一种大型七轴联动数控铺缠一体化成型装备制造技术

本发明专利技术属于机械设计与制造‑高档数控机床与基础制造装备领域，涉及一种大型七轴联动数控铺缠一体化成型装备，其采用三个线性轴+一个旋转工作台回转轴构成的主机和三个回转轴驱动的铺缠头，合成三个平移运动和四个旋转运动，实现铺缠头的空间运动轨迹控制和工件回转，同时以送带U轴驱动布带的收放及速度调节，实现八轴控制七轴联动铺放，从而实现空间各类异形曲面的复合材料蒙皮结构的自动化成型。本发明专利技术能够直接控制铺缠头的空间运动轨迹，即使是异形曲面的工件也能准确贴合其表面进行铺缠，从而减少甚至避免固化成型后切除材料进行整形的操作，降低污染、节约成本、提高效率，为自动丝束铺放技术提供了适于工程应用研究和制造的装备平台。

【技术实现步骤摘要】
一种大型七轴联动数控铺缠一体化成型装备
本专利技术属于机械设计与制造-高档数控机床与基础制造装备领域，涉及一种大型双柱立式八轴控制七轴联动数控布带缠绕/铺放一体化成型装备。更具体地，涉及一种用于复合材料纤维网格布带，采用全数字控制主机及铺缠头各伺服运动轴，进行空间轴对称、面对称、非轴对称、异形曲面等各类复杂蒙皮结构件的铺放成型装备。
技术介绍
传统的三轴数控缠绕机，能够完成筒形、锥形、幂次曲线形回转体的复合材料蒙皮缠绕成型，但无法完成异型曲面蒙皮的铺放成型。对于异型曲面蒙皮，使用传统三轴布带缠绕机仅能完成模具旋转及预浸带固定，布带的铺放成型靠人工完成，预浸带在铺放中人为施加张力，导致布带与模具产品之间贴合不实，比理论圆周偏大。除回转体壳体类复合材料薄壁蒙皮结构件产品可采用布带缠绕机直接缠绕成型外，空间复杂异形曲面类复合材料薄壁产品成型目前均无自动化装备，需要通过靠手工成型。复合材料蒙皮纤维铺放方向、精度及铺放质量对产品综合性能和质量一致性影响较大。手工铺放首先需要对模具进行预热，保证预浸料可以较好地贴模；预浸丝束铺放的角度、缝隙拼接均由人工控制；为了保证预浸料之间贴合良好，每铺2～3层，需要包真空进行一次预压；下次铺层前需要再对模具进行预热，已铺层在模具上的预浸料时常需经历多次加热过程。该成型过程周期漫长，劳动强度大效率低；且手工成型的复合材料结构件的纤维铺放角度、纤维束之间的拼缝、预浸料的树脂含量、纤维拉直程度等均无法保证，产品质量稳定性差且无法满足复材材料空间曲面蒙皮类产品工程化高效率生产节奏需求。因此，通过人工使用纤维网格布进行平行重叠缠绕、斜纹布斜叠缠绕成型固化后，再进行机加工整形，存在的主要缺点有三个方面：首先，人工固化成型加工后存在皱褶、架桥、分层、开裂等多种质量缺陷，导致产品质量可靠性、稳定性和一致性差；其次，材料利用率低下导致材料成本高，为降低人工操作难度，提高人工效率，传统固化工艺是直接将整个异形曲面工件包绕，大面积的材料需要在固化后切削掉实现成型，实际缠绕成型的材料利用率不到30％，浪费极其严重；再者，需要通过机械切削加工去除多余的布带蒙皮，布带纤维在此过程中遭到切断破坏导致综合性能低，并且加工成本高、切削时粉尘污染严重、工序周转周期长导致总体成本高周期长等众多缺点。