CN210234064U - 一种碳纤维编织装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及建筑施工技术领域，具体公开了一种碳纤维编织装置及系统，包括机械臂、编织框架和纱架，所述机械臂上安装有末端执行器，编织框架通过铝合金框架支架固定，编织框架上设有编织锚点，纱架上安装有碳纤维原丝支架和树脂浴缸。该碳纤维编织装置通过改变编织框架的造型以及纱架方位，结合编织程序，可以方便地实现任意造型的碳纤维成品编织。由于机械臂操作，保证了施工质量，提高施工效率，制作出少有的复杂的定制化的碳纤维制品，能够实现复杂曲面造型的碳纤维编织，形成建筑承重部件或者建筑装饰部件，并且碳纤维成品具有结构轻、强度大、方便安装与运输的特点。

Description

一种碳纤维编织装置及系统

技术领域

本实用新型涉及建筑施工技术领域，具体是一种碳纤维编织装置及系统。

背景技术

碳纤维作为新型高强度材料被广泛运用于航空航天、船舶等产业，是实现复杂造型且提供超高结构抗性的完美材料。虽然碳纤维拥有如此好的性能表现，可是在建筑领域的应用很少，特别是在复杂造型的建筑部件成型上的运用少之又少。

现阶段建筑领域中运用到碳纤维的部分大多为在结构施工时，钢筋混凝土框架结构成型后不及预期强度，便会使用碳纤维预浸布工艺，对底梁进行层叠式加固，依赖于碳纤维预浸布能贴合任何造型的特点，无论底梁是什么造型，都能完美的敷贴并进行加固。

可惜，这样的工艺浪费了碳纤维本身的超强塑性能力。碳纤维本身应该更适用于复杂造型的成型，并且更深一步，碳纤维成型后能为自身及其他部件提供支撑和传递荷载的强大能力。

由于碳纤维模具制作的高成本以及固化过程中高产热的特性，使得碳纤维作为建筑结构或者装饰部件的想法迟迟未能实现。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种碳纤维编织装置及系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种碳纤维编织装置，包括机械臂、编织框架和纱架，所述机械臂上安装有末端执行器，牵引碳纤维丝并将其缠绕至编织框架上；编织框架，用于实现目标碳纤维构筑形态的框架，通过铝合金框架支架固定，编织框架上设有编织锚点，碳纤维固化成型后拆除，根据建筑或装置造型设计要求而定；纱架上安装有碳纤维原丝支架和树脂浴缸，所述碳纤维原丝支架用于安置碳纤维原丝，所述树脂浴缸用于往干燥碳纤维原丝上添加适量树脂。

作为本实用新型进一步的方案：所述末端执行器包括连接部和编织部件，所述连接部与所述编织部件连接，所述连接部用于连接机械臂，所述编织部件包括导管支架和编织导管，用于牵引碳纤维丝并将其缠绕至编织框架上。

作为本实用新型进一步的方案：所述编织锚点包括支撑螺杆和锚点组件，锚点组件设置在支撑螺杆的上端部，锚点组件包含螺母、垫片、羊角螺母和金属套筒，金属套筒套设在支撑螺杆上。

作为本实用新型进一步的方案：所述碳纤维原丝支架由不锈钢支架、滚轴、3D打印轴承座和减速器构成，不锈钢支架由T型螺丝固定在纱架上，可以快速调整和更换整个碳纤维原丝卷的位置；滚轴制作成弹簧托锟，可以快速安装和拆卸，3D打印滚轴用于填补滚轴与碳纤维原丝之间的空隙，为碳纤维原丝提供滚动轴心，减速器安装于3D打印轴承座边上的铝型材纱架上，为滚轴提供减速效果，避免在碳纤维丝牵扯力突然消失的时候，碳纤维原丝无摩擦的继续滚动太多。

作为本实用新型进一步的方案：所述树脂浴缸包括树脂浴缸支架、树脂容器和过滤器；树脂浴缸支架为不锈钢金属件，上面的锁扣设计能够实现快速安装和拆卸，清洗起来简单方便；树脂浴缸支架作用为悬挂树脂容器，也是过滤器支架，树脂容器和过滤器均安装在树脂浴缸支架上。

