（机械制造及其自动化专业论文）三通管缠绕机设计与研究.pdf

中文摘要 随着科技的进步，不断涌现出多种新型材料并成功应用于人们的日常生产 和生活当中。其中，复合材料以其优异的综合性能，广泛应用于多个领域。在 复合材料的成型工艺中，纤维缠绕成型工艺由于具有产品强度高、可整体成型 及能更好发挥纤维高强度特性等特点，得到了广泛的应用。纤维缠绕机作为生 产聚合物基复合纤维缠绕制品的专用设备，它的设计和生产是机械制造行业中 的一个新门类。但目前的缠绕设备还远远不能满足我国工业现代化的要求。通 常的缠绕设备大多应用于圆柱体，圆锥体或球面体的缠绕，而国内对于类似三 通管缠绕机这样的异形体的缠绕机设备还处于起步阶段。所以本课题将针对三 通管的缠绕进行探索并提出自己的看法。 本文针对三通管的特点设计了合理的线型缠绕方案，并在此基础上设计一 台六轴数控缠绕机，以满足三通管的缠绕需求，文章提出了缠绕机的整体设计 方案、设计目标和功能要求，给出了缠绕机的整体结构、传动执行部件和自动 控制系统的具体设计实现方案。采用p r o e 三维辅助设计软件进行缠绕机的三 维造型设计。由于缠绕机的结构和尺寸在以后设计中可能会有所调整，我们会 利用p r o e 对缠绕机的部分尺寸进行关联和参数化设计，这些尺寸在后来的设 计过程中是可能要修改的。这样可以为以后的修改过程带来很大的方便，大大 加快了缠绕机的再次修改设计，缩短二次设计时间。当所有的结构设计完毕后， 然后将最关键和最薄弱的环节进行强度检验，将p r o e 中建好的模型导入a n s y s 中，采用a n s y s 软件对一些重要的位置进行有限元分析，为结构的设计提供更 加全面的理论分析参考。此外，还将使用p r o e 对该缠绕机进行仿真，以发现 和解决存在的问题，使设计更加合理。 关键词：缠绕机，线型，网格，仿真，有限元分析 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，av a r i e t yo fn e wm a t e r i a l s c o n t i n u o u s l ya p p e a r sa n dt h e yo r ea p p l i e dt op e o p l e sd a i l yp r o d u c t i o na n dl i f e s u c c e s s f u l l y a m o n gt h e m ，c o m p o s i t em a t e r i a l so r ew i d e l yu s e di nm a n yf i e l d sf o r t h e i re x c e l l e n tm u l t i p l e f u n c t i o n a m o n gt h ec o m p o s i t em a t e r i a lm o l d i n gp r o c e s s e s ， t h ef i l a m e n tw i n d i n gm o l d i n gp r o c e s sb e c a u s eo ft h ep r o d u c t i o n s h i g hi n t e n s i t y , t h e o v e r a l ls h a p ea n dt h ef u l l yu s i n go ft h eh i g h s t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c so ff i b e r ，h a s b e e nw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s a sas p e c i a le q u i p m e n to fp r o d u c i n g p o l y m e r m a t r i xc o m p o s i t ef i l a m e n t - w o u n dp r o d u c t s ，t h ei n d u s t r yo fd e s i g n i n ga n dp r o d u c i n g t h em a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n gn o wi san e wc a t e g o r y u n f o r t u n a t e l y , t h ep r e s e n t w i n d i n ge q u i p m e n ti s s t i l lf a rf r o mm e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so ft h ei n d u s t r i a l m o d e r n i z a t i o ni no u rc o u n t r y t h ec o l n n o nw i n d i n gd e v i c ei su s u a l l ya p p l i e dt ot h e w