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三轴纤维缠绕机的设计与优化
摘要：纤维缠绕技术是以低成本制造复合材料圆柱结构的主要工艺。树脂浸渍的纤维是通过一个伸出的出料口，用纤维缠绕机绕在旋转的芯棒上的。本文旨在开发和优化一种三轴，轻量化，实用，高效，便携的纤维缠绕机，用树脂满足来用户的需要，以此制造管材和圆柱体。在三轴纤维缠绕机上有主轴旋转单元，运输单元（小车）和控制系统单元三个主要单元。与工厂现有的纤维缠绕机相比，它具有3个自由度，可以根据芯棒的形状和特殊控制系统来制造更复杂的形状式样。本机采用三轴运动控制系统设计制造。X轴是小车的运动，y轴是芯轴的旋转，z轴是出料口的运动。目前已经制作出了不同尺寸，不同缠绕角的圆柱型试件。采用了简单的控制系统，成功地设计出了三轴自动缠绕机。
- 导言
目前在民用基础设施和管道系统中，开始越来越多的使用复合材料来运输污水，服务用水和饮用水[1]。由于其重量轻，比强度高，刚度大，抗疲劳性能好，耐腐蚀性能好。在过去的十年里，纤维缠绕复合材料的使用急剧增加。纤维缠绕复合材料已在许多应用中，例如化工厂和航空航天飞行器中的高压容器，或石油，天然气和核工业中的输送管道[2,3]取代了金属合金。目前已有更多的研究人员对纤维缠绕GRP管，纤维缠绕GERP和CFRP复合管进行了实验和研究。由以往的研究人员得研究可以得知，不同种类的复合材料都有特定的力学性能[4]。
纤维缠绕工艺是一种广泛应用于纤维增强复合材料构件的批量生产中的，低成本，简单高效，相对成熟的生产工艺[5]。纤维缠绕法是最广泛使用的制造旋转对称的方法[6]。这一过程可以通过两种不同的方式来实现，即倒数法或连续法[7]。连续纤维缠绕是制造纤维增强结构的一种简单而充分的方法，一条连续的增强带被树脂浸渍，然后缠绕在一个旋转的芯棒上[8,9]。增强纤维通常由玻璃，纤维或碳制成。由于制造过程简单，硬件涉及两个主要的子系统，即旋转装配与输送系统[10]。
- 纤维缠绕工艺综述
2.1缠绕方式
2.1.1湿法缠绕。有两种不同的缠绕方法，分为湿法和预浸法。湿法缠绕，纤维穿过浸胶系统，缠绕在旋转的芯棒上。这种低成本的系统一般用于聚酯环氧树脂的商业应用。浸胶系统受树脂粘度，压榨辊，绕组张紧器，层数等参数的影响[11]。图1显示了湿法缠绕的一般视图。与预浸法相比，湿法缠绕具有加工时间短，复合材料成本低，树脂配方模型简单，能满足不同恶劣工况下的特殊要求，树脂浸胶体系可以转换等优点。
2.1.2预浸缠绕。缠绕方法如图2所示。预浸法，其中预浸渍纤维被拖出并缠绕在旋转的芯棒上[12]。预浸渍的玻璃纤维纱在含量，带宽和均匀性方面提供了优良的质量控制和重现性。这些参数可以很好地满足纤维缠绕过程的要求。在工厂的实验室中，预浸法可以进行多次的质量控制试验。预浸料的显著优点是树脂含量控制较好，由于树脂的保护作用，复合材料性能更加稳定，减少了纤维在拖曳过程中的损伤。预浸法常见的缺点是表层可用性差，成本高，而且不能在室温下进行。
2.2缠绕模式
今本上有三种缠绕方式：周向缠绕，螺旋缠绕和极孔缠绕。
2.2.1周向缠绕。通常被称为环向或周向缠绕。一般来说，周向缠绕是一种特殊的可达到90°的绕线角。如图3所示，芯棒的每一次旋转都以全带宽推进运输。
2.2.2螺旋缠绕。在螺旋缠绕中，芯棒以恒定的速度旋转，而输送单元以一定的速度来回横穿，复合纤维由芯轴旋转力从环形出料口或输送系统中被取出。如图4所示，为了控制旋转速度和运输速度，可以选定出所需的卷绕角。
2.2.3极孔缠绕。在极孔缠绕中，如图5所示。复合纤维通过路径到达材料的一端，沿着此路径开始覆盖纤维，然后反转方向，到达相反的另一端。总之，复合材料纤维是从一极缠绕到另一极，而芯棒臂则始终绕着纵轴旋转。两极缠绕需要一个高自由度的机器来执行。
