【缠绕成型设备的进展概述2300字】

缠绕成型设备的进展概述上个世纪40年代，纤维缠绕技术因美国发展导弹装备的需要而产生。1947年，美国Kellog公司成功研制了世界首台缠绕机，并利用纤维缠绕成型制造了第一台火箭发动机壳体[35]。这一时期产生的第一代缠绕机都是简单的机械控制设备，由电机拖动小车组成，其控制系统基本由皮带、齿轮、滑轮和链条等机构组成。为了改变缠绕角度，需要通过手动调整变速箱实现；而每当零件长度改变时，操作员必须通过缩短或加长链节来移动缠绕小车，以获得所需的精确卷绕长度[51]。到60年代中期，出现了更多采用液压伺服马达和数字量控制的第二代缠绕机，如美国Entec公司的800型和前西德JosefBear公司的WE-250型缠绕机。随着计算机数字控制技术(CNC)的发展，出现了第三代计算机控制纤维缠绕机。1973年，美国Entec公司开发了第一台微处理器控制的纤维缠绕机，使得缠绕进程可以按照程序设定的路径进行。1976年，美国McCleanAnderson取得了缠绕机控制专用微型计算机N-101和软件专利，成功开发出了第一个商业化标准的长丝缠绕机McCleanAnderson60，极大地提高了缠绕精度和生产速度[55]。九十年代开始，新一代计算机控制的纤维缠绕机得到快速发展，如英国Pultrex公司采用通过数控系统开发了四轴联动数控纤维缠绕机。国际上很多公司开始研究用计算机设计辅助进行缠绕，即缠绕CAD技术。采用用计算机辅助设计缠绕模式大大简化了缠绕模式的设计，从而减少了产品的开发和工艺设计周期。进入本世纪以来，缠绕机的功能更加完善，多主轴、多运动轴联动缠绕机逐渐成为发展方向，目前国际上已有7轴甚至多达11轴的计算机控制纤维缠绕机[35]。多运动轴缠绕机的引入使得缠绕复杂形状的产品成为可能，计算机控制的多轴轴联动纤维缠绕机，可以用于解决弯管、三通管等一般异型件的缠绕成型问题[56,57]。目前国际知名的缠绕机制造商主要有美国的工程技术公司ETC(前身为Entec公司)、McCleanAnderson公司、德国Roth复合材料机械公司(前身为BSD公司)、马其顿Mikrosam公司等[40]。图1-9展示了典型的复合材料纤维缠绕机，图1-9(a)中马其顿Mikrosam公司的多芯轴系列纤维缠绕机MAW20MS4/5专为高产量生产设计的，可实现同时最多5个芯轴的产品缠绕；图1-9(b)为美国ETC公司前身Entec生产的经典缠绕机型号FW750，可以提供精确、高速和高性价比的长丝缠绕，适用于压缩天然气罐的批量生产。ETC公司产品丰富分类详细，SS系列用于研发和教育用途，SM系列用于中型产品，CXG系列用于压力容器，SL和SL+系列为用于航空航天和石油天然气应用的大型缠绕机。图1-9国外经典复合材料纤维缠绕机计算机控制纤维缠绕机采用计算机控制伺服电机的转动，系统程序控制纤维的运动轨迹，还可以存储多种形状的零件缠绕程序，不仅缠绕精度和效率大幅度提高，同时缠绕机具有更好的柔性和灵活性[51]。随着缠绕硬件设备的成熟，制约高性能复材零部件生产的关键更多的集中在缠绕路径设计和模式选择上，为进一步实现缠绕设计自动化，缠绕成型计算机辅助设计制造一体化系统即纤维缠绕成型的CAD/CAM技术发展起来[35,58]。缠绕成型工艺结合CAD/CAM技术极大的缩短了纤维缠绕的开发周期，降低了劳动强度和废品率，提高了制品质量和生产柔性。CAD/CAM软件不仅具有完善的回转体纤维缠绕轨迹设计功能，还具有异型件纤维缠绕轨迹设计功能，对于三通、弯管等异型件，可采用已经开发完善的CAD/CAM软件进行芯模设计、线形规划及后置处理，并可根据具体的数控系统生成相应的控制代码[2,35]。美国Entec公司是计算机控制纤维缠绕机械的先驱，开发了世界上第一个缠绕纤维软件FiberGrafiX，该软件拥有直观的用户界面和许多可视化工具，提供了广泛的工具来创建和优化纤维路径和机器运动。目前成熟的商业化纤维缠绕CAD/CAM软件有比利时MATERIAL公司的CADWIND、美国McCleanAnderson公司的SimWind、法国Coriolis公司的CADFIBER、英国CrescentConsultants公司的CADFIL、马其顿Mikrosam公司的WindingExpert等。其中CADWIND软件完全图形可视化及界面友好，适用于两到六轴数控纤维缠绕机的控制，成为了当前世界上应用最为广泛的高级复合材料纤维缠绕仿真软件[35,59]。图1-10显示了CADWIND用于辅助纤维缠绕时的使用流程，软件使用计算机生成的参数化几何芯模或导入几何芯模，进行多种缠绕线型计算，配合具体缠绕机床自动生成缠绕程序，并实时进行机床运动仿真，可以优化机床运动，有效地防止缠绕过程的运动干涉。借助于缠绕CAD/CAM软件的优势，用户可以脱机进行三维动态的分析缠绕过程的线性畸变、纤维架空和堆积等问题，同时进行工艺参数的设计和优化工作，极大地加快了缠绕产品的开发速度和生产效率[60,61]。图1-10缠绕CAD/CAM经典软件CADWIND的使用流程。机器人因其自由度多、运动灵活、工艺范围宽等优点，越来越多的被用于纤维缠绕生产线的缠绕制品高效率生产，尤其能解决不对称结构和双凹面构件等复杂构件的缠绕成型。法国的MF-TECH公司最早研究机器人缠绕技术并将其商业化，公司研发的两个版本多轴机器人缠绕控制系统，Pitbull系统通过多轴机器人带动芯模在空间运动，适合容器类制品的加工，Fox系统使用机器人控制缠绕纤维的导丝嘴运动，可对管道、弯头等结构部件多个个芯模的同时缠绕加工[59,62]。英国CygnetTexkimp公司与曼彻斯特大学联合研发的机器人缠绕机3DWinder[63]，如图1-11(a)，基于曼彻斯特大学PrasadPotluri教授开发的九轴机器人缠绕概念，采用了快速长丝缠绕技术，能够制造燃油管、风机叶片、侧梁和飞机翼梁等复杂的部件。国内西北工业大学史耀耀教授团队长期致力于预浸带纤维缠绕成型技术，已经为航天科工和航天科技多个研究所及公司提供设备和技术支持，图1-11(b)为其自主研发的XGD预浸带缠绕/铺放机器人平台，可用于复材预浸带的平面或曲面铺放、回转体部件的平行、平叠或斜缠绕。哈尔滨理工大学许家忠教授团队研制的基于机器人纤维缠绕工作站[64]，开发了机器人末端扩展驱动轴及夹具，实