i n d i n go fc y l i n d e r , c o n e ，o rs p h e r e w h i l et h es t u d yo fw i n d i n gm a c h i n ew h i c h u s e d i nt h et h r e et u b e ss u c h 嬲t h es h a p e db o d yi ss t i l li nt h ei n i t i a ls t a g e s ot h i st o p i c w i l ld i s p l a yt h er e s e a r c ho nt h et h r e e - w a yp i p ew i n d i n ga n d1w i l lp u t sf o r w a r dt h e v i e w p o i n t s j a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h r e et u b eid e s i g n e dar e a s o n a b l el i n e a r w i n d i n gp r o g r a m ，a n db a s e do ni tia l s od e s i g n e das i x - a x i sc n cw i n d i n gm a c h i n e w h i c hc a l lm e e tt h en e e d so ft h r e et u b ew i n d i n g t h ep a p e rf i r s tg a v et h eo v e r f l l d e s i g no ft h ew i n d i n gm a c h i n e ，t h ed e s i g ng o a l sa n df u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，t h e n , g a v et h eo v e r a j ls t r u c t u r eo ft h ew i n d i n gm a c h i n e ，t r a n s m i s s i o nc o m p o n e n t s ，a tl a s t g a v et h es p e c i f i cd e s i g ni m p l e m e n t a t i o np l a no f a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m iu s e dt h e p r o e3 dc a ds o f t w a r et od e s i g nt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n go fw i n d i n gm a c h i n e i nt h i sp a p e r b e c a u s et h es t r u c t u r eo fw i n d i n gm a c h i n ew i l lb ec h a n g e di nt h ef u t u r e d e f i n i t e l y , s o1w i l la s s o c i a t es o m ed i m e n s i o n s 、析me a c ho t h e ra n dd e s i g nw i t l l p a r a m e t e rb yp r o e t h ep a r a m e t r i cd e s i g nw i l lb r i n gg r e a tc o n v e n i e n c ef o rt h e c h a n g ep r o c e s s ，g r e a t l ya c c e l e r a t e dt h er e w i n d i n gm a c h i n ed e s i g na n ds h o r t e nt h e s e c o n dd e s i g nt i m e a f t e ra l lt h es t r u c t u r ed e s i g nh a sb e e nc o m p l e t e d ，t h e nm a d et h e s t r e n g t hd e s i g no ft h em o s tc r i t i c a la n dt h ew e a k e s tl i n k si nt h es t r u c t u r e i m p o r tt h e m o d e lt h a tm a d eb yp r o ei n t oa n s y s ，u s ea n s y st om a k ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s f o ran u m b e ro fi