纤维缠绕机的机械结构设计【含CAD图纸、说明书】【三维SolidWorks】

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Filament winding process is a under the condition of tension control and the predetermined linear, application special winding equipment continuous fiber or cloth impregnated resin glue continuous, uniform and regular winding in core mould or lining, then under certain temperature environment to be solidified, becoming a certain shape products, composite molding method. This paper first analyzes the development of the fiber winding machine at home and abroad, and then in the Solidworks platform, completed the hot roll structure and pressure system, tension system and the structure of the three parts of the system design. Finally, this paper based on the motion Solidworks plug-in, the common core module simulation system for research. Key words: Winding machine Tension Rectification Hot roll  摘要 复合材料具有高比强度、高比刚度、轻质、放热、吸波等特点，是航空航天、国防、石油化工、能源动力等领域重大装备新材料和新结构的发展趋势，是实现其减重、增效和改善性能的关键。纤维缠绕工艺是在张力控制条件下和预定的线性、应用专用缠绕设备连续纤维或布浸胶料连续、均匀、规则缠绕在芯模或衬线，然后在一定的温度环境下固化，成为一种具有一定形状的产品，复合成型方法。本课题先是分析了纤维缠绕机的国内外发展状况，然后在Solidworks平台下，完成了热压辊结构及压力系统、张力系统及纠偏系统这三部分的结构设计。最后应用Solidworks motion对芯模缠绕进行仿真。 关键词：缠绕机 张力 纠偏 热压辊  第1章 1.1引言 由复合材料科学STAU薛定谔在二十年代初提出的长链分子结构，建立了大型的复合产业体系，复合材料从概念到大规模应用，但短短几十年的时间。在过去的几十年中，复合材料的高强度，高模量，重量轻，隔热，隔音等性能优良，深受相关行业迅速认可。目前，航空，建筑，汽车，电器，化学和材料的使用等行业，复合材料具有相当大的比重。在此阶段，不存在材料，无料比钢，这是比复合材料更广泛的应用。在新的世纪，科学技术的迅猛发展，研究在各个领域各个行业的不断深入，这将不可避免地导致材料提出了更高的要求，这使得新世纪复合应用将更加广泛的性能。科学家预测，在百年新世纪的，该复合材料来代替钢作为最广泛使用的。 在用于复合材料，复合材料的市场需求的快速增加，复合成型已限制的瓶颈的开发和应用。在复合成型过程中，卷绕过程是在最广泛使用的技术之一的复合材料模制工艺。与其它成型工艺相比，使用长丝缠绕过程生产出的产品具有光滑表面和高纤维取向均匀，结构紧凑，高强度和比强度的优点。为了适应大规模生产的复合材料，提高生产效率，纤维缠绕机应运而生。 1.2缠绕机国内外发展状况与趋势 1947年世界上第一个二自由度由凯洛格公司绕线机，率先推出了第一个大规模生产这种类型的复合材料产品的。随着纤维产品的需求不断增加，形状纤维产品变得越来越复杂，传统的两自由度机械缠绕机已无法满足市场需求。为了提高生产效率纤维产品来满足的纤维产品的需求，以产生复杂的形状，我们开发了一种更先进的纤维缠绕机。目前，国内市场绕线机的主流机型，虽然仍有2自由度和三个自由度，但自上世纪80年代，随着计算机技术，传感技术，控制技术，缠绕机自动化技术的发展有了很大的提高。 