CN115648600B - 一种多束纤维缠绕自动上丝方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于纤维缠绕成型技术领域，具体涉及一种多束纤维缠绕自动上丝方法；包括一种自动上丝机构和依次进行的机构张力保持、缠绕件换装、容器张力保持和残丝去除四个阶段；可实现生产过程中纤维储氢容器缠绕过程中初始上丝、切割的机械化；自动上丝机构通过旋绕等动作将多束纤维保持在机构上，将原制品与纤维缠绕机构间纤维去除，接着自动上丝机构移位后进行二次小角度旋绕动作将多束纤维收紧，张力于容器瓶口处保持，最后去除自动上丝机构上的残丝完成动作；优化了多束纤维缠绕换装过程劳动力密集的问题，降低了人工和时间成本，提高了生产效率，弥补了传统换装工步的缺陷。

Description

一种多束纤维缠绕自动上丝方法

技术领域

本发明属于纤维缠绕成型技术领域，具体涉及一种多束纤维缠绕自动上丝方法。

背景技术

高压储氢容器被广泛的应用于多个领域，比如工业、医疗、汽车等领域。目前，高压储氢容器主要分为III型容器（铝合金内胆）与IV型容器（树脂内胆），碳纤维作为主要承压层缠绕在容器外表面，同时保证容器的安全性能。

在压力容器生产加工方面，多束纤维缠绕工艺由于能避免造成纤维堆叠、交叉，缠绕不均匀，是未来发展的必然趋势。纤维缠绕设备是纤维缠绕工艺实现的具体途径，实现缠绕设备全流程自动化也是缠绕制品批量化生产的必由之路。目前国际上缠绕设备基本已经可以实现自动化缠绕，然而在一次缠绕结束后的换装工步中需要人工进行多束纤维的初始缠绕工作，随着纤维束增多，人工效率降低明显，时间成本上升，无法实现自动化生产，严重制约了多束纤维缠绕工艺的推广以及纤维缠绕生产方式的迭代。

发明内容

本发明为了解决传统多束纤维缠绕工艺中，在一次缠绕结束后的换装工步中需要人工进行多束纤维的初始缠绕工作，严重影响生产效率、人力成本居高不下的问题。

本发明提供了如下技术方案：一种多束纤维缠绕自动上丝方法，包括一种自动上丝机构和依次进行的机构张力保持、缠绕件换装、容器张力保持和残丝去除四个阶段；

自动上丝机构与多束纤维缠绕装置设置于同一共线轨道上协同运动，自动上丝机构包括机架和支撑盘，支撑盘与机架上由自锁电机驱动的驱动轴联接，支撑盘上安装有径向收缩的连接套，支撑盘的端面设有连通连接套的入口，连接套与驱动轴同轴；支撑盘上设有若干个以连接套为中心环形阵列分布的支撑部，支撑部相对支撑盘的第一端面沿轴向伸出，支撑部两两之间构成一个纤维丝束卡槽，支撑部的数量等于多束纤维缠绕装置的纤维丝束数量，支撑盘上在支撑部与连接套之间装嵌有与连接套同轴、可轴向滑动的环形刀具，环形刀具与支撑盘上的第一驱动部相连；支撑盘上在支撑部两两之间设有可轴向滑动的割刀，割刀与支撑盘上的第二驱动部相连；