m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h es t r u c t u r e t h i sc o u l dp r o v i d eam o r e i l c o m p r e h e n s i v et h e o r e t i c a la n a l y s i so fr e f e r e n c ef o r t h es t r u c t u r ed e s i g n i na d d i t i o n , i no r d e rt oi d e n t i f ya n ds o l v ep r o b l e m s ，t om a k et h ed e s i g nm o r er e a s o n a b l e ，ih a v e u s e dp r o et os i m u l a t et h ew o r k i n gp r o c e s so ft h ew i n d i n gm a c h i n e k e y w o r d s ：w i n d i n gm a c h i n e ，l i n e a r , g r i d ，s i m u l a t i o n , f i n i t ee l e m e n t i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签鼽声哺导师( 签鼽觋势期：如肛多 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 纤维缠绕成型工艺简介 1 1 1 缠绕成型的基本原理 缠绕成型的基本原理就是把连续的纤维经过浸胶后，在一定的张力作用下， 按照一定的规律缠绕到芯模的表面上，然后通过加热或者常温固化成型，成型 后对产品表面进行工艺处理，如图1 1 所示。产品的形状一般取决于芯模的形 状，对同一个芯模而言，通过调节芯模旋转速度和纤维运动之间的相互关系， 也可以得到各种缠绕形式的制品。在平时的生产过程中，一般有干法缠绕、半 干法缠绕和湿法缠绕三种缠绕形式。 图1 - 1 纤维缠绕原理图 1 1 2 纤维缠绕成型工艺的特点 1 缠绕制品的比强度比较高，甚至超过航空工业经常的用到的钛合金材料。 2 可以根据产品不同的性能要求，通过改变纤维缠绕方向来获得不同特性 的制品，从而保证制品质量的稳定性。 3 缠绕成型技术生产效率较高，适用于大批量生产，在实际中有着较为广 泛的应用。 4 它可以得到内表面光滑，质量较好的产品。 武汉理工大学硕士学位论文 它的缺点是：并不是所有的产品都可以用来缠绕制成，对加工设备的性能要 求也比较高。 1 1 3 纤维缠绕成型工艺的分类 用连续玻璃纤维缠绕所制得的玻璃钢产品，一般称之为缠绕玻璃钢。根据缠 绕时树脂基体所处的物理化学状态不同，纤维缠绕成型工艺在生产上分为干法、 半干法、湿法三种。 1 干法 干法是相对于湿法而言的，在缠绕前预先将玻璃纤维制成预浸渍带，然后卷 在卷盘上待用。使用时使浸渍带加热软化后绕制在待定的芯模上。这种方法可 大大提高芯模的缠绕速度，缠绕张力平稳且易控制，设备清洁，劳动条件得到 很大改善，容易实现自动化缠绕，因此应用较为广泛。可严格控制纱带的含胶 量和尺寸，制品质量较稳定，它的缺点是缠绕设备相对复杂、投资也较大【。 工艺流程如图1 2 所示： 圈 囤 图1 2 干法缠绕工艺流程图 2 湿法 湿法缠绕成型时首先将玻璃纤维经集束后进入树脂胶槽中进行浸胶处理， 在张力控制下直接缠绕在芯模上面，然后固化成型。这种缠绕方法的设备一般 比较简单，对原材料要求也不太高，但缠绕的张力很难控制，缠绕制品的质量 也比较一般，在缠绕过程中对缠绕设备如浸胶辊、张力机构、导纱辊等要经常 清理，否则，一旦在辊上发生纤维缠绕结，将会影响生产的正常进行，湿法缠 绕环境一般都不太清洁，对工人的健康造成很大影响。其工艺流程如图1 3 所 示： 2 武汉理工大学硕士学位论文 图1 = 3 湿法缠绕工艺流程图 3 半干法 它是介于干法和湿法之间的一种缠绕方法，这种方法与湿法相比，增加了烘 干工序，与干法相比，缩短了烘干的时间，降低了胶纱的烘干程度，使缠绕可 以在室温下进行，这样既除去了溶剂，又提高了缠绕速度和制成品率，应用也 比较普遍。 1 2 缠绕设备 缠绕设备的发展，经历了从机械式缠绕机逐步到程序缠绕机一直到专用电子 计算机控制机组的过程。 1 2 1 机械缠绕机的类型 1 小车环链式缠绕机 此类缠绕机工作原理为：缠绕的芯模水平放置，以环链、丝杆机构带动小 车运动，能进行螺旋和环向方向的缠绕。缠绕时芯模绕自身轴匀速的转动，小 车在平行于芯模轴线方向往复运动。芯模转速与供给纤维的小车速度要均衡控 制，来保证缠绕角恒定，进而保证产品的质量稳定。 2 绕臂式缠绕机 绕臂式缠绕机通常又叫立式缠绕机，它的芯模是垂直放置的。这样布置可 以消除芯模挠度，同时也使绕臂比较容易配置。这种结构布局主要适合于中型 或大型的缠绕机。缠绕的时侯，将绕臂以较小的角度进行倾斜，这样布置便可 以避开芯模两端的金属接嘴，并可采用改变倾斜角度的方法来调整缠绕角。 3 滚动式缠绕机 武汉理工大学硕士学位论文 滚动式缠绕机又称为翻斗式缠绕机。