1.2.1纤维缠绕机国外发展状况 外国络筒机的发展主要经历了三个过程：机械绕线机，数字程控绕线机，电脑控制绕线机。纤维缠绕技术起源于20世纪40年代，当时在军中的主体作用。在1945，美国使用光纤缠绕技术生产的第一玻璃纤维增强塑料杯，在著名的曼哈顿原子弹项目使用。1946年纤维缠绕技术已经由凯洛格公司取得了美国专利，第一机械络筒机1947年。自那时起，导致更绕线机的类型，如在60年代初，以创建entec400类型和mccelnaanderosnw-2型卷绕机。在此期间，卷绕机的发展是一个双自由度绕线机，主轴转速和车速比齿轮传动比。由于齿轮的影响，不卷绕机卷绕机卷绕纤维的产品，但该产品的精度不高。 到了二十世纪中期，60年代中期，为了有一个更高性能的火箭发动机，火箭发动机，以满足空间形态的特殊需求，开发了高精度数控绕线机。美国entee800麦克莱恩andersonw-18型和相对常规机械缠绕卷绕机采用液压马达提供电力的电车线和移动电位移控制脉冲信号应用的主轴角位移。在绕组的精度，可以控制和绕组的产品的质量，相比以前的卷绕机具有较大的升级。但由于这种绕线机需要在非线性绕组中使用，由于其限制的原因，绕组的机械不能满足复杂形状的产品要求。 自20世纪70年代末，随着传感技术，计算机控制技术，纤维缠绕机的快速发展也是一个很大的飞跃。 1973年，计算机控制卷绕机卷绕机，打标到计算机控制的发展。为计算机控制的缠绕机的用户，有良好的计算机程序，以预先计算的长丝缠绕轨道所示，计算机将根据该方案的要求，通过控制伺服马达驱动轴旋转以实现卷绕过程。绕线机，电脑存储空间，各种存储缠绕方案，并通过现代通信手段可以在卷绕机功能监控，远程更新和缠绕工艺信息，极大的提高了复卷机的灵活性，以适应和提高精度和效率的实现的绕组。 在最近几年，随着微电子技术和微电子技术的快速发展，以满足生产更复杂部件的需要，逐步开发出了更复杂的多自由度的绕线机，现在国际计算机具有最多11轴控制纤维缠绕机，异形组件（三通，弯头）绕线机前出现的变化只能粘贴和半手糊手的情况，更好地满足社会生产我们需要在促进社会发展中发挥更大的作用。 1.2.2纤维缠绕机国内发展状况 与西方国家相比，中国的发展绕线机起步较晚，20世纪50年代20年来，1968年南京研究设计院研制成功的光纤，一种高强度纤维，在同一时期，中国第一台机纤维缠绕机由北京开发玻璃纤维研究所。北京玻璃钢研究已成功开发并缠绕机中国第一家数字化控制程序，它是在绕线机历史上的一个重要步骤。 70年代末，第三代计算机控制缠绕机在全球的出现。在此期间，中国缩小与发达国家的技术差距，以满足自己的经济发展和国防建设的需要，开发了一个计算机控制纤维缠绕机作为国家快速发展的国家重点工程得到了迅速 的发展。从1983年到1986年，哈尔滨工业大学使用和维护参考脉冲产生的取轴的频率控制的运动控制方式恒转速，已成功试jkcr50 / 400K，jkcrl00 / 600B和jkcrl20 / 400K三套，微机控制纤维缠绕机。三台计算机是根据核心模型的形状和尺寸进行预先计算的，由地线理论预先计算出光纤的绕线路径，并大大提高了产品的精度。 自那时以来，引进国外先进技术的提高和自身科研实力，纤维缠绕技术在中国的发展更为迅速。它已经逐渐从一开始就在多层次，多学科，多元化的方向发展。在最近几年，随着微电子技术和通信技术的快速发展，由中国近年来生产的关键因素络筒机卷绕张力是在长丝缠绕张力，树脂含量，过程等一系列长丝缠绕质量也能准确控制，六轴计算机控制绕线机已经研制成功。理论建模，该理论提出了电网伤口，以促进缠绕一个新的高度的理论和技术。目前，复合材料成型生产，已基本形成了完整的产业体系，在一定程度上，要赶上世界先进水平，但从产品应用的角度来看，目前我国大部分国家，生产的产品是旋转体组件的管道、储罐和火箭壳等特殊场合在复杂产品的生产工艺和技术还不完善。 1.2.3缠绕机的主要结构类型 缠绕机可以分成以下几类： (1)卧式缠绕机，如图1-1所示。在绕线机，链条用于驱动滑架往复运动的心轴芯模型驱动的旋转运动，通过调整车辆和卷绕筒管的旋转速度的轴的移动速度进行调节。绕线机拥有细长部件的范围很广，集装箱梁绕组。 图1-1 卧式缠绕机 (2)绕臂立式缠绕机，如图1-2所示，绕线机的特征是缠绕在臂围绕芯的旋转恒定速度。