本發(fā)明涉及復(fù)合材料制造領(lǐng)域，具體涉及一種多自由度機器人纖維纏繞裝置及快速展紗方法。

背景技術(shù)：

1、纖維纏繞復(fù)合材料是一種由纖維材料和樹脂基體結(jié)合而成的復(fù)合材料。變曲率纏繞技術(shù)被廣泛應(yīng)用于汽車內(nèi)飾、航空航天材料等領(lǐng)域，然而由于變曲率纏繞技術(shù)需要復(fù)雜的機械設(shè)備和工藝流程，在制造纏繞制品時，需要確保纖維的纏繞方式和密度能夠達到設(shè)計要求，這可能需要精密的控制和調(diào)整，增加了生產(chǎn)的復(fù)雜性。

2、由于纏繞制品的多樣性，在制造不同曲率的纏繞制品時，要進行纏繞方式的設(shè)計以及機器人的纏繞軌跡規(guī)劃，目前大多數(shù)纏繞制品封頭側(cè)端經(jīng)常形成纖維堆積，影響線型精度和制品強度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種多自由度機器人纖維纏繞裝置及快速展紗方法，解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明所述的多自由度機器人纖維纏繞裝置集六自由度工業(yè)機器人、纏繞控制柜、張力控制器、張力控制柜、干法/濕法導(dǎo)絲頭、纏繞主軸、多功能膠槽、水平移動滑軌、模具存放架、集成控制系統(tǒng)于一體，其機器人纖維纏繞系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)基于機器人的復(fù)合材料制品干法/濕法纏繞，在控制系統(tǒng)中工控機作為上位機，運動控制器和機器人控制柜作為下位機。

4、進一步地，所述的多自由度機器人纖維纏繞裝置可以實現(xiàn)9個自由度控制，實現(xiàn)導(dǎo)絲頭左右運動、導(dǎo)絲頭前后運動、導(dǎo)絲頭上下運動、導(dǎo)絲頭偏航運動、導(dǎo)絲頭旋轉(zhuǎn)、主軸旋轉(zhuǎn)聯(lián)動，通過更換纏繞頭、模具及編程等方式適應(yīng)不同纏繞制品及工藝。

5、進一步地，所述的干法/濕法導(dǎo)絲頭由纏繞方法決定，干法和濕法導(dǎo)絲頭末端應(yīng)為紡錘形或圓筒形，避免紗線干涉。濕法導(dǎo)絲頭的尾部是存在紗梳的圓輥，紗梳是由間隔長度相同，高度差相同并依次排列的圓柱形金屬棱構(gòu)成，紗梳用于使紗線分離，中部是凸顯程度約60°用于展紗的凸輥，前端是凹陷程度約45°用于合紗的凹輥；干法導(dǎo)絲頭尾部則是兩個上下分布的圓輥，用于紗線的分離，中部是一個用于捻紗的圓輥，前端是凹陷程度約45°用于合紗的凹輥。

6、進一步地，所述下位機通過與上位機的通信完成對纏繞設(shè)備的實時數(shù)據(jù)采集并回傳到上位機，包括膠槽溫度、風槍溫度、絲嘴溫度、張力設(shè)定、內(nèi)膽壓力等，在機器人控制柜中切換運行模式，使機器人處于外部運行模式，使用profinet協(xié)議實現(xiàn)運動控制器對機器人的控制，之后對機器人進行使能，并根據(jù)上位機下發(fā)的工藝數(shù)據(jù)完成具體參數(shù)設(shè)定，繼而全程自動完成纏繞作業(yè)。其中，運動控制器獲得在機器人處于外部運行模式時的全部控制權(quán)，包括纏繞系統(tǒng)的啟停、復(fù)位、加減速調(diào)節(jié)以及張力等參數(shù)的實時調(diào)整。

7、進一步地，所述的上位機主要實現(xiàn)人機交互界面，通過工藝參數(shù)設(shè)置實現(xiàn)對纏繞制品的纏繞線型設(shè)計、纏繞軌跡優(yōu)化、g代碼輸出及對纏繞過程中的信息監(jiān)控。上位機與下位機通信主要采用tcp/ip協(xié)議進行通信，此上位機使用了modbustcp通信方式與運動控制器進行數(shù)據(jù)交互，完成g代碼軌跡文件的傳送，其中上位機界面可以監(jiān)控機器人各擴展軸的位姿角度，機器人狀態(tài)，纏繞進度等機器人信息，同時顯示了張力反饋值、膠槽溫度反饋值、主軸充氣壓力值、設(shè)備配置、導(dǎo)絲頭選擇、狀態(tài)報警監(jiān)控、plc設(shè)備接口通信等信息。

8、進一步地，所述的快速展紗方法步驟如下：

9、以導(dǎo)絲嘴與偏航軸的位置幾何關(guān)系為條件，實現(xiàn)絲嘴橫輥向量與落紗點法向量和絲嘴出紗向量垂直。

10、偏航軸轉(zhuǎn)動坐標b：

11、

12、rz為曲面參數(shù)，θ為芯模中心角，b為出紗向量在xoz平面的投影與z軸夾角；

13、絲嘴轉(zhuǎn)動坐標a：

14、

15、a為絲嘴橫輥向量與y軸夾角；

16、導(dǎo)絲嘴旋轉(zhuǎn)軸與偏航軸的位置幾何關(guān)系：

17、

18、x為導(dǎo)絲嘴旋轉(zhuǎn)軸位置，y為偏航軸位置，pi(i＝0,1,2,3,4,5)與qe(e＝0,1,2)為待定系數(shù)；

19、落紗點處的法線向量

20、

21、絲嘴在芯模落紗點p點的出紗向量

22、

23、絲嘴橫輥向量

24、

25、由克萊羅條件方程對纏繞軌跡進行計算，使用nurbs曲線進行插值推導(dǎo)纏繞軌跡；

26、纏繞軌跡根據(jù)克萊羅條件方程進行計算：r1sinα1＝r2sinα2＝constant；

27、r＝任何纏繞點的芯模半徑，α＝纏繞角度；

28、nurbs曲線插值可以得到m個與時間序列[t1,t2,,tm]相對應(yīng)的數(shù)據(jù)點，其軌跡為：

29、

30、式中：u為歸一化參數(shù)，di(i＝0,1,n)為曲線控制點，wi為控制點對應(yīng)的權(quán)系數(shù)，k為次數(shù)，ni,k(u)為定義在節(jié)點矢量上的第i個k次基函數(shù)；