作为本实用新型进一步的方案：所述过滤器由过滤器滚轴和过滤压杆组成，过滤器滚轴承担定滑轮的作用，改变碳纤维丝输送方向，并分担编织导管的牵扯产生的张力。

作为本实用新型进一步的方案：所述纱架上安装有碳纤维丝定位环，便于控制碳纤维丝的路径。

作为本实用新型进一步的方案：所述碳纤维编织装置还包括烤箱，烤箱由烤箱框架与电热灯组成，用于加热碳纤维，达到加速固化过程，提高碳纤维固化成型强度；烤箱框架由挤塑聚苯保温板以及角铁框架安装而成；挤塑聚苯保温板用于围合烤箱，为内部提供稳定温度提供保障，角铁框架用于支撑烤箱结构，电热灯作为加热部分为烤箱提供热源。

一种基于所述的碳纤维编织装置的编织系统，所述编织系统还包括用于控制机械臂完成碳纤维编织施工的控制系统。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

该碳纤维编织装置通过改变编织框架的造型以及纱架方位，结合编织程序，可以方便地实现任意造型的碳纤维成品编织。由于机械臂操作，保证了施工质量，提高施工效率，制作出少有的复杂的定制化的碳纤维制品，能够实现复杂曲面造型的碳纤维编织，形成建筑承重部件或者建筑装饰部件，并且碳纤维成品具有结构轻、强度大、方便安装与运输的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，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实用新型的一些实施例。

图1为本实用新型实施例的结构示意图。

图2为本实用新型实施例中纱架的结构示意图。

图3为本实用新型实施例中树脂浴缸的结构示意图。

图4为本实用新型实施例中末端执行器的结构示意图。

图5为本实用新型实施例中编织框架的结构示意图。

图6为本实用新型实施例的流程框图。

图中：1-机械臂；2-末端执行器；3-铝合金框架支架；4-编织锚点；5-编织框架；6-树脂浴缸；7-碳纤维原丝支架；8-纱架；9-碳纤维丝定位环；11-3D打印轴承座；12-滚轴；13-树脂浴缸支架；14-树脂容器；15-过滤器；16-导管支架；17-编织导管；18-连接部；19-支撑螺杆；20-金属套筒；21-锚点组件。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

请参阅图1～5，本实用新型实施例中，一种碳纤维编织装置，包括机械臂1、编织框架5和纱架8，所述机械臂1上安装有末端执行器2，牵引碳纤维丝并将其缠绕至编织框架5上；编织框架5，用于实现目标碳纤维构筑形态的框架，通过铝合金框架支架3固定，编织框架5上设有编织锚点4，碳纤维固化成型后拆除，根据建筑或装置造型设计要求而定；纱架8上安装有碳纤维原丝支架7和树脂浴缸6，所述碳纤维原丝支架7用于安置碳纤维原丝，所述树脂浴缸6用于往干燥碳纤维原丝上添加适量树脂。

进一步的，所述末端执行器2包括连接部18和编织部件，所述连接部18与所述编织部件连接，所述连接部18用于连接机械臂1，所述编织部件包括导管支架16和编织导管17，用于牵引碳纤维丝并将其缠绕至编织框架5上。如图4所示。

具体的，所述连接部18用于与机械臂1安装连接，而连接方式可以是多种多样的，如卡接、可拆卸连接，或者螺丝连接等，当然，若机械臂1与本实用新型提供的建筑施工装置为配套设备，也可以采用焊接等连接方式。

在本实用新型的一个实施例中，编织部件主体是两段铝型材，两段铝型材之间使用135°倾角连接板连接，可以使用其他倾角的连接板，实现针对于不同造型的编织要求。编织部件中的编织导管17为铝管，主要作用是把碳纤维丝牵引并缠绕至编织锚点4上，较为坚硬耐用，易于清洗。编织导管17与铝型材通过导管支架16连接，有一定硬度但遇到过大的外力会发生弹性形变，这是为了保护其他部件。在编织导管17的两端内部，嵌入了陶瓷环，为经过导管的碳纤维丝提供圆滑的倒角，让其不会被锋利的铝管切割边缘割断。

