纖維纏繞設備的結構設計

云立恒，盧 燕

（濟南玖源機電科技有限公司，山東濟南 250300）

目前，復合材料在航空、建筑、汽車、電器、化學等行業占有相當大的比例。在21世紀，科學技術的飛速發展和各個領域的深入發展，必然會對材料提出更高的要求。在21世紀，復合材料將以最廣泛使用的方式取代鋼。在復合成型工藝中，纏繞工序是最廣泛使用的技術之一。與其他成型工藝相比，纖維纏繞工藝生產的產品具有取向均勻、結構緊湊、高強度的特點。為了適應復合材料的大規模生產，纖維纏繞設備必須進行相關結構設計。

1 纖維纏繞設備的工序

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，根據纏繞規律均勻包覆，固化后除去模具，最終形成特定形狀的纖維制品。纏繞設備裝置的出現，提高了產品的生產效率和質量。根據纖維束是否滲透，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浸料的處理，接著進行纖維干燥。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，干燥繞組具有預浸漬干燥裝置，繞組系統復雜，產品的制造成本高。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行，減少了繞組設備，降低了產品的生產成本。

2 纖維纏繞工藝的優勢

纖維纏繞是玻璃鋼生產成型的工藝之一，纖維纏繞工藝是指在某一預張力下，浸漬樹脂膠液中后，按照某種線狀規則地配置在模具上。在纏繞工序中，密實度提高，產品的強度提高?，F代纖維纏繞技術的發展需要具有高精度、柔軟性和靈活性，以滿足纏繞具有不同結構形式產品的要求。同時，隨著電子技術的發展，計算機控制的纏繞設備應運而生。計算機控制繞組是使用纖維預浸料樹脂，通過特定的機械和控制，根據所需的線性規律將樹脂浸漬纖維纏繞在芯模表面。纖維纏繞工藝的優勢：①可設計性強。纖維纏繞各向得到充分發揮，根據具體產品的承載能力，不同的繞組線設計成改進產品的抗拉強度。②生產率高。繞組設備全自動繞線，減少人工參與，卷繞速度提高，生產效率提高，產品型號可在批量生產后確定。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，使整個制造工藝穩定，產品可靠耐用，制造工藝更加自動化。③高可靠性。纏繞設備在張力控制系統中的功能，在可調節范圍內的纖維張力，可以充分發揮纖維的強度，而且產品更加均勻穩定。④完成巨型結構的繞組。一些復合產品如石油、煉油、儲油罐等，復合材料的成型生產很容易完成，可以制造大結構的繞組。⑤對于不同的纖維纏繞設備，必須選擇纖維擴散裝置以最小化對纖維的損傷，盡量選擇高強度、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，而且進一步提高自動化纏繞裝置的技術水平和功能。

3 纖維纏繞設備在結構設計方面的分析

由于引進先進技術和獨特科研力量，纖維纏繞技術在我國向多方面、多領域、多樣化的方向發展。近年來，從產品應用的角度來看，自動化纏繞設備基于張力控制系統，我國有更先進的控制系統、高精度繞組。①在繞制工序中，光纖中的張力更合理，纖維的強度和剛性的優點被充分發揮。②絡筒機將復合材料加工工藝，一機多采用方向發展。根據不同纏繞工藝產品和不同機械結構制造條件，空間控制程序可以二次展開和改進。③纏繞工藝通過機器和纏繞設備的組合來實現。由于機器能夠靈活移動，所以具有大的工作空間，能夠通過機器和纏繞設備組合進行包裝小復合組合物。

3.1 纏繞主機結構設計

纏繞主機結構主要由龍門底座、龍門立柱、龍門橫梁、主軸箱、移動尾座、行車機構等組成。纏繞主機結構不同于單一支撐體和懸臂梁結構。該結構具有較大的負荷，整體穩定性良好，便于制造和加工。主軸箱以伺服電動機為電源，使用減速器提高輸出轉矩，輸出端為三爪卡盤，便于模具定心和夾緊，有效地促進產量和生產效率。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，徑向運動通過滾珠絲杠傳動實現，徑向旋轉通過齒輪對傳動實現。纏繞主機上的四個伺服電動機，同時驅動制動器以使所需的線性形狀。纏繞設備具有3個自由度，芯軸旋轉、繞線行走小車沿軸向往復運動。纖維纏繞設備的三自由度由計算機控制纏繞過程的核心模型按順序完成。在此期間，纖維纏繞設備有了一些較大的改進，出現了各種類型的纏繞設備，但其原理和結構基本不變。纏繞設備的主要工作原理是通過纏繞設備控制特定的機械結構運動，浸漬的樹脂膠液按照規則均勻地配置在模具的表面，通過成形和固化得到穩定的產品。雖然有特殊產品的形狀和性能要求，但對應的纏繞設備結構不同，纏繞設備和控制系統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械通用性。這不僅可以實現旋轉體組件的繞組，還可以基本完成制造普通光纖芯制品繞組的非旋轉部分。②張力檢測和控制系統的改進，可以充分發揮纖維張力纏繞工藝，控制材料以及產品質量。③隨著自動化的提高，每個軸的連接由計算機控制，用戶只需輸入參數即可。在計算機操作界面中，纏繞設備自動完成纏繞所需的纏繞。

