CN116219627A - 一种3d纤维编织与缠绕一体成型装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种3D纤维编织与缠绕一体成型装置及其使用方法，属于复合材料成型技术领域。包括连接柱、转盘传动机构、中心盘、转盘、携纱器固定底盘、携纱器运动轨道、携纱器、轨道传动机构、多自由度机械手、滑座、滑轨。本申请3D纤维编织与缠绕一体成型装置结构合理，对编织、缠绕及二者组合的织物成型工作的便捷高效完成具有重大意义。

Description

一种3D纤维编织与缠绕一体成型装置及其使用方法

技术领域

本申请涉及一种3D纤维编织与缠绕一体成型装置及其使用方法，属于复合材料成型技术领域。

背景技术

具备高比强度的复合材料被广泛地应用于汽车、航空、海洋等工程领域。对应的产品如复合材料增强体一般采用编织、缠绕、机织、针织等方式制造，其中纤维编织和缠绕是制造管件、压力容器、圆筒等复合材料构件的常用方法。

缠绕结构通过单向铺设的高轴向弹性模量丝束形成较高面内力学性能，但其抗面外冲击性能较差：

1）铺层角度差异导致层间刚度不匹配，因此冲击载荷下容易诱发分层损伤；

2）裂纹在纤维卷曲率较低的单向结构中极易扩展，因此导致其冲后性能显著下降。

编织结构丝束交织具有准各向同性刚度可抑制层间分层，并且裂纹扩展往往在丝束交织点发生偏转，因此其抗冲击性能优异。然而交织纱线的较高纤维曲率也在一定程度上降低了其面内力学性能。

因此，在实际生产及科学研究领域，时常需要两种纺织结构相配合以制造出强度更高、性能更稳定的复合材料构件。而在目前的生产中，要实现该两种纺织结构的配合多采用的是将缠绕机和编织机两个机器联动的工作方式，但该工作方式需要不断拆卸安装锭轴，在生产效率降低的同时也增大了人力成本，由此，迫切需要可同时实现复合材料纤维编织和缠绕的装置。

同时，传统的纤维编织和纤维缠绕方式中，机器是以一定速度传送纱线的同时控制芯轴运动的方式进行。一方面该方式对于缠绕角度的控制不够精准，成品质量不够高；另一方面该方式对于芯轴的尺寸、放置位置均有限制，不适于大型、异形构件。

因此，为解决上述问题，很有必要提供一种创新的结合编织和缠绕两种结构的可实现3D纺织的机器装置，以克服现有技术中3D纤维编织与缠绕方式的缺陷。

发明内容

有鉴于此，本申请首先提供一种3D纤维编织与缠绕成型一体装置，其能在多个维度上准确、高效、便捷地完成纤维编织和缠绕两种工作，且适用于大型异形构件的编织、缠绕。

具体地，本申请是通过以下方案实现的：

一种3D纤维编织与缠绕一体成型装置，包括连接柱、转盘传动机构、转盘电机、中心盘、转盘、携纱器固定底盘、携纱器运动轨道、携纱器、滚轮、固定支架、轨道传动机构、多自由度机械手、滑座、滑轨。

所述连接柱连接多自由度机械手和中心盘，使多自由度机械手带动中心盘进行运动。

所述中心盘上安装有固定支架、滚轮、转盘电机、转盘传动机构；所述滚轮的凹槽内安置转盘。

所述转盘上安装有携纱器运动轨道。

所述携纱器运动轨道上安装携纱器固定底盘。

所述携纱器由携纱器运动轨道和携纱器固定底盘夹持。

所述转盘传动机构通过转盘电机驱动转盘从而带动携纱器运动轨道、携纱器固定底盘及携纱器同时进行环转。

所述轨道传动机构安装于携纱器运动轨道非工作面，带动携纱器运动轨道运行。

所述滑座上放置多自由度机械手，并与滑轨之间相对滑动。

进一步的，作为优选：

所述滚轮呈环形安装在中心盘上，并夹持所述转盘。

所述携纱器运动轨道通过螺栓固定在转盘上，转盘外径大于携纱器运动轨道外径。

所述固定支架呈环形安装在中心盘上，伸长部分悬空于转盘和携纱器运动轨道之间，长度刚好覆盖转盘边缘裸露的部分。

所述携纱器运动轨道由轴承、齿轮传动轴、轨道固定盘、齿轮、端盖、不规则螺栓和轨道传动机构组成，其中齿轮传动轴大径部分嵌在轨道固定盘内的轴承上，小径部分通过平键固定齿轮，最后由不规则螺栓依次将轨道固定盘、齿轮传动轴、端盖串起来，其中端盖与不规则螺栓间为螺纹连接，且端盖与携纱器固定底盘位于同一水平面。

