自平衡纤维丝铺放机械手臂的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种自平衡纤维丝铺放机械手臂，包括固定立柱、旋转立柱、控制箱、摆动臂、主臂、小臂、垂臂、气缸和气动平衡系统；固定立柱固定在地面或小车上，固定立柱上端与旋转立柱下端连接，旋转立柱的顶端与摆动臂连接，摆动臂能绕旋转立柱固定轴摆动，摆动臂的尾端与气缸的推杆连接，气缸的缸体与旋转立柱连接，摆动臂的另一端依次连接主臂、小臂和垂臂，主臂、小臂和垂臂都可以360°旋转，垂臂末端用于固定铺放头；所述的气动平衡系统通过控制气缸的推杆的伸缩可以维持摆动臂的力矩平衡，气动平衡系统的控制开关设置在控制箱内部。本发明在工作空间中能按照不同的轨迹运动，在任意工况和任意位置下能保持平衡状态，操作人员用很轻的力就可以推动机械手臂进行工作，本发明减轻了工作人员的体力劳动，大幅提高了生产效率。
【专利说明】自平衡纤维丝铺放机械手臂
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种机械手臂，具体涉及一种自平衡纤维丝铺放机械手臂。
【背景技术】
[0002]纤维铺放技术是这些年来发展最迅速，生产效率最高的复合材料成型技术之一。这种新的成型技术最开始主要用于航空航天业当中，随着纤维铺放技术的不断发展，目前这项技术在各行各业得到了广泛的应用。
[0003]目前国内纤维铺放技术仍然以手工铺层为主，工人在铺放过程中需要费力的操作铺放头来进行铺放，这种手工铺放方式效率低，材料利用率不高，不适宜现代化的大规模生产。
【发明内容】
[0004]本发明根据上述问题提供一种自平衡纤维丝铺放机械手臂，这种自平衡纤维丝铺放机械手臂能够完成工作空间内所有位置的铺放工作，工人通过很小的力就能够推动自平衡铺放机械手臂进行铺放工作，这种自平衡纤维丝铺放机械手臂在任何工况和任何位置下都能自动维持平衡状态。
[0005]为了解决上述的技术问题本发明提供一种自平衡纤维丝铺放机械手臂，包括固定立柱、旋转立柱、控制箱、摆动臂、主臂、小臂、垂臂、气缸和气动平衡系统；固定立柱固定在地面或小车上，固定立柱上端与旋转立柱下端连接，旋转立柱的顶端与摆动臂连接，摆动臂能绕旋转立柱固定点摆动，摆动臂的尾端与气缸的推杆连接，气缸的缸体固定在旋转立柱上，摆动臂的另一端依次连接主臂、小臂和垂臂，主臂、小臂和垂臂都可以360°旋转，垂臂末端用于固定铺放头；所述的气动平衡系统通过控制气缸的推杆的伸缩可以维持摆动臂的力矩平衡，气动平衡系统的控制开关设置在控制箱内部。
[0006]所述的旋转立柱的顶端设置有U型开口，U型开口内部设置有固定轴，摆动臂的侧面设有通孔，通孔设在摆动臂尾端附近，固定轴穿过摆动臂侧面的通孔使摆动臂与旋转立柱铰接，气缸的推杆的顶端设有单耳环，摆动臂的尾端通过单耳环与气缸铰接，气缸的缸体与旋转立柱通过转轴铰接。
[0007]所述的固定立柱和旋转立柱之间通过主轴承座和转轴连接；所述的主轴承座固定在固定立柱上，主轴承座的轴承孔内设有挡肩，旋转立柱的下端设有小直径的转轴，转轴的上端设有轴肩、下端设有螺纹；一对轴承套在转轴上，轴承的外圈通过挡肩轴向定位，轴承的内圈通过轴肩轴向定位；双螺母旋在转轴上并与轴承的底面接触。
[0008]所述的摆动臂、主臂、小臂和垂臂之间都是通过旋转轴承座和转轴连接；摆动臂、主臂和小臂的相应位置上分别固定有旋转轴承座，转轴上部插入到旋转轴承座中、下部插入到下一个连接部件中；旋转轴承座的的轴承孔中设有挡肩，转轴中部设有轴肩、轴肩下方设有键槽、键槽下方设有螺纹；一对轴承套在转轴上，轴承外圈由挡肩轴向固定，轴承的内圈由轴肩轴向固定，两个轴承之间通过套筒进行轴向固定，转轴通过键与下一个连接部件连接；转轴的上端套有轴端挡圈，轴端挡圈与轴承的顶面接触，圆螺母旋在转轴下端，圆螺母与下一个连接部件的底面接触。
