CN114589942A - 一种机器人纤维缠绕用丝嘴装置及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人纤维缠绕用丝嘴装置及运行方法，包括丝嘴主框架，所述丝嘴主框架设有接口与机器人连接；还包括安装在所述丝嘴主框架上的纤维放卷机构、张力控制机构及纤维导向机构；所述纤维导向机构包括一个及以上的调整轮和一个及以上的导向辊，纤维束由所述纤维放卷机构放出，通过张力控制机构控制张力，经过纤维导向机构中的调整轮和导向辊到达纤维沉积头后缠绕在芯模上。本发明集纤维放卷、张力控制、纤维导向三大功能于一体，提高机器人纤维缠绕技术对外形复杂产品的适应性以及缠绕加工的效率与成型精度。

Description

一种机器人纤维缠绕用丝嘴装置及运行方法

技术领域

本发明属于纤维缠绕加工技术领域，具体涉及一种机器人纤维缠绕用丝嘴装置及运行方法。

背景技术

纤维缠绕是将纤维束按照一定规律缠绕到芯模上的一种复合材料成型制造技术。传统的数控式纤维缠绕机具有自由度低、工作空间小、成本高等特点，例如专利CN212472375 U公开的一种纤维复合材料用数控缠绕机，只适用于容器、管道、电线杆等简单回转形体的缠绕成型。

工业机器人具有自由度多、工作空间较大、运动部件惯量小、通用性好和可扩展性强等优点，特别适合外形复杂的高精度自动缠绕成型，有助于纤维缠绕单元的模块化和柔性化，满足大范围小批量的生产任务需求。在纤维缠绕过程中，丝嘴装置安装于机器人的末端法兰盘，具有导引纤维束、控制展纱宽度、保持纤维张力等功能，可以提高缠绕构件的形状适应性，是实现高效高精度机器人纤维缠绕的重要部件。

但是目前市面上的机器人纤维缠绕用丝嘴装置对缠绕空间的需求比较大，对产品结构的适应性比较小，张力控制也不适当，对纤维束的缠绕效果较差或张紧时对纤维束有磨损。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种机器人纤维缠绕用丝嘴装置及运行方法，集纤维放卷、张力控制、纤维导向三大功能于一体，提高机器人纤维缠绕技术对外形复杂产品的适应性，以及缠绕加工的效率与成型精度。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种机器人纤维缠绕用丝嘴装置，包括丝嘴主框架，所述丝嘴主框架设有接口与机器人连接；还包括安装在所述丝嘴主框架上的纤维放卷机构、张力控制机构及纤维导向机构；所述纤维导向机构包括一个及以上的调整轮和一个及以上的导向辊，纤维束由所述纤维放卷机构放出，通过张力控制机构控制张力，经过纤维导向机构中的调整轮和导向辊到达纤维沉积头后缠绕在芯模上。

该机器人纤维缠绕用丝嘴装置以丝嘴主框架为主体，空间上呈上下结构，纤维放卷机构在上，张力控制机构中扭矩保持器在纤维放卷机构一端，与放卷轴同轴作用。纤维沉积头在下，纤维最终由纤维沉积头作用缠绕至芯模。纤维导向机构在主框架后面板上由上至下作导向作用将纤维由纤维放卷机构送至纤维沉积头。

进一步地，所述丝嘴主框架包括两个主框架侧面板，还包括安装在两个所述主框架侧面板之间的主框架后面板，所述接口为主框架后面板后侧安装的法兰盘。

进一步地，所述纤维导向机构连接在所述主框架后面板的内侧，并以所诉主框架后面板中轴线左右对称；所述纤维导向机构还包括两个丝嘴头支座，所述丝嘴头支座垂直安装在所述主框架后面板底部内侧；

所述调整轮依次安装在所述主框架后面板内侧，所述丝嘴头支座上部还安装有调整导向轮，所述导向辊依次安装在所述调整导向轮下方的所述丝嘴头支座上。纤维导向机构中一系列调整轮和导向辊保证纤维稳定且不扭结经过纤维导向机构进至纤维沉积头。

