外文文献片段翻译
低成本纤维缠绕机的设计与制造
摘要：通常，复合管是用玻璃纤维和聚酯树脂基体通过手工铺网以及两轴纤维缠绕机制造的。本文中设计并开发了一种用于缠绕管子和圆形试样的绕线机。在该缠绕机的设计中使用了车床式机器和湿式缠绕法。它提供了生产内径最大为100 mm，长度最大为1000 mm的复合管样品的能力。缠绕角度或纤维取向角度的范围从20°至90°，具体取决于所使用的心轴直径。心轴转速保持恒定，为每分钟13.6 rpm，而输送装置的螺杆转速则从0 rpm到最大250 rpm不等。在所用的纤维缠绕工艺中，将一根玻璃粗纱穿过浸胶池，该池通过旋转的心轴安装在丝杠上。控制单元用于控制整个过程，并实现规则的卷绕和良好的表面光洁度。使用此机器生产的试管样品和其他尺寸不同的圆形样品可用于不同的机械测试和应用。
- 介绍
纤维缠绕已经成为低成本制造复合圆柱结构的主要工艺。在此过程中，复合材料层依次缠绕在旋转的心轴上，如图1所示。这些层可以以不同的角度缠绕，从垂直于圆柱轴的箍层到位于与圆柱轴的角度。用纤维缠绕法制造复合材料圆筒的过程包括三个主要步骤，第一是设计，包括材料，几何形状和纤维取向的选择，第二是纤维放置，机械方式是纤维的布置。光纤放置在正确的位置。最后，第三个是在制造过程中必须保持的条件的选择和控制。一种制造复合结构的方法，其中将预先用基质材料浸渍或在缠绕过程中浸渍的连续增强材料（细丝，金属丝，纱线，带子或其他）放置在可旋转的可移动模板或心轴上， -划定的方式来满足某些压力条件。增强纤维通常由玻璃，凯夫拉尔纤维或碳制成。由于过程的简单性，硬件配置是相当标准的，通常涉及两个主要子系统，旋转组件和输送系统。
旋转组件由两个结构块组成；一个固定的和另一个可线性移动的单元，其中一个2轴机械驱动心轴安装在其支架上。在固定端，支架连接到旋转轴，该旋转轴连接到齿轮或链条或皮带减速系统，或者直接连接到电机单元。通常，使用AC或伺服电动机是因为它在重载条件下运行时具有更大的扭矩能力和更高的精度。对于输送系统，将连续的纤维卷送入浸胶池中，该池通常的安装位置位于头顶的滑架导轨上，以提供更大的工作空间。通常，形状是旋转的表面，可以包括也可以不包括端盖。当施加所需数量的层数时，将缠绕的纤维固化并移除心轴。每层中的材料属性是恒定的，但各层可能不同。心轴是具有均匀有效壁厚的空心圆柱体。心轴和圆柱体的长度相等，并且轴对称，因此几何形状和特性在圆周方向上均不会改变。纤维缠绕被定义为一种技术，即“生产高强度和轻质的产品；基本上由两种成分组成；即，细丝或胶带类型的增强材料以及基质或树脂的材料。缠绕工艺的概念是在1940年代初提出的，并且首次尝试开发缠绕设备。 1950年代设计的设备非常基础。仅使用两个运动轴（主轴旋转和水平滑架）执行最简单的任务。到1970年代中期，机器设计再次发生了巨大变化。这次，伺服技术的进步进入了机械设计领域。高速计算机可以进行快速的数据处理，从而使运动更平稳，纤维放置的准确性更高。 1980年代和1990年代，计算机技术的使用有所增加。计算机和运动控制系统已成为几乎每台机器都包含的基本硬件。机器速度控制得到极大改善；计算机控制系统可以以更高的精度跟踪位置和速度。附加的运动轴也已合并到机器设计中。允许四个，五个甚至六个控制轴运动。
- 制造技术
复合产品的特性不仅取决于纤维和树脂基体的特性，还取决于它们的加工方式。 有多种加工技术可用于制造复合零件/结构：树脂转移成型，高压灭菌成型，拉挤成型和纤维缠绕。 在这些过程中，纤维缠绕成本低廉，是制造纤维增强圆柱形部件（如高压管和罐）的最快技术。
- 缠绕方式
有两种不同的缠绕方法：
- 湿法缠绕，其中纤维通过浸胶池并缠绕到旋转心轴上。
- 预浸料坯缠绕，其中将预浸渍纤维束放在旋转心轴上。
在这些缠绕方法中，湿式缠绕更为普遍，并广泛用于制造纤维增强的热固性基体复合材料圆柱体。 与预浸料缠绕相比，湿法缠绕具有以下优点：材料成本低； 卷绕时间短； 以及可以轻松更改以满足特定要求的树脂配方。
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- 缠绕模式
在纤维缠绕过程中，缠绕张力很容易控制。可以改变每层增强层中的缠绕张力，缠绕角度和/或树脂含量，直到获得复合材料的所需厚度和强度。 完成的复合材料的性能可以根据所选的缠绕图案类型而变化。通常，有以下三种基本的丝状缠绕模式。
3.1.1． 周向/环向缠绕
在环向绕组中，大角度螺旋绕组接近90°角。 如图2所示，心轴每旋转一圈，就会使频带传送增加一个完整带宽。
