本文主要是对三轴纤维缠绕机进行机械结构设计。纤维缠绕技术是复合材料使用最广泛的自动化的成型的技术。由于其强度高，重量轻，隔热，耐腐蚀和可加工性好，因此很容易实现机械化和自动化，并且其整体性能优于其他复杂的产品方法，并且可以制造多种产品。缠绕技术近年来发展迅速，并已广泛用于国防和国民经济的各个方面。当前，中国的纤维缠绕的技术正处于成熟发展的过程中。纤维缠绕设备实质上已经实现了小型计算机的完全控制。纤维缠绕在电绝缘产品以及体育娱乐产品中都发挥了重要作用。

　　本文主要是为了设计用于管道部件的缠绕机并解决不易维护的民用绕线机的缺点（主要是由于民用绕线机的精度低和进口绕线机的价格高）。提出设计较高精度的缠绕大量固定类型缠绕构件的纤维缠绕机设想,通过了解其缠绕原理，在此基础上进行了整体布局，之后通过设计计算完成各零部件的设计校核，在之前纤维缠绕机的基础上增加了丝嘴伸臂机构，达到三自由度缠绕，经过经济性分析达到设计要求，最后通过使用SolidWorks软件对所有零件进行三维建模以完成总装。

　　纤维缠绕是玻璃钢储罐和管道生产的重要成型工艺[1]。纤维缠绕机是辊压成型过程中的主要设备。目前，缠绕技术仍是生产玻璃钢产品的主要技术手段[2-3]。随着复合材料在工业中的广泛应用，市场需求不断增长。为了满足市场上对不规则旋转体和非旋转体等玻璃钢产品的需求，并适应于复合材料的批量生产，国内外已将重点放在开发新型玻璃钢缠绕机上。尽管最近开发的绕线机可以完成满足要求的产品，但是绕线的生产成本也大大增加了。纤维缠绕机的生产和制造已成为当前复合材料行业的重点。提高纤维缠绕设备的性能，也将有助于提升纤维缠绕制品的质量，也将进一步促进我国纤维缠绕工艺的发展。

　　外国对纤维缠绕技术的探索相对较早，现在纤维缠绕技术的发展相对较先进。高性能绕线机已用于太空和其他领域。为了提高生产效率，设计开发了一种多转子绕线机，并开发了六轴计算机控制绕线机，以解决关键零件的气缸成型问题。当前，国际上正在开发具有七个或甚至十一个轴的计算机控制的纤维缠绕机。现代的卷绕设备也可以使用数字信号进行控制，从而可以以更大的自由度精确地定位增强纤维，并且卷绕设备的成本更低。将计算机辅助设计用于缠绕操作，再结合有限元分析技术和玻璃纤维计算技术，可以简化缠绕设计并缩短产品开发和工艺设计周期。加工和制造中的新概念以及计算机控制的玻璃纤维缠绕机的应用逐渐提高了玻璃纤维缠绕产品的生产率。对于需要移除基础模具的玻璃钢产品，可以通过用水模具成型来移除基础模具。水基模具的拆卸效果很好，而溶剂基模具可以避免过去常见的问题。纤维缠绕技术可以准确地进行纤维缠绕，并且往往更加自动化，因此使纤维自动化缠绕需要有效的控制程序。ComposicaD软件适用于重新缠绕不同的缠绕设备，并可以自动重新计算层流程序以生产新的缠绕产品。使用ComposicaD，需要做的是打磨抛光桌，然后生产一系列会改变附件长度或直径的纤维产品。随着计算机技术和机器人技术的发展，创建了自动卷轴机和一种自动卷片机。标准的机器人复合包装技术融合了设计，分析和构造，并具有专业的CAD/CAM软件包。对于处于相应卷绕位置的卷绕产品，使用生产和分析系统，机械完成系统和处理系统来执行卷绕过程控制。目前，已经开发了CAD/CAM程序以非常高的卧式缠绕异纤。CA开运·体育D/CAM软件不仅具有用于旋转体的旋转轮纤维设计的功能，而且还具有用于特殊形状零件的纤维缠绕路径的设计的功能。对于常见形状的许多零件，可以使用发达的CAD/CAM软件进行基本的模具设计，线布局和事后编辑，并可以根据特定的CNC系统创建相应的控制代码。

