多束纤维双层螺旋环向一体化缠绕制作储料容器的设备

1.本发明属于碳纤维缠绕设备技术领域，具体涉及一种多束纤维双层螺旋环向一体化缠绕制作储料容器的设备。


背景技术：

2.碳纤维复合材料具有比强度和比模量高、质量轻、刚度及抗疲性能好等优点，在一些高温或者化学稳定性要求高的作业环境，碳纤维复合材料优势明显，广泛地应用于航空航天、汽车、风力发电等重要领域，涉及军用民用等各个方面；由于碳纤维缠绕制品具有轻量化、强度高、易于实现自动化、工艺化的特点，缠绕制品的需求量日益增长，高效便捷的缠绕设备必将得到大范围的推广。
3.在氢能应用的关键技术上，起决定因素的便是安全高效的储料技术，储存方式主要有气态储料、液态储料和固体储料，当前储料容器的缠绕成型工艺方法中较为成熟且主要包含螺旋缠绕工艺与环向缠绕工艺。
4.针对储料容器结构强度、寿命等性能方面：目前储料容器纤维缠绕成型方式主要以单束缠绕为主，该方法在进行螺旋缠绕时，同层纤维之间会造成堆叠、交叉，且缠绕不均匀，从而造成最终储料容器产生局部应力集中，未能最大化发挥纤维性能；针对储料容器的成本制造技术方面：目前提高生产效率主要依靠提升工位数，且多工位同步缠绕，需要更高的硬件质量，同时受到缠绕设备的空间限制不能无限增加，缠绕效率无法得到质的提升，储料容器生产效率难以保障，成型性能稳定性差。
5.目前，国内高效高精度数控纤维缠绕机需从国外购进，国内对多丝束缠绕设备开发仍存在技术难题，国外多束缠绕设备一般为单层螺旋多束缠绕，且多束螺旋缠绕与环向缠绕设备分离，占地空间大，缠绕效率有待提高。


技术实现要素：

6.本发明为了解决现有技术中单层螺旋多束缠绕效率低、多束螺旋缠绕与环向缠绕设备分离的问题，提供了一种多束纤维双层螺旋环向一体化缠绕制作储料容器的设备。
7.本发明采用如下的技术方案实现：一种多束纤维双层螺旋环向一体化缠绕制作储料容器的设备，包括旋转驱动单元和置于旋转驱动单元两侧的两个径向滑动驱动单元，径向滑动驱动单元上圆周阵列有若干道螺旋缠绕导丝管并带动螺旋缠绕导丝管做径向伸缩运动，旋转驱动单元带动两个径向滑动驱动单元上的螺旋缠绕导丝管做旋转运动，旋转驱动单元和两个径向滑动驱动单元之间均通过托架连接，两个径向滑动驱动单元远离旋转驱动单元的一侧均连接有机架板。
8.优选地，径向滑动驱动单元包括端面阿基米德曲线齿轮、第一回转支撑、径向导向架、径向驱动组件和若干个径向滑动组件；端面阿基米德曲线齿轮的表面圆周阵列有若干道曲线槽，第一回转支撑的外圈与端面阿基米德曲线齿轮固连，第一回转支撑的内圈与同侧的机架板固连，径向导向架与同侧的托架连接固定且径向导向架上圆周阵列有若干道导
向槽，径向滑动组件的一部分滑动伸入径向导向架的导向槽中，径向滑动组件的一侧凸起伸入端面阿基米德曲线齿轮的曲线槽中，径向驱动组件与端面阿基米德曲线齿轮的外侧齿轮啮合传动。
9.优选地，径向滑动组件包括滑块、输送轴、锥齿轮旋转管、滑动花键杆，滑块滑动设置在导向槽中且一侧具有与端面阿基米德曲线齿轮的曲线槽配合的柱形凸起，输送轴通过轴承安装在滑块内且两端伸出滑块，螺旋缠绕导丝管和滑动花键杆分别连接在输送轴的前端和末端，锥齿轮旋转管的内壁与滑动花键杆滑动套合，托架上设置有对锥齿轮旋转管沿其轴向移动进行限位的套环，锥齿轮旋转管上的锥齿轮置于导向槽外。
10.优选地，径向驱动组件包括蜗杆和第一伺服电机，蜗杆通过承载架水平安装在同侧的机架板上，第一伺服电机的输出轴与蜗杆连接，蜗杆与端面阿基米德曲线齿轮的外侧齿轮啮合传动。