机构张力保持阶段包括以下步骤；

S1，前一压力容器完成缠绕动作后，将自由端纤维束在轴向上旋绕固定于压力容器极孔位置；

S2，多束纤维缠绕装置沿与压力容器的轴线平行布置的轨道向远离自动上丝机构方向移动一压力容器封头段高度距离；

S3，自动上丝机构沿轨道滑动将其上的支撑部插入多束纤维束间间隙，由支撑盘绕压力容器轴线旋转带动各束纤维缠绕于支撑部外周面，实现纤维束的张力保持；

缠绕件换装阶段包括以下步骤；

S1，自动上丝机构沿轨道向远离压力容器方向移动将支撑部外周面与压力容器极孔间纤维束张紧；

S2，自动上丝机构上的环形刀具推出，将支撑部外周面与压力容器极孔间纤维束切断，缠绕完成的前一压力容器与多束纤维缠绕装置间连接纤维断开；

S3，由机械臂将压力容器从缠绕夹持装置上移走，将待缠绕压力容器移至缠绕夹持装置上夹紧，缠绕件换装完成；

容器张力保持阶段包括以下步骤；

S1，自动上丝机构带动支撑部与多束纤维缠绕装置间纤维束绕轴线旋转，多束纤维束交叉形成一个与压力容器瓶口直径匹配的近圆孔隙；

S2，缠绕夹持装置带动压力容器沿轴向移动将瓶口伸入近圆孔隙中；

S3，自动上丝机构带动支撑部与多束纤维缠绕装置间纤维束绕轴线继续旋转，将纤维束缠绕于待缠绕压力容器封头极孔处，实现容器张力保持；

残丝去除阶段包括以下步骤；

S1，自动上丝机构上的环形刀具推出，将支撑部外周面与压力容器极孔间纤维束切断，自动上丝机构与多束纤维缠绕装置间连接断开；

S2，自动上丝机构上的割刀推出，将支撑部上缠绕的纤维束切断，纤维束从支撑部上剥离。

进一步地，若干个割刀与同一个刀盘相连同步动作，割刀安装在刀盘的刀架上，刀盘与支撑盘滑动配合、与第二驱动部相连。

进一步地，支撑盘是圆盘，圆盘外侧周向分布有分隔槽，刀盘上的刀架一一对应可滑动地插装在分隔槽内。

进一步地，割刀是圆形刀片，割刀与支撑盘径向平行。

进一步地，机架包括升降节、基座和直线驱动部，基座的顶端与升降节的底端嵌套相连，直线驱动部竖向安装在基座和升降节之间的空腔内。

进一步地，支撑部是与连接套径向平行的肋板。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

本发明提供的一种多束纤维缠绕自动上丝方法，可实现生产过程中纤维储氢容器缠绕过程中初始上丝、切割的机械化。由依次进行的机构张力保持阶段、缠绕件换装阶段、容器张力保持阶段、残丝去除阶段组成，最终完成一次完整的上丝换装动作。自动上丝机构通过旋绕等动作将多束纤维保持在机构上，将原制品与纤维缠绕机构间纤维去除，接着自动上丝机构移位后进行二次小角度旋绕动作将多束纤维收紧，张力于容器瓶口处保持，最后去除自动上丝机构上的残丝完成动作。优化了多束纤维缠绕换装过程劳动力密集的问题，降低了人工和时间成本，提高了生产效率，弥补了传统换装工步的缺陷。

附图说明

图1为自动上丝机构与多束纤维缠绕装置组合视图。

图2为自动上丝机构的立体图。

图3为自动上丝机构的半剖视图。

图4为自动上丝机构的结构示意图（第一端面主视）。

图5为机构张力保持阶段步骤S2示意图。

图6为机构张力保持阶段步骤S3示意图（动作一）。

图7为机构张力保持阶段步骤S3示意图（动作二）。

图8为缠绕件换装阶段步骤S2示意图。

图9为容器张力保持阶段步骤S2示意图。

图10为残丝去除阶段步骤S1示意图。

图11为自动上丝完成示意图。

图中：1-机架；1.1-升降节；1.2-直线驱动部；1.3-基座；2-驱动轴；3-支撑盘；3.1-第一端面；3.2-分隔槽；3.3-第二端面；4-环形刀具；5-连接套；6-支撑部；7-割刀；8-刀盘；9-刀架；10-第一驱动部；11-第二驱动部；12-多束纤维缠绕装置；13-缠绕夹持装置。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。各图所示内容仅用于理解发明的技术内容，而不代表产品的实际比例和真实形状，其中相同的标号表示结构相同或功能相同但结构相似的部分。

在本文中，“平行”、“垂直”等并非严格的数学和/或几何学意义上的限制，它也可以包含本领域技术人员可以理解的且制造或使用该产品时允许的误差。另外，“垂直”不仅包括在空间中两物体直接相接的互相垂直，还包括在空间中两物体不相接时的互相垂直。