所述轨道传动机构安装在携纱器运动轨道的非工作面，由传动齿轮、电机齿轮、轨道电机组成。其中，传动齿轮直接与携纱器运动轨道中的齿轮传动轴焊接在一起，由此当轨道电机启动，驱动电机齿轮运行，同时带动同平面的传动齿轮工作，进而使得携纱器运动轨道上某一齿轮旋转，从而带动整个携纱器运动轨道上其他齿轮运动，以此实现纤维编织工作。

所述携纱器由携纱器运动轨道和携纱器固定底盘夹持，具体为携纱器的底盘周边部分位于在携纱器运动轨道端盖和齿轮垂直方向之间，同时梭形柱部分在端盖与携纱器固定底盘水平方向间，圆形柱部分在携纱器运动轨道的齿轮凹槽内。

所述转盘传动机构包括主带轮、主轴、v带、从带轮、从轴、橡胶轮；所述主带轮由主轴固定在所述中心盘上，其通过v带与从带轮连接，所述从带轮通过从轴固定在所属中心盘上，同时固定橡胶轮。

其次，本申请第二方面目的，是提供了上述装置的使用方法，包括以下步骤：

1）将锭轴安装在所述携纱器上；

2）将多自由度机械手放置在滑座上，开启滑座电机，使得多自由度机械手在滑轨上移动，多自由度机械手驱动中心盘，控制其进给速度和精确位置；

3）开启转盘电机，关闭轨道电机。转盘电机通过转盘传动机构实现转盘及其上安装的携纱器运动轨道和携纱器固定底盘的环形转动，间接带动携纱器进行环形转动，由此实现纤维缠绕工作，同时可以调节转盘转动速度以控制精确的缠绕速度，生产出质量优良的缠绕构件。

4）开启轨道电机，关闭转盘电机。轨道电机通过轨道传动机构驱动携纱器运动轨道运行，携纱器运动轨道中齿轮的转动带动两组携纱器分别沿顺时针和逆时针方向进行正弦轨迹的运动，实现纤维编织工作。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1. 本发明的3D纤维编织与缠绕成型一体装置可在一个机器上同时实现对纤维的编织和缠绕工作，满足了一个构件混合编织、缠绕两种结构的需求，省去了传统方式中不断拆卸安装锭轴的步骤，大大提高了工作效率，节约人力物力；

2.本发明的3D纤维编织与缠绕成型一体装置通过多自由度机械手，可以实现对中心盘多维度上移动位置的精确控制，大大提高了织物编织、缠绕工作的便利性、可控性；

3. 本发明的3D纤维编织与缠绕成型一体装置通过轨道电机控制轨道传动机构带动转盘及携纱器运动轨道环转，可以实现对纤维缠绕速度的准确控制，结合多自由度机械手的运动即可精确控制缠绕角度，对后续复合材料缠绕构件的性能有关键作用；

4. 本发明的3D纤维编织与缠绕成型一体装置对目标芯轴的形状、尺寸无较高要求，可适配大型异形构件。

附图说明

图1为本申请的立体结构示意图；

图2为本申请中转盘传动机构的立体结构示意图；

图3为本申请中的转盘的结构示意图；

图4为本申请中滚轮的立体图；

图5为本申请中的携纱器运动轨道的结构示意图；

图6为图5中不规则螺栓的立体结构示意图；

图7为本申请中携纱器运动轨道的结构示意图；

图8为本申请中轨道传动机构与不规则螺栓的配合结构示意图；

图9为本申请中携纱器运动轨道和轨道传动机构的连接结构示意图；

图10为本申请中携纱器的立体结构示意图；

图11是本申请中滑座的立体结构示意图。

图中标号：1.连接柱；11.滑座；111.滑座电机；12.多自由度机械手；13.滑轨；2.转盘；21.转盘传动机构；211.主带轮；212.主轴；213.v带；214.从带轮；215.从轴；216.橡胶轮；22.转盘电机；3.中心盘；4.携纱器固定底盘；5.携纱器运动轨道；51.轴承；52.齿轮传动轴；53.轨道固定盘；531.非工作面；54.齿轮；55.端盖；56.不规则螺栓；6.携纱器；61.圆形柱；62.底盘；63.梭形柱；64. 携纱器立杆；65. 锭轴；7.轨道传动机构；71.传动齿轮；72.电机齿轮；73.轨道电机；8.滚轮；81.固定支架；82.凹槽。