作为一个优化方案，编织部件的铝型材主体可以更换成碳钢方管，结合角度可调节机械设计，能够实现编织部件多种倾角，根据要求改变。

作为本优化方案的进一步优化，编织部件可以使用定制碳钢方管结合可调节倾角机械设计，结合圆环螺丝安装，替代编织导管17的方案。这样能够极大的减少碳纤维经过末端执行器2时的单位面积压力。因为圆环螺丝的直径较大，碳纤维原丝在圆环上划过的时候，接触面积更大，在同样的编织倾角，同样的侧面压力，和同样的表面摩擦系数的理想状况下，那么圆环螺丝比铝管加陶瓷环的方案产生的摩擦力更小。

本实用新型中，编织框架5是本实用新型中自由度最大的一部分，会根据目标造型的改变和改变。例如本实施例中，目标造型整体为三角形，那么编织框架5会是尺寸准确的三角形。如果目标形体是一个长方体，那么将会有三对相同的矩形面，那么此例中的编织框架5将会是三个不同形状的矩形面，一共可以编织6个两两相同的矩形面。

在本实用新型中，三角形编织框架5的铝型材框架是有三层的。三层铝型材通过定制的不锈钢板连接，每层铝型材框架之间使用定制的铝型材支撑之间的空隙，来帮助整个铝型材框架稳定，抵抗铝型材的整体变形。

在本实施例中，编织框架5被固定于铝合金框架支架3之上，固定方式为定制的不锈钢弯折板连接件，配合U型螺丝和T型螺母。U型螺丝用于固定连接件与铝合金框架支架3，因为其界面为圆形；T型螺母用于固定连接件与铝型材编织框架5。

作为本实施例的优化方案，不锈钢折板连接件可以制作成快速更换件，这样使得更换编织框架更为方便，两套以上的编织框架5可以大大提高制作效率，在其中一个单元框架编制完成，碳纤维未干的时候，更换下一块安装到铝合金框架支架3上。

作为本实施例的优化方案，可选择性的在铝合金框架支架3最顶部增加一个过线环，过线环为圆环螺丝，被固定于一根铝型材上，位于整个装置的最高点。其作用在于，为了更好地使湿润碳纤维丝不触碰机械臂1到达末端执行器2，那么可以选择在编织框架5后方放置碳纤维纱架8，从顶部最高点绕过编织框架5，到达末端执行器2进行编织任务。

在本实施例中，编织锚点4被安装于编织框架5之上，如图5所示，由于由铝型材编织框架5组成的面是一个平面，而目标编织形体是一个立体的三角形空腔，因此三圈铝型材编织框架5上的编织锚点4将以框架表平面为基准，被抬高至三个不同的相对于表平面的高度。所述编织锚点4包括支撑螺杆19和锚点组件21，锚点组件21设置在支撑螺杆19的上端部，锚点组件21包含螺母、垫片、羊角螺母和金属套筒20，金属套筒20套设在支撑螺杆19上。通过支撑螺杆19和金属套筒20配合，可以达到这个效果。

在本实施例中，三圈铝型材编织框架5处于相对于框架表平面三个不同的高度。外圈为最矮的一圈，因此使用最短的支撑螺杆19和金属套筒20，几乎对编织锚点4的高度没有抬升，因此可以理解为最外层的编织面几乎紧贴在铝型材框架表平面上；中圈为中间高度；外圈被抬高至最高。

在本实施例中，如图5所示，支撑螺杆19为长螺杆，套在金属套筒20之中，支撑螺杆19横向贯穿铝型材，支撑螺杆19的螺帽位于图5所示的另外一方。这个设计是为了能够让末端执行器2把碳纤维丝牵引至锚点附近时，做环绕动作，碳纤维丝被挂在羊角螺母下，碳纤维丝便留在了锚点上。其中，金属套筒20与层层编织的锚点上的碳纤维丝紧密结合，最后拆卸时保留在上方，成为节点的一部分。同时，金属套筒20也作为不同编织面之间连接的连接部件。

在本实施例中，编织结束后，碳纤维固化后，需要通过拧松支撑螺杆19顶部的螺母，释放下方的长螺杆，从铝型材的另外一头抽出长螺杆，原来固定在螺杆上的所有锚点组件21都会脱落，仅剩下被碳纤维丝缠绕的短金属套筒20在上方。

