一种连续纤维增强复材四旋翼无人机骨架空间缠绕成型方法及装置

本发明涉及智能制造装备，具体涉及一种连续纤维增强复材四旋翼无人机骨架空间缠绕成型方法及装置，该方法及装置用于连续纤维增强复合材料缠绕成型、工业机器人加工及无人机结构制造等。

背景技术：

1、四旋翼无人机骨架通常包括中心承载区域、沿周向分布的多个机臂以及位于机臂端部的电机安装区域。现有骨架多采用金属板材、型材或分体复合材料构件分别加工，再通过螺栓、铆钉、胶接件或连接座进行装置。上述方式需要较多连接件和局部加强结构，不仅增加结构质量和装配工序，而且使载荷必须经过多个材料界面和离散连接点传递，连接区域容易出现应力集中、松动或损伤，成为骨架整体承载能力和服役可靠性的薄弱部位。

2、连续纤维增强复合材料具有比强度和比刚度高、纤维方向可设计等特点，适合用于无人机轻量化承载结构。但是，常规层合板裁切后装配的方式仍然保留较多连接界面，难以充分发挥连续纤维沿载荷方向连续传递的优势；常规连续纤维打印方式又通常依赖逐层沉积和喷嘴压实，对跨越不同高度节点的空间杆系、封闭或交叉纤维束以及一体化机臂结构的连续成形存在一定限制。

3、无芯空间缠绕能够使浸渍树脂的连续纤维在离散锚点之间直接跨越并形成受力杆件，不需要制备与外形完全一致的实体芯模。然而，无人机骨架包含多个机臂、中心交叉区和电机安装区，待形成纤维段数量多、连续关系复杂。如果仅凭人工经验安排缠绕顺序，容易出现纤维段遗漏、重复空行程、机械臂运动干涉以及频繁断纱和重新引纱等问题。同时，缠绕过程中的路径长度、轴向角度和锚点包绕状态不断变化，采用恒定张力容易在急转节点处产生纤维滑脱或张力损伤，在长跨距段又可能出现纤维松驰。

4、因此，需要提供一种能够将四旋翼无人机骨架的结构设计、锚点工装配置、缠绕顺序求解、机械臂空间运动、在线浸胶、变张力控制、热固化和脱模过程结合起来的成形方法及装置，以减少骨架的分体连接和结构质量，并提高复杂空间缠绕过程的连续性、可执行性和成形一致性。

技术实现思路

1、本发明为解决传统四旋翼无人机骨架存在的如下问题：分体制造造成的连接点薄弱、连接件数量多；复杂骨架空间缠绕过程中缠绕顺序难以确定、断纱和重新引纱次数多、纤维张力波动；以及骨架和结构质量较大的问题，进而提出一种以可拆卸锚点阵列为缠绕支撑、利用基于六轴机械臂的多轴机械装置执行连续纤维空间缠绕，并通过图论欧拉路径求解确定缠绕顺序的四旋翼无人机一体化骨架空间缠绕成形方法及装置。

2、本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

3、第一方面，本发明提供一种连续纤维增强复材四旋翼无人机骨架空间缠绕成型方法，包括如下步骤：

4、步骤1、确定中心承载区、四个机臂区和四个电机安装区的形状，在上述区域之间设置需要形成的纤维段，并根据局部承载需要确定各纤维段的重复缠绕次数；

5、步骤2、根据纤维段的端点和转向位置，在底板上布置多个锚点，所述锚点与底板可拆卸连接；

6、步骤3、将锚点抽象为拓扑图结构中的顶点，将相邻锚点之间需要形成的纤维段抽象为拓扑图结构中的边；针对需要重复缠绕的纤维段，将其设置为多重边或赋予重复经过次数，形成表示无人机骨架纤维拓扑关系的图结构；

7、步骤4、判断所述图结构是否满足欧拉路径条件，若满足，则求解一次覆盖全部设计纤维段的欧拉路径，并将所得顶点序列转换为锚点访问顺序；

8、若不满足，则通过图分解、允许部分纤维段重复经过或将图划分为多个可连续缠绕的子路径，使全部设计纤维段均被覆盖，并优先使连续子路径数量最少；

9、步骤5、根据锚点访问顺序生成六轴机械臂的运动轨迹，使末端导纱机构依次完成接近锚点、绕经锚点、离开锚点以及移动至下一锚点的动作，并检查机械臂与底板、锚点和已缠绕纤维之间的干涉；

