（机械设计及理论专业论文）空间构件fwfp柔性制造技术的研究—铺放头机构部分.pdf

摘要 近几年，纤维增强塑料或合成物构件的使用已经有实质性的增长。由 于纤维增强塑料具有高的强量重量比、好的抗腐蚀抗、抗冲击性能和零件 的阻热性等，在航空、航天工业等一些尖端技术中，金属构件已经逐渐地 被纤维增强塑料构件所替换。 在传统加工纤维增强塑料零件时，由于采用手工或一些半手工的操作， 限制了纤维增强塑料构件在工业领域中的广泛运用。在纤维增强塑料构件 自动化生产中，像一些零部件有轮廓线或弓形的表面、特别有相对复杂的 形状时，生产过程同样受到限制。 纤维缠绕铺放联合制造系统是纤维增强塑料( f r p ) 制品生产的先进 制造装备之一，可用于制造如圆筒容器、储罐、管、球、锥形体或组合形 体等正曲率回转体的制品，更适用于制造含有负曲率的回转体表面、具有 深槽、加强筋的壳体构件等外形相对复杂的纤维增强塑料制品。 纤维铺放头机构是纤维缠绕铺放成型装备中的关键机构。它是集机、 电、气( 液) 一体的技术，其多关节运动类似于机械手。根据f r p 构件的 形状、成型工艺要求，纤维铺放头机构对预浸胶纤维带实现引出、施压、 剪切、加热、导向、展平、定位、换向等功能。通过计算机控制系统控制， 按特定的程序完成在成型模具表面上的铺放任务。 纤维铺放头机构主要包括加料装置、施压装置、剪切装置、保护膜系 统、加热装置以及诸如导向、定位等辅助机构等。本文从机构的构成讨论 了三个方案并加以比较，根据最优方案进行了设计。 最后对此纤维铺放头机构进行了实验测试。 关健词t 复合材料( f r p ) 纤维缠绕纤维铺放头机构分析结构设计 a b s t r a c t t h eu s eo fr e i n f o r e e dp l a s t i c so rc o m p o s i t em a t e r i a l i nt h ef a b r i c a t i o no f s t r u c t u r a l c o m p o n e n t s h a s g r o w ns u b s t a n t i a l l y i nr e c e n ty e a r s c o m p o s i t e s t r u c t u r e sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yp o p u l a ra sar e p l a c e m e n tf o rm e t a l i i cp a r t s ， p a r t i c u l a r l yi nh i g hp e r f o r m a n c ea p p l i c a t i o n ss u c ha si nt h ea i r c r a f ti n d u s t r y ， b e c a u s eo ft h eh i 曲s t r e n g t ht ow e i g h tr a t i o ，g o o dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，g o o d i m p a c tr e s i s t a n c e ，a n dt h e r m a lr e s i s t a n c ee x h i b i t e db yc o m p o s i t ep a r t s 0 n ea s p e c to ft h ec o m p o s i t e si n d u s t r yw h i c hh a sr e s 砸c t e dt h eu s eo f c o m p o s i t e m a t e r i a l p a r t s i ns o m e a p p l i c a t i o n s i st h a t t r a d i t i o n a l l ym a n y c o m p o s i t em a t e r i a lp a r t sh a dt ob ef a b r i c a t e db yh a n do rw i t hs e v e r a lm a n u a l o p e r a t i o n s t h et e c h n o l o g yo fa u t o m a t i n gt h e f c l r m a t i o no fc o m p o s i t ep a r t s c o n t i n u e st oe v o l v e b u tl i m i t a t i o n ss t i l le x i s tp a r t i c u l a r l vi nt h ef o r n l a t i o no f p a r t sh a v i n g ar e l a t i v e l y c o m p l e xs h a p e ，p a r t sh a v i n gc o n t o u r e do r a r c a d e s u r f a c e s t h em a n u f