CN113371528B - 一种多束纤维环向缠绕装置及其控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于纤维缠绕装置技术领域，具体涉及一种多束纤维环向缠绕装置及其控制系统，包括机架、固定板、纤维束筒、集束装置和导丝头，所述固定板与机架转动连接，固定板连接有驱动元件，通过驱动元件驱动固定板转动；所述纤维束筒设有若干个，每个纤维束筒对应有一个张力控制器；所述固定板中部设有通孔，各纤维束筒沿通孔中心圆周分布并均与固定板转动连接；所述固定板上设有若干个绕线辊，各绕线辊沿通孔中心圆周分布并均与固定板转动连接；所述集束装置和导丝头固定在固定板上。本发明实现了多束纤维同步缠绕工艺，该工艺缠绕效率高，纤维束间缝隙小，适用于各种回转体的缠绕加工，可以广泛地推广到汽车工业、建筑行业、航空航天领域。

Description

一种多束纤维环向缠绕装置及其控制系统
技术领域
本发明属于纤维缠绕装置技术领域，具体涉及一种多束纤维环向缠绕装置及其控制系统。
背景技术
复合材料凭借优异的材料性能、质量轻等优点，可以作为金属材料良好的替代品，广泛地应用于压力容器、输送管道、汽车轻量化与航空航天等领域，为了提高零部件的工作强度，会在表面缠绕纤维，以提高该零部件的安全工作性能。
纤维缠绕是压力容器及相似类型零部件加工过程中重要环节之一。缠绕效率与质量直接决定了压力容器等零部件的生产效率、性能与寿命。目前，随着新型材料的发展，赋予了纤维缠绕工艺广阔的发展前景，纤维缠绕工艺主要分为螺旋缠绕工艺与环向缠绕工艺，螺旋缠绕工艺主要提高了压力容器等零部件轴向强度，环向缠绕工艺可以提高零件的周向强度，
目前在环向缠绕工艺方面，主要采用单束纤维环向缠绕，该工艺缠绕效率低，而且目前的工艺无法实现连续性生产，整个缠绕过程中有人工干预的环节。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种多束纤维环向缠绕装置及其控制系统，可以实现多线束的环向缠绕，可以提高生产效率。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种多束纤维环向缠绕装置，包括机架、固定板、纤维束筒、集束装置和导丝头，所述固定板与机架转动连接，固定板连接有驱动元件，通过驱动元件驱动固定板转动；
所述纤维束筒设有若干个，每个纤维束筒对应有一个张力控制器；所述固定板中部设有通孔，各纤维束筒沿通孔中心圆周分布并均与固定板转动连接，各张力控制器均与固定板固定连接；
所述固定板上设有若干个绕线辊，各绕线辊均位于每个纤维束筒的外侧，各绕线辊沿通孔中心圆周分布并均与固定板转动连接；
所述集束装置和导丝头固定在固定板上，每个纤维束筒上缠绕的纤维束依次经过对应的张力控制器和绕线辊并通过集束装置汇聚后，从导丝头伸出。
所述集束装置包括支架和导向板，所述支架的一端与固定板固定连接，另一端与导向板固定连接，所述导向板的两端分别设有导向齿；所述导向板的上端固定有过渡板，所述过渡板上设有过渡齿；纤维依次经过过渡齿和导向齿从导丝头伸出。
所述导丝头包括导丝架和压头，所述导丝架与固定板固定连接，所述压头与导丝架固定连接，压头与导丝架之间存在间隔，纤维束从该间隔内伸出。
还包括导线辊和浸胶盒，浸胶盒与导丝架固定连接，导线辊与导丝架转动连接，通过集束装置汇聚后的纤维束经过导线辊和浸胶盒从间隔内伸出。
所述张力控制器包括张力架、张力轮和摆轮，所述张力轮设有两个并均与张力架转动连接，所述摆轮通过摆臂与张力架连接，摆轮与摆臂转动连接，摆臂的一端与张力架转动连接，摆臂的另一端设有导向销，张力架上设有与导向销连接的滑槽，导向销可以沿滑槽移动，摆臂与张力架之间设有弹簧，摆臂转动时可使弹簧产生弹性势能；两个张力轮与摆轮之间呈三角形分布。
