一种用于网格结构成型的桌面式四轴联动纤维缠绕机的制作方法

本发明涉及一种纤维缠绕机，具体涉及一种用于网格结构成型的桌面式四轴联动纤维缠绕机，属于复合材料成型领域。

背景技术：

纤维缠绕是制造纤维增强树脂基复合材料的一种自动化成型方法，其将浸渍过树脂的连续纤维或布带、预浸纱按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得制品，制品具有轻质、高强、耐腐蚀等特点，纤维缠绕机是实现该工艺的关键装备。在航天领域，数控纤维缠绕机主要用于火箭、导弹发动机壳体、喷管、卫星结构件等的复合材料成型。随着我国航天事业及空间应用的发展，微型航天器由于其重量轻、发射成本低，日益受到业界的重视。微型航天器的构件，如储箱、推进器等一般采用纤维复合材料缠绕的方式成型。纤维复合材料网格结构具有比强度高、比模量大的优点，能够有效实现航天器结构的减重。而目前市场上的缠绕机常常是为了大型构件设计，占用空间大、生产成本高，且无法实现网格结构的缠绕，无法满足微型航天器中纤维缠绕构件的成型。

技术实现要素：

本发明为了解决现有缠绕机无法满足网格结构缠绕及微型航天器构件缠绕成型的问题，进而提供一种用于网格结构成型的桌面式四轴联动纤维缠绕机。

本发明为解决上述问题而采用的技术方案是：

它包括机床平台、移动架体、架体移动驱动机构、纤维放卷机构、挑纱机构、浸胶机构、伸缩臂组件、丝嘴组件、主轴回转部件和环向肋缠绕组件；架体移动驱动机构、主轴回转部件和环向肋缠绕组件安装在机床平台上，主轴回转部件位于架体移动驱动机构和环向肋缠绕组件之间，移动架体安装在架体移动驱动机构上，纤维放卷机构、挑纱机构、浸胶机构、伸缩臂组件和丝嘴组件安装在移动架体上。

本发明的有益效果：

本发明提供一种新型的可用于网格结构缠绕成型的桌面式四坐标联动缠绕机，可以实现回转体芯模的四坐标缠绕，满足微小航天器壳体的成型；本发明含有环向肋缠绕机构，具有多个固定丝嘴和一个运动丝嘴，能够同时成型网格结构的环向肋和螺旋肋，有效的减少了由于单丝嘴缠绕网格结构时在交叉点处纤维弯曲和堆积带来的纤维堆积和架空缺陷，提高了网格构件的性能，并实现了网格结构的自动化成型；同时含有张力控制机构，能够对缠绕过程中张力的进行监控和控制，改善缠绕制品的质量；集成了恒温水浴浸胶槽，可以改善缠绕过程中树脂温度，改善树脂的流动性，扩大了树脂类型的选用范围。本缠绕机适用材料种类丰富，既适用于热固性预浸带的干法缠绕，又可用于碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等材料的湿法缠绕成型。该缠绕机采用模块化设计，采用标准自动化组件，维护使用方便，采用桌面式结构，占用空间小，能够很好的满足实验室缠绕样件的需求；而且缠绕成型速度快，生产效率高。

附图说明

图1是本申请整体结构轴测图。

图2是本申请整体结构轴测图。

图3是本申请整体结构主视图。

图4是图3的俯视图。

图5是本申请主轴回转部件7和环向肋缠绕组件8连接示意图。

图6是本申请机床平台1、移动架体2、纤维放卷机构3、挑纱机构4、伸缩臂组件5、丝嘴组件6、架体移动驱动机构9和浸胶机构10连接示意图。

图7是本申请浸胶机构10俯视示意图。

图8是本申请浸胶机构10主视示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图8说明本实施方式，本实施方式所述一种用于网格结构成型的桌面式四轴联动纤维缠绕机，它包括机床平台1、移动架体2、架体移动驱动机构9、纤维放卷机构3、挑纱机构4、浸胶机构10、伸缩臂组件5、丝嘴组件6、主轴回转部件7和环向肋缠绕组件8；架体移动驱动机构9、主轴回转部件7和环向肋缠绕组件8安装在机床平台1上，主轴回转部件7位于架体移动驱动机构9和环向肋缠绕组件8之间，移动架体2安装在架体移动驱动机构9上，纤维放卷机构3、挑纱机构4、浸胶机构10、伸缩臂组件5和丝嘴组件6安装在移动架体2上。