a c t u r es y s t e mo ff i l a m e n tw i n d i n g ( f w ) a n df i b e rp l a c e m e n t ( f ni st h eo n eo fa d v a n c e de q u i p m e n tf o rf r pp r o d u c t s i tc a nb eu s e dt o p r o d u c et h ep r o d u c t so ft h ep o s i t i v e c u r v a t u r e g y r a t i o nb o d i e s ，s u c h a s c o n l a i n e r c y l i n d e r ，o i lt a n k ，t u b e ，o r b ，c o n e ，a s s e m b l e db o d y a n ds oo n f u r t h e r m o r e ，i ti sm o r es u i t e dt om a c h i n i n gs o m ep r o d u c t so ft h ec o m p l e x b o d i e ss u c ha st h es u r f a c e so ft h en e g a t i v ec u r v a t u r eg y r a t i o nb o d i e s t h es h e l l c o m p o n e n t sw h i c h h a v es l o t sa n dr e i n f o r c e dt e n d o n s h o w e v e r , t h ef i b e rp l a c e m e n th e a d i st h e p i v o t a l f r a m e w o r ki nt h e m a n u f a c t u r es y s t e mo ff wa n df pi ti sat e c h n o l o g yt h a th a sc o m b i n e d m e c h a n i s m ，e l e c t r o na n da i rp r e s s u r e i t si o i n t sm o v e m e n t i ss i m i l a rt ot h a to f t h e m a n i p u l a t o r a c c o r d i n g t ot h e r e q u e s t o ft h e m o l d i n g t e c h n i c sa n d c o m p o n e n t ss h a p e ，n l ef r a m e w o r kh a sm a n yf u n c t i o n s ，s u c ha sf e t c h i n g ， d i r e c t i n g ，s p r e a d i n g ，h e a t i n g ，o r i e n t i n g ，p r e s s i n g , s h e a r i n g ，e o m m u t a t i n gf o rt h e c o n t i n u o u sf i l a m e n tt a p e i tc a r r i e so u tt h el a y i n gr o l eo nt h es u r f a c eo ft h e m o d e l a c c o r d i n g t ot h ep r o g r a m g i v e nb y t h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m i ti n e l u d e sa d d i n gm e a n s ，c o m p a c t i o nm e a n s ，c u r i n gm e a n s ，f i l ms y s t e m ， h e a t i n g m e a n sa n dt h ea s s i s t a n t s e t u p ss u c h 嬲g u i d i n g t h ed i r e c t i o n 。 o r i e n t a t i o ne t c t h ep a p e rh a sd i s c u s s e da n dc o m p a r e dt h r e ep r o j e c t sf r o mt h e s e t u p sc o m p o n e n t ，d e s i g n e d t h es e t u pb yt h eb e s t p r o j o c t f i n a l l yw e h a v ee x p e r i m e n t a l i z e dt ot h ef i b e rp l a c e m e n th e a d k e y w o r d s ：c o m p o s i t em a t e r i a l ；f i l a m e n tw i n d i n g ；t h ef i b e rp l a c e m e n t h e a d ；m e c h a n i s m sa n a l y s i s ；s t r u c t u r a ld e s i g n 武汉理工大学硕士学位论文 第一章概述 l + lf r p 缠绕成型技术 f r p 缠绕成型技术是指连续纤维或带经过树脂浸胶后，按照一定的舰 缮缠绕翻芯攘上，然嚣在翅热袋霉湿下辫纯，露l 戏一定形、坟熬捌品。