国内较早就对自动丝束铺放技术进行了技术跟踪和探索研究，南京航空航天大学、西北工业大学、哈尔滨工业大学、武汉工业大学等开展了一些理论和实验室研究。但是，自动丝束装备、工艺技术及相应的预浸丝束制备等技术都没有进行过系统研究，这为该成型技术的工程化应用带来了很大难度。目前，由于国内尚未研制出能够满足工程应用的自动丝束铺放装备，导致国内缺乏必要的丝束铺放装备作为研究平台，进而导致必要的配套技术如丝束预浸技术、驱动软件、铺放工艺和模具设计技术等的研究也无法开展，无法做到对自动丝束铺放技术系统进行深入的研究。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种大型七轴联动数控铺缠一体化成型装备，其目的在于，采用三个线性轴驱动铺缠头的上下升降、前后伸缩、左右移动，通过三个回转轴驱动铺缠头的俯仰、滚转、偏航，通过旋转工作台驱动工件回转，实现铺缠头的空间运动轨迹控制和工件回转，同时以一个回转轴驱动布带的收放及速度调节，进行八轴控制七轴联动铺放，从而实现空间各类异形曲面的复合材料蒙皮结构的自动化成型。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种大型七轴联动数控铺缠一体化成型装备，包括：装备主机、铺缠手腕、铺缠头、旋转工作台以及数控单元；装备主机包括三个平移单元，分别为上下升降Z轴单元、左右移动X轴单元和前后伸缩Y轴单元；左右移动X轴单元设于上下升降Z轴单元上，前后伸缩Y轴单元设于左右移动X轴单元上；铺缠手腕包括滚转A轴单元、俯仰B轴单元和偏航C轴单元，A轴平行于Y轴，B轴平行于X轴，C轴平行于Z轴；滚转A轴单元固定于前后伸缩Y轴单元上以随之沿Y轴前后伸缩运动，滚转A轴单元带动俯仰B轴单元绕A轴进行滚转，俯仰B轴单元带动偏航C轴单元绕B轴进行俯仰运动；铺缠头设于偏航C轴单元的输出端，以在偏航C轴单元的带动下绕C轴旋转实现偏航运动；铺缠头具有送带U轴单元，用于安装铺缠工件所需料带卷，并调节送带速度；旋转工作台为一个回转单元，用于安放待铺缠的工件以及带动该工件绕竖直的C轴旋转；数控单元用于控制三个平移单元、一个回转单元和三个旋转单元的运动，从而带动铺缠头按照设定的轨迹运动和带动工件转动，以及控制送带U轴单元调节送带速度。进一步地，上下升降Z轴单元包括：左右对称布置的两个立柱，两个立柱的前侧面均设有升降电机、Z向滚珠丝杠、Z向导轨和Z向滑块；升降电机与Z向滚珠丝杠连接，以驱动Z向滚珠丝杠转动；Z向滑块与Z向导轨配合；左右移动X轴单元与两个立柱上的Z向滑块和Z向滚珠丝杠的丝杠螺母均固定连接，以在Z向滚珠丝杠驱动下沿Z向导轨升降运动。进一步地，装备主机还包括两个重力平衡单元，左右对称、分别布置于两个立柱的左右两侧，两个重力平衡单元均包括：直线滑轨、动滑轮安装板、液压缸安装座、液压缸、链条、动滑轮A、第一定滑轮B、第二定滑轮C以及连接头；直线滑轨竖直固定于对应的立柱上，动滑轮安装板固定于直线滑轨的滑块上；液压缸通过液压缸安装座固定于直线滑轨下方，液压缸的活塞杆端部与动滑轮安装板固定连接；动滑轮A设于动滑轮安装板上，第一定滑轮B、第二定滑轮C均设于立柱上且位于直线滑轨一侧；第一定滑轮B的位置高于动滑轮A的最低点、第二定滑轮C的位置低于动滑轮A的最低点；链条一端固定于液压缸安装座上，另一端依次绕过动滑轮A、第一定滑轮B、第二定滑轮C后，通过连接头固定在Z轴升降基座上。