CN115972621A - 用于复合材料转筒制备的机器人缠绕方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于复合材料转筒制备的机器人缠绕方法及装置，装置包括装配于缠绕机床身上的机器人小车，所述机器人小车上设置机器人本体，机器人本体的末端设置末端执行器；所述末端执行器与机器人本体通过定位盘连接；方法为将工件装卡于缠绕机，根据产品尺寸确定机器人小车初始位置；将缠绕头通过定位盘安装在机器人本体末端；将纤维轴装在纱轴上，按照指定路径穿过缠绕头组件；确定好缠绕铺层及张力制度，张力通过张力施加单元进行控制。本发明采用机器人并配置不同的末端执行器，实现高自由度、高柔性、具有复杂异形件成型能力、可扩展模块的多工艺复合成型机器人缠绕方法及装置。

Description

用于复合材料转筒制备的机器人缠绕方法及装置

技术领域

本发明属于高强度、高精密复合材料薄壁圆筒件的机器人缠绕成型技术领域，尤其涉及一种用于复合材料转筒制备的机器人缠绕方法及装置。

背景技术

在现有的复合材料成型工艺中，纤维缠绕成型工艺由于可设计性强，能够使纤维精确地按设计方向整齐排列，因此最能充分发挥纤维的高比强度、高比模量，在航天航空、化工、汽车、体育等产品方面有很好的应用前景，如生产航天飞机的压力舱，火箭发动机的壳体等。

缠绕机是纤维缠绕复合材料制品的核心装备，多运动轴联动的缠绕机逐渐成为标配装备，但存在自由度低、适应性及柔性差、无法自动缠绕成型复杂异形复合材料制品等问题，而机器人本体具有自由度多、通用性好、精度高和可扩展性强等优点，特别适合复杂形状复合材料制品的高精度自动缠绕成型。

机器人本体纤维缠绕的自由度比传统缠绕设备要高，通过关节臂的协同转动可以实现三维空间内的灵活运动。同时不同于传统缠绕机往往根据产品本身设计，功能单一，适应性差，机器人本体纤维缠绕适应性强，柔性高。未来社会产品种类繁多，针对多种类、小批量的产品，传统的设备和制造方法势必需要频繁改造，甚至更换设备，消耗太大，造价过高。因此研制以机器人本体为核心的复合材料柔性制造单元在制造业中有着重要意义。

除了适应性及柔性差的缺点外，传统缠绕设备在成型复杂异形复合材料制品等方面也存在不足。针对变截面异形结构，要实现其缠绕成型，则需要增加升降、偏摆等功能。对于卧式缠绕系统，升降坐标的加入，会大幅度增加机床的制造难度和制造成本。

综上所述，现有技术存在的问题为：

(1)解决传统缠绕设备自由度低、适应性及柔性差、成型能力单一的技术难题；

(2)解决复杂异形复合材料制品成型困难的问题；

(3)解决复合材料制品多段式复合成型需求的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于复合材料转筒制备的机器人缠绕方法及装置，以解决上述存在的一个或多个技术问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于复合材料转筒制备的机器人缠绕装置，包括装配于缠绕机床身上的机器人小车，所述机器人小车上设置机器人本体，机器人本体的末端设置末端执行器；所述末端执行器与机器人本体通过定位盘连接。

在上述技术方案中，所述机器人本体为六关节臂。

在上述技术方案中，所述末端执行器为缠绕与成型加工装置；所述缠绕与成型加工装置包括干法预浸带缠绕头、预浸丝束缠绕头、布带缠绕头或简易铺缠装置。

在上述技术方案中，所述干法预浸带缠绕头包括至少一个纱轴、张力施加装置、纤维导向机构、加热装置和固定架；固定架设置于定位盘上，纱轴设置于固定架上，且与固定于固定架另一侧的张力施加装置的驱动轴连接，纱轴外部套设纤维卷；所述纤维导向机构包括依次设置于纱轴出纱方向上的导纱辊和挑纱辊，以及设置于纱轴下的辅助导向机构。