11.优选地，旋转驱动单元包括内外大齿圈、第二回转支撑、小齿轮同步传动组件、旋转驱动组件、环向驱动组件和环向放卷辊组件，第二回转支撑的外圈与内外大齿圈的一侧固连，第二回转支撑的内圈与其中一个托架固连；若干组小齿轮同步传动组件均为分布啮合在内外大齿圈的外齿圈上，旋转驱动组件与内外大齿圈的内齿圈啮合传动，小齿轮同步传动组件包括两个与内外大齿圈啮合的小圆齿轮和两个分别与两个径向滑动单元上的锥齿轮旋转管上的锥齿轮垂直啮合的小锥齿轮，两个小圆齿轮键连接并排布置且分别与同侧的小锥齿轮通过连接轴连接，连接轴穿过托架并通过轴承安装在托架上；环向驱动组件和环向放卷辊组件安装在内外大齿圈远离第二回转支撑的一侧且用于实现对储料容器的环向缠绕。
12.优选地，环向驱动组件包括第二伺服电机和环向缠绕导丝管，第二伺服电机通过伺服电机座安装在内外大齿圈上，环向缠绕导丝管通过键连接固定套接在用于调节其转动角度的第二伺服电机的输出轴上；环向放卷辊组件包括力矩电机、放卷辊、导丝辊、张力辊和导向辊，放卷辊用于输出纤维丝束，力矩电机带动纤维线团旋转输出纤维丝束并同时产生张力，纤维丝束通过导丝辊，由张力辊控制调节丝束张力，再由导向辊调整输出方向，多个环向放卷辊组件的导向辊输出的单束纤维在邻近环向缠绕导丝管的一个导向辊处汇聚为多束纤维，并进入环向缠绕导丝管中，由环向缠绕导丝管输出。
13.优选地，旋转驱动组件包括卧式电机、连轴减速器和驱动齿轮，卧式电机通过环形安装座固定在其中一个托架上，连轴减速器安装在环形安装座上且与卧式电机的输出轴连接，连轴减速器的输出轴与驱动齿轮连接，驱动齿轮与内外大齿圈的内齿圈啮合传动。
14.优选地，托架、机架板、端面阿基米德曲线齿轮、第一回转支撑、径向导向架、内外大齿圈和第二回转支撑同轴布置且均具有供储料容器穿过的圆形通道；托架锚固在地面上且与同侧的径向导向架之间设置有厚度补偿片。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1. 本装置提供了一种多束纤维双层螺旋环向一体化缠绕制作储料容器的设备，实现双层螺旋缠绕，且螺旋缠绕和环向缠绕一体化设计，使得缠绕效率大大提高，为碳纤维复合材料缠绕制品的加工提供了新方案。
16.2. 本发明采用在端面设计有阿基米德曲线原理的齿轮驱动同一个径向滑动驱动单元上的螺旋缠绕导丝管进行同步径向进给；使用的阿基米德曲线原理的齿轮驱动多个螺
旋缠绕导丝管径向移动，在结构特点上采用曲线槽驱动，可以提升同步进给运动精度，避免了普通齿轮驱动时由于啮合存在间隙而产生的精度低、振动大、同步性差的问题，在控制上可以使得多个螺旋缠绕导丝管进给更加连续流畅，避免普通齿轮同步驱动时的齿位矫正等繁琐工序。
17.3. 本发明采用双层螺旋缠绕导丝管进给，通过内外大齿圈驱动圆周均布的小齿轮同步传动组件，保证传递到螺旋缠绕导丝管的转角是同时同步，实现双层螺旋缠绕导丝管同步旋转；双层端面阿基米德曲线齿轮驱动，保证每层螺旋缠绕导丝管径向进给互不影响。
18.4. 本发明的内外大齿圈旋转时，外齿圈通过锥齿轮传动控制双层螺旋缠绕导丝管同步自旋转，同时内外大齿圈端面带动环向驱动组件和环向放卷辊组件旋转完成环向缠绕动作，在保证环向缠绕导丝管旋转功能同时实现环向缠绕。
