一种空间桁架用横梁双向缠绕成型装置

本发明涉及增材制造，具体涉及一种空间桁架用横梁双向缠绕成型装置。

背景技术：

1、目前，复合材料桁架横梁制造大多采用加工方式先制造出横梁，再通过焊接，组装完成桁架制造，工程工艺繁琐、加工周期长、产品质量差，内部结构不一致且无法一次性形成横梁结构，考虑到大型化、轻量化是航天器及其空间附属机构的发展趋势，受地空运载能力与运载成本的约束，现有常规就地制造技术已无法满足大尺寸、高性能、复杂结构件的太空应用需求。在轨增材制造(在轨3d打印)技术可突破常规就地制造瓶颈，解决空间制备难题，实现低成本在轨建设。

2、桁架横梁在轨增材制造技术仍在研发当中，使用数据不够完善，相关设备尚不成熟。本发明提供了一种桁架横梁在轨增材制造装置，通过双向缠绕，且无需横梁支撑支架即可完成衡量成型，成型效果好，成型效率高。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明公开了一种空间桁架用横梁双向缠绕成型装置，放弃传统复杂繁琐的横梁成型工艺，使用增材制造技术，促使横梁快速融化成型缠绕于纵梁上，形成结构稳定的桁架，极大提高了桁架形成速度，节约制造成本，可于空天在轨增材制造使用。

2、一种空间桁架用横梁双向缠绕成型装置，由两套运动机构组成，每套运动机构包括驱动模块、旋转模块、缠绕模块。驱动模块由步进电机和摩擦轮组成；电机驱动摩擦轮带动旋转模块旋转。旋转模块由滑环橡胶轮、滑环橡胶轮底座、滑环、滑块和支撑固定板组成；滑环橡胶轮受摩擦轮驱动力旋转，滑环橡胶轮底座减缓震动，保证传动平稳运转，上方连接滑块和滑环，用于确定轨道减小摩擦。缠绕模块由缠绕支架与缠绕导向块组成，缠绕支架储存横梁预浸带与不同尺寸带孔并固定于滑环橡胶轮和滑块上，缠绕导向块可用圆柱头螺钉固定于缠绕支架，通过改变六角螺母深度改变牵引块与加热板位置，达到合适加热距离熔化横梁预浸带，粘接在成型纵梁上。

3、所述驱动模块包括步进电机、摩擦轮轴和摩擦轮；电机安装在支撑固定板上，摩擦轮通过摩擦轮轴安装于电机下方，电机驱动使摩擦轮旋转，为系统旋转提供动力。

4、所述旋转模块包括橡胶轮、橡胶轮底座、滑环和滑块；摩擦轮带动橡胶轮旋转，为旋转模块提供动力，摩擦轮与摩擦轮底座通过内六角圆柱头螺钉连接与缠绕支架固定在一起，滑块直接与缠绕支架连接使摩擦轮、摩擦轮底座、缠绕支架形成一体式结构，滑环安装在支撑固定板下方，滑环内部内设置滑槽，滑块沿滑槽运动，使一体式结构完成规定旋转轨迹。

5、所述缠绕模块包括缠绕支架、内六角圆柱头螺钉、缠绕导向块；缠绕支架连接于一体式结构实现旋转，缠绕支架上设有两套原料架与定位板，设置间隔180°，定位板位于原料架内侧并与原料架间隔一段距离，导向块位于定位板内侧并通过内六角圆柱头螺钉连接，控制螺母位置，可改变导向块与纵梁之间距离，满足不同预浸带缠绕需要。

