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分析缠绕过程和潜在的设备技术
N. Minsch a,* , F.H. Herrmann a , T. Gereke b , A. Nocke b , C. Cherif b
1摘要
近几十年来，纤维缠绕技术已经从经典车床类型向使用较复杂设备的绕线方向发展，增加了缠绕的自由度。 这些进步使选择以实现特定的缠绕方法和相关部件设计的最佳缠绕参数变得更为不易。 各种方法使情况更加复杂。 为了研究现有的设备技术在可行性、操作性和经济性方面的不同，在实验环境中建立了不同的线圈绕组设备。 由此可以将有利的解决方案分配给特定的缠绕方法，并且便于选择合适的缠绕缠绕设备。
关键词：纤维缠绕，匝道缠绕方法，设备技术
1介绍
纤维缠绕技术是复合材料最古老的制造技术之一。 纵观其历史，生产过程主要用于制造旋转形状，如压力罐，应用车床原理[1]。 随着时间的推移，所使用的机械和电子控制装置已经发展到允许更多的自由度，以实现更复杂的形状和缠绕模式。 特别是工业机器人技术的出现使得能够实现新颖的缠绕方法，从旋转形状转向框架结构。 在这些方法中，要么通过围绕转向点的纤维导向器的平移，要么通过围绕多个轴线的心轴的旋转运动来拉动，而不是围绕一个轴线旋转的传统方式。 在这种情况下，已经开发了几种缠绕技术和相应的机器来生产各种拓扑[2-5]。 这种多种潜在设备使得工艺工程师难以为特定应用或特定部件设计选择合适的机器。
2方法
为了收集科学和技术知识的状态，对现有的反缠绕方法和设备技术进行研究。 由于限制和简单的原因，仅提出了少量有代表性的绕组方法和设 备技术。 收集的绕组技术被连续地细分为关于可行的组件拓扑和必要的绕组轴的数量的过程组。 这种分类允许将设备技术同时分配到可行的过程集群和可能的组件几何形状。 为了对工艺参数和性能做出可靠的陈述，每种设备技术都建立在实验环境中。 再者，通过考虑经济，操作和质量方面，对机器进行调查，考虑它们对不同过程集群的适用性。 结果应该有助于确定最有效的设备选择，并考虑到特定的部件设计。
3发展状况
由于类似的工业产权范围广泛，专业绕组部门的专利情况复杂化。 出于这个原因，选择少量代表性专利并相继呈现以提供对现有缠绕方法和所利用设备技术的简要概述：专利申请DE 10 2014 019 080 A1描述了一种程序，其中广泛的非旋转对称结构是通过围绕其自己的轴旋转工具板来创建。 这种方法代表了车床类型绕组的一种改进，并使用线轴代替心轴来钻孔。 该规范提出了用于生产组件的车床式设备[6]。
在美国专利说明书US 4137354A中指出了制造二维桁架结构的另一种方法。描述了一种用于制造二维桁架结构的设备，该设备由具有可旋转涂抹器头的扫描单元（绘图仪）组成。 纤维本身缠绕在从固定工具板[7]突出的销钉上。
此外，在专利公开文献DE 10 2013 014 032 A1中提出了一种生产三维结构部件的方法。 拟议的设备技术包含三个机器人单元。 第一个机器人通过操纵在第二个和第三个机器人交替提供的工具绕线柱上的粗纱来满足实际的卷绕操作[8]。
在具有编号US2013 / 0209728A1的专利文件中陈述了类似的程序。 像DE 10 2013 014 032 A1一样一个机器人机械手被用来引导周围的粗纱工具，以创建三维桁架结构。 一个利用附加的旋转轴来实现工具绕其自身轴线的交互式旋转运动。 此外，机器人连接到龙门单元增加其可达性[9,10]。采取这种方式的另一种方式是通过唯一的操作工具的重刑。 专利EP 1 568 473 A1提出使用搬运装置来使工具运动并因此围绕心轴缠绕粗纱。 引入的设备技术和绕组工艺旨在用于制造广泛的或空间的组件拓扑[11]。
为了更好地理解，规定的程序和设备技术如图1所示。与较早的出版物评论了M.Munro [4]的工作中反馈绕组技术的最新技术相比，基本设备原理有几乎没有改变，而可制造组件的拓扑已经发展。许多可行的组件拓扑和各种可能的绕组设备技术使得在实现特定部件设计时选择合适的机器变得复杂。
4纤维缠绕法的区别
为了便于选择用于特定部件设计的有利的卷绕设备，现有的卷绕卷绕过程的范围被细分为过程组。 考虑卷绕操作本身，而忽略任何后处理操作。
图1.（A）DE 10 2014 019 080 A1 [6]; （B）US 4137354 A [7]; （C）DE 102013 014 032 A1 [8]; （D）US2013 / 0209728A1 [9,10]; （E）EP 1 568 473 A1[11]