　　在我国，纤维加工的技术开始在1960年的初期。在位于哈尔滨，一个玻璃钢研究所（是原哈尔滨的玻璃钢的研究所），它和北京市其中一个研究所（即原北京的251工厂），它们分别是在哈尔滨的以及北京两地进行了这个玻璃体的技术研究。在那时候，哈尔滨的玻璃钢的研究所，他们提出了以螺旋的一个纤维的缠绕的方式成为了基本的规律，与此同时，他们也给出了这个定律的一个数学的表达式。其端部的这个弯曲的表面中，它的纤维的这个轨迹是首次被提出是一个卧式的，这个卧式的方式，它能够很好的的帮助我们解决这种计算端部的这个曲面的纤维缠绕，也对其中心角的问题进行了解答。在当年，北京市的玻璃钢研究的设计院，他们也是逐步实现了这个标准线的一个缠绕的方法，他就是标准线的缠绕法，在这些过程中其实我们也总结了它的定律，同时建立了一个具有测地线的一个缠绕规律的运动方程，同时也描述了其线型中，其各量之间的一个关系。在1964年的时候，值得庆幸的是，北京市玻璃钢的复合材料有限公司，他们研制出了中国的第一个复合气瓶。在下一年，在全国的新材料的展览会的时候，其哈尔滨的玻璃钢的研究所，他们也成功的展示了这两台机械的绕线机，其分别是这个链式以及机床式的设备，还有这个绕线的一些产品，这可是中国的第一台的全机械式的绕线年这段时间，其第七的机械部的低43所的一些技术人员，他们赴往了哈尔滨的玻璃钢的研究所，全面的研究了这个纤维的缠绕的技术。这算是我国的首次来进行了纤维的缠绕的技术培训。再后来到了1965年，这是我国就已经掌握了这个増量、缠绕的一个速比的基本原理了，同时也完全的实现了这个全机械化的一个螺旋的缠绕技术。其《螺旋的缠绕的基本的规律》一文章在1969年做了正式的发布，这就标志着我国纤维的缠绕的技术的诞生。

　　从1970年到1987年，正是在这一阶段，中国科学家和技术人员对纤维的包裹的技术进行了很广泛的一个研究。其在这一个阶段里面，我们完成了对其纤维的缠绕以及这个不规则的缠绕的一个基本规律的探研发，同时也改进了其机械的纤维的缠绕的设备的一个结构的设计，同时呢，也对纤维的缠绕的产品进行了一个设计，还有这个工艺、结构以及性能的控制。其实它就已经得到了很广泛的一个发展，同时呢，它还取得了以下这些个算是里程碑式的一个进展以及成就：到了1971年的时候，哈尔滨的玻璃钢的这个研究院，他们做了国内的首个这个多边形等截面的一个非回转体的这么个缠绕、变截面的缠绕技术，同时还有其无端头的一个封头的缠绕的技术的研究(即是为异型的一个缠绕的技术的研发)。再到了1974年11月份的时候，他编写的同时也完成了这个异型的一个缠绕的技术的汇总的一份报告。后续发表了《异型的其截面制品的一个螺旋的缠绕的“相当于是圆”假设》等一些文章，其所提出的这个异型的制品的一个截面的“相当于圆的这个假设”基本的原理，其是解决了这个其异型的一个制品的一个截面的纤维的缠绕过程中近似计算的这个问题。

　　到1980年代中期，该国进入了计算机控制绕线机研究和应用的时代。同时，随着缠绕玻璃钢的生产线技术的引进，纤维缠绕技术开始被应用于大型增强玻璃钢的塑料的生产。[6-7]。

　　从1990年代中期开始，纤维的缠绕的技术的发展已进入成熟快速的发展阶段。具有许多轴和多功能缠绕的机器应运而生。有轮换流程，技术和多个流程的复杂产品。加工技术不同。线圈热成型技术的探索已经开始。在此期间，纤维缠绕的技术和产品为中国的太空建设，国防和高科技领域的建设提供了必要的技术和物质支持。玻璃纤维计算机控制，制造机器都可以通过我们的计算机[9]。

　　在过去的十五年中，中国一直在引进来自美国，德国，荷兰，英国，意大利和日本等国家的不饱和聚酯生产技术。并从日本和德国引进了生产环氧树脂的技术，同时，还生产了用于缠绕纤维的玻璃纤维家用设计。玻璃钢管道和储罐的构造为原材料提供了保护。在过去的二十年中，中国的纤维的缠绕的玻璃罐、钢管产品[10]，一直是中国复合材料增长最快的产品，并为中国作为世界上最大的复合材料生产复合材料在复合材料加工过程中做出了重要贡献。