当旋转臂转动臂的核心，驱动轴匀速旋转的核心模型。纤维缠绕机产品线的统一。在干燥绕组的绕线机，以适应伤口短容器。 图1-2 绕臂式缠绕机 (3)轨道式缠绕机，如图1-3所示，该卷绕机具有水平和卷绕机，它设有一个轿厢的轨迹是垂直或水平的圆形轨道的优点。当沿轨道车移动需要1周，心轴驱动轴的旋转，纱线宽度的旋转。水平轴风角度的大部分地区，绕线机生产。 图1-3 轨道式缠绕机 (4)球形缠绕机，如图1-4所示，该卷绕机具有四个自由度：绕线机电线端口旋转轴偏转运动，旋转轴，使用第四轴线口进入运动实现纱线片被卷绕，以减少纤维细孔的积累，提高了产品的均匀性。通过转动控制心轴和导线嘴，通过调节心轴的纤维均匀地围绕心轴表面以调整偏转线圈角。 图1-4 球形芯模缠绕机 (5)行星式缠绕机，如图1-5所示，络筒机卷绕角轴线与水平面的夹角。围绕心轴做自传和旋转喷嘴保持部件方面固定轴线进给运动的运动和旋转的旋转运动，卷绕机广泛用于生产。 图1-5 行星式缠绕机 (6)电缆式缠绕机，如图1-6所示，绕线机用于生产的圆筒形管和容器的产品，将其与纱线的球和旋转同步旋转，旋转轴线的工作原理，可以来回移动沿着心轴，完整纵向放置过程的轴线方向：环是安装在车体上的旋转纱线球的两侧，心轴的旋转，沿心轴的车沿轴向来回移动以完成箍缠绕过程。 1-纵向沙盘；2-转环；3-芯模；4-小车；5-小车丝杠；6-小车导轨； 7-转换传动机构；8-环向缠绕纱团 图1-6 电缆式缠绕机 (7)多向缠绕机，如图1-7所示，绕线机的工作原理，在卷绕过程中，芯可旋转，可在轴向方向上往复运动，所述线路端口不变的位置，和管芯的结束和自传轴向运动沿着蜿蜒。带来了极大的方便的绕线机，电线管固定的优点，为职工办理斩首，花丝：多线可以实现大量的纱线卷绕，卷绕速度、纱线均匀分布，有利于提高产品质量。 1-浸胶导纱装置；2-丝嘴；3-芯模；4-纱带 图1-7 多向式缠绕机 1.2.4缠绕机的发展趋势 (1) 在张力控制系统的基础上，新理论被缠绕在绕线机上，采用先进的传感器控制技术，我们将有更先进的控制系统，高精密卷绕。在绕制过程中，在光纤中的张力是更合理，纤维的强度，刚度优势将得到充分发挥，制作将具有较高的强度和抗疲劳性。 (2) 络筒机将复合材料的加工过程中，一机多采用方向的进一步发展。根据不同的机械结构和不同缠绕工艺产品生产的具体情况，控制系统的左扩展空间控制程序的二次开发和改进。 (3) 卷绕过程是由机器人和绕线机的组合来实现的。由于机器人可以灵活移动，大的工作空间，自由和更好，并且可以根据机器人路径将来所需产物，机器人的组合和卷绕机的形状进行规划，特别适用于包装小复合组合物，非轴对称部位或双凹组分如绕组。 (4) 计算机辅助设计/ CAM的仿真技术。目前市场上流行的软件由国外软件为主，如cadfil，CADWIND，等等。在武汉大学和哈尔滨工业大学的国产软件模拟也有一定的贡献。计算机辅助设计/凸轮和仿真技术在复卷机将是发展的一个重要发展方向。 1.3纤维缠绕工艺概述 纤维缠绕是一种纤维的形成过程中的重要，它是纤维通过一定量的树脂浸胶槽浸，按照纠缠线性规则均匀覆盖的心轴和固化后，脱模的过程，最后形成具有特定形状的玻璃纤维制品生产技术。绕线机、铺设机等专用纤维成型设备的出现，提高了绕组产品的生产效率和产品质量，纤维缠绕原理，如图1-8所示。 图1-8 纤维缠绕原理图 根据纤维束是否浸渗，纤维缠绕过程可分为湿、干、半干三种方法，如图1-9所示。 (1)湿法缠绕 湿法缠绕工艺是将 纤维束浸在一定 量的树脂胶中。湿的过程是曲折的，纤维的张力是难以控制的，该产品很容易通过外部温度和湿度等条件固化，卷绕机需要增加辅助卷绕装置等。 (2)干法缠绕 干法缠绕工艺是相 对于湿法 缠绕的过程，干燥过程是纤维缠 绕前的预浸胶的过程，然后将纤维 干燥。绕组将在干燥后的纤维缠绕到芯轴上，使芯模加热固化胶在二次软化并使纤维与纤维之间的层间相互粘合，并固化后，在生产中完成。干燥绕组的过程容易控制绕组的张力、卷绕速度等。但干燥绕组需配置预浸渍干燥设备，卷绕系统复杂，产品的生产成本较高。 (3)半干法缠绕 半干制过程类似于干燥过程，而且纤维在预浸过程中先经过浸渍处理，然后干燥，但干燥时间短于干燥过程。绕组 可以在室温下进行，采用半 干法的方法进行纤维缠绕。半干法工艺具有干湿双绕组的优点，可以提高绕组的速度，减少绕组的设备，降低产品的生产成本。 