云立恒，卢 燕

（济南玖源机电科技有限公司，山东济南 250300）

目前，复合材料在航空、建筑、汽车、电器、化学等行业占有相当大的比例。在21世纪，科学技术的飞速发展和各个领域的深入发展，必然会对材料提出更高的要求。在21世纪，复合材料将以最广泛使用的方式取代钢。在复合成型工艺中，缠绕工序是最广泛使用的技术之一。与其他成型工艺相比，纤维缠绕工艺生产的产品具有取向均匀、结构紧凑、高强度的特点。为了适应复合材料的大规模生产，纤维缠绕设备必须进行相关结构设计。

1 纤维缠绕设备的工序

纤维缠绕是纤维形成的重要过程。将纤维浸渍在一定量的树脂浸胶槽浸中，根据缠绕规律均匀包覆，固化后除去模具，最终形成特定形状的纤维制品。缠绕设备装置的出现，提高了产品的生产效率和质量。根据纤维束是否渗透，纤维缠绕分为湿、干、半干等方法。①湿法缠绕。湿法缠绕是在定量树脂胶中浸渍纤维束的工序。湿法中纤维张力难以控制，必须通过外部空气和湿度简单地硬化，在缠绕设备追加卷绕装置。②干法缠绕。与湿法缠绕工序相比，干法缠绕工序是纤维缠绕前的预浸料的处理，接着进行纤维干燥。同时将干燥的纤维缠绕在芯轴上，加热芯模，使固化胶液第二次变软，在纤维间黏接。该方法，容易控制绕组的张力、卷绕速度。但是，干燥绕组具有预浸渍干燥装置，绕组系统复杂，产品的制造成本高。③半干法缠绕。半干燥工序与干燥工序相同，纤维先浸渍，接着在浸渍工序中干燥，但干燥时间比干燥工序短。半干法缠绕可以在室温下进行，减少了绕组设备，降低了产品的生产成本。

2 纤维缠绕工艺的优势

纤维缠绕是玻璃钢生产成型的工艺之一，纤维缠绕工艺是指在某一预张力下，浸渍树脂胶液中后，按照某种线状规则地配置在模具上。在缠绕工序中，密实度提高，产品的强度提高。现代纤维缠绕技术的发展需要具有高精度、柔软性和灵活性，以满足缠绕具有不同结构形式产品的要求。同时，随着电子技术的发展，计算机控制的缠绕设备应运而生。计算机控制绕组是使用纤维预浸料树脂，通过特定的机械和控制，根据所需的线性规律将树脂浸渍纤维缠绕在芯模表面。纤维缠绕工艺的优势：①可设计性强。纤维缠绕各向得到充分发挥，根据具体产品的承载能力，不同的绕组线设计成改进产品的抗拉强度。②生产率高。绕组设备全自动绕线，减少人工参与，卷绕速度提高，生产效率提高，产品型号可在批量生产后确定。为加工和制造制定有效的工艺过程，通过高度自动化缠绕装置的研发，使整个制造工艺稳定，产品可靠耐用，制造工艺更加自动化。③高可靠性。缠绕设备在张力控制系统中的功能，在可调节范围内的纤维张力，可以充分发挥纤维的强度，而且产品更加均匀稳定。④完成巨型结构的绕组。一些复合产品如石油、炼油、储油罐等，复合材料的成型生产很容易完成，可以制造大结构的绕组。⑤对于不同的纤维缠绕设备，必须选择纤维扩散装置以最小化对纤维的损伤，尽量选择高强度、低损伤率的玻璃纤维，使浸胶纱带在芯模上合理展开与铺叠，不仅使操作更容易，效率更高，而且进一步提高自动化缠绕装置的技术水平和功能。

3 纤维缠绕设备在结构设计方面的分析

由于引进先进技术和独特科研力量，纤维缠绕技术在我国向多方面、多领域、多样化的方向发展。近年来，从产品应用的角度来看，自动化缠绕设备基于张力控制系统，我国有更先进的控制系统、高精度绕组。①在绕制工序中，光纤中的张力更合理，纤维的强度和刚性的优点被充分发挥。②络筒机将复合材料加工工艺，一机多采用方向发展。根据不同缠绕工艺产品和不同机械结构制造条件，空间控制程序可以二次展开和改进。③缠绕工艺通过机器和缠绕设备的组合来实现。由于机器能够灵活移动，所以具有大的工作空间，能够通过机器和缠绕设备组合进行包装小复合组合物。