[0009]所述的气动平衡系统包括气源处理组件、第一单向阀、第二单向阀、压力排放阀、空载减压阀、有载减压阀、第一换向阀、第二换向阀、手动换向阀、外控式精密调压阀、锁紧阀、第一单向节流阀、第二单向节流阀、快排阀、气缸；气流经过气源处理组件的处理后分别连接手动换向阀、第一换向阀、第一单向阀、第二单向阀和第一单向节流阀；所述的第一单向阀的出口连接压力排放阀，压力排放阀的出口分别连接空载减压阀和有载减压阀，空载减压阀和有载减压阀的出口依次连接第二换向阀、第二单向溢流阀、压力排放阀和外控式精密调压阀的外控端；所述的第二单向阀的出口依次连接压力排放阀、外控式精密调压阀、锁紧阀、压力排放阀和气缸；所述的第一单向溢流阀的出口依次连接快排阀和锁紧阀的外控端；所述的手动换向阀的出口连接第一换向阀的外控端，第一换向阀的出口连接第二换向阀的外控端。
[0010]本发明的有益效果是:
操作人员用很轻的力就可以推动自平衡纤维丝铺放机械手臂实现铺放头的上下左右移动，减轻了工作人员的体力劳动，大幅提高了生产效率。自平衡纤维丝铺放机械手臂在空间中能够按照各种不同的轨迹运动，在任意工况和任意位置下仍能保持平衡状态，操作安全可靠。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明的整体的结构示意图。
[0012]图2是本发明的主轴承座的剖视图。
[0013]图3是本发明的旋转轴承座的剖视图。
[0014]图4是本发明的气动平衡系统的气动原理图。
【具体实施方式】
[0015]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0016]如图1所示，所述的自平衡纤维丝铺放机械手臂包括固定立柱1、旋转立柱2、控制箱3、摆动臂7、主臂8、小臂9、垂臂10、气缸4和气动平衡系统；固定立柱1固定在地面或小车上，固定立柱1上端与旋转立柱2下端连接，旋转立柱2的顶端与摆动臂7连接，摆动臂1能绕旋转立柱2摆动，摆动臂7的尾端与气缸推杆5连接，气缸4的缸体与旋转立柱2连接，摆动臂7的另一端依次连接主臂8、小臂9和垂臂10，主臂8、小臂9和垂臂10都可以360。旋转，垂臂10末端用于固定铺放头11 ；所述的气动平衡系统通过控制气缸推杆5的伸缩可以维持摆动臂7的力矩平衡，气动平衡系统的控制开关设置在控制箱3内部。通过协调摆动臂7、主臂8、小臂9和垂臂10各个关节的运动，从而使其末端搭载的铺放头11能够在空间中实现各种轨迹的复杂运动。
[0017]如图1所示，在本实施例中所述的旋转立柱2的顶端设置有I型开口 4型开口内部设置有固定轴6，摆动臂7侧面设有通孔、固定轴6穿过通孔使摆动臂7与旋转立柱2铰接，这种连接方式安全可靠能使摆动臂7在旋转立柱2上绕固定轴6摆动，气缸推杆5的顶端设有单耳环，摆动臂7的尾端通过单耳环与气缸4铰接。
[0018]在本实施例中，所述的固定立柱通过地脚螺栓固定在地面或小车上。
[0019]如图1和图2所示，所述的固定立柱1和旋转立柱2之间通过主轴承座12和转轴14连接；所述的主轴承座12固定在固定立柱1上，主轴承座14的轴承孔内设有挡肩，旋转立柱2的下端设有小直径的转轴14 (在本实施例中旋转立柱和转轴为一个整体),转轴14的上端设有轴肩、下端设有螺纹；一对轴承15套在转轴14上，轴承15的外圈通过挡肩轴向定位，轴承15的内圈通过轴肩轴向定位；双螺母16旋在转轴14上并与轴承15底面接触。旋转立柱2能够实现360。的自由旋转，双螺母16不仅能承受很大的轴向载荷还可以产生不随着外界载荷变化的附加压力，附加压力作用在螺纹附中，可以防止螺母松动。