通过缠绕方法获得的产品 有以下优点： (1)可设计性强 我们可以以纤维缠绕各向异性的优势得到充分发挥，根据特定的产品的承载能力，设计不同的绕组线，提高了产品的抗张强度。 (2)生产率高 绕组设备全自动绕线，减少人工参与，卷绕速度，提高生产效率，产品型号可大量生产后确定。 (3)可靠性高 卷绕机在张力控制系统中的作用，在一个可调范围内的纤维张力，生产的产品可以充分发挥纤维的强度，该产品更均匀，稳定。 (4) 完成巨型结构的绕组 一些复合产品如石油、炼油、储油罐等复合材料的成型生产是非常困难和曲折的技术可以很容易地完成，目前生产的大型结构的绕组。 (5)强度较高 较小直径的玻璃纤维，高强度，低损伤率。玻璃纤维是玻璃纤维和玻璃纤维，材料的强度之间的应力载荷传递。 (6)缠绕材料广泛 对于同样的产品，你可以从多种材料可供选择，而目前材料成本并不高。 1.4课题研究的目的和意义 在这一阶段由于市场上绕线机一般都是一二度自由度或三度机械绕线机，生产和 产品质量低下，无法适应 市场需求。多度的绕线机可以很好地满足绕组的需要，但成本高的绕线机，不适应企业的实际发展。本论文根据实际生产的需要，设计出一种价格相对较低，具有一定 通用性的络筒机，可满足普通 芯模如锥、压力容器、卷筒缠绕、纤维张力的缠绕功能，更好的控制和生产高质量的产品。 1.5该课题的主要研究内容 (1) 以普通旋转体和非旋转体为研究对象，分析了核心模型的绕线过程。在以往的机械式缠绕机的基础上增加了铺设伸缩机构、张力控制机构的头，设计了缠绕机的一般模型，基于SolidWorks完成绕线机系统建设。 (2) 基于SolidWorks的 参数化缠绕运 动插件，模拟系统 的研究，以及人机交互界面的设计模拟卷绕系统的运动过程。  第2章 纤维缠绕机结构系统设计 在市场上，对回转体纤维产品的需求量不断增加，对纤维缠绕机提出了更高的要求。为了满足市场需求，降低光纤产品的生产成本，节约资源，许多研究人员一直在开发一种新的多轴绕线机。目前，虽然新的研究和多丝的自由发展绕线机可以快速且容易地缠结纤维产品的要求，但与卷绕器生产成本增加的自由度。因此，生产的一个便宜，可以满足绕组的绕组需要，是每个人的共同愿望。 2.1纤维缠绕机总体结构设计 在此期间，虽然纤维缠绕机已经有了一些重大改进，出现了各种型号的绕线机，但其工作原理和绕线机结构，基本没有根本改变。卷绕机的主要工作原理是：通过卷绕机控制系统，控制卷绕机特定的机械结构运动，浸渍树脂胶纤维按一定规律均匀地布置在芯模表面，然后通过模压和固化得到稳定性能的产品。虽然某些特殊产品的形状和性能要求，相应的绕线机的结构是不一样的，绕线机和控制系统的外观和控制策略也不同，但绕线机系统或类似。 绕线机具有以下优点： (1) 绕组功能比较完善，绕组的机械通用性可以大大提高，不仅可以实现旋转体组件的绕组，而且还完成了绕组的非旋转部件，基本可以产生普通的纤芯产品。 (2) 提高张力检测与控制系统，能较好地控制纤维张力的卷绕过程，使产品质量更高，更能发挥材料本身特性的优点。 (3) 自动化程度高，通过计算机控制各轴联动，用户只需输入相关的参数，在电脑操作界面上，绕线机会自动跟随绕组需要完成绕组。缠绕机的 总体结构示意图如图2-1所示。 图2-1 缠绕机总体结构 该纤维缠绕机主要由以下 部分组成：主轴箱、芯模主轴、主轴支架、绕线式行走小车、以及铺设头伸缩机构、光纤张 力检测与控制机构、纠偏机构。三轴联动的纤维 缠绕机三度的自由度：芯轴旋转、绕线行走小车沿轴向往复运动，在水平面上铺设 头臂伸缩运动。通过计算机控制纤维缠绕机这三个自由度的自由度来完成卷绕过程的核心模型。以下是本组织设计的一部分。 2.2纤维缠绕机主轴箱结构设计 主轴箱是绕线机的主要部件之一，其内部结构采用变频电机、编码器等元件，通过联轴器与主轴组件主轴相连接。主轴箱主要 用于为主轴的旋转提供动力，并可以通过变频器调节 电机的转速，实现主轴回 转的控制。主轴箱采用5号钢焊接的增长，宽度和高度分别为1500mm，1000mm，矩形框2200mm。由于主轴箱安装电机等部件，所以，在主轴箱中要有相应的安装支撑。支持支持表是5号钢的焊接，焊接厚度为10mm以上的板，并在上面打安装定位螺栓连接孔来调整电机的位置。从而使主轴的核心模式旋转使纤维缠绕。传动带用于主轴箱驱动的变频电机和主轴。皮带具有良好的弹性和弹性，传动过程平稳，可减少机械在工作过程中的振动和冲击，可起到过载保护；带传动中心的距离可以更大，能适应不同中心距离的要求。