实施例1

如图2、图3、图4所示：本实施例提供了一种自动上丝机构，自动上丝机构与多束纤维缠绕装置设置于同一共线轨道上协同运动，自动上丝机构包括机架1和支撑盘3，支撑盘3与机架1上由自锁电机驱动的驱动轴2联接，支撑盘3上安装有径向收缩的连接套5，支撑盘3的端面设有连通连接套5的入口，该端面为第一端面3.1，临近驱动轴2的端面为第二端面3.3，连接套5与驱动轴2同轴；支撑盘3上设有若干个以连接套5为中心环形阵列分布的支撑部6，支撑部6相对支撑盘3的第一端面3.1沿轴向伸出，支撑部6两两之间构成一个纤维丝束卡槽，支撑部6的数量等于多束纤维缠绕装置的纤维丝束数量，支撑盘3上在支撑部6与连接套5之间装嵌有与连接套5同轴、可轴向滑动的环形刀具4，环形刀具4与支撑盘3上的第一驱动部10相连；支撑盘3上在支撑部6两两之间设有可轴向滑动的割刀7，割刀7与支撑盘3上的第二驱动部11相连。

若干个割刀7与同一个刀盘8相连同步动作，割刀7安装在刀盘8的刀架9上，刀盘8与支撑盘3滑动配合、与第二驱动部11相连。

支撑盘3是圆盘，圆盘外侧周向分布有分隔槽3.2，刀盘8上的刀架9一一对应可滑动地插装在分隔槽3.2内。

通过在支撑盘3外侧布置若干刀架9实现了将残丝切割与推出一体化，简化了机构动作提高了生产效率；通过布置环形刀具4及同一刀盘8上的割刀7使得每次切割动作时各束纤维近似实现同步切割，避免了在部分切断后纤维位姿发生变化而导致的切割不完全，丝束扰动等现象，提高了装置的可靠性。

割刀7是圆形刀片，割刀7与支撑盘3径向平行。

机架1包括升降节1.1、基座1.3和直线驱动部1.2，基座1.3的顶端与升降节1.1的底端嵌套相连，直线驱动部1.2竖向安装在基座1.3和升降节1.1之间的空腔内。直线驱动部1.2采用活塞式气缸，通过在升降节1.1和基座1.3之间设置活塞式气缸使得机构整体可以实现高度调节，提高了机构的适配范围和可行性。

第一驱动部10和第二驱动部11均是直线电机。

支撑部6是与连接套5径向平行的肋板。支撑部6的数量随纤维丝束数量变化，长度随工艺要求改变以适应缠绕圈数，形式不限于肋板，可根据纤维制品瓶口尺寸大小在保证周径的情况下选用圆柱、销轴、有间隙环面等形式。

实施例2

本实施例提供了一种应用实施例1的自动上丝机构的自动上丝方法，包括依次进行的机构张力保持、缠绕件换装、容器张力保持和残丝去除四个阶段。

机构张力保持阶段包括以下步骤；

S1，前一压力容器完成缠绕动作后，将自由端纤维束在轴向上旋绕固定于压力容器极孔位置；

如图5所示：S2，多束纤维缠绕装置12沿与压力容器的轴线平行布置的轨道向远离自动上丝机构方向移动一压力容器封头段高度距离；

如图6、图7所示：S3，自动上丝机构沿轨道滑动将其上的支撑部6插入多束纤维束间间隙，由支撑盘3绕压力容器轴线旋转带动各束纤维缠绕于支撑部6外周面，实现纤维束的张力保持；

在多束纤维缠绕装置12张力稳定不断出丝的情况下，将自动上丝机构的支撑部6插入多束纤维束间间隙，实现带动纤维束在支撑部6外周面稳定旋绕，进而纤维在外周面依靠摩擦力及表面张力，可以保证在切断多束纤维缠绕装置12与缠绕完成件间纤维后不发生快速回退、崩散现象，实现短时的机构张力平衡。