　　经过许多年的研究发展，我们国家的纤维技术已处于成熟的发展时期。纤维缠绕设备也开始能够执行计算机的伺服控制。微机控制的两轴，三轴，四轴纤维绕线机的施工及绕线技术，在管材，储罐，各种压力容器，电气产品及电气绝缘产品的绕线]和运动六轴玻璃纤维微控制器用于复杂产品的开发和生产。他在固定缠绕理论，多坐标数学运动建模，带纤维缠绕的CAD/CAM软件，精密强度控制系统，重型缠绕E＆A设备，建筑和驱动等关键技术上取得了许多成就[12-13]。它完全掌握了中央计算机工程师的技术，具有多个连接轴的CAD/CAM软件包，电子控制系统，音量控制，温度控制，数据测量/收集，质量保证系统等。有独立的版权和许多基本技术的版权。在玻璃纤维技术方面，中国已全面掌握了用于轧制钢瓶，压力容器[14-16]，处理管道，输沙管道，高压管道和储层的整套玻璃纤维生产技术。纤维缠绕设备的先进程度标志着缠绕技术的发展，这也是缠绕技术发展的关键。在高性能玻璃纤维绕线机（例如六轴或更多绕线机）和玻璃纤维机的研究和实施方面，中国与国外先进国家之间仍然存在很大差距。航天，军事和其他高纤维缠绕的高性能应用包括：神舟运载货物的航天器，卫星结构，复合空间系统压力容器，火箭榴弹发射器，火箭榴弹发射器；纤维缠绕产品在政治领域的应用包括：各种压力管，储罐，压力容器，呼吸的气瓶以及天然气的气瓶等，绝缘产品，运动和休闲产品，工业传动轴，各种辊筒等。

　　为了解决民用缠绕机的效率低，维修不方便而国外缠绕机价格又高等问题，提出了一种三轴纤维缠绕机设想，以达到促进缠绕机设备发展，工艺不断完善的目的，提出一定的技术要求来完成所设想的目标。

　　（1）分析研究纤维缠绕机的主要特征和结构，并获得有关计算每个组件设计的类型和说明的知识。在此基础上，需确定纤维缠绕机的总体布局和结构设计。

　　（2）纤维绕线机主轴的绕线结构设计，包括主轴箱的设计，芯模支撑架的设计以及主轴箱与芯模之间的连接段的结构设计。

　　（3）纤维绕线机缠绕小车往复部分的结构设计，包括绕丝嘴的设计，小车的车体和下部支撑架的设计。

　　（4）完成主要参数的计算，包括主轴和减速器选择，小车电动机和绕丝嘴的电动机选取。

　　绕线机是多坐标设备。它的主要运动包括一个芯模(塑料管)绕其主轴线以恒定速度旋转的运动，小车沿着其轴线往复来回的直线运动。为了调整绕丝嘴与产品表面之间的距离，有一个垂直延伸臂的伸缩运动。在设计其结构之前，应研究其主要结构类型，在此基础上了解纤维缠绕工艺，最后通过其缠绕原理的分析制定缠绕机的总体结构方案。

　　绕线机是制造玻璃钢，压力容器等制品的重要设备。目前，我们在市场中的绕线机主要有以下几种:

　　（1）卧式缠绕机，如图2.1所示，此种缠绕机是最常见的缠绕设备。在该绕线机中，使用链条来驱动台车向前和向后，并且芯轴引导模具型芯进行旋转运动。通过调整芯轴的旋转速度和小车的移动速度来调整绕线的类型。这种绕线机具有一个广泛的应用的范围，它适应着细长的构件、容器以及横梁的缠绕。

　　（2）绕臂立式缠绕机，如图2.2所示，它的特点是吐丝嘴所绕的芯模绕着悬臂旋转，以芯模轴心为中心，绕其以恒定速度旋转。当这个悬臂绕着圆周旋转时，此时芯模的主轴就会带动着芯模匀速的旋转过一个纱片的宽的角度。在整个过程中，绕线机的绕线是均匀的。该绕线机主要用于干式绕线，适用于短而厚的容器的绕线所示，该绕线机结合了卧式与绕臂的缠绕机的优点，其特点是小车移动轨迹是垂直或卧式的圆形轨迹。芯模的主轴带动着芯模转动过一个纱片的宽的角度，此时小车能够沿着所在轨道移动一周。芯模的轴线与所在水平面的夹角称之为平面缠绕角。因此，此种绕线机适用于大型零件的生产。