所述固定板通过回转支承与机架转动连接，驱动元件通过齿轮与回转支承的齿圈啮合驱动固定板转动；
所述固定板上固定有用于与纤维束筒转动连接的支撑轴，支撑轴的端部可拆卸连接有挡板；
所述机架底部设有平移机构，通过平移机构驱动机架平移。
还包括夹持机构，夹持机构设置在机架上，通过夹持机构可以对从导丝头伸出纤维束进行夹持。
各纤维束筒分别连接有纤维束筒伺服电机，通过纤维束筒伺服电机驱动纤维束筒旋转。
包括工控机和控制器，驱动元件、张力控制器和平移机构处分别设有相应的传感器，控制器与工控机连接，各传感器与控制器连接。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
设置有多个纤维束筒、张力控制器以及绕线辊；每个纤维束筒上缠绕的纤维束依次经过对应的张力控制器和绕线辊并通过集束装置汇聚后，多束纤维束从导丝头伸出；通过驱动装置驱动固定板转动，即可实现对压力容器的环向缠绕。由于，在缠绕过程中是多束纤维同时进行缠绕，因此有效提高了生产效率。
由于纤维束筒设有多个且分布位置不同，为满足多束纤维缠绕的同步性，保证纤维的初始张力，故设置了绕线辊，从而保证初始张力。
通过上述结构设置可以保证纤维束间缝隙小，适用于各种回转体的缠绕加工，可以广泛地推广到汽车工业、建筑行业、航空航天领域。
集束装置的导向板两端分别设有导向齿，过渡板上设有过渡齿；各纤维束经过过渡齿后，最后从导向齿的间隙汇总依次穿过，从而保证了各纤维束的同步性。由于过渡齿和导向齿较细，所以各纤维束间的间距可以忽略。
设置有导线辊和浸胶盒，通过导线辊可以提高多束缠绕时的平顺性，各纤维束通过浸胶盒后，其表面会附着有相应的胶水，从而可以实现湿缠的缠绕方式。
两个张力轮与摆轮之间呈三角形分布，纤维束依次穿过，可以对纤维束进行张力控制，保证缠绕效果。
机架底部设有平移机构，通过平移机构驱动机架平移；采用此种结构设置，在进行多线束环向缠绕时可保证待缠绕压力容器处于静止装置，通过机架的移动以及固定板的旋转就可以实现多线束的环向缠绕作业。由于压力容器处于静止状态，因此可以有效提高缠绕时的平稳性，进一步提高缠绕效果。
本发明的多束纤维同步环向缠绕，增加了纤维束的数量，通过对多纤维束张力自动(耦合)控制系统进行设计，提高了回转零部件的缠绕效率。
通过控制系统可以实现环向缠绕装置的自动化运行，以及相关工艺的自动化实现，从而提高了复合材料纤维缠绕层的生产效率，推动了复合材料的多领域的普及，具有广阔的市场推广前景。
附图说明
图1是本发明一个方向的轴测图；
图2是本发明另一个方向的轴测图；
图3是本发明的后视图；
图4是本发明的侧视图；
图5是本发明的半剖结构示意图；
图6是图5中A处的局部放大图；
图7是本发明集束装置的结构示意图；
图8是本发明导丝头的结构示意图；
图9是本发明张力控制器一个方向的结构示意图；
图10是本发明张力控制器另一个方向的结构示意图；
图11是本发明平移机构的结构示意图；
图12是本发明支撑轴的结构示意图；
图13是本发明的缠绕过程示意图；
图14是本发明的控制原理图；
其中：1为机架，2为固定板，200为通孔，3为纤维束筒，300为纤束筒伺服电机，4为集束装置，400为支架，401为导向板，402为导向齿，403为过渡板，404为过渡齿，5为导丝头，500为导丝架，501为压头，502为导线辊，503为浸胶盒，6为驱动元件，7为张力控制器，700为张力架，701为张力轮，702为摆轮，703为摆臂，704为导向销，705为滑槽，706为弹簧，8为绕线辊，9为支撑轴，10为挡板，11为平移机构，1100驱动齿轮，1101驱动电机，1102为齿条，1103为滑轨，12为回转支承，13为齿圈，14为齿轮，15为夹持机构。