缠绕件换装阶段包括以下步骤；

S1，自动上丝机构沿轨道向远离压力容器方向移动将支撑部6外周面与压力容器极孔间纤维束张紧；

如图8所示：S2，自动上丝机构上的环形刀具4推出，将支撑部6外周面与压力容器极孔间纤维束切断，缠绕完成的前一压力容器与多束纤维缠绕装置12间连接纤维断开；

S3，由机械臂将压力容器从缠绕夹持装置13上移走，将待缠绕压力容器移至缠绕夹持装置13上夹紧，缠绕件换装完成。

容器张力保持阶段包括以下步骤；

S1，自动上丝机构带动支撑部6与多束纤维缠绕装置12间纤维束绕轴线旋转，多束纤维束交叉形成一个与压力容器瓶口直径匹配的近圆孔隙；

如图9所示：S2，缠绕夹持装置13带动压力容器沿轴向移动将瓶口伸入近圆孔隙中；

S3，自动上丝机构带动支撑部6与多束纤维缠绕装置12间纤维束绕轴线继续旋转，将纤维束缠绕于待缠绕压力容器封头极孔处，实现容器张力保持。

在传统待缠绕压力容器初始上纱时，由于纤维及其基体与压力容器表面间摩擦系数较小，不能达到粘连效果，通常需要人工将纤维束系于容器表面或人工拉拽以完成初始固定。随着纤维束的增多，工作量直线上升且纤维束间交叉结节难以避免。本实施例中，通过将纤维束空间交叉形成一略大于压力容器瓶口直径的近圆孔隙，进而直接收紧嵌套于压力容器极孔处旋绕数周，保证在切断自动上丝机构与多束纤维缠绕装置12间纤维后纤维束不回退，实现了容器张力平衡，完全取代了人工缠绕的过程，降低了生产人力成本的同时提高了生产效率，实现了全流程机械化。

为保证容器张力保持阶段初始上纱的顺利进行，近圆孔隙直径应略大于容器瓶口直径，以保证嵌套过程不因纤维空间摆动而导致纱线悬挂堆叠；同时应小于两倍瓶口直径，以避免孔隙在收紧后落于封头段，使得缠绕轨迹发生偏移。

对于待缠绕件固定方式而言，采用传统三爪卡盘夹持即可，可实现正常的夹持旋转、轴向移动即可满足方法所需动作。

在待缠绕件瓶口直径过大或过小时，方法中对于容器张力保持阶段，自动上丝机构远离多束纤维缠绕装置12张紧距离应随之进行一定的修正：在容器瓶口直径过小时，通过延长张紧距离使得在孔隙圆成形过程中精度提高，且孔隙圆直径降低，满足实际需求；在待缠绕件直径瓶口过大时，应缩小张紧距离缓慢旋绕以保证孔隙圆可正常嵌套，亦或直接更换支撑部6围成的圆周更大的自动上丝机构。

残纱去除阶段包括以下步骤；

如图10所示：S1，自动上丝机构上的环形刀具4推出，将支撑部6外周面与压力容器极孔间纤维束切断，自动上丝机构与多束纤维缠绕装置12间连接断开；

S2，自动上丝机构上的割刀7推出，将支撑部6上缠绕的纤维束切断，纤维束从支撑部6上剥离。

如图11所示：新的压力容器缠丝前，自动上丝机构向压力容器移动，连接套5与压力容器瓶口夹紧固定，支撑盘3带动压力容器旋转完成缠丝。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多束纤维缠绕自动上丝方法，其特征在于：包括一种自动上丝机构和依次进行的机构张力保持、缠绕件换装、容器张力保持和残丝去除四个阶段；