　　（4）行星式缠绕机，如图2.4所示，该绕线机的绕线角度是由芯模轴线和其所在水平面形成的角度。在缠绕过程中，型芯模具执行自传和公转的轨道运动，绕丝嘴保持相对静止。芯模的公转作为主要的运动，而自转作为进给运动。该绕线机通常用于制造小型零件。

　　玻璃钢具有重量轻，强度高，抗恶劣环境等优点，使得其在尖端领域中的应用，制造和建筑领域的使用越来越多。在目前用于生产玻璃的纤维产品的设备中，玻璃纤维绕线]。

　　随着经济的增长，玻璃钢产品正变得越来越广泛。在各市场（如压力对于玻璃纤维增强塑料产品，例如容器，非旋转体（例如矩形管）的需求正在增加，这提高了对塑料纤维增强塑料缠绕机的需求量。为满足市场需求，减少玻璃钢制品的生产成本和资源节省，国内外研究人员专注于开发新型玻璃钢管的纤维多轴链接包装机。玻璃钢纤维缠绕是玻璃钢形成的重要过程之一。据称，玻璃纤维缠绕是通过浸没槽充满一定量的树脂，并根据特定的绕线设计均匀地覆盖整个型芯模具，然后进行固化处理，分离和其他步骤。最后，形成并生产出具有特定形状的玻璃纤维产品的过程。玻璃钢管等缠绕制品的纤维缠绕工艺首先是手工进行的，生产效率和产品质量都很低。特殊的成纤设备的出现，例如绕线机和铺放机，提高了生产效率和绕线产品的质量。

　　根据纤维束是否下沉和浸入量，纤维缠绕过程可分为三种方法：湿式法，干法以及半干法。

　　湿法的缠绕过程是指将纤维束通过浸没槽浸入一定量的树脂胶中，然后直接连续地缠绕在轴上。该工艺具有绕线设备简单，操作简便，生产成本低的优点。

　　然而，当使用湿法进行卷绕时，纤维张力难以控制，并且产品的硬化容易受到外部温度和湿度的影响。在其他条件的干预下，绕线机必须增加辅助绕线)干法缠绕

　　干式缠绕工艺与湿式缠绕工艺有关。干式缠绕工艺是纤维的缠绕之前进行了预浸处理，然后将纤维干燥。缠绕时将干燥的纤维包裹在纤芯中所在模具中，将型芯模具加热两次以软化固化其中的胶水，以使纤维和纤维层粘在一起，然后在经过固化成型，完成了产品的生产。干式缠绕工艺易于控制缠绕强度，而且具有缠绕的速度快等优点。但是，干绕在准备之前需要额外的干燥设备，绕线系统很复杂，还会产生更高的生产成本。

　　半干卷绕过程类似于干法卷绕过程，在该过程中，将纤维预先浸入树脂，然后干燥。只是烘干的时间相比干法的工艺的时间较短。当使用半干法缠绕纤维时，缠绕可以在室温下完成。半干缠绕具有液体缠绕和干缠绕的优点，并且可以改进，同时提高了绕线速度，减少了绕线设备，降低了产品的生产成本。

　　可以充分发挥纤维在其卷绕过程中异于平常的优点，而产品的强度具体取决于所设计的不同的缠绕类型，这样也可以提高所生产产品的拉伸强度。

　　绕线设备的自动绕线减少了手动操作，绕线速度快，并且提高了产品的生产率。确定产品型号后，即可进行批量生产。

　　绕线机在张力控制系统的作用下，玻璃纤维张力在可调范围内。生产产品时，纤维的强度可以得到充分发挥，产品更加均匀稳定。

　　一些复合产品，例如炼油厂的储油罐，是使用其他复合材料生产的，这些材料难以生产，然而缠绕技术可以轻松完成。目前，许多大型构件的生产主要采用缠绕工艺。

　　玻璃钢的直径一般比较细，然而它的强度相对较高，就其纤维的表面的损伤率来说是比较低的。玻璃钢的产品所承受的应力，是载荷通过所在玻璃钢之间来传递，其降低了该材料在强度方面的损失。