3.1.2. 螺旋缠绕
在螺旋缠绕中，心轴以恒定速度旋转，而纤维喂入架以可调节的速度来回横切以产生所需的螺旋角，如图3所示。
3.1.3.极性缠绕
在极性绕组中，纤维与腔室一端的极性开口相切，然后反向，并与另一端的极性开口的相反侧相切。 换句话说，当心轴臂绕纵轴旋转时，纤维从一根到另一根缠绕，如图4所示。它用于将几乎轴向的纤维缠绕在圆顶型压力容器上。 在具有平行边的容器上，将进行随后的圆周缠绕。
- 纤维缠绕机配置
推荐的缠绕机的硬件配置示意图如图5所示。它由三个主要单元组成：旋转装配单元，输送单元和控制单元。
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- 旋转装配单元
旋转组件由两个支柱块组成，两个支柱块固定在水平框架上，电动机带有齿轮箱。 两个模块之一固定并用作参考，而另一个则可移动，并可线性调整以改变心轴长度。 一旦将心轴正确地放入两个可自由旋转的杯架中，然后将可移动的柱形块锁定。 在固定的立柱末端，支架通过皮带轮和皮带系统与电动机变速箱相连。 电动机和变速箱之间的齿轮比选择为1:60，皮带轮之间的减速比选择为1：2，这样心轴的速度固定为13.6 rpm，
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- 输送单元
输送单元由纤维支架，滑架和带有导向轴的导螺杆组成。导螺杆由可逆变速电动机驱动。纤维束支架只是一个带有两个轴的桌子，一个轴用于承载一个或多个纤维束，而另一根在制造过程中用作纤维束的导向。托架包括一个容器和一个抛光的导向销系统。该容器用于承载树脂混合物，而销钉则用于将纤维引导至浸胶池，并在浸胶池后从润湿的纤维上涂抹过量的树脂。同样，在到达心轴之前，用销钉在湿纤维中产生张力。使用一种简单的机制将涂抹过的树脂从湿纤维中带回容器中，并再次使用，以减少用于制备产品的树脂量。通过这项工作已使用了10 N的最佳张力。这给出了相当稳定的纤维体积分数。已发现，当纤维充分润湿时，在树脂路径的后期产生张力很重要，以避免纤维损坏。湿纤维上较大的张力会产生过度的纤维损伤，而较低的张力会产生标本中纤维含量较小的样品。
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- 控制单元
控制单元由继电器，限位开关，计时器和计数器组成，控制单元的功能是控制绕线过程，以获取正确的绕线顺序（很难手动达到），并在运行期间保护电动机。控制单元还控制收尾时的绕量，以防止横移时粗纱的打滑和心轴分度，以确保每条粗纱与前一条略微重叠以产生均匀的铺网的纤维。
（翻译自Design and fabrication of low cost filament winding machine
F.H. Abdalla, S.A. Mutasher, Y.A. Khalid, S.M. Sapuan ,A.M.S. Hamouda, B.B. Sahari, M.M. Hamdan）
开发用于陀螺仪生产的自动纤维缠绕机
摘要：光纤陀螺仪（FOG）提供了一种替代传统旋转质量陀螺仪的越来越有吸引力的固态替代品。与环形激光陀螺仪（RLG）相比，FOG还具有潜在的成本优势，因为它们不需要本质上昂贵的反射镜或其他机械组件。但是，潜在的成本优势尚未实现。FOG的核心是一个感应线圈，该线圈由几百米，几千米的光学纤维组成，并以几种特殊的图案之一缠绕，以提高陀螺仪的性能。传统上，缠绕纤维光学传感线圈是在半线圈上操作员不断参与的自动化机器。这是一个复杂的过程，可能需要长达一周的时间才能完成。本文介绍了一种全自动的光学纤维缠绕机的开发，该机器能够准确地缠绕多个不同的线圈图案，并在缠绕过程中采用主动张力控制，并包括基于视觉的自动错误检测和纠正系统，以提高可靠性。最终的机器可以将卷绕时间减少多达一个数量级。
- 介绍
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在过去的几年中，光学固态技术已经证明可以替代陀螺仪中使用的传统机械技术。这些固态陀螺仪不包含任何移动部件，而是依靠通过光路传播的光来检测旋转。可以通过多种方式创建光路。环形激光陀螺仪（RLG）和纤维缠绕光学陀螺仪（FOG）使用两种可能的方法。顾名思义，RLG使用一组精确的反射镜，这些反射镜排列成一个环形，光可以绕着环形镜行进。另一方面，使用光学纤维来定义光路，由于可能的精度更高和潜在成本更低，FOG似乎是更有前途的选择。