在上述技术方案中，所述辅助导向机构包括固定于定位盘上的安装架，安装架上沿出纱方向依次设置导向架、辅助导向辊、张力传感器和丝嘴辊，所述丝嘴辊下方设置加热装置。

在上述技术方案中，所述加热装置为红外加热装置，实现室温～80℃的加热。

在上述技术方案中，所述张力施加单元实现对40-400N范围的张力施加和控制。

在上述技术方案中，所述张力施加单元为磁粉制动器、伺服电机或力矩电机。

一种用于复合材料转筒制备的机器人缠绕方法，包括以下步骤：

(ⅰ)将工件与缠绕机主轴支撑结构进行装卡，根据产品尺寸确定机器人小车初始位置；

(ⅱ)将末端执行器通过定位盘安装在机器人末端；

(ⅲ)将纤维轴装在纱轴上，按照指定路径穿过缠绕头组件；

(ⅳ)确定好缠绕铺层及张力制度，开始缠绕，张力通过张力施加单元进行控制。

在上述技术方案中，所述步骤(ⅳ)纤维缠绕过程中开启红外加热辅助完成缠绕成型。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种用于复合材料转筒制备的机器人缠绕方法及装置，选用高精度六轴工业机器人本体，在满足复杂异形结构件成型自由度和成型精度的基础上，大幅降低制造成本；机器人缠绕的可扩展性强，机器人缠绕系统的缠绕头，相对于机器人本体为独立的执行模块，通过更换末端的执行器，便于更换不同缠绕与成型加工装置，包括干法预浸带缠绕、预浸丝束缠绕、布带缠绕、简易铺缠装置等，从而满足多段式异形复合材料构件的一体化成型工艺探索需求。

附图说明

图1是本发明用于复合材料转筒制备的机器人缠绕装置的结构示意图；

图2是本发明实施例1中干法预浸带缠绕头的结构示意图。

其中：

1机器人小车

2工件

3末端执行器

4机器人本体

5主轴机床

3-1定位盘                3-2纱轴

3-3纤维卷                3-4张力施加装置

3-5导纱辊                3-6挑纱辊

3-7张力传感器            3-8丝嘴辊

3-9加热装置              3-10固定架

3-11安装架               3-12导向架

3-13辅助导向辊。

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，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明技术方案，下面结合说明书附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

如图1所示，一种用于复合材料转筒制备的机器人缠绕装置，、包括装配于缠绕机床身上的机器人小车1，所述机器人小车1上设置机器人本体4，机器人本体4的末端设置末端执行器；所述末端执行器与机器人本体4通过定位盘连接。

在本实施例中，所述末端执行器为干法预浸带缠绕头3，其结构如图2所示，所述干法预浸带缠绕头3通过定位盘3-1与机器人本体4的末端连接。

所述干法预浸带缠绕头3包括至少一个纱轴3-2、张力施加装置3-4、纤维导向机构和加热装置3-9；

所述定位盘3-1远离机器人本体4的端面设置固定架3-10，纱轴3-2设置于固定架3-10上，且与固定于固定架3-10另一侧的张力施加装置3-4的驱动轴连接，纱轴3-2与固定架3-10之间设置轴承；纱轴3-2外部套设纤维卷3-3；

所述纤维导向机构包括依次设置于纱轴3-2出纱方向上的导纱辊3-5和挑纱辊3-6，以及设置于纱轴3-2下的辅助导向机构，所述辅助导向机构包括固定于定位盘3-1上的安装架3-11，安装架3-11上沿出纱方向依次设置导向架3-12、辅助导向辊3-13、张力传感器3-7和丝嘴辊3-8，所述丝嘴辊3-8下方设置加热装置3-9；

纤维卷3-3上的纤维依次通过导向架3-12、导纱辊3-5、辅助导向辊3-13、挑纱辊3-6、张力传感器3-7和丝嘴辊3-8完成出纱。

在本实施例中，所述纱轴3-2设置上下两组，每个纱轴3-2前端均设置导纱辊3-5。

在本实施例中，所述机器人本体3为高精度六轴工业机器人，凡是满足六关节臂要求的机械臂或其它工业机器人均可。

在本实施例中，所述张力施加装置3-4为磁粉制动器，实现双团40～400N范围的大张力缠绕。

在本实施例中，所述挑纱辊3-6为机械式弹簧挑纱辊，实现收纱、平缓张力波动。

在本实施例中，所述加热装置3-9为红外加热装置，可提供室温～80℃的加热，同时能实现自测温、闭环控制。

本发明适用于的工件2可为圆筒状、变径回转结构、或三通管等结构。

实施例2

以实施例1为基础，一种用于复合材料转筒制备的机器人缠绕方法，包括以下步骤：

(ⅰ)将工件2与缠绕机主轴支撑结构进行装卡，同时根据产品尺寸确定机器人小车1初始位置；

(ⅱ)将干法预浸带缠绕头3通过定位盘安装在机器人本体4末端；

(ⅲ)将预浸纱的纤维卷3-3装在纱轴3-2上，按照指定路径穿过导向机构；

(ⅳ)确定好缠绕铺层及张力制度施加；

(ⅴ)在纤维缠绕过程中可开启红外加热并完成后续缠绕成型工作

(ⅵ)主轴机床5带到工件2转动，完成纤维的缠绕。

本发明的创新点在于采用机器人并配置不同的末端执行器，实现高自由度、高柔性、具有复杂异形件成型能力、可扩展模块的多工艺复合成型机器人缠绕方法及装置，机器人主体可根据实际需要选择满足自由度需求的市售产品，末端执行器不限于本发明实施例1所述结构，所有缠绕与成型加工装置均可作为末端执行器，本领域技术人员可根据实际需求设计末端执行器的具体结构。

