CN112026200A - 一种基于机器人的复合材料纤维缠绕成型装置 - Google Patents

一种基于机器人的复合材料纤维缠绕成型装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于机器人的复合材料纤维缠绕成型装置，其特征在于：包括多自由度工业机器人本体、纤维缠绕头装置和芯模旋转装置；所述芯模旋转装置包括旋转的缠绕芯模和用于支撑缠绕芯模的支座；所述纤维缠绕头装置包括用于释放纤维材料的放丝装置、用于对纤维材料释放路径进行调整的纤维轮系调整模块、对纤维材料张力进行检测并反馈至放丝装置的纤维张力检测装置，所述放丝装置通过纤维轮系调整模块将纤维材料释放至缠绕芯模上进行缠绕。本发明实现了纤维材料在缠绕芯模上沿着设计的路径进行恒张力缠绕，提高了缠绕装置对产品结构的适应性，减少了纤维线型设计约束，提升了纤维缠绕成型产品结构性能。

Description

一种基于机器人的复合材料纤维缠绕成型装置
技术领域
本发明涉及一种基于机器人的复合材料纤维缠绕成型装置,具体涉及一种基于机器人的回转类壳体复合材料零件纤维缠绕成型装置，属于纤维缠绕复合材料加工领域。
背景技术
纤维缠绕成型工艺能够结合零件的结构特征与受力情况进行缠绕线型设计，充分发挥纤维的强度。纤维缠绕成型复合材料零件的纤维排布整齐、致密度高，结构强度高，一致性好，已广泛应用于航空航天、能源等领域，如火箭发动机壳体、天然气压力容器、油气管道等。
现有的数控纤维缠绕机，能够高效率的实现回转类结构复合材料纤维缠绕成型。但现有数控纤维缠绕机设备结构复杂，自由度低，绕丝嘴位置姿态可调节范围有限，制约纤维缠绕线型的设计优化，导致缠绕机适用的产品结构形状单一，降低纤维力学性能利用率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有纤维缠绕机结构复杂、自由度低、适用产品结构单一的缺陷。
为了解决上述问题，本发明的技术方案是提供了一种基于机器人的复合材料纤维缠绕成型装置，其特征在于：包括多自由度工业机器人本体、纤维缠绕头装置和芯模旋转装置；
所述芯模旋转装置包括旋转的缠绕芯模和用于支撑缠绕芯模的支座；
所述纤维缠绕头装置包括用于释放纤维材料的放丝装置、用于对纤维材料释放路径进行调整的纤维轮系调整模块、对纤维材料张力进行检测并反馈至放丝装置的纤维张力检测装置，所述放丝装置通过纤维轮系调整模块将纤维材料释放至缠绕芯模上进行缠绕；
所述多自由度工业机器人本体的末端与纤维缠绕头装置连接用于控制纤维材料在缠绕芯模缠绕的位置和角度，所述放丝装置接收纤维张力检测装置检测的信号用于控制放丝的速度，通过纤维材料缠绕位置、角度和速度的控制实现纤维材料在缠绕芯模上沿着设计的路径进行恒张力缠绕。
优选地，所述支座包括主动端支座和从动端支座，所述缠绕芯模的两端分别设在主动端支座和从动端支座上，所述主动端支座上设有用于驱动缠绕芯模旋转的伺服电机，所述从动端支座设在滑动装置上，用于调整主动端支座和从动端支座之间的距离便于缠绕芯模的拆装和适应不同长度缠绕芯模的装夹。
优选地，所述主动端支座包括底座一和设在底座一上的夹持装置一，所述从动端支座包括底座二和设在底座二上的夹持装置二，所述缠绕芯模的两端分别通过夹持装置一和夹持装置二夹持。
优选地，所述滑动装置包括直线导轨和导轨滑块，所述导轨滑块设在直线导轨上沿着直线导轨来回滑动，所述从动端支座设在导轨滑块上。