[0020]在本实施例中，所述的一对轴承15为圆锥滚子轴承，圆锥滚子轴承既可以承受径向载荷，又可以承受较大的轴向载荷；所述的固定立柱和轴承座位通过螺栓连接。
[0021]如图1和图3所示，所述的摆动臂7、主臂8、小臂9和垂臂10之间都是通过旋转轴承座13和转轴17连接；摆动臂7、主臂8和小臂9的相应位置上分别固定有旋转轴承座13 (或者为一个整体),转轴17上部插入到旋转轴承座13中、下部插入到下一个连接部件中；旋转轴承座13的的轴承孔中设有挡肩，转轴中部设有轴肩、轴肩下方设有键槽、键槽下方设有螺纹；一对轴承18套在转轴17上，轴承18的外圈由挡肩轴向固定，轴承18的内圈由轴肩轴向固定，两个轴承18之间通过套筒19进行轴向固定，转轴17通过键20与下一个连接部件连接；转轴17的上端设有轴端挡圈22，轴端挡圈22与轴承18的顶面接触，圆螺母21旋在转轴17的下端，圆螺母21与下一个连接部件外侧接触。在本实施例中，所述轴承18为圆锥滚子轴承。
[0022]如图4所示，所述的气动平衡系统包括气源处理组件23、第一单向阀26、第二单向阀27、压力排放阀36、空载减压阀29、有载减压阀30、第一换向阀25、第二换向阀31、手动换向阀24、外控式精密调压阀23、锁紧阀34、第一单向节流阀28、第二单向节流阀32、快排阀35、气缸4；气流经过气源处理组件23的处理后分别连接手动换向阀24、第一换向阀25、第一单向阀26、第二单向阀27和第一单向节流阀28 ；所述的第一单向阀26的出口连接压力排放阀36，压力排放阀36的出口分别连接空载减压阀29和有载减压阀30，空载减压阀29和有载减压阀30的出口依次连接第二换向阀31、第二单向溢流阀32、压力排放阀36和外控式精密调压阀33的外控端；所述的第二单向阀27的出口依次连接压力排放阀36、夕卜控式精密调压阀33、锁紧阀34、压力排放阀36和气缸4 ；所述的第一单向溢流阀28的出口依次连接快排阀35和锁紧阀34的外控端；所述的手动换向阀24的出口连接第一换向阀25的外控端，第一换向阀25的出口连接第二换向阀31的外控端。
[0023]气动平衡系统的平衡状态分为空载平衡和有载平衡，其具体工作过程如下:
1)空载平衡
开启空气源的开关，气动系统开始供气，换向阀此时处于图中所示的状态，空载减压阀29工作，其输出压力作用于外控式精密调压阀33的外控端，使外控式精密调压阀33输出的压力与空载减压阀29相同。因为系统处于正常供气状态，此时锁紧阀34处于开启状态，夕卜控式精密调压阀33的输出压力可以正常进入到气缸4中，气缸4运动产生压力，实现摆动臂7的力矩平衡。
[0024]第一单向节流阀28能够使外控式精密调压阀33建立压力之后再打开锁紧阀34，防止气缸4的活塞在铺放机构重力的作用下向下运动，从而造成铺放机构在空间中摆动。第一单向节流阀28的开度时间决定了锁紧阀34的开启时间。
[0025]2)有载平衡
工作人员手动扳动手动换向阀24，使整个系统处于有载工作状态，此时负载产生的压力作用在第一换向阀25的右端，第一换向阀25进行切换，第二换向31阀随之进行切换。此时有载减压阀30工作，有载减压阀30的输出压力作用于外控式精密调压阀33的外控端，使有载减压阀30输出的压力与外控式精密调压阀33相同。因为系统处于正常供气状态，此时锁紧阀34处于开启状态，外控式精密调压阀33的输出压力可以正常进入到气缸4中，通过气缸4运动实现摆动臂7的力矩平衡。
[0026]第二单向节流阀32的作用是在换向阀进行压力的切换时可以使进整个的负载压力缓缓的作用于外控式精密调压阀外33的控端，使外控式精密调压阀33的输出压力慢慢变化，不会产生突变，这样可以避免因压力变化过大而产生的振动，更有利于手工铺放操作，提高铺放的质量。
