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三轴纤维缠绕机的设计与优化
Ma Quanjin*, M R M Rejab, M S Idris, D Bachtiar, J P Siregar, M N Harith
结构材料及降解焦点小组，机械工程学院，马来西亚彭亨大学，马来西亚彭亨州
摘要：纤维缠绕技术是开发低成本复合材料圆柱结构制造的主要过程。树脂浸渍纤维通过出丝眼孔缠绕在缠绕机的旋转轴上。本文的目的是开发和优化轻巧、实用、高效、便携的三轴缠绕机来满足客户的需求，可制作管、圆形树脂型缸。三轴缠绕机由三个主要单元构成：旋转单元、输送装置单元和控制系统单元。与工厂现有的纤维缠绕机相比，它具有3个自由度，基于芯棒形状和特定的控制系统可以制作形状更复杂的样品。该机的设计与制作为3轴运动控制系统。X轴是送丝机构的运动，Y轴为轴的旋转和Z轴是出丝眼的运动。不同尺寸和不同缠绕角度的圆柱试样已经制作。简单控制系统的三轴自动绕丝机已成功地设计。
1．介绍
复合材料越来越多地应用在民用基础设施和管道运输污水、生活用水和饮用水中 [ 1 ]。由于重量轻、强度大、刚度高、抗疲劳特性和良好的耐腐蚀性，在过去的十年中，用长丝缠绕复合材料大大增加。纤维缠绕复合材料取代的金属合金应用在很多领域，例如：在化工厂或航空航天飞行器的高压容器、石油、天然气的运输管、核工业等[ 2, 3 ]。直到现在，更多的研究人员进行了GRP管道、GERP和CFRP复合管道的实验和研究，不同种类的复合材料的力学性能进行了具体的研究[ 4 ]。
纤维缠绕工艺是一种低成本、高效和相对成熟的制造工艺，一般应用在纤维增强复合材料部件的批量生产[ 5 ]。缠绕法是最广泛使用于产生的旋转对称性的制备方法[ 6 ]。这个过程可以在相互或连续两种不同的方式完成[ 7 ]。连续纤维缠绕是简单、高效制造纤维增强结构的方法，连续的带通过浸渍树脂强化，然后缠绕在旋转轴上[ 8, 9 ]。增强纤维通常是玻璃、芳纶或碳。由于是一个简单的制造过程，硬件主要包括两个主要的子系统，它们是旋转组件和输送系统[ 10 ]。
2.在纤维缠绕过程
2.1 缠绕方法
2.1.1湿法缠绕。有两种不同的缠绕方法，即湿法和预浸料法。湿法，纤维通过树脂槽并绕上旋转轴。这种低成本的系统一般是用在商业应用的聚酯和环氧树脂。树脂层主要受几个参数的影响：树脂粘度、卷紧拉力，挤压辊、层数等[ 11 ]。图1显示了湿法缠绕法的一般方法。与预浸料法相比，湿法缠绕主要有以下几个优点：处理时间短；低成本的复合材料树脂；简单的树脂模型可以很容易地选择以满足不同工作条件的具体需求；可改变的树脂系统可以变换。
图1湿法缠绕成型方法。
2.1.2预浸渍缠绕法。这种缠绕方法如图2所示。预浸渍缠绕法，其中预浸渍的纤维束放在旋转轴[ 12 ]。预浸纱在容量、带宽和均匀性上提供了良好的质量控制和可重复性，这些参数可以很好满足纤维缠绕过程。在工厂实验室，许多质量控制测试可以用预浸缠绕法做。预浸料的优点是更好的树脂含量的控制，由于树脂的保护和更一致的复合性能降低纤维束损伤。预浸料法的一般缺点是缺乏可用表面层，成本高、尽可能不没有室温影响。
Figure 2. Prepreg winding method [11].
图2.预浸料缠绕方法[ 11 ].
2.2缠绕模式基本上有三种模式：环状、螺旋缠绕，和极绕组。
2.2.1环状缠绕法：它被称为圈或环形绕组，一般而言，环向缠绕是一种特殊的缠绕角达到90度的缠绕法，心轴的旋转使托架的全带宽向前推进，如图3所示。
图3.圈或环向缠绕法[ 12 ].
2.2.2螺旋缠绕。在螺旋缠绕，芯轴以恒定的速度，而运输单位横向来回在一个固定的速度旋转，复合纤维是由芯棒旋转力取环付眼或输送系统。它已在图4所示。控制旋转速度和运输速度，所需的缠绕角可以制作。
图4.螺旋缠绕法[ 14 ].
