纖維纏繞設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計

云立恒，盧 燕

（濟(jì)南玖源機(jī)電科技有限公司，山東濟(jì)南 250300）

目前，復(fù)合材料在航空、建筑、汽車、電器、化學(xué)等行業(yè)占有相當(dāng)大的比例。在21世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和各個領(lǐng)域的深入發(fā)展，必然會對材料提出更高的要求。在21世紀(jì)，復(fù)合材料將以最廣泛使用的方式取代鋼。在復(fù)合成型工藝中，纏繞工序是最廣泛使用的技術(shù)之一。與其他成型工藝相比，纖維纏繞工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品具有取向均勻、結(jié)構(gòu)緊湊、高強(qiáng)度的特點。為了適應(yīng)復(fù)合材料的大規(guī)模生產(chǎn)，纖維纏繞設(shè)備必須進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 纖維纏繞設(shè)備的工序

纖維纏繞是纖維形成的重要過程。將纖維浸漬在一定量的樹脂浸膠槽浸中，根據(jù)纏繞規(guī)律均勻包覆，固化后除去模具，最終形成特定形狀的纖維制品。纏繞設(shè)備裝置的出現(xiàn)，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。根據(jù)纖維束是否滲透，纖維纏繞分為濕、干、半干等方法。①濕法纏繞。濕法纏繞是在定量樹脂膠中浸漬纖維束的工序。濕法中纖維張力難以控制，必須通過外部空氣和濕度簡單地硬化，在纏繞設(shè)備追加卷繞裝置。②干法纏繞。與濕法纏繞工序相比，干法纏繞工序是纖維纏繞前的預(yù)浸料的處理，接著進(jìn)行纖維干燥。同時將干燥的纖維纏繞在芯軸上，加熱芯模，使固化膠液第二次變軟，在纖維間黏接。該方法，容易控制繞組的張力、卷繞速度。但是，干燥繞組具有預(yù)浸漬干燥裝置，繞組系統(tǒng)復(fù)雜，產(chǎn)品的制造成本高。③半干法纏繞。半干燥工序與干燥工序相同，纖維先浸漬，接著在浸漬工序中干燥，但干燥時間比干燥工序短。半干法纏繞可以在室溫下進(jìn)行，減少了繞組設(shè)備，降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

2 纖維纏繞工藝的優(yōu)勢

纖維纏繞是玻璃鋼生產(chǎn)成型的工藝之一，纖維纏繞工藝是指在某一預(yù)張力下，浸漬樹脂膠液中后，按照某種線狀規(guī)則地配置在模具上。在纏繞工序中，密實度提高，產(chǎn)品的強(qiáng)度提高?，F(xiàn)代纖維纏繞技術(shù)的發(fā)展需要具有高精度、柔軟性和靈活性，以滿足纏繞具有不同結(jié)構(gòu)形式產(chǎn)品的要求。同時，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)控制的纏繞設(shè)備應(yīng)運而生。計算機(jī)控制繞組是使用纖維預(yù)浸料樹脂，通過特定的機(jī)械和控制，根據(jù)所需的線性規(guī)律將樹脂浸漬纖維纏繞在芯模表面。纖維纏繞工藝的優(yōu)勢：①可設(shè)計性強(qiáng)。纖維纏繞各向得到充分發(fā)揮，根據(jù)具體產(chǎn)品的承載能力，不同的繞組線設(shè)計成改進(jìn)產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度。②生產(chǎn)率高。繞組設(shè)備全自動繞線，減少人工參與，卷繞速度提高，生產(chǎn)效率提高，產(chǎn)品型號可在批量生產(chǎn)后確定。為加工和制造制定有效的工藝過程，通過高度自動化纏繞裝置的研發(fā)，使整個制造工藝穩(wěn)定，產(chǎn)品可靠耐用，制造工藝更加自動化。③高可靠性。纏繞設(shè)備在張力控制系統(tǒng)中的功能，在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的纖維張力，可以充分發(fā)揮纖維的強(qiáng)度，而且產(chǎn)品更加均勻穩(wěn)定。④完成巨型結(jié)構(gòu)的繞組。一些復(fù)合產(chǎn)品如石油、煉油、儲油罐等，復(fù)合材料的成型生產(chǎn)很容易完成，可以制造大結(jié)構(gòu)的繞組。⑤對于不同的纖維纏繞設(shè)備，必須選擇纖維擴(kuò)散裝置以最小化對纖維的損傷，盡量選擇高強(qiáng)度、低損傷率的玻璃纖維，使浸膠紗帶在芯模上合理展開與鋪疊，不僅使操作更容易，效率更高，而且進(jìn)一步提高自動化纏繞裝置的技術(shù)水平和功能。