进一步地，所述纤维放卷机构包括安装在两个主框架侧面板之间的放纱轴；还包括安装在所述放纱轴上的两个纱筒盘，纤维卷安装在所述纱筒盘之间。

进一步地，所述张力控制机构包括扭矩保持器和回纱机构，所述扭矩保持器安装在所述主框架侧面板外侧的所述放纱轴两端；所述回纱机构包括两个弹簧和回纱分纱梳，所述弹簧安装在支座侧面板内，回纱分纱梳将两个所述弹簧底部相连，所述支座侧面板垂直安装在所述丝嘴头支座上。在缠绕过程中，恒定的张力会使回纱机构中的弹簧始终保持一定的拉伸状态。由于速度突变等因素导致的纤维松弛，回纱机构中的弹簧会产生回弹力，使纤维保证绷紧状态。

进一步地，还包括多纱导向件，所述多纱导向件安装在主框架后面板的上端，所述多纱导向件包括多纱导向件底座、安装在所述多纱导向件底座上的一级多纱导向辊和二级多纱导向辊，以及安装在两个导向辊之间的导向件分纱梳，导向件分纱梳起分纱作用,防止缠绕过程中纤维扭结；所述多纱导向件底座安装在主框架后面板上端的中轴线处，所述纤维束经过所述多纱导向件进入所述纤维导向机构。

进一步地，所述纤维沉积头包括一级纤维沉积头、二级纤维沉积头和沉积头分纱梳，所述一级纤维沉积头较二级纤维沉积头曲率大，一级纤维沉积头与二级纤维沉积头联合作用使纤维均匀展开缠至芯模，提高缠绕性能；所述沉积头分纱梳起分纱作用,防止缠绕过程中纤维扭结，同时约束纤维在多纱导向件上的位置。

本发明另一个目的是提供一种机器人纤维缠绕用丝嘴装置的运行方法，包括以下步骤：

初始启动前，给扭矩保持器预先设定一个扭矩值，匀速缠绕时保证放纱的扭矩控制张力；

丝嘴装置启动，缠绕小尺寸构件时，纤维束由纤维放卷机构放出，通过扭矩保持器保持一定的张力经过纤维导向机构，纤维导向机构中一系列调整轮使纤维按预定设计的方向释放至纤维沉积头，一级纤维沉积头与二级纤维沉积头联合作用使纤维均匀展开，通过法兰盘的旋转与机器人的运动使纤维沉积头与缠绕至芯模上的纤维切向呈垂直角度。保证缠绕过程中纤维不会发生扭结，提高缠绕产品力学性能。

缠绕时扭矩过载时扭矩保持器发生打滑，出现松纱现象时会在回纱机构作用下绷紧纤维保证张力值；

缠绕大尺寸构件，为提高缠绕效率及拓展纤维线型设计空间，一般采用多束纤维同时缠绕，纤维束由机器人后端的纱筒架放出，通过多纱导向件进入纤维导向机构，通过纤维导向机构中一系列调整轮和回纱机构保证纤维不打结且恒张力送至纤维沉积头，导向件分纱梳防止纤维束在纤维沉积头上展纱时发生叠纱现象，纤维束在一级纤维沉积头与二级纤维沉积头联合作用下均匀展开缠绕至芯模上。

本发明的有益效果在于：

1.与现有丝嘴装置对比，本发明将纤维缠绕过程中涉及的三项关键模块组合在一个丝嘴装置中，通过对纤维放卷机构、纤维导向机构和张力控制机构进行合理设计与布局，将纤维恒张力送至纤维沉积头，并通过纤维沉积头展纱实现恒张力均匀缠绕，减少了对缠绕空间的需求，提高了机器人的灵活度，减少了设计纤维线型的约束，易于缠绕小尺寸及复杂构件结构，提高对产品结构的适应性；

2.特殊的纤维导向机构和张力控制机构，减少了纤维由纤维放卷机构至芯模的缠绕空间，既保证纤维束的缠绕效果，又减轻对纤维束的磨损。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的纤维放卷机构2的结构示意图；