本发明与现有传统缠绕机相比，由于将纤维纱轴装在机器人本体末端，减少了纤维的过程磨损，同时可以实现更快的出纱速度，提高缠绕效率，由于协调了六关节臂的运动，可以实现不同尺寸、不同异形截面的产品成型；通过引入红外加热，可以实现纤维预浸纱的原位加热，即在缠绕的同时实现树脂的软化(在一定范围内，树脂黏度随温度升高而降低)并进一步凝胶固化；通过引入末端执行器定位盘，增加了可扩展模块的接口，通过更换不同的缠绕与成型加工装置，包括但不限于缠绕头、铺放头、激光辅助热塑性树脂成型部件、增材制造单元等，从而实现干法预浸带缠绕、预浸丝束缠绕、布带缠绕、简易铺缠、新成型工艺探索等功能，从而满足多段式异形复合材料构件的一体化成型工艺探索需求。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种用于复合材料转筒制备的机器人缠绕装置，其特征在于：包括装配于缠绕机床身上的机器人小车(1)，所述机器人小车(1)上设置机器人本体(4)，机器人本体(4)的末端设置末端执行器；所述末端执行器与机器人本体(4)通过定位盘连接。

2.根据权利要求1所述的用于复合材料转筒制备的机器人缠绕装置，其特征在于：所述机器人本体(3)为六关节臂。

3.根据权利要求1所述的用于复合材料转筒制备的机器人缠绕装置，其特征在于：所述末端执行器为缠绕与成型加工装置；所述缠绕与成型加工装置包括干法预浸带缠绕头、预浸丝束缠绕头、布带缠绕头或简易铺缠装置。

4.根据权利要求3所述的用于复合材料转筒制备的机器人缠绕装置，其特征在于：所述干法预浸带缠绕头包括至少一个纱轴(3-2)、张力施加装置(3-4)、纤维导向机构、加热装置(3-9)和固定架(3-10)；固定架(3-10)设置于定位盘上，纱轴(3-2)设置于固定架(3-10)上，且与固定于固定架(3-10)另一侧的张力施加装置(3-4)的驱动轴连接，纱轴(3-2)外部套设纤维卷(3-3)；所述纤维导向机构包括依次设置于纱轴(3-2)出纱方向上的导纱辊(3-5)和挑纱辊(3-6)，以及设置于纱轴(3-2)下的辅助导向机构。

5.根据权利要求4所述的用于复合材料转筒制备的机器人缠绕装置，其特征在于：所述辅助导向机构包括固定于定位盘上的安装架(3-11)，安装架(3-11)上沿出纱方向依次设置导向架(3-12)、辅助导向辊(3-13)、张力传感器(3-7)和丝嘴辊(3-8)，所述丝嘴辊(3-8)下方设置加热装置(3-9)。

6.根据权利要求5所述的用于复合材料转筒制备的机器人缠绕装置，其特征在于：所述加热装置(3-9)为红外加热装置，实现室温～80℃的加热。

7.根据权利要求1所述的用于复合材料转筒制备的机器人缠绕装置，其特征在于：所述张力施加单元实现对40-400N范围的张力施加和控制。

8.根据权利要求1所述的用于复合材料转筒制备的机器人缠绕装置，其特征在于：所述张力施加单元为磁粉制动器、伺服电机或力矩电机。

9.一种用于复合材料转筒制备的机器人缠绕方法，其特征在于：包括以下步骤：

(ⅰ)将工件与缠绕机主轴支撑结构进行装卡，根据产品尺寸确定机器人小车初始位置；

(ⅱ)将末端执行器通过定位盘安装在机器人末端；

(ⅲ)将纤维轴装在纱轴上，按照指定路径穿过缠绕头组件；

(ⅳ)确定好缠绕铺层及张力制度，开始缠绕，张力通过张力施加单元进行控制。

10.根据权利要求1所述的用于复合材料转筒制备的机器人缠绕方法，其特征在于：所述步骤(ⅳ)纤维缠绕过程中开启红外加热辅助完成缠绕成型。

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