2.2.3极绕组法。在极绕组法中，如图5所示，复合纤维通过切向极点的位置和盖沿时极径、纤维改变方向，并通过切向另一端的极性相反的位置。总之，复合纤维缠绕从一个极点到极点，而轴臂绕纵向轴线。极绕组需要高自由度机械执行。
2.3制造材料
纤维缠绕要求连续增强纤维和树脂系统粘在一起制造所需的复合材料。这里有各种不同类型的纤维可以浸渍树脂基体。
聚合物基复合材料的增强纤维一般为玻璃、石墨和芳族聚酰胺。纤维的特性主要影响复合材料的刚度和强度性能。表1简要比较了各种碳增强纤维。主要概述如下：
a）纤维玻璃：玻璃纤维是最常用的、最便宜的各种纤维。复合材料是玻璃纤维增强塑料（玻璃钢），它可能包含30%到60%之间的玻璃纤维体积[ 15 ]；
1）E型：钙硼硅酸盐玻璃具有良好的拉伸强度、拉伸模量低、成本最低的纤维，一般用在商业和工业产品，广泛用于纤维缠绕。
2）S类型：氧化镁铝硅酸盐玻璃具有高抗拉强度和刚度但成本更高，应用于航空航天、高性能的压力容器；
B）芳族聚酰胺：较高的拉伸强度、拉伸模量高、密度低、成本高，良好的耐冲击和损伤容限性能。
c）碳纤维：碳纤维的性能，如高硬度、拉伸强度、低重量、高耐化学性，耐高温和低的热膨胀。当结合塑料树脂和缠绕或模制形成碳纤维增强聚合物（通常称为碳纤维）具有很高的强度重量比，虽然有点脆。但是具有极强的刚性。
表1.纤维增强材料的比较[ 13 ].
3.方法论述
这个项目的研究方法可以简单地分为三个阶段：
第1阶段：文献回顾和购买必要的组件
i.关键是要确定纤维缠绕生产技术的目标、方法、潜在问题和足够的知识。 .
ii.是购买材料和设备的结构、参数和应用的有效方法。
第2阶段：设计一个3轴纤维缠绕机及优化处理能力
i.相比以前相关的机械结构，开始3轴车床式缠绕机的初步设计。
ii. 其基本过程是设计一个简单、稳定、高效的控制系统，其中包括不同类型的微控制更适合于目标机结构。它花很多时间比较长处和短处。
第3阶段：制造纤维缠绕复合气瓶
i.在试验和检查机器控制系统的基础上，发送具体代码，制造不同角度的圆柱结构，其范围从0°到90°。
3.1问题识别与解决
工程设计过程中的所有步骤，最重要的是给出问题定义。图6显示了该项目的基本进展。本设计方案是设计一个3轴缠绕机和优化，从而提高机器的性能，可以制备出理想的产品，符合预算和客户要求。根据纤维缠绕机[ 16 ]以前的设计，明确三轴缠绕机的设计理念和方法，原则。设计概念是机器功能的方法，包括旋转单元、托架单元、环出眼单元、控制系统单元、树脂槽、机械结构、张紧器、梳齿装置、芯轴等。
图6.设计过程中的基本步骤
4. 3轴机床的设计与优化
刚要的提出了三轴缠绕机的示意图，它可以分为四个单元：旋转单元，运输单位，环付眼单元和控制单元。基于这些主要单元，样机可以逐步设计。机器样机一步一步完成后，还需要完成其它必要的部件。三轴缠绕机优化设计过程包括丝杠、树脂浴，梳装置等组成。优化过程中，重点对三轴缠绕机加工性能的改进。
4.1旋转装置
图7显示了机器旋转单元前视图和左视图。像其他普通的丝络筒机，旋转单元由两个基本块。在两个块中，一个是固定的，可以简单地去掉，另一个是芯棒旋转，可以控制。它有许多种类的心轴，作为本项目的心轴，38毫米直径90mm长度的空心轴，它是由铝合金材料。它可以支持步进电机Y加载的负载。芯轴通过两个芯轴保持在水平线上，通过3D打印机打印。在芯棒内部，设计了一个不锈钢棒，用来支撑心轴和心轴保持架，这样可以防止心轴支撑架弯曲。在心轴，心轴座之间，橡胶圈放在接触面上，这将有效地提高芯棒的圆柱度和保持水平范围内，橡胶圈可以降低复合材料气瓶芯棒旋转时振动的影响。图7显示了旋转单元设计图。旋转过程中是通过过程稳定改进优化步进电机的位置和适当的带齿轮的参数。
图7旋转单元前视图和左视图
4.2运输单元
运输单元主要由张紧器，复合纤维筒子架，树脂浴，两导向杆、步进电机X，并梳理装置。运输单元由一个可逆的步进电机X驱动，它通过固定在车厢底座的皮带支架将恒定速度传送到车架。张紧器放在复合纤维筒子架，张力可以通过螺杆的转动减少张紧器和杆之间的间隙控制。梳形装置用于制造多种复合纤维。两个碳纤维棒可以去除多余的树脂，可以通过拧螺丝来调节距离。最后，还有另一根碳纤维棒，属于传动装置，可将复合纤维引导到环出眼装置上。图8显示了运输单元最终设计图。运输过程中是通过运动稳定改进优化X带齿轮的匀染性，相应的限位开关的位置，梳装置结构和树脂浴配置。
