元吊起升降基座，进而对升降基座及其上所有零部件的总重量进行平衡，使得第一滚珠丝杠进行升降控制时几乎不受负载影响，大大提升了升降运动的响应速度，降低了第一滚珠丝杠及升降电机的强度要求。

5、重力平衡单元的液压缸活塞杆通过导向板导向，可以避免因负载过重导致的活塞杆偏移、晃动，提高重力平衡过程的稳定性。

6、通过气缸运动改变主辊、副辊的位置，可以改变布带的铺缠角度，进一步提高复杂型面的适应性，从而提高铺缠质量及稳定性。

7、转台通过双电机、双齿轮对称驱动，在面向大型工件的驱动时，控制更加稳定和精确。

综上所述，本发明实施例所提供的联动数控铺缠一体化成型装备，能够作为自动丝束铺放技术的研究基础，为该领域的系统化深入研究提供了满足工程应用的研究平台。

以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所述技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (10)

1.一种联动数控铺缠一体化成型装备，其特征在于，所述成型设备包括装备主机(1)、铺缠手腕(2)、铺缠头(3)以及旋转工作台(4)，其中：

所述装备主机(1)上设置有三个平移单元，分别为沿竖向升降的Z轴移动单元(11)、沿水平横向移动的X轴移动单元(13)和沿水平纵向移动的Y轴移动单元(14)，所述X轴移动单元(13)设置在所述Z轴移动单元(11)的输出端上，所述Y轴移动单元(14)设置在所述X轴移动单元(13)的输出端上；

所述铺缠手腕(2)包括滚转单元(21)、俯仰单元(22)和偏航单元(23)，所述滚转单元(21)固定设置在所述Y轴移动单元(14)的输出端上，所述滚转单元(21)的输出端可绕所述水平纵向转动，所述俯仰单元(22)固定设置在所述滚转单元(21)的输出端上，所述俯仰单元(22)的输出端可做俯仰动作，所述偏航单元(23)固定设置在所述俯仰单元(22)的输出端上，所述偏航单元(23)的输出端可绕竖向转动，所述铺缠头(3)设置在所述偏航单元(23)的输出端上，所述铺缠头(3)上设置有送带单元，以用于输送铺缠工件所需料带卷(31)；

所述旋转工作台(44)设置在所述装备主机(1)的水平横向一侧，所述旋转工作台(44)用于安放待铺缠的工件，并带动该工件绕竖直方向旋转。

2.根据权利要求1所述的联动数控铺缠一体化成型装备，其特征在于，所述装备主机(1)包括两个相对设置的立柱(111)；

所述Z轴移动单元(11)包括升降电机(116)、第一滚珠丝杠(113)、第一滑块(117)以及升降基座(131)，其中：

每个所述立柱(111)上均设置有一个所述升降电机(116)，两个所述升降电机的输出端均对应和第一滚珠丝杠(113)的一端连接，所述第一滚珠丝杠(113)的另一端通过第一支座(114)安装在对应的立柱(111)上，所述第一滚珠丝杠(113)的中心轴沿竖向设置，每个第一滚珠丝杠(113)上均对应滑动设置有第一滑块(117)，所述升降基座(131)和两个所述第一滑块(117)固定连接，所述升降基座(131)可在两个相对设置的所述立柱(111)上滑动，所述升降基座(131)为所述Z轴移动单元(11)的输出端；

每个所述立柱(111)上均还对应设置有一个第一导轨(112)，所述第一导轨(112)、所述第一滚珠丝杠(113)以及所述第一滑块(117)平行设置，所述第一导轨(112)和对应的所述第一滚珠丝杠(113)平行设置，所述第一滑块(117)滑动设置在对应的所述第一导轨(112)上。

3.根据权利要求2所述的联动数控铺缠一体化成型装备，其特征在于，所述立柱(111)上还沿竖向相对设置有上挡块(118)和下挡块(119)，所述上挡块(118)和所述下挡块(119)分别位于所述升降基座(131)的行程两侧。

4.根据权利要求2所述的联动数控铺缠一体化成型装备，其特征在于，所述装备主机还包括两个重力平衡单元(12)，每个所述立柱(111)上均对应设置有一个所述重力平衡单元(12)，每个所述重力平衡单元(12)均包括：

直线滑轨(121)，所述直线滑轨(121)沿竖向固定设置在对应的立柱(111)上；

动滑轮安装板(122)，所述动滑轮安装板(122)固定于所述直线滑轨121的滑块上；

液压缸(124)，所述液压缸(124)通过液压缸安装座(123)固定于所述直线滑轨(121)下方，所述液压缸(124)的活塞杆端部与所述动滑轮安装板(122)固定连接；

动滑轮(126A)、第一定滑轮(126B)以及第二定滑轮126C，所述动滑轮(126A)可转动地设于所述动滑轮安装板(122)上，所述第一定滑轮(126B)以及所述第二定滑轮(126C)均可转动地设于所述立柱(111)上，且位于所述直线滑轨(121)一侧，所述第一定滑轮(126B)的位置高于所述动滑轮(126A)的最低点，所述第二定滑轮(126C)的位置低于所述动滑轮(126A)的最低点；

链条(125)，所述链条(125)一端固定于所述液压缸安装座(123)上，所述链条(125)的另一端依次绕过所述动滑轮(126A)、所述第一定滑轮(126B)以及所述第二定滑轮(126C)后，固定在所述升降基座(131)上。