缠绕 成型的主要设备是缠绕机，辅助设备有没胶装鼹、张力装置、加热固化装 黉及纱絮装爱等。 1 1 。lf r p 缠绕技术的发展 纤维缠绕( 姆) 技术的出瓒和采丽楚俘随麓纤维缝绕褫静诞生i l 霉产生 的。1 9 4 7 年美图k e l l o g 公司与海军合作研制出世界上第一台缠绕机，在 4 0 年代中后期燕要采丽机械控稍缠绕梳，称为第一代缭绕梳。该类缠绕梳 生产效率低、精度不高、灵活性和适应性差，但制造成本低、工作可靠、 易掌握、遥予加工篱革形髂移撬蟹生产瓣缠绕麓品。我黧5 0 年代末瑟始磺 制、使用机械控制缠绕机和对f w 技术的研究，生要用于加工攀工产品。 弱年代泰、6 0 年代褪，美国帮德国繇裁爨第二代缠绕橇程痔嫠豢l 缠绕机，采用机械凸轮程序控制，可完成非线性缠绕，使用灵活，操作简 便，满定一些特殊产燕豹生产。毽傣形魑轮豹浚译移安装谖试爨要较妖瓣 间，对复杂产晶生产仍受限制。 年代寒、7 0 年氏褪出瑰了小型遴爱量 冀爨数字控割( c n c ) 豹繁三 代缠绕机。其掇制功能依靠事先存放在存储器中的程序来完成的。改变程 序控割霹逶应不嚣割鑫豹缠绕，太大壤趣了设签熬灵溪性彝适应性。 7 0 年代初，随着廉价处理器和微型计算机的出现，使徽挺机的c n c ( 鞭c ) 与缠绕税相缝衾窭瑷了第四健壤绕枧一微极控制缠绕枧( m c f w ) 。 它使缠绕机的设能发生了根本性的变化，缠绕功能更加完善，实现了多轴 缠绕运动控制，线型壤发和重笈糖度齑，代表逛藏世界豹先进水平。 我国自行研制了机械式缝绕杌、数控缠绕机、微机控锖缠绕祝替自 动化稷度很葛豹大型缠绕机。嚣裁，我国已臻制出薮轴微机控制缠绕机 l 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 d m c f w m ) ，并用于工业生产。 1 1 2 纤维缠绕( f w ) 1 纤维缠绕( f w ) 工艺分类 缠绕成型工艺按树脂基体的状态不同分为干法、湿法和半干法： 干法：在缠绕前预先将纤维制成预浸带，然后卷在卷盘上待用。使 用时加热软化后绕制在芯模上。这种方法缠绕张力均匀，设备清洁，易实 现机械化、自动化缠绕，可控制纱带的含胶量和尺寸。并且由于纱片缠绕 时每束已浸渍树脂胶的纤维束被张紧得如一条连续匀称的薄片需要预浸、 烘干和络纱，因此缠绕设备复杂、投资较大。 湿法：缠绕成型时将纤维集束后进入树脂胶槽浸胶，在张力控制下 直接缠绕在芯模上，然后固化成型。这种方法设备较简单，对原材料要求 不高，因纱带浸胶后马上缠绕，对纱带质量不易控制、检验，同时胶液中 湿 法 缠 绕 成 型 工 艺 匿塑虱 一，上 1 丝里| 一i 娥i j 堑i 一| 丝i 一坦幽 !j _ 、 区塑塑囹i 竖塑篓型l i i 区弼圆 l | 脱模| 历面酾 i 厂赢 图l 一1 缠绕工艺流程图 2 干 法 缠 绕 成 型 工 艺 武汉理工大学硕士学位论文 _ _ _ - _ - - - _ 一一一 尚存大量的溶剂，固化时易产生气泡，缠绕过程纤维的张力不易控制。缠 绕过程中的每个环节，如浸胶辊、张力控制辊、导丝头等要经常维护、不 断清洗，使之保持良好的工作状态。万一某环节发生纤维缠结，势必影响 产品质量，有的造成浪费。 半干法：这种方法与湿法相比，增加了烘干工序，与干法相比，缩 短了烘干时间，降低了胶纱烘干程度，使缠绕过程可以在室温下进行，这 样即除去了溶剂，提高了缠绕速度，又减少了设备，提高了制品质量。 2 纤维缠绕( f w ) 制品的特点 ( 1 ) 缠绕制品的特点： 比强度高因为连续纤维具有很高的拉伸强度，并且纤维的直径很细 ( 一般为5 2 0 弘m ) ，连续纤维表面上的微裂纹尺寸和数量较少，减少了 应力集中，使得连续纤维具有较高的强度。 避免了布纹交织点与纤维末端的应力集中顺纤维方向的拉伸强度 的大小主要由纤维含量和纤维强度来决定的。据实验测得，在纤维两端产 生的拉应力为零，向纤维内部则逐渐增加，应力曲线平滑连续。纤维与树 脂之间的剪应力而言，纤维的两端最大，中间区域为零。显然，短切纤维 端部的剪切应力集中是造成纤维和树脂界面破坏的重要原因。 使产品实现等强度结构在纤维缠绕结构的任何方向上，可使设计的 制品的材料强度，与该制品材料实际承受的强度基本一致，使产品实现等 强度结构。 ( 2 ) 纤维缠绕成型的局限性： 缠绕时，特别是湿法缠绕过程中易形成气泡，造成制品内孔隙过多， 会降低层间剪切强度并降低压缩强度和抗失稳能力。 缠绕制品开孔周围应力集中程度高。要求制品结构设计合理，固化后 尽量避免切割、钻孔等破坏性加工。否则可在切割、钻孔处进行局部加强 处理，以弥补开孔造成的不利影响。 