一种空间三维桁架成形方法

本发明涉及增材制造领域，特指一种空间三维桁架成形方法，用以实现复杂曲率桁架结构的成形。

背景技术：

1、目前，复合材料桁架结构多采用模具辅助手工铺设成形，存在着成本高，工期长，加工品种单一，生产周期长，质量均一性差等问题。桁架成形设备目前只能完成简单的一维直线型桁架结构的成形，难以满足复杂曲率桁架结构的使用需求。

2、纤维增强树脂基复合材料具有重量低、强度高、成形方便等优点，在航空航天领域已经广泛应用。复合材料桁架结构结合了材料与结构轻质高强的优势，在航空航天领域广受青睐，已成为未来重点的发展趋势。

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三维成形方法，通过调控桁架中不同纵梁的牵引速度，获得桁架不同的弯曲角度和弯曲方向，从而实现空间三维桁架结构成形。

2、一种空间桁架三维成形方法，具有包括以下步骤；

3、步骤1：采用纤维增强热塑性树脂基复合材料预浸带为原料，经过塑形模具加热软化，在滚轮挤压作用下成形为桁架纵梁结构；

4、步骤2：将预浸料通过缠绕机构缠绕在多根纵梁外表面，通过滚轮加热将横纵梁交汇处焊接，形成桁架结构；

5、步骤3：同时通过纵梁牵引异速调节装置，牵引纵梁连续移动，使上述成形过程可持续，从而生产出无限长度桁架，成形过程中通过调节不同纵梁的牵引速度使桁架获得不同的弯曲角度和弯曲方向，获得空间三维桁架结构。

6、进一步的，所述纵梁牵引异速调节装置包括设置在牵引机构安装板上的异速牵引传动机构、夹持装置和夹紧机构；所述夹持装置包括夹持芯轴，夹持芯轴与纵梁成形模具同轴安装，并在三个方向均匀设有安装槽，其中所述安装槽内从上到下依次设有若干个从动滚轮；其中与每个安装槽相对应的方向设有主动轮安装架；主动轮安装架上从上到下依次设有若干个与所述从动滚轮相适配的主动滚轮；每个主动滚轮一端均安装动有传动齿轮；其中每两个相邻的传动齿轮之间相互啮合；异速牵引传动机构包括步进电机、减电机和联轴器；其中所述步进电机通过减速电机与联轴器连接；联轴器与其中一个主动滚轮连接；其中主动轮安装架的后侧连接有夹紧机构。

7、进一步的，所述夹紧机构包括调节框、定位销和夹紧调紧旋钮；其中主动轮安装架的每端通过定位销插入调节框的限位孔内；其中夹紧调节旋钮的一端穿过所述调节框并旋紧在所述主动轮安装架上。

8、进一步的，夹持芯轴的下部为镂空结构。

9、进一步的，所述纵梁牵引异速调节的方法为：通过橡胶轮与桁架表面摩擦带动桁架，橡胶轮旋转使桁架被连续牵引；每个橡胶轮对应一个纵梁，当三个橡胶轮速度相同时，三根纵梁成形速度相同，生产的桁架为空间一维直线桁架；当三个橡胶轮速度不同时，三根纵梁成形速度不同，生产的桁架为空间三维桁架结构；具体为：三组主动轮安装架上的主动滚轮组分别为a组、b组和c组，其中主动滚轮采用橡胶轮，其中橡胶轮线速度调节范围为1cm/min-30cm/min，通过调节夹紧力进而调控摩擦力的大小，摩擦力的调节范围为1.5n-80n。

10、进一步的，当摩擦力为80n时，a\b组的牵引速度为v1，单位为cm/min，c组的牵引速度v2≤v1+0.2p i/t，其中t为成形时间，单位为min；当摩擦力＜80n时，c结构的牵引速度v2≤(1+α)(v1+0.2p i/t)，α为滑动因子，数值与夹紧力和滚轮材质相关。

11、进一步的，所述纵梁牵引异速调节的方法为：通过橡胶轮与桁架表面摩擦带动桁架，橡胶轮旋转使桁架被连续牵引；每个橡胶轮对应一个纵梁，当三个橡胶轮速度相同时，三根纵梁成形速度相同，生产的桁架为空间一维直线桁架；当三个橡胶轮速度不同时，三根纵梁成形速度不同，生产的桁架为空间三维桁架结构；具体为：三组主动轮安装架上的主动滚轮组分别为a组、b组和c组，其中主动滚轮采用橡胶轮，其中橡胶轮线速度调节范围为1cm/min-30cm/min，通过调节夹紧力进而调控摩擦力的大小，摩擦力的调节范围为1.5n-80n。