5.根据权利要求1所述的联动数控铺缠一体化成型装备，其特征在于，所述X轴移动单元(13)包括第一滑轨(132)、第一齿条(133)、第二滑块(134)、第一平移基座(135)、第一电机(136)以及第一齿轮(137)，其中：

所述第一滑轨(132)至少设置有两个，至少两个所述第一滑轨(132)沿水平横向依次间隔设置在所述第一移动单元(11)的输出端上，每个所述第一滑轨(132)上均滑动设置有两个所述第二滑块(134)，所述第一平移基座(135)固定设置在至少两个所述第一滑轨(132)上的所述第二滑块(134)上，所述第一电机(136)固定设置在所述第一平移基座(135)上，所述第一电机(136)的输出端设有第一齿轮(137)，所述第一齿条(133)和所述第一齿轮(137)相啮合，所述第一齿条(133)沿水平横向固定设置在所述第一移动单元(11)的输出端上，所述第一平移基座(135)为所述X轴移动单元(13)的输出端；

所述第一平移基座(135)的水平横向的两端均设置有限位挡块(138)；所述第一移动单元(11)的输出端上设置有分别所述限位挡块(138)相配合的定位挡块。

6.根据权利要求5所述的联动数控铺缠一体化成型装备，其特征在于，所述Y轴移动单元(14)包括第二滑轨(141)、第三滑块(141A)、第二平移基座(142)、第二齿条(143)、第二电机(144)以及第二齿轮(146)，其中：

所述第二平移基座(142)为所述Y轴移动单元(14)的输出端，所述第二滑轨(141)沿水平纵向相对设置在所述第二平移基座(142)的底部，每个所述第二滑轨(141)上均滑动设置有所述第三滑块(141A)，所述第三滑块(141A)固定设置在所述第一平移基座(135)上；

所述第二齿条(141)沿水平纵向设置在所述第二平移基座(142)上，所述第二电机(144)固定设置在所述第一平移基座(135)上，所述第二电机(144)的输出端设置有第二齿轮(146)，所述第二齿轮(146)与所述第二齿条(143)啮合。

7.根据权利要求1所述的联动数控铺缠一体化成型装备，其特征在于，所述滚转单元(21)包括滚转电机(211)、滚转基座(213)和俯仰基体(24)，其中：

所述滚转电机(211)固定设置在所述Y轴移动单元(14)的输出端上，所述滚转基座(213)固定于所述滚转电机(211)的输出端，所述滚转基座(213)沿Y轴方向延伸形成两侧臂，所述俯仰基体(24)枢接于两侧臂之间，所述俯仰基体(24)与两侧臂其中一个侧壁的枢接轴上设有从动齿轮(224)；

所述俯仰单元(22)包括俯仰电机(221)、行星减速器(222)和主动齿轮(223)，所述俯仰电机(221)固定于安装所述从动齿轮(224)的侧臂上，所述俯仰电机(221)的输出端通过所述行星减速器(222)连接有主动齿轮(223)，所述主动齿轮(223)与所述从动齿轮(224)啮合；

所述偏航单元(23)包括偏航电机(231)和铺缠头安装座(232)，所述偏航电机(231)固定于所述俯仰基体(24)上端，所述偏航电机(231)的输出端沿C轴方向穿过所述俯仰基体(24)，所述偏航电机(231)的输出端在所述俯仰基体(24)下方与所述铺缠头安装座(232)连接，所述铺缠头安装座(232)上安装有铺缠头(3)。

8.根据权利要求1-7任一项所述的联动数控铺缠一体化成型装备，其特征在于，所述送带单元包括送带轴和驱动电机，所述送带轴上安装有铺缠工件所需的料带卷(31)，所述驱动电机的输出端与所述送带轴连接；

所述铺缠头(3)包括第一底座、主辊(32)、副辊(33)、主辊气缸(34)、副辊气缸(35)和三角连接板(36)，所述送带轴、主辊(32)、副辊(33)平行设置于所述第一底座上，所述主辊(32)、所述副辊(33)设于所述三角连接板(36)的两个角上，所述副辊气缸(34)的活塞头枢接于所述三角连接板(36)的第三个角上，所述副辊气缸(35)可绕一平行于送带轴的转轴转动，所述主辊气缸(34)的活塞头枢接于所述主辊(32)所在的角上。

9.根据权利要求8所述的联动数控铺缠一体化成型装备，其特征在于，所述副辊气缸(35)枢接在所述第一底座上或所述铺缠头安装座(232)上，所述主辊气缸(34)固定在所述第一底座上或所述铺缠头安装座(232)上，所述第一底座上设有直线滑轨(37)，所述直线滑轨(37)与所述主辊气缸(34)的活塞杆配合。

10.根据权利要求1所述的联动数控铺缠一体化成型装备，其特征在于，所述旋转工作台(4)包括第二底座(41)、转台(42)、齿圈(43)、两个旋转电机(44)以及两个旋转齿轮，其中：

所述第二底座(41)设置在这所述装备主机(1)的水平横向一侧，所述转台(42)可旋转地设于所述第二底座(41)上端，所述转台的旋转轴线为竖直方向，所述转台(42)下部设有所述齿圈(43)，所述齿圈的轴线为竖直方向，两个所述旋转电机(44)分别设于所述第二底座(41)侧壁上，每个所述旋转电机(44)的输出端均设有旋转齿轮，两个所述旋转齿轮均与所述齿圈(43)啮合。

Images