3 纖維纏繞設(shè)備在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的分析

由于引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)和獨特科研力量，纖維纏繞技術(shù)在我國向多方面、多領(lǐng)域、多樣化的方向發(fā)展。近年來，從產(chǎn)品應(yīng)用的角度來看，自動化纏繞設(shè)備基于張力控制系統(tǒng)，我國有更先進(jìn)的控制系統(tǒng)、高精度繞組。①在繞制工序中，光纖中的張力更合理，纖維的強(qiáng)度和剛性的優(yōu)點被充分發(fā)揮。②絡(luò)筒機(jī)將復(fù)合材料加工工藝，一機(jī)多采用方向發(fā)展。根據(jù)不同纏繞工藝產(chǎn)品和不同機(jī)械結(jié)構(gòu)制造條件，空間控制程序可以二次展開和改進(jìn)。③纏繞工藝通過機(jī)器和纏繞設(shè)備的組合來實現(xiàn)。由于機(jī)器能夠靈活移動，所以具有大的工作空間，能夠通過機(jī)器和纏繞設(shè)備組合進(jìn)行包裝小復(fù)合組合物。

3.1 纏繞主機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

纏繞主機(jī)結(jié)構(gòu)主要由龍門底座、龍門立柱、龍門橫梁、主軸箱、移動尾座、行車機(jī)構(gòu)等組成。纏繞主機(jī)結(jié)構(gòu)不同于單一支撐體和懸臂梁結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具有較大的負(fù)荷，整體穩(wěn)定性良好，便于制造和加工。主軸箱以伺服電動機(jī)為電源，使用減速器提高輸出轉(zhuǎn)矩，輸出端為三爪卡盤，便于模具定心和夾緊，有效地促進(jìn)產(chǎn)量和生產(chǎn)效率。尾座配備了三爪卡盤，配合主軸箱的三爪卡盤，可確保模具繞軸旋轉(zhuǎn)，徑向運動通過滾珠絲杠傳動實現(xiàn)，徑向旋轉(zhuǎn)通過齒輪對傳動實現(xiàn)。纏繞主機(jī)上的四個伺服電動機(jī)，同時驅(qū)動制動器以使所需的線性形狀。纏繞設(shè)備具有3個自由度，芯軸旋轉(zhuǎn)、繞線行走小車沿軸向往復(fù)運動。纖維纏繞設(shè)備的三自由度由計算機(jī)控制纏繞過程的核心模型按順序完成。在此期間，纖維纏繞設(shè)備有了一些較大的改進(jìn)，出現(xiàn)了各種類型的纏繞設(shè)備，但其原理和結(jié)構(gòu)基本不變。纏繞設(shè)備的主要工作原理是通過纏繞設(shè)備控制特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)運動，浸漬的樹脂膠液按照規(guī)則均勻地配置在模具的表面，通過成形和固化得到穩(wěn)定的產(chǎn)品。雖然有特殊產(chǎn)品的形狀和性能要求，但對應(yīng)的纏繞設(shè)備結(jié)構(gòu)不同，纏繞設(shè)備和控制系統(tǒng)的外觀和策略也不同。①纏繞功能比較完整，可大幅改善纏繞的機(jī)械通用性。這不僅可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)體組件的繞組，還可以基本完成制造普通光纖芯制品繞組的非旋轉(zhuǎn)部分。②張力檢測和控制系統(tǒng)的改進(jìn)，可以充分發(fā)揮纖維張力纏繞工藝，控制材料以及產(chǎn)品質(zhì)量。③隨著自動化的提高，每個軸的連接由計算機(jī)控制，用戶只需輸入?yún)?shù)即可。在計算機(jī)操作界面中，纏繞設(shè)備自動完成纏繞所需的纏繞。