进一步地，液压缸安装座包括座体A、固定板B以及两个导向板；座体A上设有液压缸安装孔，液压缸穿过液压缸安装孔，且通过安装法兰B固定在座体A上；安装法兰B的两个相对侧与液压缸安装孔的两个相对的孔壁之间形成分别供两个导向板穿过的缝隙；两个导向板的下端分别穿过对应侧的缝隙，上端固定在液压缸的活塞杆端部。进一步地，左右移动X轴单元包括：升降基座、X向滑轨、X向齿条、X向滑块、平移基座、X向电机以及X向齿轮；升降基座与两根Z向滚珠丝杠的丝杠螺母固定连接，升降基座的左右两端分别与对应的Z向导轨上的Z向滑块固定连接，以在滚珠丝杠的旋转驱动下，沿Z向导轨上下升降运动；X向滑轨、X向齿条均沿X轴方向设置于升降基座上表面；X向滑块与X向滑轨滑动配合，平移基座固定在X向滑块上；X向电机固定于平移基座上，其输出端设有X向齿轮，X向齿轮与X向齿条啮合。进一步地，前后伸缩Y轴单元包括Y向导轨、Y向滑块A、Y向基座、Y向齿条、Y向电机以及Y向齿轮；Y向导轨沿Y轴方向设置于Y向基座下部；Y向滑块A与Y向导轨滑动配合，且固定于平移基座上；Y向齿条沿Y轴方向设置于Y向基座上；Y向电机固定于平移基座上，且其输出端设有Y向齿轮，Y向齿轮与Y向齿条啮合。进一步地，滚转A轴单元包括滚转电机、滚转基座和俯仰基体；滚转电机固定于Y向基座上，滚转基座固定于滚转电机的输出端；滚转基座沿Y轴方向延伸出两侧臂，俯仰基体枢接于两侧臂之间；俯仰基体与两侧臂其中一个的枢接轴上设有从动齿轮；俯仰B轴单元包括俯仰电机和主动齿轮；俯仰电机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大型七轴联动数控铺缠一体化成型装备，其特征在于，包括：装备主机(1)、铺缠手腕(2)、铺缠头(3)、旋转工作台(4)以及数控单元；装备主机(1)包括三个平移单元，分别为上下升降Z轴单元(11)、左右移动X轴单元(13)和前后伸缩Y轴单元(14)；左右移动X轴单元(13)设于上下升降Z轴单元上(11)，前后伸缩Y轴单元(14)设于左右移动X轴单元(13)上；铺缠手腕(2)包括三个旋转单元，分别为滚转A轴单元(21)、俯仰B轴单元(22)和偏航C轴单元(23)，A轴平行于Y轴，B轴平行于X轴，C轴平行于Z轴；滚转A轴单元(21)固定于前后伸缩Y轴单元(14)上以随之沿Y轴前后伸缩运动，滚转A轴单元(21)带动俯仰B轴单元(22)绕A轴进行滚转，俯仰B轴单元(22)带动偏航C轴单元(23)绕B轴进行俯仰运动；铺缠头(3)设于偏航C轴单元(23)的输出端，以在偏航C轴单元的带动下绕C轴旋转实现偏航运动；铺缠头(3)具有送带U轴单元，用于安装铺缠工件所需料带卷(31)，并调节送带速度；旋转工作台(4)为一个回转单元，用于安放待铺缠的工件以及带动该工件绕竖直的C1轴旋转；数控单元用于控制三个平移单元、一个回转单元和三个旋转单元的运动，从而带动铺缠头按照设定的轨迹运动和带动工件转动，以及控制送带U轴单元调节送带速度。...