优选地，所述放丝装置包括纤维材料盘、材料盘固定轴、放丝电机和传动装置，所述放丝电机通过传动装置连接材料盘固定轴的一端，所述材料盘固定轴的另一端穿过纤维材料盘，放丝电机通过传动装置带动材料盘固定轴转动进而带动纤维材料盘转动放丝。
优选地，所述传动装置包括主动端同步带轮、从动端同步带轮和同步带，所述放丝电机连接主动端同步带轮，材料盘固定轴连接从动端同步带轮，所述放丝电机带动主动端同步带轮转动，主动端同步带轮通过同步带带动从动端同步带轮转动进而带动材料盘固定轴转动。
优选地，所述纤维轮系调整模块包括多级调整轮、导向杆以及设在导向杆上的纤维导向轮，所述纤维材料盘释放的纤维材料通过多级调整轮和多个纤维导向轮送至缠绕芯模上进行缠绕。
优选地，所述纤维张力检测装置包括力传感器，所述力传感器设在导向杆上，测量通过纤维导向轮上的纤维材料的张力并反馈至放丝电机。
优选地，所述纤维材料盘和多级调整轮设在纤维缠绕模块基板上，多级调整轮设在纤维材料的释放方向上，所述导向杆的一端与纤维缠绕模块基板连接，另一端为自由端。
优选地，所述导向杆的垂直于缠绕芯模的轴向设置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明纤维缠绕头装置与多自由度工业机器人本体末端连接，通过机器人与芯模旋转装置联动控制，以及力传感器的反馈与放丝电机的控制对纤维纤维材料的恒张力约束，实现纤维材料在缠绕芯模上沿着设计的路径进行恒张力缠绕，提高了缠绕装置对产品结构的适应性，减少了纤维线型设计约束，提升了纤维缠绕成型产品结构性能。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为芯模旋转装置结构示意图；
图3为纤维缠绕头装置结构示意图；
附图标记说明：1-芯模旋转装置；2-纤维缠绕头装置；3-六自由度工业机器人本体；4-底板；1-1主动端底板；1-2主动端加强板；1-3主动端立柱；1-4伺服电机；1-5减速机；1-6主动端法兰连接件；1-7主动端四爪卡盘；1-8缠绕芯模；1-9从动端四爪卡盘；1-10从动端法兰连接件；1-11从动端轴套；1-12从动端轴向定位环；1-13从动端立柱；1-14从动端加强板；1-15从动端滑块连接板；1-16直线导轨；1-17导轨滑块；2-1纤维导向轮；2-2导向杆；2-3导向杆基板；2-4力传感器安装座；2-5导向轮安装座；2-6力传感器；2-7三级调整轮；2-8纤维缠绕模块基板；2-9调整轮固定座；2-10二级调整轮；2-11一级调整轮；2-12材料盘定位环；2-13材料盘固定轴；2-14材料盘底部连接板；2-15纤维材料；2-16纤维材料盘；2-17材料盘垂直基板；2-18放丝电机；2-19电机固定板；2-20主动端同步带轮；2-21同步带；2-22从动端同步带轮；2-23材料盘轴套。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
如图1至图3所示，本发明一种基于机器人的复合材料纤维缠绕成型装置，包括多自由度工业机器人本体3、纤维缠绕头装置2和芯模旋转装置1，多自由度工业机器人本体3和芯模旋转装置1安装在底板4上。芯模旋转装置1包括旋转的缠绕芯模1-8和用于支撑缠绕芯模1-8的支座；纤维缠绕头装置2包括用于释放纤维材料2-15的放丝装置、用于对纤维材料2-15释放路径进行调整的纤维轮系调整模块、对纤维材料2-15张力进行检测并反馈至放丝装置的纤维张力检测装置，放丝装置通过纤维轮系调整模块将纤维材料2-15释放至缠绕芯模1-8上进行缠绕；多自由度工业机器人本体3的末端与纤维缠绕头装置2连接用于控制纤维材料2-15在缠绕芯模1-8缠绕的位置和角度，放丝装置接收纤维张力检测装置检测的信号用于控制放丝的速度，通过纤维材料2-15缠绕位置、角度和速度的控制实现纤维材料2-15在缠绕芯模1-8上沿着设计的路径进行恒张力缠绕。