本发明的采用基于powerlink以太网通信的控制器，通过工控机控制界面控制以太网通信实现上位机、控制器、i/o模块、伺服驱动器等单元的实时通信，构成缠绕机的控制系统，可实现四坐标联动，powerlink以太网通信的控制器具有接线简单，维护方便的优点，powerlink是上海亦之智能科技有限公司，型号为oat_plc_imx6-1的控制器。

具体实施方式二：结合图1-图5说明本实施方式，本实施方式所述一种用于网格结构成型的桌面式四轴联动纤维缠绕机，主轴回转部件7包括主轴伺服电机11、减速器12、主轴伺服电机联轴器13、主轴14、芯模、主轴卡盘16、支撑卡盘17、滑块18、滑轨19和两个主轴支撑柱15，主轴伺服电机11、减速器12、主轴伺服电机联轴器13、主轴14、芯模、主轴卡盘16、支撑卡盘17依次沿直线固定连接，主轴伺服电机11的外壳体与减速器12的壳体和主轴伺服电机联轴器13的支架一端固定连接，主轴伺服电机联轴器13的另一端与一个主轴支撑柱15固定连接，主轴14转动连接安装在主轴支撑柱15上，主轴14下方主轴支撑柱15的底端固定安装在机床平台1上，支撑卡盘17与另一个主轴支撑柱15转动连接，主轴支撑柱15的底端固定安装有一个滑块18，滑块18滑动设置在滑轨19上，滑轨19固定安装在机床平台1上，其它方法与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1-图5说明本实施方式，本实施方式所述一种用于网格结构成型的桌面式四轴联动纤维缠绕机，环向肋缠绕组件8包括纱架21和纱团20，纱团20安装在纱架21上，纱架21固定安装在机床平台1。其它方法与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式所述一种用于网格结构成型的桌面式四轴联动纤维缠绕机，架体移动驱动机构9包括架体移动驱动伺服电机22、架体移动驱动伺服电机减速器23和架体移动同步带直线运动模组24；架体移动驱动伺服电机22通过架体移动驱动伺服电机减速器23与同步带直线运动模组24输入端连接，架体移动同步带直线运动模组24安装在机床平台1上，移动架体2固定安装在架体移动同步带直线运动模组24的模组移动滑块上。其它方法与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式所述一种用于网格结构成型的桌面式四轴联动纤维缠绕机，纤维放卷机构3包括纤维放卷固定架25、纤维放卷伺服电机26、纤维放卷被动轮27、纤维放卷同步带28、纤维放卷电机主动轮29和纤维放卷转轴30；纤维放卷固定架25固定安装在移动架体2的顶端，纤维放卷转轴30的两端转动连接安装在纤维放卷固定架25上，纤维放卷被动轮27套装在纤维放卷转轴30的一端上，纤维放卷伺服电机26固定座安装在纤维放卷固定架25上，纤维放卷电机主动轮29固定套装在纤维放卷伺服电机26输出端上，纤维放卷被动轮27和纤维放卷电机主动轮29通过纤维放卷同步带28连接。