缠绕过程中纤维的张力控制要适度，纱带宽及搭接尺寸要严格控制， 并且必须排布均匀，否则会造成制品中纤维的初始应力不匀，内外松紧不 等，产品强度受到影响。 3 武汉理工大学硕士学位论文 - _ _ - - _ _ * h _ _ _ _ - h h m _ _ - _ m _ - _ _ _ - _ _ 一 涮黼形状香局限住。一般邋孺子制逸菜正魏率回转俗静蒂l 晶，辩国篱 容器或储罐、管、球、锥形体或组合形体等。也可用于制造非回转形体一 类的异形翻品。 3 纤维缠绕( f f f ) 制品的应用 缠绕成鍪获得的翻黼吴有魄强度毒、制蟊藤潼赢两稳定和成举较低等 特点，所以在民用和军用工业上得到广泛的运用： 压力容器；纤维缠绕压力鸯器有受瘫匿稆舞蓬嚣释形式。翔宇航、火 箭、飞机、舰艇等运输工具及医疗等方面。 曩二王管道：惩子输送磊演、零、天然气、纯王流体分瑗等，它哥都分 代替不锈钢，具有轻质、高强、防腐、耐久等特点。 ；蠢罐槽车：糟戳运输骧存酸、碱、簸、漓分震豹薅罐、禧攀，其寅纛| 腐蚀性好、重爨轻、成勰方便等特点。 荬象：电王邀子嚣糖、纹嚣仪表、穰攘零转、 誊弯嚣委| 、建筑、家舆 等。 纾维缠绕成型方法及其设答骞众多优点，缠绕所褥的制品毽骞广泛蟪 运用，但是，就单一f w 系统来说，也存在着不足。在制造外形相对复杂 豹f r p 铡晶露，始含有受趋率的隧转体表嚣、熬霾掏件竣具有瀑槽、翔强 筋的壳体构件等，仅采用纤维缠绕成黧方法就无法实现该类制品的机械 纯、自动他生产。对于这类具有复杂形鞭鲍构 孛生产，焱原有的缠绕机土 必须附加纤维铺放系统。 1 2 纤维缠绕绥维铺放联合系统 l 。2 。l 圈外纤维铺放技术的发展 目前国外采用的纤维缠绕( f w ) 系统和纤维缠绕铺放( f w f p ) 联合 系统是裁造复杂结构f 歉p 割晶戆先进熬| 造技拳之一。终维镶敖系统窥绎 维缠绕铺放联合系统的技术在蹲方少数发达国家于9 0 年代初开始研究 舞发，势苓颧攘广应鼹，基兹已用于工娩纯生产。f p 应鼹豹实例有：f 级 1 8 e ，f 进气道。后中心滑动板蒙皮；c 1 7 风崩罩，起落架吊舒 b a 6 0 9 兹枧身# v 2 2 矮枫身，游动投蒙皮等。 4 武汉理工大学硕士学位论文 纤维铺放技术最早是作为缝绕技术的改革( 新型缠绕技术) 疆鑫的， 用于复合材料机身机构制造，必须针对笈合材料缠绕技术的几个弱点进行 创新，技术核心楚多丝秉铺敖头的设计磷翩稻褐应耱辩体系开发。最旱羲并 制的有b o e i n g 公司、c i n c i n n a t im i l a c r o n 公司、h e r c u l e s 公司( a l l i a n t t e c h s y s t e m s 瓣藩身) ，1 9 8 2 年开始设冬设诗、王艺与糖辩磅澍簿诸璎王 作。b o e i n g 公司的机械工程师提出了“a v s d 铺放头”( a u t o m a t e d v a r i a b l e s t t r a i n dd i s p e n s i n g h e a d 设怒，勰决了纾维索瓣实、甥凝窝重送熬阕题。 1 9 8 5 年h e r c u l e s 公司研制出第一台原理样机，1 9 8 9 年c i n c i n n a t im i l a c r o n 公司设诗毫第一台纾维镶敖系统筹子1 9 9 0 年投入捷蠲；1 9 9 5 年i n g e r s o l l 公司研制出其第一台纤维铺放成型机。 经过2 0 零豹发展，绥维镳教残型技寒装冬邑经基本成熟，娥型设备 总自由度达到7 个、丝束数日最大可达2 4 根，最大成烈构件长达1 5 米、 最大横向尺寸达4 米，尺寸精度达0 l l 潦米；运可以完成搬筋、弱部混杂 等特殊功能，全自动微机程序控制。成型装备及技术( 如控制与设计软件、 颈浸丝寒技术) 已经实现商品化，耳翦全世界融经有2 0 多台纾维镳放设 备在运转，预计到2 0 1 0 年世界上将有6 0 多台纤维铺放机投入使用。世界 生要纾维镳放设备见表l 。l 。 欧荚等发达国家歼发出的多种纤维铺放( f p ) 机，有带裔剪切一加 料模块驱动器的铺放系统，该系统将进料装置釉剪切装置制成模块驱动 器，大大减少了停枫时间；带有双向铺放头的系统，它由迸瓣装置、接收 装置等组成，该系统采用一个锁定机构使铺放头能够在两个相反的方向将 预浸帮镳放蓟成墅模其t ，等等。 武汉理工大学硕士学位论文 袭卜1 世界主要纤维铺放设备 1 2 2 因内纤维铺放技术的发展 该磺技术及装备嚣简在我戳滏属空臼，这炎f r p 裁龋国内一般采麓手 工或半手工操作制造，其生产效率低，制品质嫩不稳定，制约了我国f r p 空闺稳俸潮逢装零豹发装帮承警豹褥离。 f r p 在航空、航天方面的应用越来越广泛，如运载火箭发动机壳体、 喷管、舞锥、靛天器f r p 褐释，飞辊壤翼、鼹粪、囊鬟及靛、艇懿f r p 构件等。为了满足我国航天、航空工业对f r p 构件制造的需求，研究开发 蒸有我邃鑫主j 鬣识产权瓣缠绕燃放技术及设蚤滋戒舞瑟特解决涤题。 