在本实施例中，金属套筒20与编织缠绕的碳纤维丝成为一体，起到与其他部件连接的作用。因此两编织面的相同边的金属套筒位置一一对应，成90°夹角。使用定制的90°金属连接件连接。

作为本实施例的优化方案，锚点上的羊角螺母可改为单边金属把手，近似于单羊角螺母，如此优化能够减少碳纤维丝不必要的堆挂和在锚点上的累积。

本实用新型中，所述纱架8的主要结构为铝型材框架，纱架8上安装多个碳纤维原丝支架7，用于承托碳纤维原丝；碳纤维原丝摆放位置原则是滚动式互不干扰，碳纤维输送到树脂浴缸6期间不会互相触碰或者碰到别的碳纤维原丝卷。所述碳纤维原丝为碳纤维编织成品的原料，每卷为3600米长度，重6kg，一条肉眼见1cm宽碳纤维丝带由24000根碳纤维细丝组成。

本实用新型中，碳纤维原丝支架7由定制的不锈钢支架、滚轴12、3D打印轴承座11和减速器构成。其中不锈钢支架由T型螺丝固定在纱架8上，可以快速调整和更换整个碳纤维原丝卷的位置；滚轴12制作成弹簧托锟，可以快速安装和拆卸，3D打印滚轴12用于填补滚轴与碳纤维原丝之间的空隙，为碳纤维原丝提供滚动轴心，减速器安装于3D打印轴承座11边上的铝型材纱架8上，为滚轴提供减速效果，避免在碳纤维丝牵扯力突然消失的时候，碳纤维原丝无摩擦的继续滚动太多。

本实施例中，减速器使用的是弹性压杆，其压力可以通过内部内六角控制。

作为本实施例的优化方案，可以为减速器专门配置一个横跨纱架8的平台，这样的话可以更稳定的固定减速器，并且作用在3D打印构件上的位置更容易控制。

本实用新型中，如图3所示，树脂浴缸6包括树脂浴缸支架13、树脂容器14和过滤器15；树脂浴缸支架13是定制的不锈钢金属件，上面的锁扣设计能够实现快速安装和拆卸，清洗起来简单方便；树脂浴缸支架13作用为悬挂树脂容器14，也是过滤器15支架，树脂容器14和过滤器15均安装在树脂浴缸支架13上；内部配置导线陶瓷环，作用为在支架后方将多束从各个方向而来的碳纤维丝收为一束，然后进入树脂容器14；树脂浴缸支架13还有一个长臂，长臂端部固定了一个陶瓷环，过滤器15由两部分组成，分别为过滤器滚轴和过滤压杆，过滤器滚轴承担定滑轮的作用，改变碳纤维丝输送方向，并分担编织导管17的牵扯产生的张力，过滤压杆由两根手指形状的杆件组成，通过预埋子母螺丝和3D打印模具结合，浇筑硅胶得到，因此过滤压杆犹如手指一般，内有“骨骼”外有“皮肉”。

进一步的，所述纱架8上安装有碳纤维丝定位环9，便于控制碳纤维丝的路径。

所述碳纤维编织装置还包括烤箱（图中未示出），烤箱由烤箱框架与电热灯组成，用于加热碳纤维，达到加速固化过程，提高碳纤维固化成型强度；烤箱框架由挤塑聚苯保温板以及角铁框架安装而成；挤塑聚苯保温板用于围合烤箱，为内部提供稳定温度提供保障，角铁框架用于支撑烤箱结构，电热灯作为加热部分为烤箱提供热源。

本实用新型实施例的工作原理是：

干燥碳纤维原丝经机械臂1末端执行器2牵扯，从原丝卷上被抽出，经过树脂浴缸支架13上的收束陶瓷环，向下经过浸润在树脂内部的支架长臂上的陶瓷环，使得干燥碳纤维原丝上充分并过多的粘着树脂，陶瓷环长时间与长臂一起浸泡在树脂容器14里面，同时此陶瓷环也是干的碳纤维原丝的必经之路，因此干燥的碳纤维原丝会必然进入树脂容器14的树脂液体内，由于机械臂1末端执行器2在编织框架5上的不断缠绕，使得碳纤维原丝源源不断的、单向的进行这个过程；