31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

32、避免了展紗不均勻，纖維纏繞某些制品時出現(xiàn)纖維束扭曲、松邊緊邊以及封頭處過度堆積等問題，影響制品質(zhì)量。

技術(shù)特征：

1.一種多自由度機器人纖維纏繞裝置及快速展紗方法，其特征在于，其多自由度機器人纖維纏繞裝置集六自由度工業(yè)機器人1、纏繞控制柜2、張力控制器3、張力控制柜4、纏繞主軸5、干法/濕法導(dǎo)絲頭6、多功能膠槽7、模具存放架8、水平移動滑軌9、集成控制系統(tǒng)于一體，在控制系統(tǒng)中工控機10作為上位機，運動控制器和機器人控制柜11作為下位機。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多自由度機器人纖維纏繞裝置及快速展紗方法，其特征在于，所述的多自由度機器人纖維纏繞裝置可以實現(xiàn)9個自由度控制，實現(xiàn)導(dǎo)絲頭左右運動、導(dǎo)絲頭前后運動、導(dǎo)絲頭上下運動、導(dǎo)絲頭偏航運動、導(dǎo)絲頭旋轉(zhuǎn)、主軸旋轉(zhuǎn)聯(lián)動，通過更換纏繞頭、模具及編程等方式適應(yīng)不同纏繞制品及工藝。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多自由度機器人纖維纏繞裝置及快速展紗方法，其特征在于，所述的干法/濕法導(dǎo)絲頭由纏繞方法決定，濕法導(dǎo)絲頭尾部上的紗梳(14)用于紗線分離，中部凸顯程度約60°的凸輥(13)展紗，前端凹陷程度約45°的凹輥(12)合紗；干法導(dǎo)絲頭尾部上則是兩個存在高度差的圓輥(15)用于紗線分離，中部圓輥(16)捻紗，前端凹陷程度約45°的凹輥(17)合紗。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多自由度機器人纖維纏繞裝置及快速展紗方法，其特征在于，所述下位機通過與上位機的通信完成對纏繞設(shè)備的實時數(shù)據(jù)采集并回傳到上位機，機器人處于外部運行模式，并根據(jù)上位機下發(fā)的工藝數(shù)據(jù)完成具體參數(shù)設(shè)定，繼而全程自動完成纏繞作業(yè)，其中，運動控制器獲得在機器人處于外部運行模式時的全部控制權(quán)，包括纏繞系統(tǒng)的啟停、復(fù)位、加減速調(diào)節(jié)以及張力等參數(shù)的實時調(diào)整。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多自由度機器人纖維纏繞裝置及快速展紗方法，其特征在于，所述的上位機主要實現(xiàn)人機交互界面、實時纏繞參數(shù)顯示、線型設(shè)計與優(yōu)化及運動參數(shù)設(shè)置，其中上位機界面可以監(jiān)控機器人各擴展軸的位姿角度，機器人狀態(tài)，纏繞進度等機器人信息，同時顯示了張力反饋值，膠槽溫度反饋值、主軸充氣壓力值、設(shè)備配置、導(dǎo)絲頭選擇、狀態(tài)報警監(jiān)控、plc設(shè)備接口通信等信息。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多自由度機器人纖維纏繞裝置及快速展紗方法，其特征在于，所述的快速展紗方法步驟如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種多自由度機器人纖維纏繞裝置及快速展紗方法，其多自由度機器人纖維纏繞裝置集六自由度工業(yè)機器人、纏繞控制柜、張力控制器、張力控制柜、纏繞主軸、多功能膠槽、干法/濕法導(dǎo)絲頭、水平移動滑軌、模具存放架、集成控制系統(tǒng)于一體，所述的多自由度機器人纖維纏繞裝置可以實現(xiàn)9個自由度控制，實現(xiàn)導(dǎo)絲頭左右運動、導(dǎo)絲頭前后運動、導(dǎo)絲頭上下運動、導(dǎo)絲頭偏航運動、導(dǎo)絲頭旋轉(zhuǎn)、主軸旋轉(zhuǎn)聯(lián)動，通過更換纏繞頭、模具及編程等方式適應(yīng)不同纏繞制品及工藝。其快速展紗步驟如下：以導(dǎo)絲頭與偏航軸的位置幾何關(guān)系為條件，實現(xiàn)絲嘴橫輥向量與落紗點法向量和絲嘴出紗向量垂直；由克萊羅條件方程對纏繞軌跡進行計算，使用NURBS曲線進行插值推導(dǎo)纏繞軌跡。本發(fā)明采用的快速展紗方法可以避免纖維的扭曲和會聚，防止在極孔附近纖維過度堆積，影響線型精度和制品強度。

技術(shù)研發(fā)人員：楊海,趙艤盛,尤波,許家忠,藺曉林
受保護的技術(shù)使用者：哈爾濱理工大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/18