　　纤维缠绕中的基本线型指的是纤维在所在芯模表面的排列方式，其线型由缠绕的方法所确定；由于在缠绕过程中往往缠绕产品的形状不同，纤维缠绕方法以及得到的纤维缠绕类型也会有不同。为了满足容器的不同性能要求，目前存在三种用于复合压力容器的纤维缠绕铸造技术的方法，分别为：环形缠绕法，螺旋缠绕法和纵向缠绕法[18]。

　　环形缠绕是一种应用较广的纤维缠绕方法，在缠绕过程中纤维沿轴的轴线方向圆周均匀且平滑分布。在缠绕时，芯模的主轴以恒定速度旋转，并且缠绕在平行于轴线的方向上相对于彼此拉伸。当轴旋转一圈时，缠绕拉伸一圈。因此，线圈缠绕只能缠绕在圆柱形铁心产品上。不能用于包裹弯曲封头端，因此对于具有弯曲封头端的芯模成型产品，环向缠绕是不连续的缠绕。图2.6显示了通过环向缠绕获得的缠绕形状。为了确保相邻的玻璃纤维紧密连接而没有覆盖层，环向的缠绕中缠绕角度通常在85°和90°之间。

　　螺旋缠绕在缠绕过程中是一种进行连续缠绕的方法。其中它的绕线轨迹由圆筒本身部分的螺旋线，封头端的测地线以及与极孔相切的空间曲线组成。在螺旋缠绕期间，轴以恒定速度旋转，并且绕平行于轴轴线的方向拉伸。螺旋缠绕的缠绕角通常为12°?70°，并且所缠绕的纤维在线圈的方向上均匀地分布在轴的表面上；螺旋缠绕有一个最大的优点是它能够不断地包裹具有不同性能要求的复合材料。因此，它能够广泛应用于缠绕各种存在复杂纤维的制品，例如：各种类型的压力容器，管道，储罐，压力管等。

　　它还可用于缠绕形状不规则的产品。使用螺旋的缠绕方法，当直径比较大时，通常要求缠绕角度大于10°。如果直径非常大，则在相同的内压下，大直径产品会释放径向压力，但是让轴的压力增大以增加产品的轴向的应力的承载能力，缠绕角度通常小于10度。通过螺旋缠绕获得的绕线）纵向缠绕法

　　在纵向缠绕期间，轴的旋转速度很慢，并且可以变速度旋转。绕线车在与轴平行主轴的方向往复回返一个来回，型芯模具的主轴以微小角度旋转，纤维缠绕在型芯的表面上，是一束纤维的宽度，并且每根纤维都是切线的到极孔。缠绕角度一般为0°?25°。纵向缠绕后纤维的线性形状还可以使相邻的线紧密连接而不会重叠。纵向缠绕通常用于直径相对较小的复合纤维缠绕产品。通过纵向缠绕获得的缠绕线所示。纵向缠绕的特征在于，缠绕小车以及绕丝嘴在某一平面以一定的恒定速度运动，并且其轨迹是闭合的圆形曲线纵向缠绕法

　　环形绕线，螺旋绕线和纵向绕线，这三种纤维绕线方法各有优缺点。尽管螺旋缠绕法最复杂，但是其应用最广泛，而且缠绕产品的产率更高，可以用于常规形状。定期包装的产品要不断缠绕包装；纵向缠绕适用于球形，椭圆形和一些不规则形状产品的连续缠绕；对于带有封头曲线的闭合产品，不能连续卷绕外围。在实际的纤维缠绕过程中，根据具有不同形状特性和性能要求的复合材料产品，应选择合理的纤维缠绕方法，以确保在稳定的缠绕过程中获得到均匀的分布，满足承压的性能要求以及纤维的缠绕线芯模的缠绕方法与缠绕轴的联动控制

　　在包裹铸件的过程中，将不同的芯模缠绕方法和玻璃钢缠绕机各轴的连接相结合是完成纤维缠绕的重要手段。该卷绕机的三个轴由计算机控制，并与相应的绕线轴组合。该方法可以较容易地生产所需的玻璃钢产品。

　　缠绕过程如下所述，为了完成芯模的缠绕。缠绕芯模时，由于落点仅分布在芯模的边缘，并且落点在芯模的表面上不连续。当芯模通过旋转体缠绕方法缠绕时，主轴将旋转一定角度，理论上的落纱点将被暂停，而实际的落纱点将不会出现在理论位置。结果，绕线设计严重偏离预定轨迹，从而导致绕线]。

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