在卷绕机的卷绕过程中，通过控制系统、变频器和编码器组成的闭环控制系统实现主轴转速的控制。编码器安装在主轴的轴端，主轴转速的信息实时采集，信息反馈到控制系统。控制系统通过编码器计算返回脉冲信号来确定主轴的转速，并与设定转速相比，从而对电机变频器发出指令，调节电机转速的变频调速电机，从而满足绕组的需要。主轴箱及其内部元器件如图2-2所示。 图2-2 主轴箱 2.3纤维缠绕机行走小车设计 在卷绕过程中，小车的主要作用是在小车的运动中起到支撑作用。小车的支架长度为2.5 m。小车支架如图2-3所示。 图2-3 小车支架 绕线机是机械绕线的核心部分，纺纱机的绕线机、伸缩机构、卷绕机的张力控制机构是一个重要的组成部分，位于汽车上，如图2-4所示。设计行走小车主要考虑以下几方面的因素： (1) 为了满足绕线角的要求，需要在工作过程中保持准确、稳定的平均传动比要求，以满足汽车的绕线要求。； (2) 旋转头伸缩和旋转机构，张力检测控制机构，胶水浸渍槽，胶水等具有一定的重量，所以汽车可以承受一定的负荷； (3) 该车的结构合理，使纱线在各种机制中都能顺利滑动，减少了不必要的摩擦，并对纱线的损伤机理产生了不必要的损害。 (4) 由于绕线管的特殊性质，使其具有一定的距离，此外，汽车的长期工作环境也相对较差。 汽车采用的是驱动螺杆传动，相比于螺杆传动和齿轮传动，使得安装精度不太严格要求和螺杆驱动可以在较低成本下实现长距离传动：并与变速器和螺杆传动相比，由伺服电机与减速器相连，将绕线行走小车的功率和减速器连接在一起，将其与丝杠连接，以使其在行走小车上有一个传递扭矩的能力。绕线由计算机控制的步进电机伺服电机的速度，汽车本身携带编码器可以汽车运动速度和其他信息。通过计算机和控制汽车的伺服电机和主轴伺服电机的旋转，以保证绕线过程中的模芯和一个铺头速度比，从而保证绕组的角度。 图2-4 缠绕行走小车 2.4吐丝头伸缩机构 为了使旋转头的轨迹，曲线对应的设置，绕线机增加了旋转头的伸缩机构，以满足复杂的弯曲表面头部伤口，在平面垂直于主轴的要求的位移。在该系统中，选择了滚珠丝杠的线性模块，在长时间的摩擦下保持较高的精度，能承受较大的切向载荷，易于装配，具有良好的兼容性。线性模块的铺设头伸缩机构更灵活。将铺设伸缩机构和回转机构组合在一起，可以有效地节省空间，如图2-5减少其他机构的支持，减轻汽车重量，提高精密卷绕。为了保证纺丝头的运动精度，选择HIWIN直线导轨机构和模型选择kk86导轨和导距离10mm。线性模块导轨的选择原则如下： 1)线性导轨额定寿命长度计算公式： L=ftfw∙CPn3×50km (2-1) 式中：L-额定 寿命长度(km)；C-额定 动载荷(N)；Pn-导轨 工作载荷(N)；ft-接触 系数，一般取1.0；fw-负载系数，取1.0～1.5。 2)线性导轨额定寿命旋转数计算公式： L=1fw∙CaPa,n3×106rev （2-2） 式中：L-额定寿命 (旋转圈数)；C-额定动 载荷(N)；Pa,n-轴向工作 载荷(N)；fw-负载系数，取1.0～1.5。 2.5张力检测控制机构 2.5.1测力机构 在卷绕过程中，纤维的张力是指从卷到卷绕的纤维的张力，由卷绕的芯模的整个形成过程。张力对卷绕过程中纱线的量有很大的影响，产品外观的光洁度，产品的连续性，稳定性和机械性能的影响。在卷绕机中间，将张力传感器的纱线张力检测元件安装在导丝引导机构的中间，靠近核心模式的位置，可实时检测纱线张力，并将信息反馈给控制系统。纱线张力控制机构主要采用磁粉制动器，在纱线进入纱导纱机构中，在挤压机构上安装，既能实现张力的控制，又能控制纱线中的胶量。 本文采用双纱导辊和一个测量辊组成的三角形压缩力测量装置，将光纤的张力传递给测量辊上的压力，然后用压力传感器来检测压力。 导纱和测卷机之间的安装角度为0度，即光纤与平行轴的传感器，横向力不，压力传感器可以敏感的检测的张力增加，所以压力传感器的压力传感器和实际张力相等，从而避免角度计算造成的计算误差，减少的计算和计算时间量，提高实时控制并降低该装置的制造成本。使用辊和轴承座之间的线性负载，以减少所造成的不平衡力的负荷在辊和摩擦测量力偏转的两端，从而降低了测量误差，提高测量精度。 2.5.2传感器 使用bhr-23式负荷 传感器华东电子仪器厂在这个项目。传感器的类型是通过施加一组激励电压，改变的重量或力的变化的输出电压成正比的转换器。