这种缠绕机适用于干法和湿法平面缠 绕。其工作原理为：芯模一方面围绕轨迹轴转动，并进行筋斗式翻转。另外芯 模有绕自身轴线转动。翻转一周，芯模自转与一纱片宽相应的角度。可以对芯 模一端或者两端固定，在垂直或者水平平面内滚转。而固定的伸臂来供给纤维。 由附加装置来实现其环向缠绕，由于滚转的动作限制制品的大小，所以这种缠 绕机的应用不是太广泛。 4 跑道式缠绕机 此缠绕机一般用于平面缠绕成型的大型产品。其工作原理为：芯模周围有 一个环形的轨道，装载着纱架和绕丝嘴的小车沿着轨道进行圆周运动。小车绕 芯模运转一周，芯模自身转过一个微小的角度，从而表现出平面缠绕的线型。 5 电缆机式纵向缠绕机 这种缠绕机为干法缠绕，利用安装在芯模环上的加热元件或者热空气喷管， 通过热空气加热、辐射加热或者接触加热等方式软化预浸纱，然后实施缠绕。 其过程是：由装有纵向纱团的转环于芯模进行同步回转。而环向层缠绕则由纱 片从转向的纱团拉出敷到芯模上构成纵向层后，再将环向纱团的纱片缠绕在纵 向层上，构成环向层。 6 球星容器缠绕机 此类缠绕机可以使用无念粗砂和玻璃布带进行缠绕，芯模轴直立或者横卧 放置均可。这类机器广泛应用在缠绕环形发动机壳体和压缩空气用容器方面。 其原理为：球形芯模悬臂连接在摆臂上，一方面摆臂既能摆动，另一方面球芯 模又能在摆臂上绕自轴转动。绕丝嘴于浸胶装置都固定在转台上，转台内装置 纱架。胶量由计量泵进行控制。 7 内侧缠绕机 内侧缠绕成型是在高速转动的筒状芯模内侧，利用离心力的作用将玻璃纤 维粗纱缠绕到其内侧的方法，这种方法可制成具有特殊性能的玻纤增强复合材 料制品。其原理为：向加热到特定温度的金属圆筒模中心，推进一根预先绕有 玻璃纤维的滚筒。金属圆筒按玻璃纤维卷缠绕方向的相反方向进行高速旋转， 这时在离心力的作用下，玻璃纤维每分钟以数千米的速度，均匀的、高密度的 缠绕到圆筒模的内表面上。 8 斜缠缠绕机 斜缠缠绕机工作原理为：预浸渍斜切布带搭接后卷成胶布带盘，胶布带经 4 武汉理工大学硕士学位论文 过导向轮进入到加紧辊，加紧辊的压力使布带产生一定的张力。然后进入到热 锥辊，胶布带在热锥辊表面被加热变软，在缠绕张力作用下在热锥辊表面上发 生扇形形变，随着芯模转动及热锥辊的压力作用，使得变形变软的胶布带紧密 的过渡到环锥形斜块的表面上。如此往复循环，即可使胶布带均匀斜缠满芯模 表面【2 7 1 。 斜缠缠绕机总体结构由主轴变速箱、溜板箱、溜板、床身、缠绕托架和尾座 几个部分构成。 1 2 2 程序控制缠绕机 1 2 2 1 缠绕机 ( 1 ) 程序控制装置一般具备两个作用： 控制程序之间的相互转换，按程序要求做出规定的动作。 根据加工工艺的不同要求，控制各个加工参数。 ( 2 ) 工作原理 在纤维缠绕成型机中，要求纤维缠绕设备具有比较高的精度、较大的灵活 性以及通用性，进而满足缠绕制品的要求。为满足一些异型体制品( 比如三通 管、弯头等) 的精确缠绕，绕丝头的运动坐标已经由一个发展到若干个，再加 上芯模主轴的旋转或者摆动，就能使得纤维不产生滑移地按照制品的缠绕成型 进行精密的缠绕。 程序控制缠绕机除缠绕机主体外，还包括控制系统和伺服传动两个系统，如 图l _ 4 所示： 图1 - 4 程序控制缠绕机工作原理 控制系统 由控制介质和控制装置两部分组成。控制介质用于记载整个加工工艺过程， 以便为控制装置所接受。 5 武汉理工大学硕士学位论文 伺服传动系统 主要是经伺服机构( 包括伺服放大和功率放大) 后驱动执行机构，一般还包 括传动机构，并有检测装置。 1 2 2 2 控制方式 根据被控制的运动部件的运动参数有无检测反馈，程序控制缠绕机的控制方 式分以下四种： ( 1 ) 开环控制系统其原理如图1 5 所示： 一一 图1 5 开环控制系统方框图 ( 2 ) 闭环控制系统其原理如图1 - 6 所示： 图1 - 6 闭环控制系统方框图 ( 3 ) 半闭环控制系统其原理如图1 7 所示： 6 武汉理工大学硕士学位论文 图1 7 半闭环控制系统方框图 ( 4 ) 开环补偿性控制系统其原理如图1 8 所示： 1 2 3 弯管缠绕设备 图1 8 开环补偿性控制系统方框图 1 2 3 1 千法缠绕玻璃纤维增强复合材料弯管设备 弯管设备要将玻璃纤维预先制成带并进行浸胶处理，使之成为预浸胶带。 缠绕时胶带一般只做环向缠绕，芯模做移动和回转运动，以实现9 0 。弯管中的 直管段的缠绕。芯模有各种不同的形式，有的采用石膏，有的采用可拆式金属。 7 武汉理工大学硕士学位论文 由于胶带卷在固定的平面上旋转，胶带缠到管芯上的位置取决于管芯本身所在 的位置，而控制芯模运动的方式有的采用靠模，有的采用凸轮机构。 1 2 3 2 湿法生产玻璃纤维增强复合材料弯管的设备 干法缠绕需要预浸胶，加工工序比较多，成本相对较高，而且只有环向缠绕， 没有螺旋缠绕，缠绕的可设计性相对较差，使得纤维强度没有得到充分发挥， 因此不少国家研制了湿法纤维缠绕玻璃纤维增强复合材料弯管设备，常见的有 多缸液压驱动纤维缠绕弯管机和一次成型多件弯管的缠绕机设备。 1 2 4 纤维缠绕成型制品的应用 由于纤维缠绕玻璃钢制品有存在的很多优点，因此在民用产品及军工产品都 得到了相当广泛的应用： 1 玻璃钢压力容器 压力容器分为受内压力容器和受外压力容器两种。