图3为本发明的纤维导向机构4的结构示意图；

附图标记说明：

1、丝嘴主框架；1-1、主框架侧面板；1-2、主框架后面板；2、纤维放卷机构；2-1、放纱轴；2-2、纤维卷；2-3、纱筒盘；3、张力控制机构；3-1、扭矩保持器；3-2、回纱分纱梳；3-3、弹簧；3-4、支座侧面板；4、纤维导向机构；4-1、一级调整轮；4-2、二级调整轮；4-3、三级调整轮；4-4、丝嘴头支座；4-5、调整导向轮；4-6、一级纤维沉积头；4-7、二级纤维沉积头；4-8、一级导向辊；4-9、二级导向辊；4-10、三级导向辊；4-11、纤维束；4-12、一级多纱导向辊；4-13、多纱导向件底座；4-14、二级多纱导向辊；4-15、导向件分纱梳；4-16、沉积头分纱梳。

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。

实施例1

如图1至图3所示，本发明一种用于机器人纤维缠绕的丝嘴装置，包括丝嘴主框架1、纤维放卷机构2、张力控制机构3、纤维导向机构4。丝嘴主框架1包括两个主框架侧面板1-1和主框架后面板1-2，主框架后面板1-2外侧连接法兰盘作为连接机器人的接口。纤维放卷机构2连接在两个主框架侧面板1-1之间，张力控制机构3中扭矩保持器3-1连接在主框架侧面板1-1外侧。纤维导向机构4和纤维沉积头安装在主框架后面板1-2的内侧。纤维束4-11由纤维放卷机构2放出，通过扭矩保持器3-1和回纱机构控制张力，纤维束4-11保持一定的张力经过纤维导向机构4，最终通过一级纤维沉积头4-6和二级纤维沉积头4-7实现在芯模上恒张力缠绕。

纤维放卷机构2由放纱轴1-1、纤维卷1-2、纱筒盘1-3组成，放纱轴1-1放纱张力由扭矩保持器3-1控制，启动前给扭矩保持器3-1预先设定一个扭矩值，匀速缠绕时通过保证放纱的扭矩控制张力，扭矩过载时扭矩保持器3-1发生打滑，缠绕时出现松纱现象时会在回纱机构作用下绷紧纤维保证张力值，实现纤维束4-11在芯模上恒定张力缠绕。

纤维导向机构4包括一级调整轮4-1、二级调整轮4-2、三级调整轮4-3、调整导向轮4-5、一级导向辊4-8、二级导向辊4-9、三级导向辊4-10。此外，纤维导向机构4连接在主框架后面板1-2的内侧，以主框架后面板1-2的中轴为构件中心轴，一级调整轮4-1、二级调整轮4-2、三级调整轮4-3通过调整轮基板安装在主框架后面板1-2的内侧。丝嘴头支座4-4垂直安装在主框架后面板1-2的内侧下端，丝嘴头支座4-4内侧垂直安装有两个支座侧面板3-4，所述丝嘴头支座4-4上安装着纤维导向机构4其他构件、回纱机构以及纤维沉积头。回纱机构包括两个弹簧3-3和回纱分纱梳3-2，两个弹簧3-3分别安装在支座侧面板3-4内，弹簧3-3顶部安装在支座侧面板3-4内，回纱分纱梳3-2通过一个辊子连接两个弹簧3-3的底部，纤维束穿过调整导向轮4-5下方，经过回纱机构时，穿过回纱分纱梳3-2上方后再穿过一级导向辊4-8下方，两个弹簧3-3受力拉伸，当缠绕时出现松纱现象，两个弹簧3-3的回弹力会使纤维束绷紧，减小因为松纱造成的剧烈张力波动，使纤维束4-11均匀缠绕在芯模上，提高缠绕性能。