具体实施方式

请参阅说明书附图1至附图8所示，其为本发明的一种纤维编织/缠绕成型一体装置，该装置由连接柱1、转盘传动机构21、转盘电机22、中心盘3、转盘2、携纱器固定底盘4、携纱器运动轨道5、携纱器6、滚轮8、固定支架81、轨道传动机构7、多自由度机械手12、滑座11、滑轨13等组成。

其中，连接柱1连接多自由度机械手12和中心盘3。中心盘3上安装有固定支架81、滚轮8、转盘电机22、转盘传动机构21。

进一步地，滚轮8共有若干个，呈环形安装在中心盘3上，滚轮8的凹槽82内夹持转盘2。固定支架81数量与滚轮8一致，亦呈环形安装在中心盘3上，伸长部分悬空于转盘2和携纱器运动轨道5之间，长度刚好覆盖转盘2边缘裸露的部分。

转盘传动机构21通过转盘电机22驱动转盘2；转盘2驱动携纱器运动轨道5旋转。携纱器运动轨道5通过螺栓安装在转盘2上。携纱器运动轨道5上安装携纱器固定底盘4，且携纱器固定底盘4与携纱器运动轨道5上的端盖55于同一平面上。

转盘传动机构21包括主带轮211、主轴212、v带213、从带轮214、从轴215、橡胶轮216等几部分组成。主带轮211由主轴212固定在中心盘3上，主带轮211通过v带213与从带轮214连接，从带轮214和橡胶轮216均通过从轴215枢接在中心盘3上；橡胶轮216和转盘2摩擦接触，使橡胶轮216直接传动转盘2转动。

滚轮8设置有若干个，并呈环形安装在中心盘3上，滚轮8的凹槽82夹持转盘2，以对转盘2进行约束。固定支架81和滚轮8相对应，其亦呈环形安装在中心盘3上，伸长部分悬空于转盘2和携纱器固定底盘4之间，长度刚好覆盖转盘2边缘裸露的部分，以进一步对转盘2进行约束。

携纱器运动轨道5由轴承51、齿轮传动轴52、轨道固定盘53、齿轮54、端盖55、不规则螺栓56和轨道传动机构7组成，其中齿轮传动轴52大径部分嵌在轨道固定盘53内的轴承51上，小径部分通过平键固定齿轮54，最后由不规则螺栓56依次将轨道固定盘53、齿轮传动轴52、端盖55串起来，其中端盖55与不规则螺栓56间为螺纹连接。

携纱器运动轨道非工作面531上安装有轨道传动机构7用以驱动携纱器运动轨道5运行；轨道传动机构7由传动齿轮71、电机齿轮72、轨道电机73组成，电机齿轮72和传动齿轮71为圆柱直齿传动。

携纱器6由携纱器运动轨道5和携纱器固定底盘4夹持，具体为携纱器6的底盘62周边部分位于在携纱器运动轨道5端盖55和齿轮54垂直方向之间，同时梭形柱63部分在端盖55与携纱器固定底盘4水平方向间，圆形柱61部分在携纱器运动轨道5的齿轮凹槽内。

滑座11上放置多自由度机械手12，并与滑轨13之间相对滑动。

采用上述纤维编织/缠绕一体装置对纤维进行3D编织和缠绕的方法包括如下几个步骤：

1），将锭轴65安装在携纱器6上，具体为将锭轴65套在携纱器立杆64上并固定；

2），将多自由度机械手12放置在滑座11上，开启滑座电机111，使得多自由度机械手12在滑轨13上移动，通过多自由度机械手12驱动中心盘3，控制其进给速度和精确位置，同时实现了对中心盘3在多维上的移动。

3），开启转盘电机22，关闭轨道电机73。转盘电机22通过转盘传动机构21实现转盘2及其上安装的携纱器运动轨道5和携纱器固定底盘4的环形转动，间接带动携纱器6进行环形转动，由此实现纤维缠绕工作，同时可以调节转盘2转动速度以控制精确的缠绕速度，生产出质量优良的缠绕构件。

4），开启轨道电机73，关闭转盘电机22。轨道电机73通过轨道传动机构7驱动携纱器运动轨道5运行，携纱器运动轨道5中齿轮54转动的同时带动携纱器6自动分为两组，且分别进行顺、逆两个时针方向的正弦轨迹运动，实现纤维编织工作。

Claims (10)