芯模旋转装置1的支座包括主动端支座和从动端支座，主动端支座包括底座一和设在底座一上的夹持装置一，从动端支座包括底座二和设在底座二上的夹持装置二。底座一包括主动端底板1-1、主动端加强板1-2和主动端立柱1-3，主动端立柱1-3通过主动端底板1-1安装在底座4上，主动端加强板1-2安装在底座4和主动端立柱1-3之间用于加强支撑。夹持装置一包括主动端法兰连接件1-6和主动端四爪卡盘1-7。底座二包括从动端立柱1-13、从动端加强板1-14和从动端滑块连接板1-15，从动端立柱1-13通过从动端滑块连接板1-15与导轨滑块1-17的顶部连接，导轨滑块1-17安装在直线导轨1-16上沿着直线导轨1-16来回滑动，直线导轨1-16安装在底座4上。从动端加强板1-14安装在从动端滑块连接板1-15和从动端立柱1-13之间用于加强支撑。夹持装置二包括从动端四爪卡盘1-9、从动端法兰连接轴1-10、从动端轴套1-11和从动端轴向定位环1-12。
伺服电机1-4通过减速机1-5与主动端立柱1-3连接，伺服电机1-4输出轴穿过主动端立柱1-3的的顶部通过主动端法兰连接件1-6与主动端四爪卡盘1-7连接。从动端四爪卡盘1-9通过从动端法兰连接件1-10、从动端轴套1-11与从动端立柱1-13连接，并通过从动端轴向定位环1-12进行定位。缠绕芯模1-8两端分别通过主动端四爪卡盘1-7与从动端四爪卡盘1-9装夹固定，伺服电机1-4驱动主动端四爪卡盘1-7旋转，实现缠绕芯模1-8旋转驱动。
直线导轨1-16的方向沿着主动端支座和从动端支座连线的方向，导轨滑块1-17通过从动端滑块连接板1-15带动从动端支座在直线导轨1-16上来回滑动，用于调整主动端支座和从动端支座之间的距离，便于缠绕芯模1-8的拆装和适应不同长度缠绕芯模1-8的装夹。
放丝装置包括材料盘轴套2-23、材料盘定位环2-12、材料盘固定轴2-13、材料盘底部连接板2-14、纤维材料盘2-16、材料盘垂直基板2-17、放丝电机2-18、电机固定板2-19、主动端同步带轮2-20、同步带2-21和从动端同步带轮2-22。
材料盘固定轴2-13一端穿过纤维材料盘2-16并通过材料盘定位环2-12在端部进行定位，另一端穿过纤维材料盘垂直基板2-17并通过材料盘轴套2-23与纤维材料盘垂直基板2-17连接固定，纤维材料盘垂直基板2-17通过材料盘底部连接板2-14安装在纤维缠绕模块基板2-8上，纤维缠绕模块基板2-8与多自由度工业机器人本体3的末端连接。
放丝电机2-18通过电机固定板2-19与纤维材料盘垂直基板2-17连接固定。放丝电机2-18的电机轴与主动端同步带轮2-20连接，材料盘固定轴2-13与从动端同步带轮2-22连接，主动端同步带轮2-20、同步带2-21和从动端同步带轮2-22组成传动装置，放丝电机2-18带动主动端同步带轮2-20转动，主动端同步带轮2-20通过同步带2-21带动从动端同步带轮2-22转动进而带动材料盘固定轴2-13转动，纤维材料盘2-16进行放丝。
纤维轮系调整模块包括一级调整轮2-11、二级调整轮2-10、三级调整轮2-7、和调整轮固定座2-9、纤维导向轮2-1、导向杆2-2、导向杆基板2-3和导向轮安装座2-5。纤维缠绕模块基板2-8上沿纤维材料2-15的释放方向依次通过调整轮固定座2-9固定一级调整轮2-11、二级调整轮2-10和三级调整轮2-7。