具体实施方式
下面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。
如图1至14所示，一种多束纤维环向缠绕装置，包括机架1、固定板2、纤维束筒3、集束装置4和导丝头5，固定板2与机架1转动连接。
纤维束筒3设有若干个，每个纤维束筒3对应有一个张力控制器7；固定板2中部设有通孔200，工件可以穿过通孔200，通孔200的内径根据实际情况设置，保证与工件之间留有较为充足的间距即可。
各纤维束筒3沿通孔200中心圆周分布并均与固定板2转动连接，各张力控制器7均与固定板2固定连接；
固定板2上设有若干个绕线辊8，各绕线辊8均位于每个纤维束筒3的外侧，各绕线辊8沿通孔200中心圆周分布并均与固定板2转动连接。
集束装置4和导丝头5固定在固定板2上，每个纤维束筒3上缠绕的纤维束依次经过对应的张力控制器7和绕线辊8并通过集束装置4汇聚后，从导丝头5伸出。
固定板2连接有驱动元件6，通过驱动元件6驱动固定板2转动时，其上的纤维束筒3、张力控制器7等部件也相应转动。
使用时，各纤维束从纤维束筒3中引出，经过张力控制器7，然后依次绕过各绕线辊8，最终在集束装置4中集中，实现了各纤维束的同步性，之后经过另一端的导丝头5中伸出。
在工件安装在加工工位后，将从导丝头5伸出的纤维束运送到工件表面。之后通过驱动元件6驱动固定板2转动，进而驱动纤维束筒3、张力控制器7等部件也相应转动。工件在缠绕过程中可以轴向移动，并配合固定板2以及其上纤维束筒3、张力控制器7等部件的旋转，从而实现多束纤维沿压力容器的环向缠绕。
上述各纤维束在经过绕线辊8时，可以根据需要采用多种绕线方式，只需实现多束纤维同步缠绕即可。
进一步，机架1底部设有平移机构11，通过平移机构11驱动机架1平移；采用平移机构11的设置可以在缠绕过程中无需工件轴向移动，工件只需要固定即可。如图13(a-d)，在缠绕过程中，本装置一边通过机架1带动整体沿工件轴向往复移动，一边通过固定板2的旋转实现纤维束沿工件的周向旋转，通过两者的配合从而实现对工件的环向缠绕。此种缠绕方式，可以有效克服工件旋转、移动过程中所存在的不平稳性等缺陷，从而可以保证了缠绕效果。
同时，平移机构11可以采用现有技术中的多种结构实现，如液压机构、齿轮齿条机构、直线滑台等等。以齿轮齿条机构为例：机架1底部设有滑轨1103，机架1与滑轨1103滑动连接，地面上固定有齿条1102，机架1底部设有与齿条1102啮合的驱动齿轮1100，驱动齿轮1100连接有相应的驱动电机1101；通过驱动电机1101驱动驱动齿轮1100转动，驱动齿轮1100与齿条1102啮合，从而实现机架1沿滑轨1103的移动。
进一步，为实现各纤维束的同步性，本装置将纤维束筒3、张力控制器7、集束装置4、导丝头5和绕线辊8设置在固定板2上，进而实现了多线束缠绕。其中集束装置4是实现多束缠绕的重要要组成部分，其优选采用以下结构设置：
集束装置4包括支架400和导向板401，支架400的一端与固定板2固定连接，另一端与导向板401固定连接，导向板401的两端分别设有导向齿402；导向板401的上端固定有过渡板403，过渡板403上设有过渡齿404；纤维依次经过过渡齿404和导向齿402从导丝头5伸出。