当前驱动FOG价格的主要因素是制造和组装时间。制作一个工作的三轴陀螺仪可能需要三周的时间。如以下各节所述，特别难以生产的是纤维光学线圈，它是FOG的核心。
2.1.设备原理
FOG背后的基本理论非常简单。考虑一长串光学纤维，该纤维被缠绕成一个线圈。纤维从其中点向外缠绕，这样，纤维的一半沿逆时针方向缠绕在线圈上，而另一半则沿顺时针方向缠绕。同相发射到纤维线圈的两端。如果线圈保持静止，则来自两端的光将同相出射。但是，如图1所示，如果线圈沿其轴线旋转，则沿线圈旋转方向传播的光的纤维长度要比沿旋转方向传播的光更长。从线圈相反两端发出的光可以重新组合并测量相移，如果线圈已经旋转，则沿相反方向传播的光将花费不同的时间遍历线圈的长度并发生相移。这种偏移与线圈的旋转速度直接相关，被称为Sagnac elect ，基于此，Vali和Shorthill提出了“第一光学纤维陀螺仪。
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4. 缠绕机设计
待开发的机器分为功能子系统，每个子系统执行缠绕光纤线圈所需的任务。下图显示了标签子系统的整体绕线机。如下一节所述，供应单元包含用于引导光纤，将光纤放出到产品线轴上以及控制光纤中张力的机制。主定位系统包含多个协调的伺服驱动轴，从而可以在三个方向上将任一供应单元围绕产品线轴精确定位。此外，还有两个旋转轴，可方便从补给和行驶（锁定）位置更换补给单元。主轴分为两部分，并通过看不见的传动系统连接在一起。支付夹是将供应单元机械地和电气地耦合到主定位系统的子系统。行驶夹具是将供应单元机械地耦合到主轴上的子系统，以便它们可以随主轴一起旋转。产品线轴是将陀螺感应线圈缠绕在其上的固定装置。它连接到主轴并随主轴一起旋转。
为了促进不同的缠绕方式，机器必须能够将一个供料卷轴放置在产品卷轴的两侧，以使其随产品卷轴旋转，而另一个供料卷轴则放出纤维。这些情况有四个基本位置：由于在卷绕过程中需要精确的张力控制，因此这项任务不容易实现；精确的张力控制需要使来自每个供应线轴的纤维通过张力机制。或活动（受控）时，光纤必须通过附加的硬件，包括一系列皮带轮，这可能会使将锁定的供应卷轴从出纸位置移动到产品卷轴的任务变得很复杂，因为它很难拧开并通过张紧机构将纤维重新穿线。
（翻译自Development of an automated 'ber optic winding machine for gyroscope production Andre Sharon, Stephen Lin）
三轴纤维缠绕机性能的实验评估
摘要：本文介绍了三轴纤维缠绕机性能的实验评估方法分析。 绕线测试是评估机器在绕线重复性和绕线角度质量方面的性能的一种有效方法。 结论是，便携式三轴纤维缠绕机具有良好的绕圈可重复性结果，可提供0.83–1.13 mm的绕圈距离，1.75–3.13％标准偏差。 它具有0.35–0.62°参考值，标准偏差为2.25–8.68％。结果表明，可以采用绕线试验和绕角测量方法作为评价绕线机或相关设备绕线性能和制造能力的实验评估方法。
- 介绍
纤维缠绕技术已被众多行业和研究人员开发为具有低成本，高重复性和高柔韧性的商业复合材料制造方法之一。 纤维缠绕机已经从2轴经典车床型机器发展成为具有更高自由度的缠绕机。为了推动创新设备的发展，各国研究人员已经研究，设计和制造了不同的轴向纤维缠绕机。然而，关于目前开发的纤维缠绕机的缠绕性能的实验评估报告仍然很少。因此，本文将基于便携式三轴纤维缠绕机，通过绕线试验来评估绕线圆角和角度质量的机器性能。
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3.结果与讨论
本文讨论了绕线测试和绕线角度测试的结果，这些结果通常用于评估绕线机的绕线质量。绕组的圆形测试结果中，对每个绕组角度进行了六次测量，分别获得了准确的结果。得到的结果是，在T30°卷绕角下的卷绕圆形距离平均值为1.13mm，在T45°卷绕角下为1.05mm，在T60°卷绕角下为1.00mm，在75°卷绕角下为0.83mm。绕组质量比定义为绕组圆周距离的值除以纤维宽度，较低的值表示较高的绕组质量。可以得出结论，随着缠绕角的增加，平均距离值呈下降趋势。75°缠绕角时的缠绕质量比为0.27，表明被测机器在45°和90°缠绕角之间可提供更好的缠绕重复
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