因为过滤器滚轴在长臂上方，因此湿润带有过多树脂的碳纤维丝向上输送，经过过滤器滚轴时，滚轴提供的支撑力使得碳纤维原丝短暂铺开，附着的树脂被均匀的铺开，充分湿润碳纤维丝内部的缝隙；接着经过过滤压杆时，碳纤维被硅胶挤压，把过多的树脂滤掉，滴下，返回到树脂容器14之中，而湿润的碳纤维丝会直接输送到机械臂1末端执行器2，经由末端执行器2挂到编织框架5锚点之上，机械臂1末端执行器2来回移动于编织锚点4之间，把湿润碳纤维丝不断挂到下一个锚点，产生对纱架8上碳纤维原丝的牵扯力；

等机械臂1编织运行完毕后，卸下编织框架5，待到碳纤维固化后，从编织框架5上卸下碳纤维，得到碳纤维造型成品。

在本实施例中，碳纤维编织装置与六轴机械臂相配合，采用锚点编织的方式完成庞大而复杂的碳纤维编织成品，提高编织精度，减少人力操作，提高了工程质量。

本实用新型提供一种碳纤维编织装置，通过改变编织框架5的造型以及纱架8方位，结合编织程序，可以方便地实现任意造型的碳纤维成品编织。由于机械臂1操作，保证了施工质量，提高施工效率，制作出少有的复杂的定制化的碳纤维制品，能够实现复杂曲面造型的碳纤维编织，形成建筑承重部件或者建筑装饰部件，并且碳纤维成品具有结构轻、强度大、方便安装与运输的特点。

实施例2

请参阅图6，本实用新型实施例中，一种基于实施例1所述的碳纤维编织装置的编织系统，所述编织系统还包括用于控制机械臂1完成碳纤维编织施工的控制系统。

该文中出现的电器元件均与外界的主控器及220V市电电连接，并且主控器可为计算机等起到控制的常规已知设备。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种碳纤维编织装置，包括机械臂（1）、编织框架（5）和纱架（8），其特征在于，所述机械臂（1）上安装有末端执行器（2），编织框架（5）通过铝合金框架支架（3）固定，编织框架（5）上设有编织锚点（4），纱架（8）上安装有碳纤维原丝支架（7）和树脂浴缸（6）。

2.根据权利要求1所述的碳纤维编织装置，其特征在于，所述末端执行器（2）包括连接部（18）和编织部件，所述连接部（18）与所述编织部件连接，所述连接部（18）用于连接机械臂（1），所述编织部件包括导管支架（16）和编织导管（17）。

3.根据权利要求2所述的碳纤维编织装置，其特征在于，所述编织锚点（4）包括支撑螺杆（19）和锚点组件（21），锚点组件（21）设置在支撑螺杆（19）的上端部；

所述锚点组件（21）包含螺母、垫片、羊角螺母和金属套筒（20），金属套筒（20）套设在支撑螺杆（19）上。

4.根据权利要求1-3任一所述的碳纤维编织装置，其特征在于，所述碳纤维原丝支架（7）由不锈钢支架、滚轴（12）、3D打印轴承座（11）和减速器构成，不锈钢支架由T型螺丝固定在纱架（8）上，减速器安装于3D打印轴承座（11）边上的铝型材纱架（8）上。

5.根据权利要求4所述的碳纤维编织装置，其特征在于，所述树脂浴缸（6）包括树脂浴缸支架（13）、树脂容器（14）和过滤器（15）；

所述树脂浴缸支架（13）为不锈钢金属件，树脂容器（14）和过滤器（15）均安装在树脂浴缸支架（13）上。

6.根据权利要求5所述的碳纤维编织装置，其特征在于，所述过滤器（15）由过滤器滚轴和过滤压杆组成。

7.根据权利要求4所述的碳纤维编织装置，其特征在于，所述纱架（8）上安装有碳纤维丝定位环（9）。

8.根据权利要求1所述的碳纤维编织装置，其特征在于，所述碳纤维编织装置还包括烤箱，烤箱由烤箱框架与电热灯组成，烤箱框架由挤塑聚苯保温板以及角铁框架安装而成。

9.一种基于权利要求1-8任一所述的碳纤维编织装置的编织系统，其特征在于，所述编织系统还包括用于控制机械臂（1）完成碳纤维编织施工的控制系统。

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