3.1 缠绕主机结构设计

缠绕主机结构主要由龙门底座、龙门立柱、龙门横梁、主轴箱、移动尾座、行车机构等组成。缠绕主机结构不同于单一支撑体和悬臂梁结构。该结构具有较大的负荷，整体稳定性良好，便于制造和加工。主轴箱以伺服电动机为电源，使用减速器提高输出转矩，输出端为三爪卡盘，便于模具定心和夹紧，有效地促进产量和生产效率。尾座配备了三爪卡盘，配合主轴箱的三爪卡盘，可确保模具绕轴旋转，径向运动通过滚珠丝杠传动实现，径向旋转通过齿轮对传动实现。缠绕主机上的四个伺服电动机，同时驱动制动器以使所需的线性形状。缠绕设备具有3个自由度，芯轴旋转、绕线行走小车沿轴向往复运动。纤维缠绕设备的三自由度由计算机控制缠绕过程的核心模型按顺序完成。在此期间，纤维缠绕设备有了一些较大的改进，出现了各种类型的缠绕设备，但其原理和结构基本不变。缠绕设备的主要工作原理是通过缠绕设备控制特定的机械结构运动，浸渍的树脂胶液按照规则均匀地配置在模具的表面，通过成形和固化得到稳定的产品。虽然有特殊产品的形状和性能要求，但对应的缠绕设备结构不同，缠绕设备和控制系统的外观和策略也不同。①缠绕功能比较完整，可大幅改善缠绕的机械通用性。这不仅可以实现旋转体组件的绕组，还可以基本完成制造普通光纤芯制品绕组的非旋转部分。②张力检测和控制系统的改进，可以充分发挥纤维张力缠绕工艺，控制材料以及产品质量。③随着自动化的提高，每个轴的连接由计算机控制，用户只需输入参数即可。在计算机操作界面中，缠绕设备自动完成缠绕所需的缠绕。

3.2 纤维缠绕设备主轴箱结构设计

在整个缠绕过程中，所有影响产品质量的因素都被视为工艺参数。工艺参数可以通过计算机上的数值计算方法进行优化和结合，减少了过去繁琐的测试，扩展了缠绕制品的应用领域。目前，纤维缠绕设备发展为高水平的机械化、自动化。主轴箱是缠绕设备的主要构成要素之一。内部结构采用变频电动机、编码器等，与主轴组件连结。与设定转速进行比较，向电动机频率变换器发送指令，调整电动机速度的频率变换及速度调整电动机，以满足绕组的需要。主轴箱主要用于为主轴的旋转提供电力，并且可以通过频率变换器调节电动机的速度以实现对主轴旋转的控制。主轴箱上安装了电动机和其他部件，因此需要与主轴箱对应的安装支撑。通过打入安装定位螺栓的连接孔，调整电动机的位置。由此，主轴的芯模旋转而缠绕光纤。驱动带用于由磁主轴箱驱动的变频电机和主轴。驱动带有很好的弹性，而且传动过程稳定，可以减少工作过程机械的振动和影响，起到过载保护作用。同时传送带中心之间的距离可以更大，能满足不同中心距离的要求。

3.3 带回纱机构胶槽设计

对于在常温下固化的树脂系统，如果长时间作业，则将槽内的树脂固化到一定程度，影响缠绕工序。即使在所有缠绕工艺不固化的情况下，胶液箱内的剩余的胶液也不能在缠绕的各移动之后使用。另外，在胶槽底部生成一定程度的固化树脂纤维束，通过的固化树脂层附着缠绕头上，缠绕一定时间后，固化的树脂不能缠绕，必须进行清洁。带回纱机构胶槽主要由胶槽架体、不锈钢胶槽、过纱辊组、重力回纱机构等构成，纱线通过辊组由与不锈钢圆辊连续配置的不锈钢托架构成，起到通过胶液引导纱线的作用。重力回丝机构使用重力下方的原理来拧紧松散的线。因此，纱线定期均匀地缠绕在模具表面，防止胶槽硬化。纤维缠绕设备通过连结轴与芯线连接。在胶槽的纤维束输出方向上，设定能够通过缠绕设备的动作，在芯材上引导风束的钢丝缠绕头，也将能够通过缠绕设备的动作回收芯线的速度和缠绕的线状行进速度的传感器设置在缠绕设备上，同时防止胶槽固化。另外，胶槽、胶辊以及绕丝头可以简单地进行清理，同时还可回收胶槽中残留的树脂以减少材料废料和工艺成本，可有效地避免长时间缠绕时胶槽的固化。