其它方法与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式所述一种用于网格结构成型的桌面式四轴联动纤维缠绕机，挑纱机构4包括挑纱滚轮33、挑纱弹簧固定架32、两个挑纱滚轮连接板31和两个挑纱滚轮拉紧弹簧34；挑纱弹簧固定架32固定安装在移动架体2位于底端的一端上，两个挑纱滚轮连接板31转动连接安装在挑纱弹簧固定架32上，且挑纱滚轮33转动连接安装在两个挑纱滚轮连接板31上，每个挑纱滚轮拉紧弹簧34的一端固定在挑纱弹簧固定架32上，每个挑纱滚轮拉紧弹簧34的另一端分别与一个挑纱滚轮连接板31上挑纱滚轮33的转轴连接。其它方法与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：结合图1-图4、图7和图8说明本实施方式，本实施方式所述一种用于网格结构成型的桌面式四轴联动纤维缠绕机，浸胶机构10包括浸胶槽35、恒温箱体36、浸胶槽支架37、浸胶辊支架38、固定刮胶板39、调距刮胶板40、浸胶辊42和两个调距刮胶板固定压板41；浸胶槽35底端设有恒温箱体36，恒温箱体36通过输入水管和输出水管与外部恒温水箱连通，浸胶槽35固定安装在浸胶槽支架37上，浸胶槽支架37安装在移动架体2上，浸胶辊42通过浸胶辊支架38固定安装在浸胶槽支架37上，且浸胶辊42位于浸胶槽35上方，固定刮胶板39靠近浸胶辊支架38固定安装在浸胶槽支架37上，调距刮胶板40通过两个调距刮胶板固定压板41固定安装在浸胶槽支架37上。调距刮胶板40与固定刮胶板39距离进而调整纤维上带有的胶量。恒温箱体36对浸胶槽35提供恒温，恒温箱体36通过外部恒温水域系统提供恒温水，其它方法与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式所述一种用于网格结构成型的桌面式四轴联动纤维缠绕机，伸缩臂组件5包括伸缩臂驱动伺服电机50、伸缩臂电机主动轮51、伸缩臂从动轮53、伸缩臂从动轮支撑架52、伸缩臂同步带54、伸缩臂同步带连接板46、伸缩臂固定板48和伸缩臂滑动板47；伸缩臂驱动伺服电机50固定座固定安装在移动架体2上，伸缩臂从动轮53通过伸缩臂从动轮支撑架52安装在移动架体2上，伸缩臂电机主动轮51和伸缩臂从动轮53通过伸缩臂同步带54连接，伸缩臂固定板48固定安装在移动架体2上，伸缩臂固定板48的顶端沿长度方向设置带有滚轮的‘t’型凸起，伸缩臂滑动板47的底端加工有与伸缩臂固定板48上带有滚轮的‘t’型凸起对应凹槽，伸缩臂滑动板47的凹槽设置在伸缩臂固定板48上设置带有滚轮的‘t’型凸起上，伸缩臂同步带54通过伸缩臂同步带连接板46与伸缩臂滑动板47固定连接。其它方法与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式所述一种用于网格结构成型的桌面式四轴联动纤维缠绕机，丝嘴组件6包括丝嘴驱动伺服电机43、丝嘴电机主动轮44、丝嘴电机从动轮45、丝嘴组件连接板56、丝嘴电机同步带57和丝嘴55；丝嘴驱动伺服电机43固定座固定安装在伸缩臂滑动板47上，丝嘴组件连接板56竖直固定安装在伸缩臂滑动板47的伸出端处，丝嘴驱动伺服电机43的转轴输出端穿过丝嘴组件连接板56并与丝嘴电机主动轮44连接，丝嘴电机从动轮45转动连接安装在丝嘴组件连接板56上，丝嘴电机主动轮44、丝嘴电机从动轮45通过丝嘴电机同步带57连接，丝嘴55安装在丝嘴电机从动轮45上，丝嘴55靠近芯模设置。其它方法与具体实施方式一相同。