【技术特征摘要】
1.一种大型七轴联动数控铺缠一体化成型装备，其特征在于，包括：装备主机(1)、铺缠手腕(2)、铺缠头(3)、旋转工作台(4)以及数控单元；装备主机(1)包括三个平移单元，分别为上下升降Z轴单元(11)、左右移动X轴单元(13)和前后伸缩Y轴单元(14)；左右移动X轴单元(13)设于上下升降Z轴单元上(11)，前后伸缩Y轴单元(14)设于左右移动X轴单元(13)上；铺缠手腕(2)包括三个旋转单元，分别为滚转A轴单元(21)、俯仰B轴单元(22)和偏航C轴单元(23)，A轴平行于Y轴，B轴平行于X轴，C轴平行于Z轴；滚转A轴单元(21)固定于前后伸缩Y轴单元(14)上以随之沿Y轴前后伸缩运动，滚转A轴单元(21)带动俯仰B轴单元(22)绕A轴进行滚转，俯仰B轴单元(22)带动偏航C轴单元(23)绕B轴进行俯仰运动；铺缠头(3)设于偏航C轴单元(23)的输出端，以在偏航C轴单元的带动下绕C轴旋转实现偏航运动；铺缠头(3)具有送带U轴单元，用于安装铺缠工件所需料带卷(31)，并调节送带速度；旋转工作台(4)为一个回转单元，用于安放待铺缠的工件以及带动该工件绕竖直的C1轴旋转；数控单元用于控制三个平移单元、一个回转单元和三个旋转单元的运动，从而带动铺缠头按照设定的轨迹运动和带动工件转动，以及控制送带U轴单元调节送带速度。2.如权利要求1所述的一种大型七轴联动数控铺缠一体化成型装备，其特征在于，上下升降Z轴单元(11)包括：左右对称布置的两个立柱(111)，两个立柱(111)的前侧面均设有升降电机(116)、Z向滚珠丝杠(113)、Z向导轨(112)和Z向滑块(117)；升降电机(116)与Z向滚珠丝杠(113)连接，以驱动Z向滚珠丝杠(113)转动；Z向滑块(117)与Z向导轨(112)配合；左右移动X轴单元(13)与两个立柱(111)上的Z向滑块(117)和Z向滚珠丝杠(113)的丝杠螺母均固定连接，以在Z向滚珠丝杠(113)驱动下沿Z向导轨(112)升降运动。3.如权利要求2所述的一种大型七轴联动数控铺缠一体化成型装备，其特征在于，装备主机还包括两个重力平衡单元(12)，左右对称、分别布置于两个立柱(111)的左右两侧，两个重力平衡单元(12)均包括：直线滑轨(121)、动滑轮安装板(122)、液压缸安装座(123)、液压缸(124)、链条(125)、动滑轮(126A)、第一定滑轮(126B)、第二定滑轮(126C)以及连接头(127)；直线滑轨(121)竖直固定于对应的立柱(111)上，动滑轮安装板(122)固定于直线滑轨(121)的滑块上；液压缸(124)通过液压缸安装座(123)固定于直线滑轨(121)下方，液压缸(124)的活塞杆端部与动滑轮安装板(122)固定连接；动滑轮(126A)设于动滑轮安装板(122)上，第一定滑轮(126B)、第二定滑轮(126C)均设于立柱(111)上且位于直线滑轨(121)一侧；第一定滑轮(126B)的位置高于动滑轮(126A)的最低点、第二定滑轮(126C)的位置低于动滑轮(126A)的最低点；链条(125)一端固定于液压缸安装座(123)上，另一端依次绕过动滑轮(126A)、第一定滑轮(126B)、第二定滑轮(126C)后，通过连接头(127)固定在Z轴升降基座上。4.如权利要求3所述的一种大型七轴联动数控铺缠一体化成型装备，其特征在于，液压缸安装座(123)包括座体(123A)、固定板(123B)以及两个导向板(128)；座体(123A)上设有液压缸安装孔，液压缸(124)穿过液压缸安装孔，且通过安装法兰(123B)固定在座体(123A)上；安装法兰(123B)的两个相对侧与液压缸安装孔的两个相对的孔壁之间形成分别供两个导向板(128)穿过的缝隙；两个导向板的下端分别穿过对应侧的缝隙，上端固定在液压缸(124)的活塞杆端部。5.如权利要求1～4任意一项所述的一种大型七轴联动数控铺缠一体化成型装备，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：王华侨，陈吉红，杨建中，肖军，王显峰，苏国荣，赵国礼，周洪峰，郑武，沈亚东，罗海涛，付忠奎，
申请(专利权)人：华中科技大学，南京航空航天大学，湖南江南四棱数控机械有限公司，武汉华中数控股份有限公司，湖北三江航天红阳机电有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42