3.4 机械张力纱架设计

计算机控制技术和传感技术的飞速发展，缠绕设备也有了很大的飞跃，可以由计算机控制缠绕设备，计算机控制开发标记。如预先计算的纤维缠绕轨道，计算机根据方案的要求控制伺服电动机轴旋转以实现缠绕过程。缠绕设备、计算机存储空间、各种存储缠绕方式，通过现代通信手段可以监视缠绕设备的功能，可以远程更新、缠绕工艺信息，改进了缠绕的准确性和效率，并改进了绕组的灵活性。同时大多材料是以纱管形式包装的，张力器常安装在纱管上，便于张力远程操作，控制供纱系统的张力。张力器配备了传感设备，纱束的实际张力由监测器监测。为了保持平衡，应实时调整缠绕张力。玻璃纤维通过张力控制从线框拉出，用树脂浸渍，进入设置在行走轨道的缠绕小车上绕丝嘴，按照规定的法则均等地缠绕在旋转模具上，缠绕小车沿轨道做往复移动。纤维张力对产品质量有很大影响，因此纤维张力控制尤为重要。在支撑体上载置缠绕在纱块上的纤维。每个纤维都由伺服电动机控制，因此在每个工艺过程中，每个纤维的张力可以相同。机械式缠绕设备具有简单的结构、可靠的变速器、方便的维护、简单的制造和更少的投资优点。它适合以相对简单的形式缠绕产品。现在和将来都被广泛使用。根据芯模和纤维供给机构的结构特性和移动形态，线框是用于收纳纤维并设置后张紧装置的部件，重量大。在纱束较少的情况下，丝框直接设置在无轨电车上，张力波动小。在纱线组较多的情况下，纱线框的重量非常大，直接装载在拖车上的稳定性差，纱线框被固定，但张力因拖车的运动而变动。为了减轻由于线框固定引起的张力波动，用另一个系统驱动线框并与托盘同步。机械张力纱架主要由纱框体、纱团主轴、摆动辊机构等构成。纱架的框体以钢结构焊接，需要控制纱团的旋转，控制纱团的放纱。摆动辊机构是使用弹簧臂限制摆动臂摆动的机构。当线穿过滚轮时，它用摇臂生产一对情侣。然后，它用弹簧力抵消由摆臂形成的配对。纱线力大则断线，弹簧力大则纱线不动，该机构控制纱线张力。传输系统的优化取决于传输系统的灵活性，减小系统的重量，减小系统的摩擦，减少这些传输元件集成到设计操作臂上的困难。由于自动吊线机械手只需要驱动纱线的运动，所以负载非常小，重量非常小，可以采用没有变速器的直接驱动方式，并通过单片机微机控制系统，选择合适的步进电机，以分频和PWM 方式在较低范围内控制步进电机的速度，符合实际需要，简化整个设计过程。

3.5 纤维缠绕设备行走小车设计

计算机控制的纤维缠绕设备是一种根据特定规律在芯模上均匀缠绕，因此主体的构成要素可以实现计算机控制的三维坐标。在满足工艺要求下，整体布局了主框架上的主轴箱、尾座、轨道小车、绕丝嘴设计，完成输入的产品。在缠绕过程中，小车的主要功能是在小车运动中起到支撑作用。缠绕设备是机械式缠绕的中心部分，纺纱机的缠绕设备、缠绕设备的机构以及缠绕设备的张力控制机构是位于小车上的重要构成要素。小车采用驱动螺纹传动，与螺纹传动和齿轮传动相比，安装精度更高，驱动螺纹传动能够以低成本实现长距离传输。与变速器和螺杆传动相比，伺服电动机与减速器连接，具有将缠绕小车的动力与减速器连接、与丝杠连接，行走小车上有一个传递扭矩的能力。由计算机控制的小车自身携带的编码器可以加快运动速度，以在缠绕过程中确保模芯和铺头之间的速度比，以确保绕组的角度。在行走小车的设计中，为了满足缠绕角度的要求，以及满足行走小车的缠绕要求，需要维持作业过程中平均传动比，使小车的结构合理，使纱线在各种机构中顺畅地滑动，减轻不必要的摩擦，对纱线造成不必要的损伤。

4 结束语

复合材料具有高比强度、高比刚度、轻质、放热等特性，主要使用在航空航天、国防、石油化工、能源动力等领域。市场上对纤维产品的需求在增加，对纤维缠绕设备的要求越来越高。为了满足市场需求，降低制造成本，节约资源，许多研究人员正在开发新的多轴缠绕设备。目前，多轴缠绕设备的设计可以满足绕组的绕组需要，快速方便生产各种规格的产品，并且方便运营和维护。纤维缠绕设备的结构设计对市场具有重大的影响。