各纤维束绕过绕线辊8后，通过过渡板403上的过渡齿404对各纤维束进行梳理，然后再通过导向板401的两端分别设有导向齿402分隔，避免纤维束之间发生变形；同时，过渡齿404和导向齿402的齿较细，因此纤维束之间的间距可以忽略。
进一步，导丝头5包括导丝架500和压头501，导丝架500与固定板2固定连接，压头501与导丝架500固定连接，压头501与导丝架500之间存在间隔，间隔的设置可以保证纤维从中穿过而不发生变形；间隔的具体间距根据纤维束进行调整和设计。
具体的：各纤维束引出至导丝头5一侧，并在导丝头5处汇集在一起，并从间隔引伸至压力容器。
进一步，还包括导线辊502和浸胶盒503，浸胶盒503与导丝架500固定连接，导线辊502与导丝架500转动连接。从集束装置4伸出的纤维束可依次经过导线辊502和浸胶盒503从间隔内伸出，设置导线辊502可以保证纤维束在移动过程中的平稳性，设置浸胶盒503可对纤维束表面进行涂布胶水实现湿缠。
对于浸胶盒503的具体结构而言，本领域技术人员可以根据实际情况进行多种结构的设置，无论设置何种结构，只要可以实现胶水的涂布即可。具体的：
浸胶盒503为空腔结构，空腔内存放有胶液；在其两侧设有开口，纤维可以从一侧开口进入空腔内与胶液进行接触，从另一侧的开口中穿出。两侧的开口的开口尺寸刚好满足纤维从中穿过，既可保证纤维表面树脂的完整覆盖，也保证了纤维表面胶液的均匀性，起到刮胶的作用。同时，在浸胶盒503上设置加胶口，加胶口处设有相应的堵头，当需要添加胶液时，拆掉堵头，通过加胶口向浸胶盒503内注胶即可。
进一步，张力控制器7主要实对对各纤维的张力进行控制，其可以机械张力控制器或电子张力控制器，优选采用以下结构设置：
张力控制器7包括张力架700、张力轮701和摆轮702，张力轮701设有两个并均与张力架700转动连接，摆轮702通过摆臂703与张力架700连接，摆轮702与摆臂703转动连接，摆臂703的一端与张力架700转动连接，摆臂703的另一端设有导向销704，张力架700上设有与导向销704连接的滑槽705，导向销704可以沿滑槽705移动，摆臂703与张力架700之间设有弹簧706，摆臂703转动时可使弹簧706产生弹性势能；两个张力轮701与摆轮702之间呈三角形分布。
纤维束筒3上缠绕的纤维经过两个张力轮701和摆轮702，通过摆臂703和弹簧706对其进行张力控制。摆臂703转动角度不同，弹簧706产生弹性势能不同，从而实现机械式的张力控制。
进一步，各纤维束筒3分别连接有纤维束筒伺服电机300，通过纤维束筒伺服电机300驱动纤维束筒3旋转。纤维束筒伺服电机300的壳体与固定板2固定，纤维束筒伺服电机300的输出轴与纤维束筒3连接。即相当于是通过纤维束筒伺服电机300实现了纤维束筒3与固定板2的转动连接。
设置有纤维束筒伺服电机300，可以实现主动送丝，并可配合张力控制器7，进一步确保了各纤维束之间的张力一致。具体可以通过调整纤维束筒伺服电机300的转速实现。
进一步，为了方便安装纤维束筒3，在固定板2上固定有用于与纤维束筒3转动连接的支撑轴9，支撑轴9的端部可拆卸连接有挡板10。使用时将纤维束筒3插入支撑轴9内，然后再将挡板10与支撑轴9的端部连接，防止纤维束筒3从支撑轴9内移出。挡板10与支撑轴9之间具体可以采用螺栓连接、插接、卡接等常见的可拆卸连接方式。
当设有支撑轴9时，纤维束筒伺服电机300可以采用空心轴电机，支撑轴9可以穿过该空心轴电机的空心轴。
进一步，固定板2可以采用多种结构实现旋转，具体如下：