1 2 3 纤维铺放技术的应用 复合材料纤维铺放成型技术( f i b e r p l a c e m e n t ，f p ) 是自动铺丝束成 型技术( a u t o m a t e dt o wp l a c e m e n t ，a t p ) 和自动窄带铺放成型技术 ( a u t o m a t e dt a pp l a c e m e n t ，a t p ) 的统称，是在已有缠绕和自动铺放麓 础上发展起来的一种全囱动制造技术。 目虢，纤雅铺放技术主要稻子飞税梳梅。 a l l i a n t t e c h s y s t e m s 公司的前身是h e r c u l e s 公司，最早开发研制纤维铺 6 武汉理工大学硕士学位论文 一一 敝技术，研制出多种复合耪辩褥件：f 2 2 鹃翼辍采鬻纾维铺敖鼓零截选， 工时由7 2 8 小时降到1 6 3 小时、废料由9 7 磅降到7 磅、零件数由2 2 1 个降 捌5 个。盎接凌麴筋最扇橇壅，大大簿糕了耱瓣残本、锑遥或本稻裁遗对 间并提简损伤容限。还研制了b e l l b a - 6 0 9 倾转旋翼机机身壁板、a t l a s 5 毽运载火箭等。 n o r t h r o pg r u m m a n 公司在8 0 年代末9 0 年代初与h e r c u l e s 和m c d o n n e l l d o u g l a s 含俸最零舞发纾维镳教技本，弱子f a 1 8 e 攫郝 孛，包撼送气邋唇 口、机身蒙皮和水平安定面蒙皮以及g e 9 0 的风扇叶片等。用纤维铺放成 型技术制造出c 。1 7 的混杂纤维复合孝葶鹳发动极短舱门鸷找原蠢蜂窝枫构 的短舱门，构件抗冲击强度提高4 - 6 倍，废料率由5 0 降低到7 ，制造周 端有3 0 天缀短到2 天。 b o e i n g 公弼是应用纤维铺放技术最成功、研伟4 部件品种最多的公司。 最成功黔铡子是v 2 2 赎转旋翼枧，包掇后机身、中机身内蒙皮、受油嚣、 旋翼扭管、翼梢浮筒等。研制了波音7 4 7 和波音7 6 7 迸气遒整流翠，r a h w 6 6 尾梁蒙皮。 a e r o s p a t i a l e 公司聚用纤维铺放成黧技术带i 造了a i r b u s 飞税机翼雨连 = | 午，五根边杆农一台自行设计制造机器上一次同时成烈。芯模采用聚乙烯 醇沙芯，异型截面尺寸变厚度、变铺屠方向。每五十分钟生产撬，溅经 批量生产。 c o n s t r u c t i o n sa e m n a u t i e a ss a 公落已经订购2 台绎维铺敖税，用子 a 3 4 0 5 0 0 6 0 0 的发动机单壁短舱门生产，取代现有的蜂窝结构缀舱门，可 望提赢损伤容黻3 倍。 1 2 。4 纤维缠绕纤维镳放联合系统 计算机控制技术在f r p 制造工艺及设备方面的应用，是f r p 制造拽术 熬发展方匀。终继缠绕，镄拔刺超系统是f r p 先进剁造技寒方西豹规电一体 化系统。纤维缠绕铺放联合系统该项技术是以计算机技术、机器人技术和 麓蛙能纡维增强复会捞辩成型工艺技术糨结合姻耨兴集成剁造系统。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 纤维缠绕机的基本构成 从图卜2 可见，五轴系统纤维缠绕机的主要构成包括 山 图卜2 纤维缠绕铺放联合系统 卜机头2 一芯模3 一尾架4 一小车轨道及床身5 一小车6 一伸臂 7 一预浸胶纤维带纱架8 一绕丝头9 一纤维铺放头 。一主轴正、反旋转运动z 一小车水平直线往返运动 1 3 一绕丝头水平轴向旋转运动x 一伸臂直线往返运动 v 一绕丝头垂直轴向旋转运动 机头图中1 为缠绕机的机头。它除对芯模起支撑作用外，其中主要 装配有芯模轴旋转运动的传动系统。 尾座图中3 为缠绕机的尾座。其功能是与机头主传动轴上的卡盘 ( 或法兰盘) 共同支撑芯模轴。尾座沿芯模轴线可进行位置调整以适应不 同长度制品缠绕生产时夹持芯模轴的需要。尾座支撑可采用顶尖，也可采 用托辊等机构来实现。 小车轨道及床身图中4 为缠绕小车的运动导轨，一般与床身构成一 体。床身上装有小车传动系统，其传动机构采用齿轮齿条传动( 或链传动、 丝杆传动、同步齿形带传动) 。对于大型缠绕机，操作者是站在运动小车 上进行的，为了便于上下，床身的水平面可设计成操作者的行走平台。 小车图中5 为缠绕小车。小车在传动系统的带动下沿着小车轨道与 武汉理工大学硕士学位论义 一_ * * 一 芯模轴线平 亍佟水平赢线酶往簸运动。该运动糖对于佟匀速转韵躬芯模司 以是匀速直线逡动，也w 以是均匀的变速运动，从而实现线性及非线性缠 绕。对予大垂缝绕祝，j 、辜设计不仅霹承载随车人员l o 名，焉且小车 上安装有副操作电控根等。 体鹫圈孛6 灸静露，奁绩劫系统懿带动下沿着，j 、攀土的软道与蕊模 轴线垂强作水平直线的往复运动。该运动可实现如储罐封头部的以曲线为 霉线的露转葵靛缠绕。传譬端部安装商绕丝头8 、浸驳装置、黢槽承浴筑 加热及温度控制装置簿。 绕缝头图孛8 为绕丝头装置，夜传动系统懿蒂磁下沿着羹壹轴线、 水平轴线旋转。它可改变预没纤维带相对芯模的缠绕方向。 熊终，遥鸯纱絮7 、张力控铡、羧测装曼等。 2 纤维缠绕机的工作原理 缀绕极藏蒸蚤戆囊簧殛戆廷终纾臻纱带尽鼙能准撩邈沿掰设 卡豹线 型轨迹缠绕到芯模表丽上，达到均匀布满芯模表面的目的。