3.2 纖維纏繞設備主軸箱結構設計

在整個纏繞過程中，所有影響產品質量的因素都被視為工藝參數。工藝參數可以通過計算機上的數值計算方法進行優化和結合，減少了過去繁瑣的測試，擴展了纏繞制品的應用領域。目前，纖維纏繞設備發展為高水平的機械化、自動化。主軸箱是纏繞設備的主要構成要素之一。內部結構采用變頻電動機、編碼器等，與主軸組件連結。與設定轉速進行比較，向電動機頻率變換器發送指令，調整電動機速度的頻率變換及速度調整電動機，以滿足繞組的需要。主軸箱主要用于為主軸的旋轉提供電力，并且可以通過頻率變換器調節電動機的速度以實現對主軸旋轉的控制。主軸箱上安裝了電動機和其他部件，因此需要與主軸箱對應的安裝支撐。通過打入安裝定位螺栓的連接孔，調整電動機的位置。由此，主軸的芯模旋轉而纏繞光纖。驅動帶用于由磁主軸箱驅動的變頻電機和主軸。驅動帶有很好的彈性，而且傳動過程穩定，可以減少工作過程機械的振動和影響，起到過載保護作用。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 帶回紗機構膠槽設計

對于在常溫下固化的樹脂系統，如果長時間作業，則將槽內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，必須進行清潔。帶回紗機構膠槽主要由膠槽架體、不銹鋼膠槽、過紗輥組、重力回紗機構等構成，紗線通過輥組由與不銹鋼圓輥連續配置的不銹鋼托架構成，起到通過膠液引導紗線的作用。重力回絲機構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。纖維纏繞設備通過連結軸與芯線連接。在膠槽的纖維束輸出方向上，設定能夠通過纏繞設備的動作，在芯材上引導風束的鋼絲纏繞頭，也將能夠通過纏繞設備的動作回收芯線的速度和纏繞的線狀行進速度的傳感器設置在纏繞設備上，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 機械張力紗架設計

計算機控制技術和傳感技術的飛速發展，纏繞設備也有了很大的飛躍，可以由計算機控制纏繞設備，計算機控制開發標記。如預先計算的纖維纏繞軌道，計算機根據方案的要求控制伺服電動機軸旋轉以實現纏繞過程。纏繞設備、計算機存儲空間、各種存儲纏繞方式，通過現代通信手段可以監視纏繞設備的功能，可以遠程更新、纏繞工藝信息，改進了纏繞的準確性和效率，并改進了繞組的靈活性。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，便于張力遠程操作，控制供紗系統的張力。張力器配備了傳感設備，紗束的實際張力由監測器監測。為了保持平衡，應實時調整纏繞張力。玻璃纖維通過張力控制從線框拉出，用樹脂浸漬，進入設置在行走軌道的纏繞小車上繞絲嘴，按照規定的法則均等地纏繞在旋轉模具上，纏繞小車沿軌道做往復移動。纖維張力對產品質量有很大影響，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控制，因此在每個工藝過程中，每個纖維的張力可以相同。機械式纏繞設備具有簡單的結構、可靠的變速器、方便的維護、簡單的制造和更少的投資優點。它適合以相對簡單的形式纏繞產品?，F在和將來都被廣泛使用。根據芯模和纖維供給機構的結構特性和移動形態，線框是用于收納纖維并設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，用另一個系統驅動線框并與托盤同步。機械張力紗架主要由紗框體、紗團主軸、擺動輥機構等構成。紗架的框體以鋼結構焊接，需要控制紗團的旋轉，控制紗團的放紗。擺動輥機構是使用彈簧臂限制擺動臂擺動的機構。當線穿過滾輪時，它用搖臂生產一對情侶。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，該機構控制紗線張力。傳輸系統的優化取決于傳輸系統的靈活性，減小系統的重量，減小系統的摩擦，減少這些傳輸元件集成到設計操作臂上的困難。由于自動吊線機械手只需要驅動紗線的運動，所以負載非常小，重量非常小，可以采用沒有變速器的直接驅動方式，并通過單片機微機控制系統，選擇合適的步進電機，以分頻和PWM 方式在較低范圍內控制步進電機的速度，符合實際需要，簡化整個設計過程。

3.5 纖維纏繞設備行走小車設計

計算機控制的纖維纏繞設備是一種根據特定規律在芯模上均勻纏繞，因此主體的構成要素可以實現計算機控制的三維坐標。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、繞絲嘴設計，完成輸入的產品。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。纏繞設備是機械式纏繞的中心部分，紡紗機的纏繞設備、纏繞設備的機構以及纏繞設備的張力控制機構是位于小車上的重要構成要素。小車采用驅動螺紋傳動，與螺紋傳動和齒輪傳動相比，安裝精度更高，驅動螺紋傳動能夠以低成本實現長距離傳輸。與變速器和螺桿傳動相比，伺服電動機與減速器連接，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，需要維持作業過程中平均傳動比，使小車的結構合理，使紗線在各種機構中順暢地滑動，減輕不必要的摩擦，對紗線造成不必要的損傷。

4 結束語

復合材料具有高比強度、高比剛度、輕質、放熱等特性，主要使用在航空航天、國防、石油化工、能源動力等領域。市場上對纖維產品的需求在增加，對纖維纏繞設備的要求越來越高。為了滿足市場需求，降低制造成本，節約資源，許多研究人員正在開發新的多軸纏繞設備。目前，多軸纏繞設備的設計可以滿足繞組的繞組需要，快速方便生產各種規格的產品，并且方便運營和維護。纖維纏繞設備的結構設計對市場具有重大的影響。