具体实施方式十：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式所述一种用于网格结构成型的桌面式四轴联动纤维缠绕机，它还包括丝嘴导入轮59、张力测量组件58、浸胶机构导出轮62、浸胶机构导入轮63和两个挑纱机构导出轮64；张力测量组件58包括张力传感器61和两个辊轮60；丝嘴导入轮59通过规定架安装在伸缩臂固定板48底端，张力传感器61和两个辊轮60通过固定板安装在伸缩臂固定板48下方的移动架体2上，张力传感器61位于两个辊轮60之间设置，浸胶机构导出轮62通过固定板安装在浸胶机构10出口处，浸胶机构导入轮63通过固定板安装在浸胶机构10入口处，丝嘴导入轮59、浸胶机构导出轮62、浸胶机构导入轮63和两个辊轮60均水平并平行设置，两个挑纱机构导出轮64竖直设置在浸胶机构导入轮63和挑纱机构4之间。通过两个挑纱机构导出轮64将经过挑纱机构4纤维进行导向，并通过张力传感器61测量出经过传感器纤维所受的张紧力，进而根据要求调整纤维放卷伺服电机26转轴的转动速度，达到纤维缠绕的要求。其它方法与具体实施方式一、六或七相同。

本实施方式中张力传感器61和纤维放卷机构3的纤维放卷伺服电机26与张力控制系统连通，张力控制系统采用松下plc的fp0r作为控制器，通过张力传感器61将采集到纤维的张力信号以模拟量的形式输入到fp0r的模拟量输入模块中，fp0r的模拟量输出模块与放卷纱团的伺服电机相连，通过控制计算，plc根据张力传感器的检测结果，控制纱团电机的放纱和收纱，实现闭环张力控制。

工作原理

储存纤维的纱团安装在纤维放卷机构3的纱团支撑筒上，纱团支撑筒和纤维放卷转轴30相连，纤维放卷伺服电机26驱动纤维放卷电机主动轮29转动，在纤维放卷同步带28的传动作用下，带动纤维放卷被动轮27转动，纤维放卷被动轮27带动纤维放卷转轴30转动，从而带动纱团转动，通过纤维放卷伺服电机26的正转、反转和停止，实现纱团纤维的放卷、收卷和保持。纤维由纱团引出后，进入挑纱机构4，经过挑纱机构4的挑纱滚轮33后，纤维由两个挑纱机构导出轮64中间导出，两个挑纱机构导出轮64限制了纤维的位置，使纤维能够顺利进入浸胶机构10。挑纱机构4的存在，使得纤维中突然发生波动时，设备能够快速响应，平稳张力。纤维从两个挑纱机构导出轮64出来后，纤维由浸胶机构导入轮63导入浸胶机构10，纤维进入浸胶槽35后，经过浸胶辊42完成浸胶，从浸胶槽35出来后，通过调距刮胶板40和固定刮胶板39之间的缝隙，纤维经过刮胶后，由浸胶机构导出轮62导出。通过移动调距刮胶板40和固定刮胶板39之间的距离，可以控制纤维上含胶量的多少。浸胶时，首先在浸胶槽35中倒入胶液，根据胶液工作温度的要求，在恒温箱体36中通入对应温度的水，实现胶液温度的调整。纤维在浸胶辊42的作用下，可以充分浸润胶液。纤维经过浸胶机构导出轮62后，进入张力测量组件58，张力测量组件58的三个辊轮成三角形布置，纤维从靠近浸胶机构导出轮62的辊轮60的下方进入，从张力传感器61的上方经过，再从张力测量组件58的另一个辊轮60的下方穿出，这样的结构形式便实现了张力的测量。纤维由张力测量组件58的辊轮60穿出后，由丝嘴导入轮59导入丝嘴组件6，纤维从丝嘴组件6出来后，在丝嘴55的作用下缠绕到芯模表面。

移动架体2带动丝嘴55的直线运动和芯模的回转运动构成了网格结构螺旋肋缠绕的两个基本运动坐标，可以实现不同螺旋肋缠绕角的缠绕。伸缩臂组件5的直线运动可以使机床适应不同直径芯模的缠绕，丝嘴55的回转运动使得具有一定宽度的纤维均匀的缠绕到芯模的表面，伸缩臂组件5的直线运动和丝嘴55的共同作用来实现纤维在芯模端头位置的转向。在缠绕过程中，纤维中的张力由张力传感器61测量，反馈到plc控制器中，通过plc控制纤维放卷伺服电机26的转动速度和方向，来控制纤维的出纱速度和方向，构成了张力的闭环控制系统，实现纤维张力的实时控制。当发生张力波动时，在纤维放卷伺服电机26和挑纱机构4的共同作用下，实现张力的平稳控制。

另一组纤维的纱团20安装在环向肋缠绕组件8的纱架21上，调整纱团20之间的距离，使得纱团之间的距离和网格结构模具上环形肋凹槽的距离一致，纤维由纱团20引出后，缠绕到芯模表面的环向肋凹槽中。纤维在芯模的旋转运动的作用下，被动引出，纱架21为纱团20提供阻力，保持环向肋的纤维张力。在缠绕网格结构的螺旋肋时，芯模转动，带动这组纤维完成网格结构环形肋的缠绕，最终实现网格结构螺旋肋和环形肋的同步缠绕。