正如现有技术研究所表明的那样，根据缠绕方法的性质，需要对适当的细分进行分解。 可以观察到两种不同的悲叹蜿蜒的方式：
周边绕组：周围缠绕着工具的周围。
交叉缠绕：将伤痕缠绕在工具的缝隙之间。
除了卷绕方法之外，还需要另外的分类标准来充分描述大多数现有的卷绕方法。 其性质还受到制造过程中使用的空间转轴的数量的影响，以包围周围的柏林。 图2描绘了这个特性。
图2.（A）单轴交叉绕组[12]; （B）单轴周边绕组[13]; （C）多轴交叉绕组[14]; （D）多轴交叉绕组[15]
这些标准允许程序化的差异分配和典型的拓扑外观分配给不同的过程集群。 例如单轴周边绕组通常用于创建旋转部件。 虽然单轴平移绕组通常用于创建二维框架结构。 为了实现三维桁架结构，多轴缠绕是强制性的，以防止缠绕杆从平面出来时发生滑移。
分类适用于多项专利的缠绕缠绕程序。 表1说明了这种方法。
表1.本领域现有技术卷绕过程的示例性解释
5设备技术
如现有技术所示，存在用于实现类似生产方法的不同设备技术。 机器在导向器和工具或心轴的自由度方面有所不同。 相应地，现有设备可以简化为以下基本工作原理：固定纤维导轨-柔性工装;灵活的纤维导轨-固定工装;柔性纤维导轨-灵活的工具。这些组合是在这项工作的过程中实现的。
工业机器人的使用，使高水平的自由。并覆盖现有的大部分绕组方法。为了评估实现不同缠绕方法的不同设备技术，建立了由两个工业机器人加上纤维浸渍组成的实验机器。 其中一个KUKA KR 210 R2700主轴在轴6上启动无限旋转，可以保持该刀具。 另一台库卡KR 60 HA-C配备了导纱器以操作粗纱。纤维导轨由两个固定在一定位置的陶瓷套管组成彼此的距离。 由于交叉卷绕方法是调查的一部分，其中由于缺乏凸形弯曲心轴而使得卷绕速度不稳定，因此采用Texmer公司（Texmer EGA 2000）的电子控制展开单元， 用滚筒式树脂浸渍桶。 实验设备技术如图3所示。
图3.用于评估不同设备技术的实验绕线机用于不同缠绕方法
6评定
正如现有技术所证明的那样，存在各种绕线方法和设备技术。 这多个选择合适的设备以实现某些缠绕方法并由此实现组件设计。 首先，确定缠绕方法是否适用于特定设备是非常重要的。 一旦确定了这个问题，就可以确定，考虑到特定的情况，哪种机器是最合适的。 基于这些考虑，得出以下评估标准：
- 可行性
- 设备投资
- 光纤吞吐量
- 编程eort
- 组件质量
- 组件大小
采用不同设备技术实现三种绕组方法集群，车床式绕线机和绘图仪式装置是针对各自应用的优化解决方案。 机器具有实现特定绕线方法所需的最小自由度。 因此这两种方法分别进行分析。
车床式缠绕机通常用于通过单轴周边缠绕来制造诸如压力罐或类似几何形状的旋转对称部件。 如专利EP 1 268 164 B1所述，可以设想使用这种装置来制造简单的单轴交叉卷绕方法。 然而，转折点之间的穿线操作实现起来很复杂，并且只有少数反转点才可行。 车床式绕线机通常是定制的，并且投资与期望的自由度相关。 因此，元件尺寸，元件重量和光通量几乎是可缩放的。 可用的路径生成软件减少了编程的次数[16]。
绘图仪式机器最初设计用于单轴交叉卷绕。 然而，基本上可以通过使用波导进行圆形平移来实现单轴旋转卷绕，而不是旋转刀具本身。 然而，涂抹头的圆周运动会在粗纱中引起扭曲。 预期这种效应会由于额外的角度而负面影响组件质量。 补充方面是沿着拖曳进料的纤维深度角的衰减。 旋转工具可以实现靠近的出口角度到0度，圆形翻译涉及约90度的出口角度。质量小节进一步调查了这两个方面。 在单轴交叉卷绕领域，与工业机器人不同，通过采用龙门单元实现轴的解耦，可实现更高的生产速度。
在下面的小节中分析涉及机器人操作导杆和/或工具的线绕机。 对于清晰的结构，每个评估标准都在一个单独的小节中进行分析。
6.1可行性
关于单侧工具的前提，所有不同的叹号缠绕方法都可以用机器人设备技术的三种组合来实现。 这可以追溯到工业机器人镗出的众多轴。 因此，即使一个机器人无论是否处理工具或导杆，都能够在所有方向上覆盖工具周围的整个区域。 只有上料和工具形状限制了卷绕区域。 这些情况如图4所示。如果操纵指南，则进料是关键的。 通过将整个纤维制品包括在纤维指南中可以避免这种限制。 只能通过操作工具来绕过工具的限制。 这样可以通过释放和重新抓住刀具（可快速连接，存放机架，刀具特性）来改变抓地力。