19.5. 本发明通过双层径向滑动驱动单元、旋转驱动单元的共同控制，双层径向滑动驱动单元由各自的端面阿基米德曲线齿轮驱动，可以实现双层螺旋缠绕导丝管交替径向进给和同步径向进给，既保证圆周均布的单层螺旋缠绕导丝管的运动同步，又实现双层螺旋缠绕导丝管交替运动；通过理论研究与结构创新，突破了现有多束纤维缠绕工艺，实现螺旋缠绕和环向缠绕设备一体化，大大提高了缠绕效率，降低加工成本，提升了缠绕精度，避免了纤维交叉架空，从而降低应力集中现象，是解决目前缠绕工艺瑕疵的一种可行方案。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明的整体结构爆炸示意图；图2为本发明径向滑动驱动单元的结构示意图；图3为本发明旋转驱动单元的结构示意图；图4为本发明剖视截面图；图5为本发明环向驱动组件和环向放卷辊组件的布置图；图6为本发明径向滑动组件的内部结构示意图；图7为本发明旋转驱动组件的结构示意图；图8为本发明端面阿基米德曲线齿轮驱动滑块的结构示意图。
22.图中：1-螺旋缠绕导丝管；2-托架；2.1-套环；3-机架板；4-端面阿基米德曲线齿轮；4.1-曲线槽；5-第一回转支撑；6-径向导向架；6.1-导向槽；7.1-滑块；7.2-输送轴；7.3-锥齿轮旋转管；7.4-滑动花键杆；7.5-端盖；8.1-蜗杆；8.2-第一伺服电机；8.3-承载架；9-内外大齿圈；10-第二回转支撑；11.1-小圆齿轮；11.2-小锥齿轮；11.3-连接轴；12.1-卧式电机；12.2-连轴减速器；12.3-驱动齿轮；12.4-环形安装座；13.1-第二伺服电机；13.2-环向缠绕导丝管；13.3-伺服电机座；14.1-力矩电机；14.2-放卷辊；14.3-导丝辊；14.4-张力辊；14.5-导向辊；15-厚度补偿片。
具体实施方式
23.结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性地劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。
24.须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内，需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
25.本发明提供了一种实施例：如图1所示，一种多束纤维双层螺旋环向一体化缠绕制作储料容器的设备，包括旋转驱动单元和置于旋转驱动单元两侧的两个径向滑动驱动单元，径向滑动驱动单元上圆周阵列有若干道螺旋缠绕导丝管1并带动螺旋缠绕导丝管1做同步的径向伸缩运动，旋转驱动单元带动两个径向滑动驱动单元上的螺旋缠绕导丝管1做同步的旋转运动，旋转驱动单元和两个径向滑动驱动单元之间均通过托架2连接，两个径向滑动驱动单元远离旋转驱动单元的一侧均连接有机架板3；旋转驱动单元和两个径向滑动驱动单元可单独控制螺旋缠绕导丝管1动作，也可同时控制螺旋缠绕导丝管1动作，三个单元相互独立，互不影响。
26.托架2、机架板3、端面阿基米德曲线齿轮4、第一回转支撑5、径向导向架6、内外大齿圈9和第二回转支撑10同轴布置且均具有供储料容器穿过的圆形通道；托架2锚固在地面上且与同侧的径向导向架6之间通过螺栓连接有厚度补偿片15，机架板3锚固在地面。
27.如图2、图8所示，径向滑动驱动单元包括端面阿基米德曲线齿轮4、第一回转支撑5、径向导向架6、径向驱动组件和若干个径向滑动组件；端面阿基米德曲线齿轮4的表面圆周阵列有若干道曲线槽4.1，第一回转支撑5的外圈与端面阿基米德曲线齿轮4通过螺栓固连，第一回转支撑5的内圈与同侧的机架板3通过螺栓固连，径向导向架6与同侧的托架2连接固定且径向导向架6上圆周阵列有若干道导向槽6.1，径向滑动组件的一部分滑动伸入径向导向架6的导向槽6.1中，径向滑动组件的一侧凸起伸入端面阿基米德曲线齿轮4的曲线槽4.1中，径向驱动组件包括蜗杆8.1和第一伺服电机8.2，蜗杆8.1通过承载架8.3水平安装在同侧的机架板3上，第一伺服电机8.2的输出轴与蜗杆8.1连接，蜗杆8.1与端面阿基米德曲线齿轮4的外侧齿轮啮合传动，为径向滑动驱动单元提供驱动力。