目前压力容器应用比较广 泛，如宇航、火箭、飞机、汽车、舰艇等运载工具，以及医疗设备等方面都有 应用。 2 玻璃钢化工管道 用于油田、炼油厂以及一般的化工厂，用来输送石油、水、天然气和其他化 工流体等，可用它部分代替不锈钢，具有材质轻、高强度、防腐性、和维修方 便等特点。 3 玻璃钢大型贮罐和铁路罐车 用来运输或者存储酸、碱、盐以及各种油类介质的存储罐或槽车，具有很好 的耐腐蚀性、重量轻、成型方便等方面的优点。 4 军用产品 如火箭的发动机外壳、火箭的发射管，军用雷达的雷达罩、鱼雷以及鱼雷 发射管等。纤维缠绕制品在航空航天方面的应用是相当的广泛的，其中最重要 的一个方面就是用来制造火箭发动机壳体，通过精确缠绕达来到生产高性能产 品的目的。常用的材料有玻璃纤维、碳纤维、环氧树脂，最新的发展是把纤维 缠绕和先进复合材料技术结合起来，如硼、碳纤维和芳纶纤维等高模量、高强 度的增强材料和新型的耐热聚合物进行复合，通过现代化的微机控制缠绕设备 制造的制品就是充分发挥纤维复合材料的各方面性能，纤维缠绕复合材料的发 展目标是：提高产品质量、减轻产品重量、不断改进工艺、逐渐降低成本、逐步 8 武汉理工大学硕士学位论文 扩大应用范围等【4 】。 1 3 本课题国内外研究概况和发展趋势 纤维缠绕的三通管在民用工业领域、医疗机械、石油管道中、军工国防以 及汽车行业上得到比较广泛的应用。比如：在医学上三通管是一种普遍使用的 输液或加药的连接装置，在临床用药或者抢救病人中起了十分重要的作用。三通 管也是管道工业中最重要的连接元件，汽车上的排气系统也常用到。 纤维缠绕制品在很多方面现在已经走向比较成熟阶段，在缠绕线型方面上 已经有了许多的研究和应用。但是，三通管一般由两圆柱体相贯而行成的，通 常两圆柱体相互垂直成t 型，故也常称之为t 形管，若想对其进行缠绕成型， 除了对缠绕机有特殊的要求之外，对缠绕线型的要求也很高。国外对三通管的 纤维缠绕已有不少研究，商业化的纤维缠绕c a d c a m 软件中，c a d w i n d 和 c a d f i l 已经具有t 型管的缠绕模块。国内学者对三通管缠绕也进行过相关的研 究。对缠绕的工艺有所探讨，但是对于问题的探讨还只是停留在综述阶段，对 于三通管缠绕的关键技术问题并没有进行实质性的阐述【l j 。 1 4 课题研究的目的和意义 纤维缠绕的三通管由于其耐腐性、质地轻、比强度高、产品具有可设计性 等优点，应用范围广，发展速度也比较快，年递增率一般都在7 一1 0 以上。 f r p 管道工业的飞速发展，对管件的性能要求也越来越高，但是三通管的表面 并不是一个简单的圆柱曲面，而是两个圆柱面相交而成，对于这样的异形体， 要想将其表面均匀缠满并具有一定的强度，对缠绕机要求较高。采用传统缠绕 方式很难满足其要求，这就给回转构件的缠绕上制造了麻烦。于是，基于异形 体结构的纤维缠绕研究的重要性就显得尤为突出，能够拓宽纤维缠绕制品的应 用范围，使纤维缠绕制品的优越性在更多的领域中得到体现。所以设计一款能 够缠绕三通管制品的新型缠绕机就有着非常重要的意义 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 课题研究的主要内容 ( 1 ) 为三通管的缠绕设计合理的线型，根据线型设计适合三通管缠绕的缠 绕机。 ( 2 ) 完成三通管缠绕机结构的设计和重要零件的件强度计算，并进行参数 选择和优化； ( 3 ) 对三通管缠绕机整体进行优化，画出整机图及重要零件图，并建立模 型，进行有限元分析； ( 4 ) 运用p r o e 软件制作缠绕机工作运动过程以及拆卸、装配动画指导生产。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 第二章：三通管缠绕的线型设计 尽管三通管对缠绕机要求较高，但由于纤维缠绕成型能充分发挥纤维的强 度，机械化生产质量稳定，效率高，据美国a m e r o r l 公司资料显示，番l o o m m 的三通管机械化生产比手工生产效率高两倍以上，成本低约7 0 左右，且强度 更好，可用于输送中、高压腐蚀性液体。从上世纪6 0 年代开始，国外就出现了 机械式缠绕三通管的设备和方法，7 0 年代末期出现了数控缠绕三通管机械，8 0 年代出现了多轴计算机控制的缠绕机i l6 j 。 2 1 三通管的类型 三通管是由两圆柱体相贯而形成，通常两圆柱体互相垂直形成t 型，故有 时也称t 型管。t 型管分主管( 或称为臂) 和支管( 或称为柄) 两部分。正因为有支 管的存在，使得它与主管相贯的区域里缠绕线型非常复杂，要解决缠绕的线型、 缠绕方法以及设计合适的机械运动，就需要设计适当型式的芯模，以尽量相同 厚度的纤维去覆盖三通管的所有表面，去承受三通管中的复杂应力。常见芯模 一般有两大类： 2 1 1 两圆柱体相贯的t 型芯模 图2 1 给出了两圆柱体相贯的t 型芯模，它由金属制成臂和柄均为薄壁金 属管柄的一端加工成马鞍形。在柄的另一端和臂的两端嵌有套板，板上外伸有 大量导向销，以保轴向延伸的纤维定位。在套板上装有一对支吊钩，以便将芯 模装在缠绕机上。套板与芯模间垫有塑料圆片，以便缠绕制品固化切割。 