在缠绕小尺寸构件时，纤维束4-11可由纤维卷2-2放出，在张力控制机构3作用下纤维束4-11进入纤维导向机构4，纤维束4-11沿纤维释放方向依次通过一级调整轮4-1、二级调整轮4-2、三级调整轮4-3，三个调整轮可保证纤维束4-11按预定的方向释放，并且释放过程中不打结。然后经过丝嘴头支座4-4上的调整导向轮4-5和回纱机构以及一级导向辊4-8、二级导向辊4-9、三级导向辊4-10到达纤维沉积头，沉积头分纱梳4-16起分纱作用,防止缠绕过程中纤维扭结，一级纤维沉积头4-6与二级纤维沉积头4-7联合作用使纤维均匀展开，通过法兰盘的旋转与机器人的运动使纤维沉积头与缠绕至芯模上的纤维切向呈垂直角度。保证缠绕过程中纤维不会发生扭结，提高缠绕产品力学性能。

实施例2

包括实施例1中的结构，还包括主框架后面板1-2上侧装有多纱导向件，多纱导向件包括多纱导向件底座4-13、一级多纱导向辊4-12、导向件分纱梳4-15和二级多纱导向辊4-14，多纱导向件底座4-13安装在主框架后面板1-2上端的中轴线处。

缠绕不同尺寸构件，都可经由该纤维导向机构4将纤维送至一级纤维沉积头4-6、二级纤维沉积头4-7和沉积头分纱梳4-16。不仅可以缠绕小尺寸构件，在缠绕大尺寸构件时，为提高缠绕效率及拓展纤维线型设计空间，一般采用多束纤维同时缠绕，纤维束4-11由机器人后端的纱筒架放出，经过主框架后面板1-2上端的多纱导向件进入纤维导向机构4，然后依次通过纤维导向机构4中的构件到达纤维沉积头，导向件分纱梳4-15防止纤维束4-11在纤维沉积头上展纱时发生叠纱现象，同时约束纤维在多纱导向件上的位置，纤维束在一级纤维沉积头4-6与二级纤维沉积头4-7联合作用下均匀展开缠绕至芯模上。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种机器人纤维缠绕用丝嘴装置，其特征在于，包括以丝嘴主框架(1)为主体，空间呈上下结构，所述丝嘴主框架(1)设有接口与机器人连接；还包括安装在所述丝嘴主框架(1)上的纤维放卷机构(2)、张力控制机构(3)及纤维导向机构(4)；所述纤维导向机构(4)包括一个及以上的调整轮和一个及以上的导向辊，纤维束(4-11)由所述纤维放卷机构(2)放出，通过张力控制机构(3)控制张力，经过纤维导向机构(4)中的调整轮和导向辊到达纤维沉积头后缠绕在芯模上。

2.根据权利要求1所述一种机器人纤维缠绕用丝嘴装置，其特征在于，所述丝嘴主框架(1)包括两个主框架侧面板(1-1)，还包括安装在两个所述主框架侧面板(1-1)之间的主框架后面板(1-2)，所述接口为主框架后面板(1-2)后侧安装的法兰盘。

3.根据权利要求2所述一种机器人纤维缠绕用丝嘴装置，其特征在于，所述纤维导向机构(4)连接在所述主框架后面板(1-2)的内侧，并以所述主框架后面板(1-2)中轴线左右对称；所述纤维导向机构(4)还包括两个丝嘴头支座(4-4)，所述丝嘴头支座(4-4)垂直安装在所述主框架后面板(1-2)底部内侧；

所述调整轮依次安装在所述主框架后面板(1-2)内侧，所述丝嘴头支座(4-4)上部还安装有调整导向轮(4-5)，所述导向辊依次安装在所述调整导向轮(4-5)下方的所述丝嘴头支座(4-4)上。纤维导向机构中所述调整轮和所述导向辊保证纤维稳定且不扭结经过纤维导向机构(4)进至所述纤维沉积头。

4.根据权利要求1所述一种机器人纤维缠绕用丝嘴装置，其特征在于，所述纤维放卷机构(2)包括安装在两个主框架侧面板(1-1)之间的放纱轴(2-1)；还包括安装在所述放纱轴(2-1)上的两个纱筒盘(2-3)，纤维卷(2-2)安装在所述纱筒盘(2-3)之间。