自动上丝机构与多束纤维缠绕装置设置于同一共线轨道上协同运动，自动上丝机构包括机架（1）和支撑盘（3），支撑盘（3）与机架（1）上由自锁电机驱动的驱动轴（2）联接，支撑盘（3）上安装有径向收缩的连接套（5），支撑盘（3）的端面设有连通连接套（5）的入口，连接套（5）与驱动轴（2）同轴；支撑盘（3）上设有若干个以连接套（5）为中心环形阵列分布的支撑部（6），支撑部（6）相对支撑盘（3）的第一端面（3.1）沿轴向伸出，支撑部（6）两两之间构成一个纤维丝束卡槽，支撑部（6）的数量等于多束纤维缠绕装置的纤维丝束数量，支撑盘（3）上在支撑部（6）与连接套（5）之间装嵌有与连接套（5）同轴、可轴向滑动的环形刀具（4），环形刀具（4）与支撑盘（3）上的第一驱动部（10）相连；支撑盘（3）上在支撑部（6）两两之间设有可轴向滑动的割刀（7），割刀（7）与支撑盘（3）上的第二驱动部（11）相连；

机构张力保持阶段包括以下步骤；

S1，前一压力容器完成缠绕动作后，将自由端纤维束在轴向上旋绕固定于压力容器极孔位置；

S2，多束纤维缠绕装置（12）沿与压力容器的轴线平行布置的轨道向远离自动上丝机构方向移动一压力容器封头段高度距离；

S3，自动上丝机构沿轨道滑动将其上的支撑部（6）插入多束纤维束间间隙，由支撑盘（3）绕压力容器轴线旋转带动各束纤维缠绕于支撑部（6）外周面，实现纤维束的张力保持；

缠绕件换装阶段包括以下步骤；

S1，自动上丝机构沿轨道向远离压力容器方向移动将支撑部（6）外周面与压力容器极孔间纤维束张紧；

S2，自动上丝机构上的环形刀具（4）推出，将支撑部（6）外周面与压力容器极孔间纤维束切断，缠绕完成的前一压力容器与多束纤维缠绕装置（12）间连接纤维断开；

S3，由机械臂将压力容器从缠绕夹持装置（13）上移走，将待缠绕压力容器移至缠绕夹持装置（13）上夹紧，缠绕件换装完成；

容器张力保持阶段包括以下步骤；

S1，自动上丝机构带动支撑部（6）与多束纤维缠绕装置（12）间纤维束绕轴线旋转，多束纤维束交叉形成一个与压力容器瓶口直径匹配的近圆孔隙；

S2，缠绕夹持装置（13）带动压力容器沿轴向移动将瓶口伸入近圆孔隙中；

S3，自动上丝机构带动支撑部（6）与多束纤维缠绕装置（12）间纤维束绕轴线继续旋转，将纤维束缠绕于待缠绕压力容器封头极孔处，实现容器张力保持；

残丝去除阶段包括以下步骤；

S1，自动上丝机构上的环形刀具（4）推出，将支撑部（6）外周面与压力容器极孔间纤维束切断，自动上丝机构与多束纤维缠绕装置（12）间连接断开；

S2，自动上丝机构上的割刀（7）推出，将支撑部（6）上缠绕的纤维束切断，纤维束从支撑部（6）上剥离；

若干个所述的割刀（7）与同一个刀盘（8）相连同步动作，割刀（7）安装在刀盘（8）的刀架（9）上，刀盘（8）与支撑盘（3）滑动配合、与第二驱动部（11）相连；

所述的支撑盘（3）是圆盘，圆盘外侧周向分布有分隔槽（3.2），刀盘（8）上的刀架（9）一一对应可滑动地插装在分隔槽（3.2）内。

2.根据权利要求1所述的一种多束纤维缠绕自动上丝方法，其特征在于：所述的割刀（7）是圆形刀片，割刀（7）与支撑盘（3）径向平行。

3.根据权利要求1所述的一种多束纤维缠绕自动上丝方法，其特征在于：所述的机架（1）包括升降节（1.1）、基座（1.3）和直线驱动部（1.2），基座（1.3）的顶端与升降节（1.1）的底端嵌套相连，直线驱动部（1.2）竖向安装在基座（1.3）和升降节（1.1）之间的空腔内。

4.根据权利要求1所述的一种多束纤维缠绕自动上丝方法，其特征在于：所述的支撑部（6）是与连接套（5）径向平行的肋板。

Images