图2 1 圆柱贯穿t 型管 这种芯模好处是简单，线型容易转换，纤维在芯模上的位置准确，不易滑 武汉理j = 大学硕士学位论文 线，但是在柄与臂交接的三角区域( 见图2 2 ) ，纤维布置较薄，且走向不太理想 需另外补充线型才能满足其强度要求。 删黼入 图2 2 缠绕的三角区 在这类芯模上进行缠绕，通常是臂和柄分别缠绕，然后再对其结合部位进 行补强。以便达到使用要求。 2 12 中间有球形体的t 型管芯模 为了改善两圆柱体连接处纤维的缠绕状况，以使得纤维均匀铺设、承受较 高的应力，许多设计者研究了中间为球体、椭球体、二次曲面回转体等多种形 式的t 型管芯模。图2 - 3 是一种中问为椭球体的芯模。椭球体是一夹件，它构 成t 型的三个孔，臂和柄分别从孔中穿出来，形成t 型管的芯模。夹件中心部 呈椭球面，它的直径与臂管、柄管直径之比为7 ：5 或者更大，以利于浸渍树脂 的纤维能均匀覆盖整个表面。芯模的 件均用金属制造，可以拆卸，以便生产 中多次重复使用1 4j 。 图2 3 球形t 通管 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 纤维缠绕的基本线型【1 6 】 纤维要想均匀铺满t 型管的表面并承担一定的强度，就要确定纤维的缠绕 线型。通常缠圆柱管有环向缠绕、螺旋缠绕、纵向( 轴向) 缠绕等基本线型。 2 2 1 环向缠绕 环向缠绕是指浸胶的纤维纱或带与芯模轴线以接近9 0 。角的方向大角度连 续缠绕到芯模上的方法。缠绕的时侯，芯模绕自身轴匀速转动，导丝头在平行 于芯模轴线方向的筒身区间往复运动。芯模每转动一周，导丝头就移动一个纱 片宽度的距离，如此循环下去，直到纱片或带均匀布满芯模筒身段表面为止。 如图2 4 所示： 图2 - 4 环向缠绕 环向缠绕的特点是：缠绕只能在筒身段进行，不能对封头部分进行缠绕。 邻近纱片之间相接而不相交。纤维的缠绕角通常在8 5 - - , 9 0 。之间，布带缠绕的 缠绕角相对小一点，通常在7 5 9 0 。之间。 2 2 2 螺旋缠绕 在螺旋缠绕中，芯模绕自身轴匀速转动，导丝头按一定的速度沿芯模轴线方 向往复运动，于是在芯模上便实现了螺旋缠绕，其缠绕角通常约为0 - - 9 0 。其 缠绕线型如图2 5 所示： 1 4 黾 图脚蝴慨蘸 是 一越 点交 特槽神 的不蛎 蓬 绕但鳓 鞋 缠接藉 晚 旋相糍 怕 的吼 2 f迢芭己 曰屯翳 团虱磁 麓概 销影情绚锻裁 固过垮：咭在跨k 谅 头摸粗励 丝芯勘巧 时甸辫昭 绕，辩酗 缠转孰题嚣锄 绕头彬龇鳓珊味 面导电射 平 。觏鞠椰吣嗽舰 称旋坼虹 又速咖麴锄懒懈溉 一轴一艘 绕自晷规辨踣嘞 懒蝴诳雠 武汉理工大学硕士学位论文 变而来的。 2 2 4 其它线型 除了以上所述的基本线型外，还有一些其他的缠绕方式，比如根据总体缠 绕线型决定于缠绕速比的基本原理，缠绕速比决定缠绕纤维在芯模表面上的排 r a l 线型式、交叉的点数，沿圆周方向切点数及排成的平行四边形个数等情况”。 故我们可以据此缠绕出不同形状的制品来满足实际的需求。 而缠t 型管时，由于芯模型式不同，其线型也各异。图2 1 所示芯模，由 于其端部有导向销，因此能保证纤维不滑移，故在缠绕臂和柄时可用环向缠绕 和轴向缠绕来保证管承受载荷。在缠绕的时侯，先缠臂部，用环向缠绕，到支 管处则为轴向缠绕；缠绕完毕后，把芯模旋转9 0 。，缠柄部的时候，也采用环 向缠绕，到主管处时为轴向缠绕，最后使用螺旋缠绕加固t 型管的交叉区即可。 在用计算机控制的缠绕机缠两圆柱体相贯类型的芯模时，由于端部没有导向销， 为了防止在缠绕的时侯产生滑线。我们可以使用环向缠绕和非测地线螺旋缠绕 相结合的方式进行缠绕。 2 3 两圆柱贯穿的三通管的缠绕 本文以两圆柱体相贯的t 型芯模为例，来介绍三通管的缠绕线型。由于三 通管不同于一般的圆柱或者球面缠绕，它属于典型的异形体缠绕。它由主管( 或 者叫臂) 和支管( 或者叫柄) 两部分组成。根据三通管的结构，缠绕的时候可 以把它分为三个部分，既左臂、柄、右臂。其线型也由圆柱体上的线型和过渡 部分的线型组成【5 1 。 2 3 1 圆柱表面的缠绕 在圆柱表面缠绕的方法很简单，也是我们平时缠绕制品经常用到的，为了 保证缠绕的质量和可靠性，我们在圆柱面上采用测地线缠绕方式，所谓的测地 线就是指在圆柱或者球面上，任意两点之间的最短距离，沿着测地线进行缠绕 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 的好处就是纤维不会发生滑移，缠绕方便，产品质量稳定可靠。 由图2 7 我们可以看出： a b = r0 ，1 3 = a n c t g b a p = 丌2 - a ， b p = r0t a nb = r0t a n ( 了【2 a ) = r0 t a nq ， 其中：0 是中心角，a 是缠绕角由此可以得出圆柱面上的测地线 关于中心角与缠绕角的参数方程为： c = ( r s i n t t ，r 0 t a n t l , r c o s a ) ( 2 - 1 ) r0 x 图2 7 圆柱面上的测地线 2 3 2 圆柱面上的非测地线缠绕 测地线的缠绕也存在一定的缺点，那就是给定曲面上一个起始点和方向， 只有唯一的一条测地线通过该点，而且缠绕角是一定的，没有办法改变，这就 使得测地线缠绕的使用具有很大的局限性。