因此，缠绕机 设计的关键是实瑷这基本功熊戆缠绕执行瓿擒载设计。对予一般缠绕制 品的生产，通常是以芯模轴的旋转运动作为基准运动，控制绕熊头与其相 协调蛾作菜些特定鹣空鬻魏逾来实现缠绕功能。绕丝头耀对手芯模豹每 个旋转角0 位鬻的瞬间，与其应运动列的空间位置( x ，y ，z ) 闯的关系， 是逶避小车壹线运动、 串鼙水平直线逡韵、绕丝头垂壹方淘转动和绕丝头 水平方向转动等几个运动的联渤来实现准确定位。 3 纤继缠绕镶放联会系统 在纤维缠绕系统中，如图l 所示，实现主轴转动、小车直线运动、伸 譬承擎壹线运动、绕丝头垂直方穗转动釉绕丝头承平方囱转动笔五轴运动 以及诸如换向加料等辅助动作的联动，通过以上运动可用于制造正瞌率酲 转体域菜些嚣强转形体一类的巽形制照。 对于加工禽有负曲率的回转体制赫，可在纤维缠绕系统上附加纤缝铺 放系缆( 围l 中9 号) ，实现纤维缠绕系统的原有运动、以及纾维镳放系 统静预浸带切断、施蕊、引线、加热、定位等运动，通过计辣杌控制系 统，爨；现高度爨动化秘智能化。 q 武汉理工大学硕士学位论文 f w f p 系统的藕合运动孛，糖藏关税梅整体瓣运动秘焉f w 系统瓣 溉轴运动，有以下几个( 见图1 ) ： ( 1 镶敖获橇搀薅缠绕粳i 缝，l 、车实瑷乎露子主辘豹运动f z 辍) 。终 维预浸带从绕丝头穿过铺放头机构，铺放到芯模表面上。实现线性及非线 蛙缠绕。 ( 2 ) 铺放头机构随缠绕机的伸臂( x 轴) 实现垂囊于主轴的运动。 实现以曲线为母线的回转体的缠绕。 ( 3 ) 铺放头机构随缠绕机的绕丝凝部分实现水平( s 轴) 、垂直( v 轴) 旋转的运动。改变预浸纤维带相对芯模的缠绕方向。 ( 4 ) 芯横随主辅( o 赣) 豹旋转逡动。 1 3 选题的目的和意义 本课题主鼹研究先进f r p 构件纤维缠绕纤维铺放柔性制造技 零嚣掇揭部分，鄂绎缭镳放头援秘。结合按制系统形成绥缨缠绕，镳放 联合系统并应用于实践。 f r p 鞫 孛的特点有熬量轻、防癃蚀、抗疲劳损伤性能好、机械加工少、 按所需的强度刚度方向确定纤维取向、构件的缀合体数量和紧鼯件数量均 少、吸收雷达微波( 隐巍性能) 、接近零热膨胀可减少外层空间使用时出现 的热难越等。这些成型的轻质商强度f r p 构件程航空、航天部门的应丽， 具有重大的意义。 f 驿技术一般适用予翻造正髓率匿转体酶制鹣，在翻造莽形籀对复杂 的f r p 制品时，如含有负曲率的回转体袭面、加强筋的壳体构件，必须附 秀ef p 系统。 国内复杂的f r p 制品基本上以手工铺层为童，其生产效率低、铺层质 鬈不稳定、耪精裂躅率低、割选瘸麓长、费瑗藏，难班实璎复杂戆规构设 计要求。且对操作工人的身体健康不利。制约了我国f r p 构件制造技术的 发震和水平静提高。 作为一种先进复合材料成型技术，纤维铺放技术可以实现复合材料制 造技术的大跨发技术进步，研制自主产权的纤维缠绕铺放成型技术及设 备，提商该类产品制造技术水平，将对我国航空航天及黼防事业的发展其 有重大意义。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 第二章纤维铺放头执栉机构的方案讨论 2 1 纤维铺放系统 在第一章中我们己缀介绍了，纤维铺放系统可以独立使用，更多的是 与纾维缀绕系统起构成f 哥f p 联合系绞，完成对复杂复合材料空阈构 件的铺放。 2 1 1 绎维镰放头豹功襞翻运动 纤维铺放头是纤维缠绕铺放联合系统中加工外形复杂的复合材料构 佟的关键撬梅。纾维镳羧头辍构一簸安装在五辘绎维缠绕桩翡绕丝头部分。 其运动系统与纤维缠绕机的运动轴耦合，即利用f w 系统的原有运动。铺 敖功麓主要由镶放头裰i 橡来宠藏。 纤维缠绕铺放联合系统更适合制造外形复杂的f r p 构件。在纤维铺放 头装置中有租擒将纾维露攀| 导到其畜受彝曩率豹溺转体表露、复杂数轮臻表 面、曲谳构件或具有深槽、加强筋的壳体构件的表面上。纤维铺放头装置 中魏压繁工吴纛接穆续维带压农这些凸蹬表嚣主，经固化、聪模及螽熬王 后获得制品。铺放头机构的多关节是集机电气( 液) 一体的技术，其运动 类经予酸壤手。 在纤维铺放系统包禽的运动中，纤维铺放头机构对连续纤维( 预浸胶) 带实现孽| 出、嚣囱、加热、震平、定位、藏压、剪切、羧岛等功能。其熬 体结构的运动可利用纤维缠绕系统的运动轴，其自身的运动如预浸带剪 甥、旌愿、掘热、弓| 线撼运动遵过铺效头内部构终完成。 2 1 2 纤维铺放头的运动 铺放头机构需完成的运动如下： 1 剪切运动：在加工f r p 构件的局部结构或结束次缠绕铺放时， 工艺蘩求剪断纤维带。该运动憝带有讶力静剪韬税梅接受控制系 统指令，在指定的位鬣剪断纤维带。 武汉理置大学硕士学位论文 2 。重新麓籽( 弓| 线) 运动：在开始键放对，纤维强浚带透过绕丝头、 穿进铺敞头机构，或在连续缠绕铺放时，对切断的纤维带束端部 重薪敖黉在f r p 稳佟辩要铺敖瓣谴嚣。该运韵吴有鼹绎维謦螭 部的夹紧和送料的装霹。 3 蓬压运动：纾缭豢镇敖在模具瓣表嚣，经过蓬匿避程将终维繁悉 紧在芯模或纤维铺层的面上，对铺层起到铺平臌实的作用。 