图8。运输单元后视图和右视图。
4.3环出眼装置
环形出眼装置是由步进电机Z控制的输送系统的一部分，环出眼装置的形状为圆环或圆形，直杆被用来引导纤维接近心轴。环出眼是固定在运输单位四广场持有人，这使四轴承到环内插槽。当步进电机Z旋转时，它可以使环出眼和直杆旋转。根据设计思想，直杆顺时针或逆时针旋转一定角度。图9显示了环出眼单元正面视图和左视图结构。与传统的交付系统设计思想相比，它是一个突出的单元。环形眼单元具有带宽和密度控制精度高、对高角度或圆绕组好、宽带好等优点。在运输单元到达返回点时，环出眼装置只需顺时针或逆时针旋转某个角度。环出眼单元工序是通过改进优化旋转稳定，Z带滑轮的框架，环出眼的旋转角度，梳理装置结构和树脂浴配置实现。
图9。环出眼单元正视图和左视图。
4.4控制系统单元
控制单元由Arduino Uno，数控V1盾、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。在控制系统中的主要模块是Arduino Uno和数控V1盾、连接销。数控V1屏蔽引脚放在后面的面板与Arduino Uno引脚连接。数控V1盾是建立Arduino Uno模块之上，不能绘制示意图。图10显示了其他模块连接，蓝牙模块通过数控盾接收信号和发送命令到Arduino Uno控制步进电机的X，Y，Z，。电压调节器将电压220V转为35V。电源插头是一种使电动设备被连接到建筑中的交流电（AC）供电装置。直流无刷风扇在控制系统工作时降低温度。通过对导线连接的改造、稳定的信号传输、控制系统箱体位置和树脂保护等措施对控制系统进行了优化。
图10.三轴缠绕机控制系统示意图.
5.最终的设计方案
基于以上主要概念的单元，3轴缠绕机主要完成了。对某些子系统和设备进行优化是很有必要的，有些部件需要改变大小和位置，如限位开关保持架位置、控制系统盒、梳状装置、张紧器等。图11显示了拟议的缠线机的示意图。通过优化过程的手段，我们最初的想法设计的机器的方法，三轴缠绕机只有多样化的设备来满足未来需求的几点改进。图12显示了纤维缠绕机缠绕系统设计。
图11.三轴纤维缠绕机示意图.
图12.廉价控制系统的三轴纤维缠绕机.
5.1试样的制备
当我们测试机器的运动能力， Arduino Uno上传命令控制系统存在一些问题。当我们解决了问题，三轴缠绕机可以制造的纤维缠绕复合材料气瓶。图13显示了这台机器的样品。
图13.碳纤维和环氧树脂试样筒.
6．结论
本研究项目的成功设计，三轴自动绕线机系统是通过Arduino Uno和CNC屏蔽模块设计。通过分别控制主轴转速和拖板，基本实现了螺旋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卷绕系统。与以前的两轴或四轴缠绕机相比，得到的结果比较令人满意。
从制作的样品来看，表面光洁度的缺陷是由几个主要因素造成的。首先，表面光洁度与转向器的距离成正比。增加转向器的距离，表面光洁度变差。其次，卷绕角也影响表面光洁度。卷绕角越大，表面光洁度越好。最后，运动的振动也影响表面光洁度的质量，尤其是转轴的移动。由于本课题研究的许多局限性，使得主体结构中的一些问题没有得到解决，因此制作的试件在静力加载下没有进行实验测量圆柱形结构的力学性能。
致谢
作者感谢高等教育和大学马来西亚彭亨州部（www.ump。edu。我）为这项研究提供资金用在/ FRGS/1/2014/TK01/UMP/02/3 and RDU1603108。
参考文献
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资料编号：[16245]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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