导向杆2-2通过导向杆基板2-3安装在纤维缠绕模块基板2-8上，与纤维缠绕模块基板2-8垂直，纤维导向轮2-1通过导向轮安装座2-5安装在导向杆2-2上，纤维导向轮2-1有五个，分别安装在导向杆2-2和纤维缠绕模块基板2-8连接的转弯处、导向杆2-2的最前端和导向杆2-2的其他位置，在导向杆2-2上一字排列。导向杆2-2的方向与缠绕芯模1-8的轴向垂直，纤维材料盘2-16释放的纤维材料2-15通过三级调整轮和五个纤维导向轮2-1送至缠绕芯模1-8上进行缠绕。
纤维张力检测装置包括力传感器2-6和力传感器安装座2-4，力传感器2-6通过力传感器安装座2-4安装在导向杆2-2上，测量通过纤维导向轮2-1上的纤维材料2-15的张力并反馈至放丝电机2-18。
加工前，纤维缠绕头装置2上的纤维材料2-15经导向杆2-2最前端的纤维导向轮2-1导向与缠绕芯模1-8的端部轴固定连接。纤维材料2-15从放丝装置的纤维材料盘2-16出发，分别穿过一级调整轮2-11、三级调整轮2-7、三级调整轮2-7，通过三个纤维导向轮2-1与力传感器2-6连接，最后通过导向杆2-2最前端的纤维导向轮2-1与缠绕芯模1-8连接，伺服电机1-4驱动缠绕芯模1-8向纤维材料2-15与缠绕芯模1-8接触切点远离多自由度工业机器人本体3的方向转动，实现纤维材料2-15在缠绕芯模1-8表面的缠绕铺放。
本实施例采用六自由度工业机器人，通过控制多自由度工业机器人本体3末端执行器沿缠绕芯模1-8轴向左右移动，实现纤维材料2-15在缠绕芯模1-8上按照预定设计的路径方向延申缠绕；通过控制多自由度工业机器人本体3末端垂直与缠绕芯模1-8轴向的前后移动，保证纤维缠绕头装置2与缠绕芯模1-8表面距离一致；通过控制多自由度工业机器人本体3末端垂直于缠绕芯模1-8轴向的上下移动，使得纤维缠绕头装置2适应缠绕芯模1-8厚度的变化，纤维材料2-15与缠绕芯模1-8新表面的切点约束在过缠绕芯模1-8轴线的竖直平面内；通过控制多自由度工业机器人本体3末端垂直与缠绕芯模1-8轴向的转动，实现纤维材料2-15宽度方向始终与纤维材料2-15轨迹切线方向垂直，保证纤维材料2-15在缠绕过程中，不会发生扭缠现象，提高纤维材料2-15与缠绕芯模1-8表面的接触均匀性。
同时放丝电机2-18根据力传感器2-6的信号反馈，控制放丝电机2-18转动，调整纤维材料2-15的张力大小，实现纤维材料2-15在缠绕芯模1-8上沿着设计的路径进行恒张力缠绕，保证了纤维材料2-15缠绕的致密度，提升了纤维缠绕复合材料结构质量的稳定性。

Claims (10)

1.一种基于机器人的复合材料纤维缠绕成型装置，其特征在于：包括多自由度工业机器人本体(3)、纤维缠绕头装置(2)和芯模旋转装置(1)；
所述芯模旋转装置(1)包括旋转的缠绕芯模(1-8)和用于支撑缠绕芯模(1-8)的支座；
所述纤维缠绕头装置(2)包括用于释放纤维材料(2-15)的放丝装置、用于对纤维材料(2-15)释放路径进行调整的纤维轮系调整模块、对纤维材料(2-15)张力进行检测并反馈至放丝装置的纤维张力检测装置，所述放丝装置通过纤维轮系调整模块将纤维材料(2-15)释放至缠绕芯模(1-8)上进行缠绕；
所述多自由度工业机器人本体(3)的末端与纤维缠绕头装置(2)连接用于控制纤维材料(2-15)在缠绕芯模(1-8)缠绕的位置和角度，所述放丝装置接收纤维张力检测装置检测的信号用于控制放丝的速度，通过纤维材料(2-15)缠绕位置、角度和速度的控制实现纤维材料(2-15)在缠绕芯模(1-8)上沿着设计的路径进行恒张力缠绕。