3.2 纖維纏繞設(shè)備主軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

在整個纏繞過程中，所有影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素都被視為工藝參數(shù)。工藝參數(shù)可以通過計算機(jī)上的數(shù)值計算方法進(jìn)行優(yōu)化和結(jié)合，減少了過去繁瑣的測試，擴(kuò)展了纏繞制品的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，纖維纏繞設(shè)備發(fā)展為高水平的機(jī)械化、自動化。主軸箱是纏繞設(shè)備的主要構(gòu)成要素之一。內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用變頻電動機(jī)、編碼器等，與主軸組件連結(jié)。與設(shè)定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，向電動機(jī)頻率變換器發(fā)送指令，調(diào)整電動機(jī)速度的頻率變換及速度調(diào)整電動機(jī)，以滿足繞組的需要。主軸箱主要用于為主軸的旋轉(zhuǎn)提供電力，并且可以通過頻率變換器調(diào)節(jié)電動機(jī)的速度以實現(xiàn)對主軸旋轉(zhuǎn)的控制。主軸箱上安裝了電動機(jī)和其他部件，因此需要與主軸箱對應(yīng)的安裝支撐。通過打入安裝定位螺栓的連接孔，調(diào)整電動機(jī)的位置。由此，主軸的芯模旋轉(zhuǎn)而纏繞光纖。驅(qū)動帶用于由磁主軸箱驅(qū)動的變頻電機(jī)和主軸。驅(qū)動帶有很好的彈性，而且傳動過程穩(wěn)定，可以減少工作過程機(jī)械的振動和影響，起到過載保護(hù)作用。同時傳送帶中心之間的距離可以更大，能滿足不同中心距離的要求。

3.3 帶回紗機(jī)構(gòu)膠槽設(shè)計

對于在常溫下固化的樹脂系統(tǒng)，如果長時間作業(yè)，則將槽內(nèi)的樹脂固化到一定程度，影響纏繞工序。即使在所有纏繞工藝不固化的情況下，膠液箱內(nèi)的剩余的膠液也不能在纏繞的各移動之后使用。另外，在膠槽底部生成一定程度的固化樹脂纖維束，通過的固化樹脂層附著纏繞頭上，纏繞一定時間后，固化的樹脂不能纏繞，必須進(jìn)行清潔。帶回紗機(jī)構(gòu)膠槽主要由膠槽架體、不銹鋼膠槽、過紗輥組、重力回紗機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，紗線通過輥組由與不銹鋼圓輥連續(xù)配置的不銹鋼托架構(gòu)成，起到通過膠液引導(dǎo)紗線的作用。重力回絲機(jī)構(gòu)使用重力下方的原理來擰緊松散的線。因此，紗線定期均勻地纏繞在模具表面，防止膠槽硬化。纖維纏繞設(shè)備通過連結(jié)軸與芯線連接。在膠槽的纖維束輸出方向上，設(shè)定能夠通過纏繞設(shè)備的動作，在芯材上引導(dǎo)風(fēng)束的鋼絲纏繞頭，也將能夠通過纏繞設(shè)備的動作回收芯線的速度和纏繞的線狀行進(jìn)速度的傳感器設(shè)置在纏繞設(shè)備上，同時防止膠槽固化。另外，膠槽、膠輥以及繞絲頭可以簡單地進(jìn)行清理，同時還可回收膠槽中殘留的樹脂以減少材料廢料和工藝成本，可有效地避免長時間纏繞時膠槽的固化。