图4.示例多轴交叉绕组：带有：（A）固定式工具 - 柔软的导轨; （二）柔性工具-柔性纤维导轨
6.2设备投资
由于工业机器人是标准设备，与定制车床或轴数增加的绘图机型绕线机相比，投资相对较具成本效益[3]。 这同样适用于维护。 关于三种分析的基于机器人的装置（xed ber guide-exible tooling，exible ber guide-xed tooling，exible ber guide-exible tooling），投资与所使用机器人的数量直接相关。
6.3光纤吞吐量
潜在的生胶量通常受到丝束制剂的浸渍速度的限制。 由于浸渍不在此项工作的重点之内，预浸措施等预防措施确实存在，因此其对纤维吞吐量的影响忽略不计。 该工具的处理提供了围绕其自身轴线旋转周边绕组股的潜力。柔性工具-柔性纤维导轨的唯一处理需要循环路径。 图5说明了多轴外围绕组两种可行技术之间的差异。旋转绕组实现了更高的吞吐量。
图5.单轴周边绕组：带有：（A）固定工具 - 柔软的导向器; （B）柔性工具-柔性纤维导轨
外围绕组股票的利率。 一个示例性计算说明了这种潜力：标准机器人KUKA KR210 R2700主轴的6轴最大转速为206度/秒，而平移速度为2 米/秒 [17]。 为了简化计算，忽略加速和减速阶段。 参考平移是一个弧度为1米的圆形曲线。 用6轴执行一次旋转的持续时间大约需要1.75秒，并且与弧度无关。 平移圆形路径的持续时间大约需要3.14秒，并且与圆形路径的弧度直接相关。
6.4编程工作
由于缺少商业路径生成软件，教学机器人绕线的编程优先级目前很高。 用于教授两个合作机器人的教程显着高于单个机器人。 单一的机器人解决方案在这方面根本无法区分。
6.5组件质量
正如本节开始部分所指出的那样，在卷绕过程中，诸如诱导纤维捻转或变化的纤维出口/入口等质变是可观察的效应。 在采用交叉卷绕方法时纤维扭曲必然出现，并且很难避免。 因此，在单轴周边缠绕方法的背景下，预计有利的是处理工具并旋转工具，而不是用导向器执行平移圆。 为了量化这个效应，拉伸试样是根据两种不同的生产方法制造的。 该样品使用Toray T620SC-24000-50C名称的碳纤维和热固性MGS LR 385树脂与Hexion的硬化剂LH 386结合制造。 该纤维围绕两个外径为44毫米的铝套管缠绕10次，从中心点到中心点安装200毫米的距离。EGA2000的预拉伸设置为2000 cN。 样品的制造如图6所示。
图6.用于研究平移缠绕导致的纤维缠绕的影响的拉伸试样的制造：（A）平移伤口样本; （B）旋转伤口标本
每个套筒通过夹紧固定Zwick / Roell复古系列（200 kN）的下巴，夹紧压力为300巴。 每批5个样品在2mm / min的变形速率下进行拉伸测试。 由于样品表面不平整，因此激光引伸计和机械传感装置都不适用。 由于这项调查的重点是趋势而不是材料属性，干扰变形是可以接受的。 平均应力 - 应变曲线如图7所示。诱导扭曲使平均弹性模量从83.189 GPa（标准偏差：2.665 GPa）降低到79.039 GPa（标准偏差：2.378 GPa）约5％。 极限强度表现相似，从1.887 GPa降至1.804 GPa下降约4.5％。 相应地，如果周边绕组是预期的，则旋转绕组是优选的。
波导的出口和入口角度是评估不同设备技术的进一步定性因素。 调查侧重于不平等的影响
图7.拉伸测试中旋转和平移缠绕样本的平均应力 - 应变曲线
卷绕张力的卷绕参数已由W. Polini等人完成 [18,19]。 但结果并不能完全适用于这一领域的研究。 如前所述，在单轴外围缠绕旋转的情况下，刀具可实现接近0的纤维出口角度◦，而圆形平移涉及90度左右的角度◦。 进行多轴交叉卷绕时，出口角度变大大约90◦，并在绕线平面改变时立即增加或减少。 如图4所示，对导杆的唯一操作需要到达工具周围。该运动在导杆的入口处引起附加的角度。 这些操作可以通过操作工具来防止。 如图4所示，该工具可以针对特定的卷绕阶段进行转向和调整，而无需增加额外的角度。为了量化这个效果，柏林张力测量是通过改变柏林导向器的入角和出角来进行的。 EGA2000的预拉伸设置为2000 cN。 通过KISTLER的单组分力测量仪9021A在测量位置测量张力。 为了捕捉动态过程中的效果，例如多轴
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