28.如图6所示，径向滑动组件包括滑块7.1、输送轴7.2、锥齿轮旋转管7.3、滑动花键杆7.4，滑块7.1滑动设置在导向槽6.1中且一侧具有与端面阿基米德曲线齿轮4的曲线槽4.1配合的柱形凸起，使端面阿基米德曲线齿轮4带动滑块7.1沿径向导向架6的导向槽6.1移动，从而实现缠绕导丝管1的径向伸缩移动；输送轴7.2通过轴承安装在滑块7.1内且两端伸出滑块7.1，带有通孔的端盖7.5穿过输送轴7.2并通过螺栓安装在滑块7.1的两端固定，螺旋缠绕导丝管1和滑动花键杆7.4分别连接在输送轴7.2的前端和末端，锥齿轮旋转管7.3的内壁与滑动花键杆7.4滑动套合，滑动花键杆7.4径向移动过程中始终插入锥齿轮旋转管
7.3的内部花键槽内，托架2上设置有对锥齿轮旋转管7.3沿自身轴向滑动进行限位的套环2.1，锥齿轮旋转管7.3上的锥齿轮置于导向槽6.1和套环2.1的外侧，输送轴7.2和滑动花键杆7.4上均设置有供纤维丝束穿过的通道，锥齿轮旋转管7.3带动滑动花键杆7.4旋转，实现螺旋缠绕导丝管1的旋转。
29.如图3、图4所示，旋转驱动单元包括内外大齿圈9、第二回转支撑10、小齿轮同步传动组件、旋转驱动组件、环向驱动组件和环向放卷辊组件，第二回转支撑10的外圈与内外大齿圈9的一侧通过螺栓固连，第二回转支撑10的内圈与其中一个托架2通过螺栓固连；如图7所示，旋转驱动组件包括卧式电机12.1、连轴减速器12.2和驱动齿轮12.3，卧式电机12.1通过环形安装座12.4固定在其中一个托架2的内圈底部，连轴减速器12.2安装在环形安装座12.4上且与卧式电机12.1的输出轴连接，连轴减速器12.2的输出轴与驱动齿轮12.3连接，驱动齿轮12.3与内外大齿圈9的内齿圈啮合传动。
30.若干组小齿轮同步传动组件均为分布啮合在内外大齿圈9的外齿圈上，小齿轮同步传动组件包括两个与内外大齿圈9啮合的小圆齿轮11.1和两个分别与两个径向滑动单元上的锥齿轮旋转管7.3上的锥齿轮垂直啮合的小锥齿轮11.2，两个小圆齿轮11.1键连接并排布置且分别与同侧的小锥齿轮11.2通过连接轴11.3连接，连接轴11.3穿过托架2并通过轴承安装在托架2上。
31.如图5所示，环向驱动组件和环向放卷辊组件安装在内外大齿圈9远离第二回转支撑10的一侧且用于实现对储料容器的环向缠绕，环向驱动组件包括第二伺服电机13.1和环向缠绕导丝管13.2，第二伺服电机13.1通过伺服电机座13.3安装在内外大齿圈9上，环向缠绕导丝管13.2的旋转端通过键连接固定套接在用于调节其转动角度的第二伺服电机13.1的输出轴上；环向放卷辊组件包括力矩电机14.1、放卷辊14.2、导丝辊14.3、张力辊14.4和导向辊14.5，放卷辊14.2用于输出纤维丝束，力矩电机14.1带动纤维线团旋转输出纤维丝束并同时产生张力，纤维丝束通过导丝辊14.3，由张力辊14.4控制调节丝束张力，再由导向辊14.5调整输出方向，多个环向放卷辊组件的导向辊14.5输出的单束纤维在邻近环向缠绕导丝管13.2的一个导向辊14.5处汇聚为多束纤维，并进入环向缠绕导丝管13.2中，由环向缠绕导丝管13.2输出。