12、进一步的，当摩擦力为80n时，a\b组的牵引速度为v1，单位为cm/min，c组的牵引速度v2≤v1+0.2p i/t，其中t为成形时间，单位为min；当摩擦力＜80n时，c结构的牵引速度v2≤(1+α)(v1+0.2p i/t)，α为滑动因子，数值与夹紧力和滚轮材质相关。

13、本发明的有益效果：

14、1、夹持芯轴与纵梁成形模具同轴安装，并在三个方向上分别安装三个滚轮，用以对纵梁进行支撑。夹持芯轴下部为镂空结构，减少与纵梁模具的接触面积以降低传热量，避免牵引结构温度过高。牵引动力由42步进电机提供，通过减速机和联轴器传到中间齿轮上，中间齿轮分别通过惰轮传到上下两个齿轮上，从而实现三个齿轮同向旋转。每个齿轮带动一个滚轮，滚轮与桁架外表面接触产生摩擦，通过摩擦力将纵梁向上牵引。摩擦力通过滚轮材质和夹紧机构进行调节。

15、2、解决了复材桁架横纵梁粘接不牢靠，桁架整体刚度差，桁架结构设计性差等问题，可以提高桁架结构的成形质量和成形效率。

16、3、提出一种空间桁架结构的成形方法，通过对桁架不同纵梁的成型速度调控进而获得不同弯曲方向和弯曲角度的空间三维桁架结构，相较于生产一维桁架再二次焊接的技术方法，减少了工艺过程，提高了生产效率。

1.一种空间桁架三维成形方法，其特征在于：具有包括以下步骤；

2.根据权利要求1所述的一种空间桁架三维成形方法，其特征在于：所述纵梁牵引异速调节装置包括设置在牵引机构安装板(6)上的异速牵引传动机构、夹持装置和夹紧机构；所述夹持装置包括夹持芯轴(3)，夹持芯轴(3)与纵梁成形模具同轴安装，并在三个方向均匀设有安装槽，其中所述安装槽内从上到下依次设有若干个从动滚轮(2)；其中与每个安装槽相对应的方向设有主动轮安装架(4)；主动轮安装架(4)上从上到下依次设有若干个与所述从动滚轮(2)相适配的主动滚轮(1)；每个主动滚轮(1)一端均安装动有传动齿轮(5)；其中每两个相邻的传动齿轮(5)之间相互啮合；异速牵引传动机构包括步进电机(8)、减电机(7)和联轴器(9)；其中所述步进电机(8)通过减速电机(7)与联轴器(9)连接；联轴器(9)与其中一个主动滚轮(1)连接；其中主动轮安装架(4)的后侧连接有夹紧机构。

3.根据权利要求2所述的一种空间桁架三维成形方法，其特征在于：所述夹紧机构包括调节框(12)、定位销(11)和夹紧调紧旋钮(10)；其中主动轮安装架(4)的每端通过定位销(11)插入调节框(12)的限位孔内；其中夹紧调节旋钮(10)的一端穿过所述调节框(12)并旋紧在所述主动轮安装架(4)上。

4.根据权利要求2所述的一种空间桁架三维成形方法，其特征在于：夹持芯轴(3)的下部为镂空结构。

5.根据权利要求2所述的一种空间桁架三维成形方法，其特征在于：所述纵梁牵引异速调节的方法为：通过橡胶轮与桁架表面摩擦带动桁架，橡胶轮旋转使桁架被连续牵引；每个橡胶轮对应一个纵梁，当三个橡胶轮速度相同时，三根纵梁成形速度相同，生产的桁架为空间一维直线桁架；当三个橡胶轮速度不同时，三根纵梁成形速度不同，生产的桁架为空间三维桁架结构；具体为：三组主动轮安装架(4)上的主动滚轮组分别为a组、b组和c组，其中主动滚轮采用橡胶轮，其中橡胶轮线速度调节范围为1cm/min-30cm/min，通过调节夹紧力进而调控摩擦力的大小，摩擦力的调节范围为1.5n-80n。

6.根据权利要求5所述的一种空间桁架三维成形方法，其特征在于：当摩擦力为80n时，a\b组的牵引速度为v1，单位为cm/min，c组的牵引速度v2≤v1+0.2pi/t，其中t为成形时间，单位为min；当摩擦力＜80n时，c结构的牵引速度v2≤(1+α)(v1+0.2pi/t)，α为滑动因子，数值与夹紧力和滚轮材质相关。