3.4 機(jī)械張力紗架設(shè)計

計算機(jī)控制技術(shù)和傳感技術(shù)的飛速發(fā)展，纏繞設(shè)備也有了很大的飛躍，可以由計算機(jī)控制纏繞設(shè)備，計算機(jī)控制開發(fā)標(biāo)記。如預(yù)先計算的纖維纏繞軌道，計算機(jī)根據(jù)方案的要求控制伺服電動機(jī)軸旋轉(zhuǎn)以實現(xiàn)纏繞過程。纏繞設(shè)備、計算機(jī)存儲空間、各種存儲纏繞方式，通過現(xiàn)代通信手段可以監(jiān)視纏繞設(shè)備的功能，可以遠(yuǎn)程更新、纏繞工藝信息，改進(jìn)了纏繞的準(zhǔn)確性和效率，并改進(jìn)了繞組的靈活性。同時大多材料是以紗管形式包裝的，張力器常安裝在紗管上，便于張力遠(yuǎn)程操作，控制供紗系統(tǒng)的張力。張力器配備了傳感設(shè)備，紗束的實際張力由監(jiān)測器監(jiān)測。為了保持平衡，應(yīng)實時調(diào)整纏繞張力。玻璃纖維通過張力控制從線框拉出，用樹脂浸漬，進(jìn)入設(shè)置在行走軌道的纏繞小車上繞絲嘴，按照規(guī)定的法則均等地纏繞在旋轉(zhuǎn)模具上，纏繞小車沿軌道做往復(fù)移動。纖維張力對產(chǎn)品質(zhì)量有很大影響，因此纖維張力控制尤為重要。在支撐體上載置纏繞在紗塊上的纖維。每個纖維都由伺服電動機(jī)控制，因此在每個工藝過程中，每個纖維的張力可以相同。機(jī)械式纏繞設(shè)備具有簡單的結(jié)構(gòu)、可靠的變速器、方便的維護(hù)、簡單的制造和更少的投資優(yōu)點。它適合以相對簡單的形式纏繞產(chǎn)品?，F(xiàn)在和將來都被廣泛使用。根據(jù)芯模和纖維供給機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性和移動形態(tài)，線框是用于收納纖維并設(shè)置后張緊裝置的部件，重量大。在紗束較少的情況下，絲框直接設(shè)置在無軌電車上，張力波動小。在紗線組較多的情況下，紗線框的重量非常大，直接裝載在拖車上的穩(wěn)定性差，紗線框被固定，但張力因拖車的運動而變動。為了減輕由于線框固定引起的張力波動，用另一個系統(tǒng)驅(qū)動線框并與托盤同步。機(jī)械張力紗架主要由紗框體、紗團(tuán)主軸、擺動輥機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。紗架的框體以鋼結(jié)構(gòu)焊接，需要控制紗團(tuán)的旋轉(zhuǎn)，控制紗團(tuán)的放紗。擺動輥機(jī)構(gòu)是使用彈簧臂限制擺動臂擺動的機(jī)構(gòu)。當(dāng)線穿過滾輪時，它用搖臂生產(chǎn)一對情侶。然后，它用彈簧力抵消由擺臂形成的配對。紗線力大則斷線，彈簧力大則紗線不動，該機(jī)構(gòu)控制紗線張力。傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化取決于傳輸系統(tǒng)的靈活性，減小系統(tǒng)的重量，減小系統(tǒng)的摩擦，減少這些傳輸元件集成到設(shè)計操作臂上的困難。由于自動吊線機(jī)械手只需要驅(qū)動紗線的運動，所以負(fù)載非常小，重量非常小，可以采用沒有變速器的直接驅(qū)動方式，并通過單片機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)，選擇合適的步進(jìn)電機(jī)，以分頻和PWM 方式在較低范圍內(nèi)控制步進(jìn)電機(jī)的速度，符合實際需要，簡化整個設(shè)計過程。

3.5 纖維纏繞設(shè)備行走小車設(shè)計

計算機(jī)控制的纖維纏繞設(shè)備是一種根據(jù)特定規(guī)律在芯模上均勻纏繞，因此主體的構(gòu)成要素可以實現(xiàn)計算機(jī)控制的三維坐標(biāo)。在滿足工藝要求下，整體布局了主框架上的主軸箱、尾座、軌道小車、繞絲嘴設(shè)計，完成輸入的產(chǎn)品。在纏繞過程中，小車的主要功能是在小車運動中起到支撐作用。纏繞設(shè)備是機(jī)械式纏繞的中心部分，紡紗機(jī)的纏繞設(shè)備、纏繞設(shè)備的機(jī)構(gòu)以及纏繞設(shè)備的張力控制機(jī)構(gòu)是位于小車上的重要構(gòu)成要素。小車采用驅(qū)動螺紋傳動，與螺紋傳動和齒輪傳動相比，安裝精度更高，驅(qū)動螺紋傳動能夠以低成本實現(xiàn)長距離傳輸。與變速器和螺桿傳動相比，伺服電動機(jī)與減速器連接，具有將纏繞小車的動力與減速器連接、與絲杠連接，行走小車上有一個傳遞扭矩的能力。由計算機(jī)控制的小車自身攜帶的編碼器可以加快運動速度，以在纏繞過程中確保模芯和鋪頭之間的速度比，以確保繞組的角度。在行走小車的設(shè)計中，為了滿足纏繞角度的要求，以及滿足行走小車的纏繞要求，需要維持作業(yè)過程中平均傳動比，使小車的結(jié)構(gòu)合理，使紗線在各種機(jī)構(gòu)中順暢地滑動，減輕不必要的摩擦，對紗線造成不必要的損傷。

4 結(jié)束語

復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度、輕質(zhì)、放熱等特性，主要使用在航空航天、國防、石油化工、能源動力等領(lǐng)域。市場上對纖維產(chǎn)品的需求在增加，對纖維纏繞設(shè)備的要求越來越高。為了滿足市場需求，降低制造成本，節(jié)約資源，許多研究人員正在開發(fā)新的多軸纏繞設(shè)備。目前，多軸纏繞設(shè)備的設(shè)計可以滿足繞組的繞組需要，快速方便生產(chǎn)各種規(guī)格的產(chǎn)品，并且方便運營和維護(hù)。纖維纏繞設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計對市場具有重大的影響。