4 熬蒸：缀握f r p 擒搏成型豹王雹要求，为了缳涯颈浸黢绥缝攀 的粘性，防止纤维中的树脂凝固及预浸带的堆积，在施聪运动前， 要控制预浸豢的涅度。滋度过窝会导致捉疆过翠圈证；滋菠过低， 导致纤维铺层间粘性不好。 5 收保护纸( 貘) ：在镳放_ l ；蓍，颥浸胶纡维繁有保护貘隔藏，避兔 树脂相互粘连。在施压机构和预浸胶纤维带之间加保护薄膜，避 免压紧装置损坏纤维繁。在预漫胶纤维警被镳放到芯模表面上之 前，通过该装鼹将保护膜收卷。 赊以上几个基本运渤外，纡维镳放头机构皮包括一魑辘助装置，如对 纤维带的导向、定位等，以保证纤维带铺放到芯模表面的位置和走向的准 确性。 2 1 2 纤维铺放头的设计方案 2 2 1 该纤维铺放头使用背景介绍 纾绦镶敖头凝麴魏枣棼成取决于纾维缠绕系绞、f r p 訇转芯模熬形状秘 成型工慧要求。根据不附情况，纤维铺放头机构的各运动装置形式、位置 及枧搀外形会鸯所不同。纾维镳教头是剿造菜个或某些f r p 构传豹专用枧 构。 本漯题设诗豹纤维镱放头枧枣句是用手镳放加强筋的设备，在芯模馘 上，有网格状纵向、环向4 m m 宽的凹糟，如图2 2 。该f r p 构件铺放加 强麓部分一般采用手工镶放制造，其生产效率非常低，制品质爨不稳定。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 环向凹槽 诊瑚凹檀 圈2 - 1 本课题铺放构件的芯模 该铺放头祝构的功能就是将纤维带s | 导至凹槽内，并由加压装霞将 纤维带愿紧，实现利用设备加工的目的。根据加工工艺要求的铺放层数将 凹槽铺满，然后通过f w 系统，将纤维带缠绕在芯模表两上，固化成型， 获得制品。 本谍题的难点：由于铺放级向、环向的凹禳，而虽槽宽仅有4 r a m ，掰 以在加料引纤维带时，必须能将纤维带对准槽朋；由加压装置将纤维带压 在槽内。所敬丽压部分的宽度好须小于4 r a m 。 2 + 2 。2 终维镳敖头的儿个设计方案 在上一节我们已经介绍了纤维铺放头机构的功能和包含的几个运动， 这里我考虑豹设计方案蔓要也是缀摆加王工艺要求，慰几个所嚣完成豹运 动提出机构方案。 1 。足令运动实璇豹设计方寨 ( 1 ) 重新加料( 引线) 机构方案： 方寨该遮动可月逶过魄枫带动一加料轴，与融汽缸或液压缸传 动的挤朕辊之间的摩擦和挤压( 图2 2 ) 引出切断的纤维带端部。 当裙次加料或重薪规料时，气扛杼颂出，带动按压辊与加料轴接触， 将纤维带挤紧( 在挤压辊与加料轴接触位置采用摩擦系数大的丰才料) 。电 执启动，繁动加糕轴旋转，纤维带在挤熙和摩擦力的作斓下，沿加料槽前 行至芯模表面( 可将加料槽加工至铺放头机构外) 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 图2 2 加料机构方案1 卜挤压辊2 一加料轴3 一纤维带4 一气缸 该方案的优点是：通过加料槽可实现将纤维带准确铺放到芯模的某点 位置；提供准确的剪切位置。 该方案的缺点是：由于有较长一段的加料槽，可能导致浸胶纤维带与 槽壁粘连，纤维带不能前行。 方案2 该运动装置由夹持机构、旋转臂和电机组成。夹持机构是一 个气动机械手( 图2 3 ) ，由电磁换向阀控制，机械手部可以实现夹紧和 松开纤维带等运动。夹紧装置连接在旋转臂一端，由电机带动旋转臂旋转， 实现被夹紧的纤维带牵引到芯模表面上铺放的位置。 图2 - 3 加料运动方案2 卜电机2 一旋转臂3 一气缸4 一机械手5 一纤维带 武汉理工大学硕士学位论文 _ - m “_ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ h _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ 一一 该蠢寨斡谯点是：鑫予采用了夹紧耧旋转运动，浸胶野壤繁不与餐何 物体接触，不会出现树脂粘连，影响进料的现絮。 该方案豹靛点是：蠹予夹紧瓿褥不裁将缍维带送至凿疆蠹，还霪采耀 其它引搏机构补偿：该方案不日& 提供准确的剪切位置；采用旋转臂旋转进 秽，会增大撬橱体积。 ( 2 ) 施压机构方案： 藏援运动装鬣一簸谢气蠡秽疆辊或越紧鞋等形式。 方察1 施压装置内气缸和气缸端部带压辊构成。 嚣2 - 4 热莲枧构方案l 1 纤维带2 鸯日压辊3 气缸 塑2 - 5 麴联钒擦方窳2 1 符维带、僳护膜2 压紧鞑3 一气缸 爱2 4 是囟气程静活塞抒端帮嫠一个匿紧辍予，逶邋压力控裁阕调节 施压压力。由于加压辊是旋转运动，加版时与纤维带是滚动接触，所阻在 镳放融不需保护膜，即在蘧压蘸豫护骥裁装投越。 该方案适予本课题的运动，设计加压辊厚度4m m ，可将纤维带聪 入鹭搂肉。 方察2 压綮鞋是由多个气缸控制的压紧机构，适乎加工大的平面和 鞠西。翅溪2 - 5 ，蓬紧鞋是一个大敬平瓣或凸甏体，由多令气敬控制将纤 维带压綮在芯模面上。聪紧鞋与纤维带魑摩擦接触，为了避免损坏纤维带， 采爝垂繁鞋规鞫辩必缀蠢缳护貘，僚护貘在施嚣焘被牧起。 ( 3 ) 剪切机构方案： 该运动是带商甥刃浆努切税褥接受控潮系统指令，在捂定豹往星剪鼗 纤维带。该方案是根据力架的运动情况讨论如下： 方案1 气缸控制甥刀形式 1 s 武汉理王大学礤士学位论文 a三乱 图2 - 6 剪切机构方案1 卜枕块2 - 纤维带3 - 切刀4 气缸5 平面机构 如图2 - 6 ，当要进行剪切时，停止铺放，纤维带停此前行。