固定板2通过回转支承12与机架1转动连接，驱动元件6通过齿轮14与回转支承12的齿圈13啮合驱动固定板2转动。驱动元件6可以采用电机、液压马达等，驱动元件6的输出轴与齿轮14连接，从而驱动回转支撑以及固定板2旋转。回转支承12是一种常见的部件，其主要由内圈、外圈组成，内圈或外圈上固定有齿圈13，内圈与外圈之间设有滚动体；具体安装时，可以将内圈与机架1固定连接，将外圈与固定板2固定连接。
进一步，还包括夹持机构15，夹持机构15设置在机架1上，通过夹持机构15可以对从导丝头5伸出纤维束进行夹持。通过夹持机构15可以代替人工作业，即在在缠绕前将纤维束夹紧运送到工件表面。夹持机构15可以采用现有技术中常见的启动夹手、机械手等。
进一步，包括工控机和控制器，驱动元件6、张力控制器7和平移机构11处分别设有相应的传感器，控制器与工控机连接，各传感器与控制器连接。具体的：驱动元件6处设有角度传感器，通过角度传感器测量固定板2的旋转角度；张力控制器7处设有张力传感器，通过张力传感器测量张力；平移机构11处设有位移传感器，通过位移传感器测量架体1的位移。上述传感器的位置可以根据实际情况设置，只要方便测量即可。
从机械结构运动的角度出发，本环向缠绕装置可完成两个自由度的运动，其一，是沿着底座轨道进行往复运动；其二，可在圆周方向进行轴向转动。
其中，通过平移机构中驱动电机1101(伺服电机)的转速，进而控制该装置沿着轨道做往复运动的速度与位移，环向缠绕装置位移传感器可向工控机实时反馈该装置的位置信息，且通过工控机可对其速度与位移进行纠偏。
该环向缠绕装置呈圆环状，纤束筒伺服电机300、张力控制器7、张力传感器，三者作为一个单元，均匀分布在环向缠绕装置的一侧。可采用内置张力传感器，对纤维张力进行反馈，同时调整纤维卷伺服电机300的转速，实现各纤维束张力的一致性。
该单元的数量为各单元在工作过程中，不发生干涉的情况下最大化。导丝头5安装于环向缠绕装置的另一侧，各纤维束引出至导丝头5一侧，并在导丝头5处汇集在一起，并引伸至压力容器。
通过工控机控制，驱动元件6(伺服电机)与驱动电机1101(伺服电机)的转速大小，控制环向缠绕装置的轴向往复运动和周向转动与纤维卷伺服电机300、张力控制器7、张力传感器的配合，进而保证纤维束可以环向缠绕在压力容器的表面。
同时可对控制系统进行优化，目的是优化环向缠绕装置的两个自由度运动的配合，保证纤维束间的间隙最小化，缠绕角度、缠绕路径最优化，从而最大程度减小了由于缝隙过大，造成压力容器使用过程的局部破裂损伤，而且最大程度提高了缠绕性能与纤维层的承压能力。在本装置中，由于各纤维束的安装位置不同，所以张力大小不同，需要根据各张力传感器向工控机反馈的张力大小，通过各张力控制器7，对各纤维束的张力进行实时控制，而且各纤维束张力存在耦合关系，需对其进行优化，最大程度保证了纤维与压力容器的界面结合性能，从张力控制角度保证了压力容器的缠绕性能。
本发明通过控制系统的设计与相关传感器的添加与配合，实现了多束纤维环向缠绕压力容器自动化工艺。该控制系统使得装置在结构运行过程中，实现了缠绕路径、缠绕角度的最优化，从而在最大程度上保证了纤维承压层的工作性能，同时也提高了压力容器的缠绕效率。该工艺的自动化实现，同时提高了压力容器、回转体的生产效率，从而很大程度推动了复合材料在多领域的应用。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多束纤维环向缠绕装置，其特征在于：包括机架(1)、固定板(2)、纤维束筒(3)、集束装置(4)和导丝头(5)，所述固定板(2)与机架(1)转动连接，固定板(2)连接有驱动元件(6)，通过驱动元件(6)驱动固定板(2)转动；
所述纤维束筒(3)设有若干个，每个纤维束筒(3)对应有一个张力控制器(7)；所述固定板(2)中部设有通孔(200)，各纤维束筒(3)沿通孔(200)中心圆周分布并均与固定板(2)转动连接，各张力控制器(7)均与固定板(2)固定连接；