10、步骤6、将碳纤维从供纱组件引出，经在线浸胶组件浸渍热固性环氧树脂，再由机械臂末端导纱机构牵引，按照求得的锚点访问顺序依次绕经各锚点，使纤维在相邻锚点之间张紧形成空间纤维段，并在中心区、机臂根部及电机安装区交叉搭接或重复缠绕；

11、步骤7、通过张力传感器实时检测纤维张力数据，并由张力调节机构根据机械臂运动状态和路径区段调节供纱阻力或放卷速度；

12、步骤8、完成全部缠绕后，在骨架仍由锚点定位的状态下进行热固化，固化冷却后解除锚点与底板之间的连接，将固化后的骨架与底板分离。

13、进一步的，步骤2中，所述锚点包括脱模型锚点和保留型锚点，所述脱模型锚点固化后从骨架中取出；所述保留型锚点位于机臂端部，固化后随骨架骨架保留并用于安装电机。

14、进一步的，步骤4中，允许重复经过的纤维段优先设置在中心区、机臂根部或电机安装区，以兼顾路径连续性和局部加强。

15、进一步的，步骤7中，以10n为基准张力，在直线跨越段保持适于纤维张紧的张力，在接近锚点、急转及跨越已缠绕纤维时调整目标张力，以减少纤维松驰、滑脱或张力损力。

16、进一步的，步骤8中，热固化条件为：固化温度为100 ℃；固化时间为2小时。

17、进一步的，步骤8中， 根据权利要求1所述的一种连续纤维增强复材四旋翼无人机骨架空间缠绕成型方法，其特征在于，步骤8中，脱模型锚点从骨架内部抽出分离，带有保留型锚点的无人机骨架整体从底板取出。

18、第二方面，本发明提供一种连续纤维增强复材四旋翼无人机骨架空间缠绕成型装置，所述装置用于实现上述成型方法，装置包括工装组件、供纱和在线浸胶组件、张力检测与调节组件、多轴运动组件，其特征在于，所述工装组件包括：

19、底板，用于确定骨架成形基准；

20、以及分布在底板上的多个锚点，所述锚点与底板可拆卸连接，用于使纤维定位、转向和包绕。

21、进一步的，所述锚点包括脱模型锚点和保留型锚点，所述保留型锚点布置于底板四角电机装配位，固化后随成品骨架留存；所述脱模型锚点布置于底板中部中心承载区、机臂过渡区域，固化后可拆卸分离。

22、进一步的，单个所述锚点设置有导向槽或限位结构，通过螺栓与底板可拆卸连接。

23、第三方面，本发明提供一种连续纤维增强复材四旋翼无人机骨架，采用上述方法或装置成型得到。

24、本发明的有益效果是：

25、1、本发明采用连续纤维空间缠绕方式，将中心承载区、机臂及电机安装区一体化成形，减少传统拼装骨架中的连接件和机械连接接头，降低连接部位薄弱、松动或失效的风险。

26、2、本发明充分发挥连续纤维沿承载方向布置的特点，在满足骨架承载需求的同时减少冗余材料和零部件数量，有利于降低四旋翼无人机骨架重量，使更轻量化，提高结构的比强度和比刚度。

27、3、本发明将锚点和待缠绕纤维段分别抽象为图结构中的节点和边，通过欧拉路径求解连续缠绕顺序；当无法采用单根纤维完成全部缠绕时，可尽量减少断纱和重新引纱次数，提高纤维连续性与成形效率。

28、4、本发明通过六轴机械臂进行多轴协同缠绕，并结合在线浸胶和变张力控制，使纤维能够按照预定路径稳定铺设，有利于提高纤维位置、浸渍程度及缠绕质量的一致性。

29、5、本发明采用可拆卸锚点和底板构成成形装置，固化后可解除锚点与底板之间的连接，便于骨架整体脱模；部分锚点可随骨架保留并直接作为电机安装部件，减少后续装配工序和附加连接结构。

30、6、本发明通过调整锚点的位置、数量、纤维路径及重复缠绕次数，改变骨架尺寸、构型和局部增强程度，具有较好的结构适应性和制造灵活性。