由测地线缠绕理论我们知道，如果 缠绕纤维偏离了测地线位置，纤维便会向测地线方向产生滑移，也就是我们说 的滑线。因此，测地线稳定缠绕的前提条件是不考虑摩擦力的存在【3 们。但是事 实上，纤维和芯模之间以及纤维层间都存在一定的摩擦阻力，由于这种阻力的 存在，使得纤维即使不是按照测地线缠绕，在偏离一定的范围之内还是处于稳 定状态的，这一点对缠绕有这很大的现实意义。为缠绕制品的设计提供了一定 的灵活性，使纤维既满足稳定性要求又满足设计的方向性要求。这种建立在摩 擦机理基础上的纤维缠绕理论被称之为非测地线缠绕理论【1 2 1 。这种缠绕很适合 与在主管和支管过渡时的缠绕。 根据轴对称回转体的非测地线公式，代入圆柱面的参数方程，积分得到圆柱 面非测地线的两个解析解i l 驯： 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 丁e - o o + h 魄9 2 舳陆吁) 】五( 2 - 2 ) 【一- - z _ x o 一厂名 1 s i n a o 一1 s i n a j 式( 2 2 ) 中：e0 为初始中心角，o 为终止中心角；qo 为初始缠绕角，q 为 终止缠绕角；1 7 为圆柱半径；x 为轴向坐标；入为滑线系数，入小于等于摩擦系数 上式中通过缠绕角q 和滑线系数入把两个正交参数o 、x 联系了起来，这样只要 给定了起始点( x o ，1 v , 0 $ o0 ，r s i noo ) 和初始缠绕角qo ，根据其中的滑线系数入我 们就可以设计并求得任意点的缠绕角c 1 利用以上公式，便可以求解出准确的理 论解，与一般的数值解法相比较，该方法更方便快捷，精度也更甜1 4 1 。 2 3 3 主管与支管过渡点缠绕角的确定 我们在对三通管进行缠绕的时候，其路径按照先是主管左端，然后光滑过 渡的支管，最后由支管光滑过渡到主管右端，在芯模段部缠绕角为9 0 。，为了 提高缠绕效率，使得纤维能够尽可能快的覆盖芯模表面，采用大缠绕角螺旋缠绕 的方式，这样先使得主管左端布满，然后布满支管，最后是主管右端。过渡部 分采用非测地线光滑连接如图2 8 所示，纤维路径p 2 p 和p p l 是两条非测地线， 它们在p 点光滑连接，完成从主管左段到支管的过渡。 2 - 8 从主管到支管的纤维缠绕路径 2 4 缠绕运动轨迹设计 缠绕运动轨迹设计的方法一般有两种，即参数化和网格化两种方法。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 1 参数化设计 参数化运动轨迹设计是我们平时最常用的设计方法，它主要是对芯模表面 进行数学建模，数学建模是一种用数学公式对实际物理模型的一种近似的逼近， 对于简单而规则的模型。采用该方法也比较方便，但对于复杂的不对称的模型， 有时候就很难用数学模型表达清楚，而且计算量也非常大。 2 4 2 网格化设计 网格化运动轨迹设计在国内算是一种较新的设计方法，但在国外一比较成 熟和常用的设计方法。它是通过有限元分析软件对将模型进行剖分得到若干可 能的缠绕落纱点( 称为：“可能点 ) 。在确定缠绕运动轨迹时，先给出缠绕的初 始点，然后用稳定缠绕条件判定该点周围的“可能点是否落在稳定缠绕区域 内。根据划分的单元的结果不同，精度有大有小，一般而言，网格单元的精度 和它的大小成反比。既网格越小精度越高，网格越大精度越低。 2 4 2 1 网格化缠绕的基本原理 网格化缠绕的基本原理就是将芯模表面节点作为研究对象，根据纤维缠绕 稳定性来确定落纱点。因此，网格化缠绕主要包括两个方面的内容：( 1 ) 前置处 理，将芯模的三维实体导入到有限元分析软件中去，利用分析软件对芯模表面 进行网格划分，把其划分为若干个足够小的单元并取出网格节点，然后把获得 的节点顺序化；( 2 ) 根据设计缠绕角、滑线指数、架空判定条件等确定各网格节 点是否可作为稳定缠绕的落纱点【l5 1 。网格化缠绕布线原理如图2 - 9 所示： o 、热0 露 、 、沁“ 、 n 、1 1 0 。p 2 、卜 队 i p l - 4 r ， p 4 i l 图2 - 9 网格化缠绕布线原理 图2 - 9 中给出了芯模表面网格化展开图。设o 点为当前落纱点，根据缠绕 角q 确定下一个可能的落纱点p o ，然后根据缠绕稳定判据确定p o 是否为落纱点。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 有时，为了得到稳定的缠绕线型，需要调整缠绕角，而在网格化缠绕中，缠绕 角是由横、纵向的网格数确定的，于是让纤维在p o 点附近移动就能很容易的实 现缠绕角的调整。只要控制好落纱点，就能走出稳定的缠绕线型。 2 4 2 2 网格化缠绕的判定条件 1 不滑线条件 如果是测地线缠绕，是不会发生滑线这种情况的，所以不滑线条件，是建 立在非测地线缠绕基础上的。因为芯模表面以及纤维与纤维之间都存在静摩擦 力，着就使得网格化缠绕的灵活性得到提高 2 3 1 。下面来介绍一下网格化缠绕的 不滑线条件：入1 1s ，其中t ts 为芯模表面的最大静摩擦系数。 入= s i n0 c o so - - t a no ，其中。