型bhr-23式负荷 传感器具有以下特点： 1）该装置采用密封和填充氮气的结构，使传感器和弹性体部分和应变片和稳定的大气中的部分内补偿元件。 2）bhr-23型传感器具有双层膜结构，提高了传感器的负载电阻的性能，并具有较高的精度。 3）该传感器采用高性能应变仪和补偿膜，具有良好的稳定性。 4）在电路中采用了多种补偿措施，使电路的性能得以维持在很宽的温度范围内。 2.5.3磁粉制动器 磁制动器是电磁制动器，它是通过在转子和通过在磁场的嵌套循环的电激励所述定子线圈，两个旋转体之间通过的磁力的组合和磁性粒子的运动部件的摩擦扭矩传递连接在一起。 磁粉制动器具有以下特点： 1）励磁 电流传递/制动 力矩具有良好的线性关系，并且可以很好的转矩控制。 2）由励磁电流控制、速度、相对速度等因素限制，并与其它因素无关，转矩控制的准确性。 3）散热结构合理，散热量大，散热结构允许在连续滑动状态下运行。 4）时间短，转矩时间常数小，响应速度快，组合和分离稳定，无冲击，无振动，无噪音。 5）空载切换力矩小，性能好，操作方便，准确可靠。 图2-6 磁粉 制动器原理图 2.6主轴与纠偏机构 主轴具有支撑和驱动的功能，主轴与主轴箱通过万向联轴器连接，主轴的旋转速度通过控制主轴箱中的电机转速来控制。因为管道产品具有很长的特性，所以要求主轴具有一定的长度。为了保证卷绕过程中玻璃纤维制品的卷绕精度，减小主轴自重的影响，在保证主轴刚度的前提下，将主轴加工成一个空心轴。主轴的定位主要取决于轴的位置和支撑。主轴支承在绕线机工作过程中，以支持主轴和主轴的作用为核心，以便使主轴模型更好的工作。主轴及主轴支架分别如图2-7所示。 2.6.1纤维带跑偏的原因 纤维和行走的导辊，纤维带和在一定范围内的辊面接触和摩擦，然后在纤维上的点，并且在垂直于辊子的中心线，皮带张力均匀分布的纤维，如图2-8（a）所示。当光纤带背衬辊，垂直于与滚筒的中心轴线的纤维运行。 当在导辊行走的时候，内边界摩擦如果彼此平行，所述光纤带和导辊轴之间的辊接触，以及纤维横截面直，厚度均匀，在纤维上的应变分布均匀，从而使纤维步行上会有一个辊，它可保持在操作，而辊子的中心的横向位移“偏差”。但在实际生产过程中，会出现各种外界干扰的在纤维上的正常行走，从而使偏差纤维带。当在图2-8（b）所示所示的偏差纤维带的拉伸应力的分布。 图2-8 纤维带上的张力分布 图中显示，当英利光纤带的偏差分布不均匀时，一个大、一个小。而光纤带将偏移到一个侧面的张力，造成偏差。沿导辊宽度方向由皮带张力引起的力的影响。在相同的摩擦条件下，纤维的张力小，压力小，摩擦小，拉力大，压力大，摩擦力大。因此在相同的力下，与纤维是由摩擦小的侧边运动的摩擦，是由张力侧的张力侧的运动，导致偏差。由偏差的纤维带张力分布，方向和在不平衡张力的影响是绕点逆时针旋转的趋势，由于方向和固定在支架上，使纤维与转向正确的方式获得的瞬态平衡偏差。 2.6.2纤维带纠偏的可行性 纤维带跑偏后的受力状态和运动状态如图2-9所示 （a）从力学角度分析 （b）从运动学角度分析 图2-9 纤维带纠偏的可行性 图2-9（a）是从力学的角度 分析可纠偏性的。当纤维向右转偏差时，纠偏辊向右转，纤维带由输送方 向和相反的摩擦F。沿水平方向 与辊中心线垂直方向的分解，并得到的力为Fx、Ft，在何处为导向的 修正和旋转的切向分量，使纤维向左移动部件，即为校正力。他们的大小为： Ft=FsecαFx=Ftanα (2-1) 图2-9（b）是从运动学的角度加以分析的。纤维带的 跑偏，滚筒转动摩擦力矩在FtR，切向 速度Vt。Vt可以分解为V和Vx沿垂直方 向和水平方向，其中V是光纤带的速度，和Vx是运动纤维的 正常位置的速度。它们的大小为： V=VtcosαVx=Vtsinα (2-2) 所以无论从 力学角度还是从运动学角度出发，对光纤的 带偏差进行校正，即对侧倾角的偏差进行校正。 2.6.3纠偏控制系统原理 通过上面的分析，我们知道，偏差的原因是不统一由于引起纤维带的紧张情绪，这股力量是根本原因偏差造成的。目前，为了解决在生产方法中使用的偏差，因为它是不能很 好地与纤维张力保持平衡，所以整流 的实际效果并不十分理想。在这篇文章中，我们使用边缘控制技术更先进的位置，纤维胶带偏差数据调制型光电传感器采用MCS-51单片机控制系统的分析和比较数据驱动步进电机，通过调整位置校正收集手段，调节皮带的张力，实现了正确的光纤自我 - 平衡法。 