2.如权利要求1所述的一种基于机器人的复合材料纤维缠绕成型装置，其特征在于：所述支座包括主动端支座和从动端支座，所述缠绕芯模(1-8)的两端分别设在主动端支座和从动端支座上，所述主动端支座上设有用于驱动缠绕芯模(1-8)旋转的伺服电机(1-4)，所述从动端支座设在滑动装置上，用于调整主动端支座和从动端支座之间的距离便于缠绕芯模(1-8)的拆装和适应不同长度缠绕芯模(1-8)的装夹。
3.如权利要求2所述的一种基于机器人的复合材料纤维缠绕成型装置，其特征在于：所述主动端支座包括底座一和设在底座一上的夹持装置一，所述从动端支座包括底座二和设在底座二上的夹持装置二，所述缠绕芯模(1-8)的两端分别通过夹持装置一和夹持装置二夹持。
4.如权利要求2所述的一种基于机器人的复合材料纤维缠绕成型装置，其特征在于：所述滑动装置包括直线导轨(1-16)和导轨滑块(1-17)，所述导轨滑块(1-17)设在直线导轨(1-16)上沿着直线导轨(1-16)来回滑动，所述从动端支座设在导轨滑块(1-17)上。
5.如权利要求1所述的一种基于机器人的复合材料纤维缠绕成型装置，其特征在于：所述放丝装置包括纤维材料盘(2-16)、材料盘固定轴(2-13)、放丝电机(2-18)和传动装置，所述放丝电机(2-18)通过传动装置连接材料盘固定轴(2-13)的一端，所述材料盘固定轴(2-13)的另一端穿过纤维材料盘(2-16)，放丝电机(2-18)通过传动装置带动材料盘固定轴(2-13)转动进而带动纤维材料盘(2-16)转动放丝。
6.如权利要求5所述的一种基于机器人的复合材料纤维缠绕成型装置，其特征在于：所述传动装置包括主动端同步带轮(2-20)、从动端同步带轮(2-22)和同步带(2-21)，所述放丝电机(2-18)连接主动端同步带轮(2-20)，材料盘固定轴(2-13)连接从动端同步带轮(2-22)，所述放丝电机(2-18)带动主动端同步带轮(2-20)转动，主动端同步带轮(2-20)通过同步带(2-21)带动从动端同步带轮(2-22)转动进而带动材料盘固定轴(2-13)转动。
7.如权利要求1所述的一种基于机器人的复合材料纤维缠绕成型装置，其特征在于：所述纤维轮系调整模块包括多级调整轮、导向杆(2-2)以及设在导向杆(2-2)上的纤维导向轮(2-1)，所述纤维材料盘(2-16)释放的纤维材料(2-15)通过多级调整轮和多个纤维导向轮(2-1)送至缠绕芯模(1-8)上进行缠绕。
8.如权利要求7所述的一种基于机器人的复合材料纤维缠绕成型装置，其特征在于：所述纤维张力检测装置包括力传感器(2-6)，所述力传感器(2-6)设在导向杆(2-2)上，测量通过纤维导向轮(2-1)上的纤维材料(2-15)的张力并反馈至放丝电机(2-18)。
9.如权利要求8所述的一种基于机器人的复合材料纤维缠绕成型装置，其特征在于：所述纤维材料盘(2-16)和多级调整轮设在纤维缠绕模块基板(2-8)上，多级调整轮设在纤维材料(2-15)的释放方向上，所述导向杆(2-2)的一端与纤维缠绕模块基板(2-8)连接，另一端为自由端。
10.如权利要求9所述的一种基于机器人的复合材料纤维缠绕成型装置，其特征在于：所述导向杆(2-2)的垂直于缠绕芯模(1-8)的轴向设置。
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