2.3制造材料
纤维缠绕需要连续的纤维增强和浸胶系统来粘在一起并制造出所需的复合材料。可以通过浸渍树脂基体，得到各种类型的纤维增强。
聚合物基复合材料的增强纤维通常是玻璃，石墨和芳纶。纤维的特性将会影响复合材料的刚度和强度。表1显示了碳增强剂的简要比较。主要纤维概述如下：
- 玻璃：玻璃纤维是所有纤维中最常用和最便宜的。这种复合材料称为玻璃纤维增强塑料（GFRP），按体积计可含有30%~60%的玻璃纤维[15]；
- E型：钙铝硼硅酸盐玻璃-抗拉强度高，拉伸模量低，纤维成本最低，一般用于商业和工业成品，通常用于纤维缠绕；
- S型：镁铝硅酸盐玻璃-高抗拉强度和刚度，但成本较高，用于航空航天的高性能压力容器；
- 芳纶：抗拉强度高，拉伸模量高，成本高，密度低，极高的冲击性能以及抗损伤能力。
- 碳纤维：碳纤维的性能，如高硬度，高抗拉强度，低重量，高耐化学性，耐高温，热膨胀小。当与塑料树脂结合，损伤或模压时，他形成碳纤维增强聚合物（通常称为碳纤维），具有很高的强度和重量比，而且非常坚硬，但是有些易碎。
|
补强 |
密度/ kg/m3 |
抗拉强度/MPa |
拉伸模量/GPA |
|
E型玻璃 |
2547 |
3447a |
72.4 |
|
2758b |
|||
|
S型玻璃 |
2491 |
4585a |
85.5 |
|
3792b |
|||
|
碳（AF4） |
1799 |
3998 |
231 |
|
凯夫拉49（芳纶） |
1449 |
2758 |
131 |
a单丝 b复合
- 方法
该项目的研究方法可以简单地分为三个阶段：
第一阶段：回顾文献并购买必要的部件
- 我们必须找出目标，方法和潜在的问题，对纤维缠绕制造技术有足够的了解。
- 购买材料的设备结构，参数和设备是一种的有效方法。
第二阶段：设计三轴纤维缠绕机，优化加工性能。
- 与以往相关的机械结构相比，开始三轴车床纤维缠绕机的初步设计。
- 设计一个简单，稳定，高效的控制系统是关键的过程，其中包括更适合目标机结构的不同种类的微控制器。将会花费很多时间去比较优缺点。
第三阶段：制作纤维缠绕复合圆柱体
- 根据测试和检查机器的控制系统，发送具体在0~90°范围内的代码制作不同缠绕角的圆柱型结构。
3.1问题的发现和解决
在工程设计过程中的各个环节，给出问题的定义是最重要的。图6显示了该项目的基本进度。本设计方案是根据成本和客户要求，设计并优化一台三轴纤维缠绕机，以提高生厂所需产品的机械性能。基于以往纤维缠绕机的设计[16]，三轴缠绕机的设计思路和方法必须要符合标准。机械功能的设计理念包括主轴旋转单元，托架单元，环形出料口单元，控制系统单元，浸胶系统，机械结构，张紧器，梳齿装置，芯棒等。
- 三轴机床的设计与优化
提出的三轴纤维缠绕机的原理图布局，可分为旋转单元，运输单元，环形出料单元和控制系统单元四个主要单元，在这些主要部件的基础上，可以逐步设计出机器样机。在逐步完成机器样机后，还应完成其他必要的部件。三轴纤维缠绕机优化设计过程包括丝杠，树脂浴，梳齿装置等部件。优化过程的重点是提高三轴纤维缠绕机的加工能力。
4.1主轴旋转单元
图7显示了机器旋转单元的主视图和左视图。像其他普通的纤维缠绕机一样，旋转单元由两个基本模块组成。在这两个模块中，一个是固定的，可以简单地移除，另一个是芯棒旋转，可以控制。本工程选用直径38mm，长度690mm，采用铝合金材料制成的空心芯棒。他能承受步进电机y的负载。芯棒由两个通过3D打印机打印的芯棒顶针夹持在水平线上。在芯棒内部，设计了一种不锈钢棒来保持芯棒和芯棒顶针，从而防止芯棒弯曲。将橡胶环放置在在芯棒与芯棒顶针之间的接触区，这会有效地提高芯棒的圆柱度和水平范围，可减少芯棒旋转时对复合圆筒的振动冲击。图7显示了主轴旋转单元设计图。通过调整工艺稳定性，步进电机位置和合理的皮带传送参数，对旋转工艺进行了优化。