单片机控制系统主要是模糊 控制和程序模块和输入输出接口电路控制;驱动模块包括一个脉冲发生器，脉冲分配器和功率放大器，脉冲发生步骤和方向和速度由软件实现时，大大提高了控制系统的灵活性;传输 主驱动电机和螺栓连接不只是推出并通过计算机系统的分析采样数据纠正，命令步进电机驱动辊转动整顿一定角度，纤维张力分布平衡区，从而达到校正检测的目的传感器；采用红外光电传感器gd-8a调制，降低干燥系统干扰的外部来源。 2.6.4纠偏控制系统模型 通过上述 分析，对智能控制系统的工 作原理进行了分析，纠偏控制 系统的功能方框图如图2-10所示。 图2-10 纠偏系统的控制方框图 图2-10 纠偏原理 通过分析，我们知道只要辊矫偏 侧倾角可以正确地对光纤 的偏差进行校正。由图2-10可知，当纠偏辊 前倾一角度α时，总摩擦力F所产生 的纠偏力为Fx=Ftanα，在α角度 较小的情况下有Fx≈F∙α，而纤维带横 向位移量随着纠偏力Fx作用时间而增加，即∆x=0tF∙αdt，它被认为是在本质上的偏差校正辊是一个不可分割的一部分。步进电机和传 动系统，我们近似的 惯性环节。由此我们可以得到纠偏 系统的功能方框图如图2-11所示。 图2-11 纠偏控制 系统功能方框图 由中间电路向步进 电机驱动电源控制信号的脉 冲数字信号，所以该系统应被视为一个非 线性系统。三位继电器与死区的 描述功能可以用控制理论来描述： NX=4MπX1−∆2X−1NX =−πX4M11−∆X2 总的传递函数为： Gs=G1G2H1=K1K2T1sT2s+1 即：Gjω=K1K2T1jωT2jω+1 式中：k1——传感器的放大倍数； k2——电机、放大器及 丝杠总的放大倍数； ∆——死区宽度； T1、T2——时间常数。 求出本系统的 有关参数代入上式，并作出 −1NX和 Gjω曲线，不管 T1、k1、k2以及 ∆等于多少，Gjω 穿过负实轴的点落 在−π∆/2的右侧，两者不能相交，因而不会出现极限环。这时 −1NX位于 Gjω 的左侧，系统是稳定的。在实际操作中，纤维或小的偏差理论。因为关系是基于一个90度的纤维带和辊，而事实上，该光纤带辊曲线是大于90。因为两个非平行于滚筒不均匀纤维磁带张力，拉伸应力变大的一面，而在拉应力的另一侧变化不大与光纤的中心线是弯曲的，因此，在实际量之间的偏差减小，所以一般的类型也乘以一个校正因子的是。 2.6.5步进电机的选型 步进电机 控制是工业控制 和仪器仪表的主要内容之一。在这个系统中，该角度可以通过螺钉被转换成线性位移。由于步进电机元素显着的特点是能够快速启动，精度高。在非重载，电机速度和停止位置仅取决于频率和脉冲信号的数目，而不管负载的变化，即马达和一个脉冲信号，电动机是一步一步的角度。这样的线性关系的存在，和步进马达仅周期性误差和累积误差。它可以很容易地控制在速度，位置等的领域中的步进电机的控制。根据电机的结构可以分为三大类： （1）可变磁阻式（VR型）：基于转子的软铁的加工成齿，当有没有激励电压对定子线圈，保持 转矩为零，所以转子 惯性小，响应 速度快，但允许 负载惯性小，步进角 通常为15度。 （2）永久磁铁式（PM型）：转子由永磁体组成，轴向磁化方向为轴向磁化，无励磁转矩控制。根据转子材料，步进角度是45度，90度和7.5度，11.25度，15度，18度，等。 （3）混合式 （HB型）：转子由轴向 磁化的磁铁，使复极形 状极，和可变磁阻步进电机、永磁式步进电 机的优点，精度高，扭矩大，步进角。目前，在市场上使用的步进电机的工业是最常见的混合模式。 步进马达可以被分为两种类型的反应性和电感性的。反应步进电机结构简单，与反应式步进电机用永久磁铁转子结构的常规步进电动机感应相比，工作点，以提供一个软磁性材料，而定子励磁只是提供磁场的变化而无需提供能量，使电机具有高效率、小电流、低热量。由于永磁体的存在，电机具有很强的反电动势，其自身的阻尼效应比较好，所以在运行过程中，低噪声、低频振动是相对稳定的。感应步 进电机可分为两相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。电机的外径）可分为42BYG（BYG归纳成机器代码），57byg，86byg，110byg，像70byg，90byg，130byg等国内标准。 本控制系统 使用反应式三相 45BF003 型步进电机，步距角为 1.5°/3°，所需外部电压为 60V，电流2A，保持转矩0.196Kg·cm，它的外形尺寸如图2-12所示。 