5.根据权利要求2所述一种机器人纤维缠绕用丝嘴装置，其特征在于，所述张力控制机构(3)包括扭矩保持器(3-1)和回纱机构，所述扭矩保持器(3-1)安装在所述主框架侧面板(1-1)外侧的所述放纱轴(2-1)两端；所述回纱机构包括两个弹簧(3-3)和回纱分纱梳(3-2)，所述弹簧安装在支座侧面板(3-4)内，回纱分纱梳(3-2)将两个所述弹簧(3-3)底部相连，所述支座侧面板(3-4)垂直安装在所述丝嘴头支座(4-4)上。

6.根据权利要求1～5任一所述一种机器人纤维缠绕用丝嘴装置，其特征在于，还包括多纱导向件，所述多纱导向件安装在主框架后面板(1-2)的上端，所述多纱导向件包括多纱导向件底座(4-13)、安装在所述多纱导向件底座(4-13)上的一级多纱导向辊(4-12)和二级多纱导向辊(4-14)，以及安装在两个导向辊之间的导向件分纱梳(4-15)，导向件分纱梳(4-15)起分纱作用,防止缠绕过程中纤维扭结，同时约束纤维在多纱导向件上的位置；所述多纱导向件底座(4-13)安装在主框架后面板(1-2)上端的中轴线处，所述纤维束(4-11)经过所述多纱导向件进入所述纤维导向机构(4)。

7.根据权利要求6所述一种机器人纤维缠绕用丝嘴装置，其特征在于，所述纤维沉积头包括一级纤维沉积头(4-6)、二级纤维沉积头(4-7)和沉积头分纱梳(4-16)，所述一级纤维沉积头(4-6)较二级纤维沉积头(4-7)曲率大，一级纤维沉积头(4-6)与二级纤维沉积头(4-7)联合作用使纤维均匀展开缠至芯模，提高缠绕性能；所述沉积头分纱梳(4-16)起分纱作用,纤维束(4-11)在纤维沉积头上展纱时发生叠纱现象，同时约束纤维在沉积头上的位置。

8.如权利要求1所述一种机器人纤维缠绕用丝嘴装置的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：初始启动前，给扭矩保持器(3-1)预先设定一个扭矩值，匀速缠绕时保证放纱的扭矩控制张力；

S2：丝嘴装置启动，缠绕小尺寸构件时，纤维束(4-11)由纤维放卷机构(2)放出，通过扭矩保持器(3-1)保持一定的张力经过所述纤维导向机构(4)，缠绕时扭矩过载时扭矩保持器(3-1)发生打滑，出现松纱现象时会在回纱机构作用下绷紧纤维保证张力值；所述纤维导向机构(4)中一系列调整轮使纤维按预定设计的方向释放至所述纤维沉积头，所述一级纤维沉积头(4-6)与所述二级纤维沉积头(4-7)联合作用使纤维均匀展开，通过法兰盘的旋转与机器人的运动使所述纤维沉积头与缠绕至芯模上的纤维切向呈垂直角度，最终通过纤维沉积头实现在芯模上恒张力缠绕；

缠绕大尺寸构件，纤维束(4-11)由机器人后端的纱筒架放出，通过多纱导向件进入纤维导向机构(4)；采用多束纤维同时缠绕提高缠绕效率及拓展纤维线型设计空间，纤维束(4-11)由机器人后端的纱筒架放出，通过所述多纱导向件进入纤维导向机构(4)，通过纤维导向机构(4)中一系列调整轮和回纱机构保证纤维不打结且恒张力送至纤维沉积头；纤维束(4-11)在一级纤维沉积头(4-6)与二级纤维沉积头(4-7)联合作用下均匀展开缠绕至芯模上。

S3：纤维导向机构(4)在主框架后面板上由上至下作导向作用将纤维由所述纤维放卷机构(2)送至纤维沉积头，最终通过纤维沉积头实现在芯模上恒张力缠绕。

Images