6、进一步地，设置上下两套运动机构，同时反向旋转，形成多根异向横梁，提高桁架结构稳定性；

7、进一步地，电机驱动滑环转动，预浸带直接缠绕于桁架纵梁后冷却固化，提高横梁成型效率；

8、进一步地，缠绕机构采用集成化结构设计，减少部件，缩小装置尺寸，小体积有利于火箭发射；

9、进一步地，采用胶轮，减小运动摩擦，同时减少胶轮磨损，降低设备运行成本；

10、进一步地，采用滑环、滑块，保证轨迹运行精度，减小摩擦，降低电力损耗量，可实现低功耗在轨运转，能够适应太空环境的能源限制；

11、本发明的有益效果：

12、1、多级异向旋转缠绕设计使横梁粘接更牢固，提高桁架整体强度和刚度，提高整体结构的稳定性。

13、2、电机驱动滑环转动，滑环携带预浸带直接缠绕于桁架纵梁后冷却固化，提高横梁成型效率；

14、3、进一步地，缠绕机构采用集成化结构设计，减少部件，缩小装置尺寸，小体积有利于火箭发射，降低发射难度，减少发射成本；

15、4、采用胶轮、滑轨、滑块，减小摩擦，降低电力损耗量，可实现低功耗在轨运转，能够适应太空环境的能源限制。

16、5、横梁缠绕装置不需要工作台，节省材料和空间，降低制造成本，减少耗能，为连续生产复合材料桁架结构提供支持。

技术特征：

1.一种空间桁架用横梁双向缠绕成型装置，其特征在于:包括上、下设置的两套运动机构，两套运动机构结构相同，每套运动机构包括驱动模块、旋转模块、缠绕模块：驱动模块包括步进电机（4）、安装于步进电机（4）下输出轴的摩擦轮（5）；旋转模块包括从上到下依次设置的支撑固定板（1）、滑环（2）、滑块（3）、橡胶轮底座（8）和滑环橡胶轮（10），其中滑环橡胶轮（10）与摩擦轮（5）接触传动；缠绕模块包括缠绕支架（11）、控制缠绕导向块（14）位置的内六角圆柱头螺钉（15）、缠绕导向块（14），缠绕支架设有原料架（12）和定位板（13）。

2.根据权利要求1所述的一种空间桁架用横梁双向缠绕成型装置，其特征在于：两套运动机构同轴放置，间距200mm-500mm可调；两套运动机构的运动方向相反，每套运动机构上携带多个缠绕支架（11），同时形成多根横梁缠绕于成型纵梁。

3.根据权利要求1所述的一种空间桁架用横梁双向缠绕成型装置，其特征在于：步进电机（4）驱动通过摩擦轮轴（6）固定的摩擦轮（5），摩擦轮与旋转模块的橡胶轮（10）压紧，通过摩擦平稳提供动力，带动滑块（3）上的缠绕支架（11）旋转。

4.根据权利要求1所述的一种空间桁架用横梁双向缠绕成型装置，其特征在于：其中所述滑环（2）固定于支撑固定板（1）下方，滑环设置运行轨道槽，滑块（3）嵌合滑环（2），橡胶轮（10）、橡胶轮底座（8）、滑块（3）与缠绕支架（11）连接形成一体式结构，按预设轨迹运动。

5.根据权利要求1所述的一种空间桁架用横梁双向缠绕成型装置，其特征在于：橡胶轮（10）和橡胶轮底座（8）上均设有螺纹孔，螺纹孔一（7）用于固定橡胶轮（10）和橡胶轮底座（8），保证橡胶轮（10）与橡胶轮底座（8）形成一体式结构。

6.根据权利要求1所述的一种空间桁架用横梁双向缠绕成型装置，其特征在于：原料架（12）储存横向预浸带材，带材穿过定位板（13）与缠绕导向块（14）中合适的尺寸孔，通过内六角圆柱头螺钉（15）调整缠绕导向块（14）与纵梁之间距离，将带材黏合在纵梁上，再通过旋转将横梁材料缠绕在纵梁上形成桁架。

7.根据权利要求1所述的一种空间桁架用横梁双向缠绕成型装置，其特征在于：缠绕支架（11）设有两类螺纹孔，螺纹孔一（7）设有12个，用于橡胶轮（10）、橡胶轮底座（8）和缠绕支架（11）的连接；螺纹孔二（9）设有4个，用于缠绕支架（11）与橡胶轮底座（8）的直接连接，使滑块、橡胶轮、橡胶轮底座、缠绕支架一体化。

8.根据权利要求1所述的一种空间桁架用横梁双向缠绕成型装置，其特征在于：缠绕导向块（14）材质为6061铝合金，缠绕导向块（14）通过内六角圆柱头螺钉（15）固定于缠绕支架（11）的定位板（13）上，缠绕导向块（14）上设置三种不同尺寸带孔，用于通过不同尺寸横梁带材。

9.根据权利要求1所述的一种空间桁架用横梁双向缠绕成型装置，其特征在于：原料架（12）上装有阻尼器，使原料在缠绕过程中保持一定阻尼，处于张紧状态。

技术总结
本发明提出了一种空间桁架用横梁双向缠绕成型装置，驱动模块由步进电机和摩擦轮组成；电机驱动摩擦轮带动旋转模块旋转。旋转模块由橡胶轮、橡胶轮底座、滑环、滑块和支撑固定板组成；缠绕模块由缠绕支架与缠绕导向块组成，缠绕支架储存横梁预浸带并设有不同尺寸带孔，缠绕支架固定于橡胶轮，橡胶轮底座和滑块上，缠绕导向块可用圆柱头螺钉固定于缠绕支架。本发明为在轨增材制造桁架横梁缠绕成型设计，装置内的两套运动机构反向旋转，同时形成多根异向横梁，提高桁架结构稳定性；电机驱动滑环，快速缠绕于桁架纵梁，提高横梁成型效率；集成化结构设计；减小摩擦，降低电力损耗量，可实现低功耗在轨运转，能够适应太空环境的能源限制。

技术研发人员：单忠德,孙一馨,郑菁桦,范聪泽,宋文哲,陈意伟,刘恺
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16