1.一种3D纤维编织与缠绕一体成型装置，其特征在于：包括连接柱、转盘传动机构、中心盘、转盘、携纱器固定底盘、携纱器运动轨道、携纱器、轨道传动机构、多自由度机械手、滑座、滑轨，

所述滑座滑动安装在滑轨上，滑座上设置有多自由度机械手；

所述多自由度机械手末端安装有连接柱，连接柱连接有中心盘，使多自由度机械手带动中心盘进行运动；

所述中心盘上安装有转盘、转盘传动机构，转盘由转盘传动机构驱动；

所述转盘上安装有携纱器运动轨道，携纱器固定底盘安装在携纱器运动轨道上，所述携纱器由携纱器运动轨道和携纱器固定底盘夹持；

所述轨道传动机构安装于携纱器运动轨道非工作面，带动携纱器运动轨道运行；

转盘转动，带动携纱器运动轨道、携纱器固定底盘及携纱器同时进行环转，而相邻携纱器分别进行顺、逆两个时针方向的正弦轨迹运动。

2.根据权利要求1所述的一种3D纤维编织与缠绕一体成型装置，其特征在于：所述中心盘上还设置有若干个滚轮，转盘安置于若干个滚轮之间。

3.根据权利要求2所述的一种3D纤维编织与缠绕一体成型装置，其特征在于：滚轮呈环形安装在中心盘上，并夹持转盘。

4.根据权利要求1所述的一种3D纤维编织与缠绕一体成型装置，其特征在于：所述轨道传动机构由传动齿轮、电机齿轮、轨道电机组成，传动齿轮直接与携纱器运动轨道中的齿轮传动轴连接，轨道电机启动，驱动电机齿轮运行，同时带动同平面的传动齿轮工作，进而使携纱器运动轨道上相应齿轮旋转，从而带动整个携纱器运动轨道上剩余齿轮运动。

5.根据权利要求1所述的一种3D纤维编织与缠绕一体成型装置，其特征在于：所述携纱器运动轨道由轴承、齿轮传动轴、轨道固定盘、齿轮、端盖、不规则螺栓和轨道传动装置组成，齿轮传动轴包括大径部分和小径部分，大径部分嵌在轨道固定盘内的轴承上，小径部分固定齿轮，不规则螺栓依次将轨道固定盘、齿轮传动轴、端盖串起来，端盖与不规则螺栓间为螺纹连接，且端盖与携纱器固定底盘位于同一水平面。

6.根据权利要求5所述的一种3D纤维编织与缠绕一体成型装置，其特征在于：每个齿轮上均布有凹槽携纱器置于凹槽内，使得携纱器运动轨道上的全部携纱器是连续的类正弦排列，相邻齿轮转动方向相反，轨道电机启动时，携纱器在齿轮的推动下自动分成两组，分别进行顺、逆两个时针方向的正弦轨迹运动。

7.根据权利要求5所述的一种3D纤维编织与缠绕一体成型装置，其特征在于：所述携纱器包括底盘、梭形柱和圆形柱，底盘的周边在端盖和齿轮垂直方向之间，同时梭形柱在端盖与携纱器固定底盘水平方向间，圆形柱在携纱器运动轨道的齿轮凹槽内。

8.根据权利要求1所述的一种3D纤维编织与缠绕一体成型装置，其特征在于：所述携纱器运动轨道通过螺栓固定在转盘上，转盘外径大于携纱器运动轨道外径。

9.根据权利要求1所述的一种3D纤维编织与缠绕一体成型装置，其特征在于：所述中心盘上安装有固定支架，固定支架与滚轮对应设置，固定支架设置有伸长部分，所述伸长部分悬空于转盘和携纱器运动轨道之间，其长度刚好覆盖转盘边缘裸露的部分。

10.一种权利要求1所述3D纤维编织与缠绕一体成型装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）将锭轴安装在携纱器上；

2）将多自由度机械手放置在滑座上，启动滑座，多自由度机械手在滑轨上移动，多自由度机械手驱动中心盘，控制其进给速度和精确位置；

3）开启转盘传动机构，转盘传动机构实现转盘及其上安装的携纱器运动轨道和携纱器固定底盘的环形转动，间接带动携纱器环形转动，同时配合多自由度机械手在滑轨上的移动，实现纤维缠绕工作，并根据制造需要调节转盘转动速度以控制缠绕速度；

4）启动轨道传动机构，关闭转盘传动机构，轨道传动机构驱动携纱器运动轨道运行，并带动相邻两组携纱器分别沿顺时针和逆时针方向进行正弦轨迹的运动，实现纤维编织工作。

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