4.2运输单元（小车）
运输单元主要由张紧器，复合纤维圆筒，浸胶系统，两根导杆，步进电机x，梳齿装置等组成。该运输单元由可逆步进电机x驱动，该电机通过固定在小车底座上的皮带架将恒定的速度传送给运输架。张紧器将张力置于复合纤维条旁，可以通过旋动螺杆来控制张力，以缩短张紧器与拉杆之间的距离。梳齿装置设计用于制造多种复合纤维。两根碳纤维棒可以去除多余的树脂，可以通过拧螺丝钉来调节距离。最后，还有另一个属于传动装置的碳纤维棒，可以将复合纤维拉出到环形出料口单元。图8显示了运输单元的最终设计图。通过运动稳定，x带拉平，合适的限位开关位置，梳齿装置结构和浸胶系统结构等方面的改进，优化了托架工艺。
4.3环形出料口单元（绕丝嘴）
环形出料口单元是由步进电机z控制的送丝系统的一部分，绕丝嘴的形状为环形或圆形，用直条将纤维紧密的引导到芯棒上。绕丝嘴是固定在运输单元的四方架上，其中四个轴承放置在一个槽内的环中。当步进电机z旋转时，他可以使绕丝嘴和直杆旋转。根据设计理念，直杆可以顺时针或逆时针旋转一定角度。图9显示了绕丝嘴的主视图和左视图结构。与传统的配送系统设计思想相比，这是一个优秀的单元。本绕丝嘴有如下优点，例如带宽和密度控制精度高，大角度或圆形缠绕好，带宽宽等。在运输单元到达返回点时，绕丝嘴只需要顺时针或逆时针旋转一定角度即可。通过对转稳定度，z带拉力架，出料转角，梳齿装置结构和浸胶系统结构等方面的改进，优化了绕丝嘴的工艺。
4.4控制单元
控制单元由Arduino Uno，CNC v1 shield，电压调节器，蓝牙模块，电源插头，直流无刷风扇和限位开关组成。控制系统的主要模块是Arduino Uno和CNC v1 shield，它们之间用引脚相连。CNC v1 shield管脚安装在后板上，与Arduino Uno管脚完全连接。CNC v1 shield设置在Arduino Uno之上，不能在原理图中绘制。图10显示了其他模块的连接，蓝牙模块接收信号并向Arduino Uno发送命令，通过CNC v1 shield控制步进电机x，y和z。电压调节器将220V转换为35V。电源插头是一种允许电动设备与建筑物中的一次交流电（AC）电源相连的装置。直流无刷风机在控制系统工作时冷却温度。通过对线路连接，稳定信号传输，控制系统箱体位置和树脂保护等方面的改进，优化了控制系统单元。
- 最终设计方案
在以上主要概念的基础上，基本完成了三轴纤维缠绕机的研制。对一些子系统和设备进行优化，一些部件需要改变尺寸和位置，如限位开关座，控制系统盒，梳齿装置，张紧器等都是必要的。图11显示了建议的绕线机的示意图。根据我们最初的想法，通过优化工艺，三轴纤维缠绕机对多样化的设备只进行很少的改动，以满足未来的需要。图12显示了具有三轴缠绕系统的纤维缠绕机。
5.1式样制作
当我们测试机器的运行能力时，它在将命令传到Arduino Uno控制系统时遇到了一些问题。在解决了这些问题后，三轴缠绕机可以制造出缠绕纤维的复合圆筒。图13显示了这台机器生产出的样本。
- 结论
本课题设计成功，采用Arduino Uno和CNC v1 shield模块设计了三轴自动绕线机系统。通过分别控制主轴转速和托架，基本形成了卷绕角可调的螺旋缠绕方式。已经制作了一些样品来测试这种新的缠绕系统。所得结果与以往的2轴或4轴相比，取得了较好的效果。
从所制作的试样中可以看出，表面光滑度的缺陷主要是由几个方面造
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