所述固定板(2)上设有若干个绕线辊(8)，各绕线辊(8)均位于每个纤维束筒(3)的外侧，各绕线辊(8)沿通孔(200)中心圆周分布并均与固定板(2)转动连接；
所述集束装置(4)和导丝头(5)固定在固定板(2)上，每个纤维束筒(3)上缠绕的纤维束依次经过对应的张力控制器(7)和绕线辊(8)并通过集束装置(4)汇聚后，从导丝头(5)伸出；各纤维束筒(3)分别连接有纤维束筒伺服电机(300)，通过纤维束筒伺服电机(300)驱动纤维束筒(3)旋转。
2.根据权利要求1所述的一种多束纤维环向缠绕装置，其特征在于：所述集束装置(4)包括支架(400)和导向板(401)，所述支架(400)的一端与固定板(2)固定连接，另一端与导向板(401)固定连接，所述导向板(401)的两端分别设有导向齿(402)；所述导向板(401)的上端固定有过渡板(403)，所述过渡板(403)上设有过渡齿(404)；纤维依次经过过渡齿(404)和导向齿(402)从导丝头(5)伸出。
3.根据权利要求1或2所述的一种多束纤维环向缠绕装置，其特征在于：所述导丝头(5)包括导丝架(500)和压头(501)，所述导丝架(500)与固定板(2)固定连接，所述压头(501)与导丝架(500)固定连接，压头(501)与导丝架(500)之间存在间隔，纤维束从该间隔内伸出。
4.根据权利要求3所述的一种多束纤维环向缠绕装置，其特征在于：还包括导线辊(502)和浸胶盒(503)，浸胶盒(503)与导丝架(500)固定连接，导线辊(502)与导丝架(500)转动连接，通过集束装置(4)汇聚后的纤维束经过导线辊(502)和浸胶盒(503)从间隔内伸出。
5.根据权利要求1、2和4中任一项所述的一种多束纤维环向缠绕装置，其特征在于：所述张力控制器(7)包括张力架(700)、张力轮(701)和摆轮(702)，所述张力轮(701)设有两个并均与张力架(700)转动连接，所述摆轮(702)通过摆臂(703)与张力架(700)连接，摆轮(702)与摆臂(703)转动连接，摆臂(703)的一端与张力架(700)转动连接，摆臂(703)的另一端设有导向销(704)，张力架(700)上设有与导向销(704)连接的滑槽(705)，导向销(704)可以沿滑槽(705)移动，摆臂(703)与张力架(700)之间设有弹簧(706)，摆臂(703)转动时可使弹簧(706)产生弹性势能；两个张力轮(701)与摆轮(702)之间呈三角形分布。
6.根据权利要求1所述的一种多束纤维环向缠绕装置，其特征在于：所述固定板(2)通过回转支承(12)与机架(1)转动连接，驱动元件(6)通过齿轮(14)与回转支承(12)的齿圈(13)啮合驱动固定板(2)转动；
所述固定板(2)上固定有用于与纤维束筒(3)转动连接的支撑轴(9)，支撑轴(9)的端部可拆卸连接有挡板(10)；
所述机架(1)底部设有平移机构(11)，通过平移机构(11)驱动机架(1)平移。
7.根据权利要求1所述的一种多束纤维环向缠绕装置，其特征在于：还包括夹持机构(15)，夹持机构(15)设置在机架(1)上，通过夹持机构(15)可以对从导丝头(5)伸出纤维束进行夹持。
8.根据权利要求1所述环向缠绕装置的一种控制系统，其特征在于：包括工控机和控制器，驱动元件(6)、张力控制器(7)和平移机构(11)处分别设有相应的传感器，控制器与工控机连接，各传感器与控制器连接。
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