[0027]以上实施例仅为本发明之优选方案，而非对本发明的限制，有关【技术领域】的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案，都落入本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种自平衡纤维丝铺放机械手臂，其特征在于:包括固定立柱、旋转立柱、控制箱、摆动臂、主臂、小臂、垂臂、气缸和气动平衡系统；固定立柱固定在地面或小车上，固定立柱上端与旋转立柱下端连接，旋转立柱的顶端与摆动臂连接，摆动臂能绕旋转立柱固定点摆动，摆动臂的尾端与气缸的推杆连接，气缸的缸体与旋转立柱连接，摆动臂的另一端依次连接主臂、小臂和垂臂，主臂、小臂和垂臂都可以360°旋转，垂臂末端用于固定铺放头；所述的气动平衡系统通过控制气缸的推杆的伸缩可以维持摆动臂的力矩平衡，气动平衡系统的控制开关设置在控制箱内部。
2.如权利要求1所述的所述的一种自平衡纤维丝铺放机械手臂，其特征在于:旋转立柱的顶端设置有U型开口，U型开口内部设置有固定轴，摆动臂的侧面设有通孔，通孔设在摆动臂尾端附近，固定轴穿过摆动臂侧面的通孔使摆动臂与旋转立柱铰接，气缸的推杆的顶端设有单耳环，摆动臂的尾端通过单耳环与气缸铰接，气缸的缸体与旋转立柱通过转轴铰接。
3.如权利要求1所述的所述的一种自平衡纤维丝铺放机械手臂，其特征在于:所述的固定立柱和旋转立柱之间通过主轴承座和转轴连接；所述的主轴承座固定在固定立柱上，主轴承座的轴承孔内设有挡肩，旋转立柱的下端设有小直径的转轴，转轴的上端设有轴肩、下端设有螺纹；一对轴承套在转轴上，轴承的外圈通过挡肩轴向定位，轴承的内圈通过轴肩轴向定位；双螺母旋在转轴上并与轴承的底面接触。
4.如权利要求1所述的所述的一种自平衡纤维丝铺放机械手臂，其特征在于:所述的摆动臂、主臂、小臂和垂臂之间都是通过旋转轴承座和转轴连接；摆动臂、主臂和小臂的相应位置上分别固定有旋转轴承座，转轴上部插入到旋转轴承座中、下部插入到下一个连接部件中；旋转轴承座的的轴承孔中设有挡肩，转轴中部设有轴肩、轴肩下方设有键槽、键槽下方设有螺纹；一对轴承套在转轴上，轴承外圈由挡肩轴向固定，轴承的内圈由轴肩轴向固定，两个轴承之间通过套筒进行轴向固定，转轴通过键与下一个连接部件连接；转轴的上端套有轴端挡圈，轴端挡圈与轴承的顶面接触，圆螺母旋在转轴下端，圆螺母与下一个连接部件的底面接触。
5.如权利要求1所述的所述的一种自平衡纤维丝铺放机械手臂，其特征在于:所述的气动平衡系统包括气源处理组件、第一单向阀、第二单向阀、压力排放阀、空载减压阀、有载减压阀、第一换向阀、第二换向阀、手动换向阀、外控式精密调压阀、锁紧阀、第一单向节流阀、第二单向节流阀、快排阀和气缸；气流经过气源处理组件的处理后分别连接手动换向阀、第一换向阀、第一单向阀、第二单向阀和第一单向节流阀；所述的第一单向阀的出口连接压力排放阀，压力排放阀的出口分别连接空载减压阀和有载减压阀，空载减压阀和有载减压阀的出口依次连接第二换向阀、第二单向溢流阀、压力排放阀和外控式精密调压阀的外控端；所述的第二单向阀的出口依次连接压力排放阀、外控式精密调压阀、锁紧阀、压力排放阀和气缸；所述的第一单向溢流阀的出口依次连接快排阀和锁紧阀的外控端；所述的手动换向阀的出口连接第一换向阀的外控端，第一换向阀的出口连接第二换向阀的外控端。
【文档编号】B29C70/38GK104441691SQ201410676392
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月24日 优先权日:2014年11月24日
【发明者】田会方, 吴迎峰, 李力 申请人:武汉理工大学