32.具体工作流程：缠绕时，通过与该装置配合的进给装置带动被缠绕储料容器做轴向往复运动和轴向转动；旋转驱动组件的驱动齿轮12.3啮合驱动内外大齿圈9的内齿圈旋转，内外大齿圈9外圈啮合驱动圆周均布的小齿轮同步传动组件的两个小圆齿轮11.1，并带动两个小锥齿轮11.2同步转动，小锥齿轮11.2啮合驱动同侧的锥齿轮旋转管7.3上的锥齿轮旋转，锥齿轮旋转管7.3内壁与滑动花键杆7.4套合，通过滑动花键杆7.4带动螺旋缠绕导丝管1旋转；同时，径向驱动组件的蜗杆8.1啮合驱动端面阿基米德曲线齿轮4转动，端面阿基米德曲线齿轮4的曲线槽4.1带动滑块7.1沿径向导向架6的导向槽6.1做径向伸出运动，滑块7.1带动输送轴7.2、输送轴7.2带动滑动花键杆7.4和螺旋缠绕导丝管1做径向伸出运动，驱动螺旋缠绕导丝管1径向移动至储料容器封头段一定距离。
33.从储料容器封头段到筒身段缠绕时，左侧的径向滑动驱动单元与旋转驱动单元同时工作，使左侧的径向滑动驱动单元的螺旋缠绕导丝管1进行径向缩回移动同时实现自旋
转，使得纤维丝束与储料容器封头段按一定缠绕角更好地贴合，避免多丝束纤维交叉现象；当缠绕至储料容器筒身段，左侧的径向滑动驱动单元的螺旋缠绕导丝管1径向缩回至一定位置停止缩回，并沿缠绕角方向对储料容器筒身段继续第一层缠绕。
34.作为螺旋缠绕中的其中一种情况（当两层螺旋缠绕导丝管1之间的间距为前部封头段和筒身段的轴向尺寸之和时），在筒身段缠绕完成后，后部封头段第一层缠绕与前部封头段第二层缠绕同时开始，左侧的径向滑动驱动单元、旋转驱动单元与右侧的径向滑动驱动单元同时开始工作，左侧的径向滑动驱动单元的径向驱动组件啮合驱动端面阿基米德曲线齿轮4控制左侧的螺旋缠绕导丝管1做径向伸出运动，使纤维丝束贴合后部封头段；同时，右侧的径向滑动驱动单元的径向驱动组件啮合驱动端面阿基米德曲线齿轮4控制右侧的螺旋缠绕导丝管1做径向缩回运动，驱动右侧的螺旋缠绕导丝管1径向移动至储料容器封口一定距离；此过程旋转驱动单元保证两个径向滑动驱动单元的螺旋缠绕导丝管1同时旋转，使纤维丝束以相同缠绕角同时贴合第一层后部封头段和第二层前部封头段。
35.双层封头段缠绕完成后，左侧的径向滑动驱动单元的螺旋缠绕导丝管1位置不变，右侧径向滑动驱动单元的螺旋缠绕导丝管1径向缩回至一定位置停止缩回，并沿缠绕角方向对储料容器筒身段继续第二层缠绕。
36.筒身圆柱部分第二层缠绕完成后，继续进行后部封头段第二层缠绕，右侧的径向滑动驱动单元与旋转驱动单元同时工作，旋转驱动单元控制螺旋缠绕导丝管1旋转使纤维丝束贴合封头面，右侧的径向滑动驱动单元控制右侧的螺旋缠绕导丝管1伸出至储料容器封口处。当第二层缠绕完成后，储料容器旋转一周，反方向进行第二次缠绕，每次可完成两层螺旋缠绕，依次进行下去。
37.进一步，螺旋缠绕完成后，切断螺旋缠绕纤维丝束，径向滑动驱动单元控制螺旋缠绕导丝管1进行径向缩回至极限位置后停止；旋转驱动单元继续运行，第二伺服电机13.1旋转驱动环向缠绕导丝管13.2末端伸出至距离筒身段一定位置，可按照储料容器直径粗细调节环向缠绕导丝管13.2末端位置；放卷辊14.2输出纤维丝束，力矩电机14.1带动纤维线团旋转输出纤维丝束并同时产生张力，纤维丝束通过导丝辊14.3，由张力辊14.4控制调节丝束张力，再由导向辊14.5调整输出方向，多个环向放卷辊组件的导向辊14.5输出的单束纤维在邻近环向缠绕导丝管13.2的一个导向辊14.5处汇聚为多束纤维，并进入环向缠绕导丝管13.2中，由环向缠绕导丝管13.2输出沿待缠绕件表面进行缠绕。
38.多个环向放卷辊组件在内外大齿圈9的端面一侧周向分布，环向缠绕时旋转驱动组件啮合驱动内外大齿圈9内圈继续旋转，第二伺服电机13.1调节环向缠绕导丝管13.2末端与被缠绕件的距离，并在内外大齿圈9带动下旋转，配合被缠绕件沿装置的中心轴进给，实现纤维丝束对筒身段的环向缠绕工艺。
39.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。