是纤维在芯模上某点的主法向量与该点法向 量的夹角，如图2 1 0 所示： 2 1 0 几何向量位置关系 2 不架空条件 网格化缠绕的不架空条件，可以通过两种途径得到： ( 1 ) 0 的余弦值 纤维架空的出现与芯模表面的法曲率k 。的正负性相关，当k 。为正值时出现 架空。由微分几何可得，k 。与曲线曲率k 有如下关系： k , = k * c o s0(2-3) 其中，曲率为曲率圆半径的倒数，始终为正值。因此，k n 与c o se 负性相 同。只要求得0 就能判断纤维在芯模表面架空与否。 ( 2 ) 距离比较法【2 2 l 如图2 1 1 所示，o 1 0 2 是芯模的主轴，纤维a b 在芯模表面凹处出现架空， a c o b 是架空纤维a b 在芯模上的投影( 投射光的方向指向主轴) 。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 1 架空判断 设a 、b 的坐标为：( x a ，y a ，z a ) 、( x b ，y b ，z b ) ，e o ( x e o ，y e o ，z e o ) 是主 轴o 1 0 2 段上面的任意一点。通过e o 点做e o f o 垂直于线段a b 于点f o ，与投影 交于点c o 。此时，直线a b 和直线e o f o 的方程可求，取出现架空段芯模表面的 网格化节点中到直线e o f o 距离最小的点c m ( x m ，y m ，z m ) 作为c o 点。当出现架 空时： i f o e o l - i e o c o l 0 由此就可以判断c l 、c 2 处是否架空。 2 0 武汉理工大学硕士学位论文 第三章三通管缠绕机的结构设计 图3 - 1 六轴缠绕机机械系统 3 1 缠绕设备选型及其设计原则 缠绕设备的选型主要是根据缠绕的制品和缠绕的工艺确定。对于标准产品 如管道、储罐、气瓶等，可以在系列缠绕机里面进行选用；而对于形状比较特 殊的产品，如球形容器，环壳容器，三通管等需要专门研制或者定制专门的设 备；对于大部分先进复合材料工程涉及的制品，形状相对复杂、缠绕工艺要求 也不完全相同。把缠绕机部件按功能分为意向几个大部分，了解各个部分的类 型、功能是选型的重要依据【2 u j 。 3 1 1 主要缠绕机的各系统和主要部件的选型基本原则 机械系统无论是传统的机械式缠绕机还是先进的微机控制缠绕机，机 械系统是大致相同的。他们包括机架、动力系统、传动系统和运动系统等。 机架i 机架是缠绕机的主体和各个系统安装的基础，按主轴位置可以分 为立式和卧式两种。立式结构主要用于机械式平面缠绕机。卧式结构是最常见 的结构形式。又可分为门架式和支座式两种主要形式。 门架式系统是中小型缠绕机最常用的结构形式，它有3 方面的优点：a ) 机 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 架整体好，刚性大、运输安装比较方便，可以有效地利用空间；”芯模可以从 下面推入，装卸方便、地面容易保持卫生；c ) 由于导轨倒悬挂不容易被污染。 门架式缠绕机又可分为单工位和多工位两种，其中多工位又可以分串联和 并联两种。 支座式系统主要适用于大型缠绕机，由于芯模尺寸大、重量大，采用支座 式结构、结合天车完成装卸芯模，由于主轴与小车系统分离，安装调试较困难。 动力系统：缠绕机动力系统主要有两种方案，一种方案是主轴与其他系 统均采用伺服电动机，可以实现o 。缠绕，但成本相对较高，尤其是主轴系统 功率较大时更是如此；另一种方案是主轴采用普通的调速电机、而其他系统采 用交流伺服电机，根据主轴运动参数为基准进行控制。 传动系统：缠绕机常见的传动系统主要有5 种：a ) 链轮链条传动、b ) 齿轮齿条传动、c ) 滚珠丝杠传动d ) 同步带传动e ) 齿轮传动。缠绕机传动系统 多为开环传动，精度主要由传动精度控制，因此选择精度价格比适中的传动系 统相当重要。 主轴系统大多采用齿轮传动，可以提供较大的驱动力。对于多工位缠绕机， 可以使用同步带连接保证多个芯模的同步转动。 小车的传动形式主要有链轮一链条传动、齿轮一齿条传动、滚珠一丝杠传动。 链轮一链条传动用于低精度、低成本传动；为提高其传动精度，可以采用多链 条传动，链轮一链条传动的精度在1 - 5 m m 滚珠一丝杠转动精度很高，可以达到 0 0 5 0 5 m m ，不需要减速系统，但成本也比较高，且仅适用于运动范围6 m 以 下的小车驱动，否则丝杠的直径就会太大，导致其动力特性不好。齿轮一齿条 是最常用的小车传动系统，一方面成本较低，另一方面传动精度较高，为提高 传动的精度，一般采用斜齿轮传动，传动精度通常为o 2 1 m m 。 对于伸臂、绕丝嘴升降运动范围小，为了减小体积和系统重量，大多采用 滚动丝杠传动。 运动系统：由于缠绕机运动系统速度相对较高，运动系统目前普遍采用 滚动导轨和直线轴承，以满足精度要求。对于精度要求不高的系统，如普通管 道缠绕机，为了降低成本，也可采用普通导轨。 芯模的夹持系统：芯模的夹持主要有卡盘顶针式、卡盘卡盘式、法兰 轴承支架式。卡盘顶针式适用于中小尺寸芯模，采用单端驱动，安装相对方便； 为提高自动化程度，还可以采用气动顶针。卡盘卡盘式主要适用于细长芯模缠 绕，一方面可以采用双端驱动，降低由于扭矩造成的芯模扭角，另一方面