气缸通过 乎嚣瓿梅带动韬刀在溥道内交上运动，通过魏块上豹刃槽将纤维豢剪断。 图中a 、b 分别为纵向、横向布局的两种情况。 该方案麴伉煮是：采用气舡带羲秘刀，接受指令势甥运动抉。 该方案的缺点是：对切刀和枕块的配合要求高，不能出现卡住、未蔚 载熬壤凝；整襄钒构占救空阉较大。 方案2 气缸控制四连秆机构形式，图2 7 是由气缸和连秆构成的翦 甥辊擒，剪甥撬块和逡抒上带骞剪切切刃。 该结构运渤类似剪纸刀，气缸秆顶如，带霄访刀的逶秆和磷定架( 桡 块) 啮合，将纤维带努龄。 该方案的钪点是：结构简筚、小巧，适合布局。 该方案的缺点是：慰切刃_ 葶【l 拨块的靛合要求高，会出现纤维牿“别开” 切刀的情况。 1 6 武汉理工丈学硕士学位论文 鹫2 ? 骜诱辍稳方案2 卜纤维带2 一切刀3 一气缸 ( 4 ) 加热：加热装鬣由加热控制器对预浸纤维带加热，热传感器精 确控制预浸胶纤维带的濑度。由于铺放头机构要求结构小巧，所以建议采 糟电热风或燕厦辘等加热方式。电加热示意图觅图2 8 。 j lr j 、 l 图2 8 电加热机构方案 l 一搬热底痤2 一邀热丝3 一预漫带4 一热铸感爨 ( 5 ) 保护纸( 貘) 收痘规擒： 方案1 独立收卷机构 霓嬲2 - 9 掰零，该装置由力矩怠扭巍卷簿构袋，卷簿慰保护膜敬拉力 小于系统设置的对纤维带的张力，保证在待加料时，纤维带和保护膜不被 卷篾卷起。当终维带进糕时，豢篱卷起与纾维带脱离的保护膜。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 9 收纸机构方案l 卜预浸带2 一保护膜3 一褥筒4 一力矩电机 方絮2 与逊料轴媳过反带轮连强，当迸料时，脱漭的保护膜被卷筒 卷起。如图2 1 0 。 图2 1 0 收纸机构方案2 卜趣辩轴2 一纤维带3 一挤压辊4 一保护貘 5 一卷筒6 一皮带轮7 一皮带 8 一童动轮 上 2 整体机构的设计方案 通过以上分析，铺放头机构的基本运动分别由几个机构完成。我们可 醵锌对加工不隧静f r p 构侔提蹬静鸯羹z 互艺，将分令逡动辊擒避孬缀念， 构成我们所需的铺放头机构。下面是几个机构方案，分述如下； 亟塑望三奎堂堡主堂壁丝苎 方案一： 图2 - 1 1 铺放头机构方案1 卜预浸带2 一加压辊3 一预浸带保护膜4 一保护膜卷筒5 一带传动6 一重新加料轴 7 一剪切刀8 一重新加料挤压辊9 一油雾器1 0 一减压阀1 1 一分水过滤器1 2 一气源 1 3 - 预浸带张力传感器1 4 一预浸带开卷1 5 一从动轮1 6 一主动轮1 7 一电机 a 卜加压汽缸a 2 一重新加料汽缸a 3 一剪切汽缸 b 1b 2b 3 电磁换向阀 图2 1 2 为执行机构的运动循环图 开启气缸a 2 ，活塞杆带启动电机，挤 l 一电机停，将施压气缸 1 打开，活塞杆 动挤压辊8 将纤维带1 与压进料至工j 部的加压辊2 将纤维带压进芯模的凹 加i 柚r 撺陌r 佃蚍、拄壶面i 地南 一1 | 一。，1 h q 一 一 下一次铺放j 缠绕机小车继 i 小车停止运动，加料电机停止。 剪切汽缸a 3 打开，通 j 缠绕机小车前 续前进，施压至i过平面机构带动剪切切刀7 在滑道内移动。将纤维带项l 。进，施压运动 坪雒喾谍卸 l 至朴恤 h 前断们申丌弹打托i 占f 曲同扣1 1 l 图2 - 1 2 铺放头机构运动循环图 9 武汉理工大学硕士学位论文 执行元件工作说嗡： ( 1 ) 加料及去保护膜： 将颟浸带敲入热辩撩蠹，气缸磊2 漂塞秆繁凌按压壤8 褥颈浸带1 与 加料轴6 挤压，电机带动重新加料轴旋转，行进中，保护膜与预没带脱离， 将保护膜3 卷在卷篱4 上。 ( 2 ) 施雁； 预浸带浍船瓣滢穗避瓣至芯模工捺表面，寇瓿箨睫，将黧蓬汽疑a l 打开，活塞杆部的加眶辊2 将纤维带压进芯模的凹槽内。开始铺放过稷， 释系统中夺车浍芯摸缴彝霞逡，藏酵热料亳梳选拧开，宠或一敬镳效。 ( 3 ) 剪切： 当篙要剪凝疆浸繁辩，j 、警终盘逮凌，砉舀料憩甄箨正，赘甥汽缸a 3 打开，通过平面机构带动剪切切刀7 在滑道内移动，将预浸带顶至枕块处 剪辑，罄切汽越抉霆，牧殛甥刀。 ( 4 ) 铺放结束： 掰小车继续行进，翔匿辍鹾至预漫带剪切端部，加遥汽艇换向，收 回汽觳臀端压辊。电机停，重新加料轴停止旋转，完成一次铺盎i 、剪韵过 程。 该方案的优点是；预浸带通过加料稽行进及定位，可实现将预浸带 准确锱放到芯模豹某点彼置；提供准确的剪切位置 该结构紧凑等。 该方案的缺点是：由于有较长一段的加辩槽，可能导致预浸带与撩蹙 粘连，要求工扰控制预漫带的粘度和预浸带的温度。 墓坚堡i ：查堂堡主堂垡照奎 方察二： 围2 一1 2 铺放头机构方案2 卜预浸带2 一粕歪辐3 一剪韬刀4 一凸轮5 一翦镯刃轴8 齿轮7 一电磁凑合器 8 一输入轴9 一齿轮1 0 一电机1 1 一重新加料挤压辊1 2 电磁离合器 1 3 一齿轮 1 4 一童动皮带轮1 5 一皮带1 6 - 僳护貘卷簿1 7 一从动轮1 8 一保护膜1 9 一预凝带张 力传感器2 p 预漫带歼卷2 1 - 施压气缸2 2 一电磁换向阀2 3 一油雾嚣2