图2-12 步进电机的外形尺寸 2.7热压辊结构及压力系统设计 卷绕压力应用方式采用压辊和芯模对辊，并将气缸用压辊施加到卷绕纤维带上。 2.7.1压力系统设计 压力施加机构，采用气动、液压、电气和机械等多种方式，其中液压伺服、气压伺服压力最常用的方式，在不同应用中伺服压力的优缺点。 气动执行器输出力的机制有一个适度，远程控制和信号传输具有施工方便、维护简单、泄漏，这些缺点可以用于控制阀门的开度打开或其他形式来增加系统的阻尼比。同时，随着气体压力的增加，即高压气体、气动功率的环路补偿方法的改进。而其泄漏不会影响环境，不会造成绕组的产品报废（气源必须采用除油和天然气）的优点，绕组设备尤为重要。 表2-1 气动技术与其他控制技术的性能比较 对比性能 执行元件的输出力 动作快慢 负载变化的影响 工作环境条件 无级调速 远距离控制能力 信号传递 外泄漏影响 构造 工作寿命 维护 价格 气动 中等 较快 大 适应性强、可用于易燃、易爆、多尘、潮湿、冲击的恶劣环境 较好 中距离 较易 不污染环境 简单 长 简单 低廉 液压 最大 较慢 小 不怕震 良好 短距离 较难 污染环境、易燃 复杂 一般 复杂 较贵 电控 电器 中等 快 几乎没有 要求高 良好 远距离 最容易 漏电影响安全 最复杂 短 最复杂 最贵 电子 最小 最快 没有 要求最高 良好 远距离 最容易 漏电影响安全 最复杂 短 最复杂 最贵 机械 较大 一般 没有 一般 困难 短距离 最难 —— 一般 一般 简单 一般 表2-1的性能的各种控制方法的比较，用绕线机的气动伺服控制系统作为项目缠绕压力控制系统的特殊特性的实际工作相结合。 2.7.2加热装置 该加热装置是将预浸胶带的功能在模具的前端，以快速加热至熔融状态，以保证模具的周围的致密配合，否则将分离层分离，不能形成一个整体。加热装置是最难设计和移动短时间加热熔化状态时绕组的预浸纤维蛋白凝胶易伤。然而，加热温度不能太高，以防止熔融树脂纤维与烧焦的。 由于绕组 的空间很小，难度越来 越大的机构，所以施加的压 力的使用，在其内部的电线安装，电热丝发 热采用压辊表热，外界的压力和表面温度，使在压力和预浸带熔软接头（图2-13）。该集成稳压器块设备是用来控制加热和调整到最佳绕组温度（室温至120度）。 图2-13 热压辊结构示意图 2.7.3温度传感器 温度传感器是一种用于测量温度变化的物理参数（如几何尺寸、压力、电阻、热电势、辐射强度等）的装置。常用的温度检测元件如表2-2。 表2-2 常用的温度测量元件 种类 原理 特点 适用范围 热电阻 物质的电阻随环境温度变化而变化 精度高 热电偶 利用热电效应 结构简单，测量范围宽，不需测量电路，但稳定性差 中高温区 热敏电阻 半导体材料电阻率随温度变化而变化 灵敏度高、响应速度快，分辨率高，形小体轻，但互换性差，测量范围小 远距离测量 辐射式高温计 将辐射能转换成电信号 测温上限高，响应迅速，但精度低 腐蚀性高纯物体及运动物体 因为在纤维缠绕设备的加热预浸料没有经过酚醛树脂纤维加热熔融状态，在缠绕过程中纤维一直处于运动状态。因此，我们需要温度传感器具有良好的物理和化学稳定性和抗氧能力强，同时，它应该具有测量范围宽，精度高，线性度和良好的特点。 电阻温度传感器的主要优点是： （1）测量精度高，对温度不敏感。； （2）具有较大的测量范围，灵敏度高； （3）线性度好，易于自动测量。 为了满足上述要求，制造纯金属材料往往采用电阻，特别是铂、铜、镍等，其中铂的主要优点 是物理和化学性质非常 稳定，耐氧化 能力强，在较宽 的温度范围内可 以保持上述性能，在一定温度范围内具有良好的线性度。因此，本课题将使用指数为PT100铂电阻作为温度传感器的系统，同时根据0 ~ 120℃测量绕组温度范围的要求。  第3章 缠绕系统仿真 3.1计算机仿真概述 数字仿真起源于二十世纪80年代初，计算机仿真技术的过程中发生了显著变化，通过连续的系统研究对象逐渐转向离散系统，并注意建立系统 模型和仿真结果分析 计算机仿真结果更接近真实世界。机械设计，采用计算机仿真技术，完成三维建模系统，装配和整个机械系统仿真。通过该系统的三维模型的图像，我们可以清楚地看到，整个系统满足预定的设计标准，是否有问题的运动部件之间​​的干扰，提出改进措施。计算机仿真技术对于提高机械设计效率，设备的研发速度的成套是非常重要的。 基于SolidWorks，纸完成整个系统的设计和绕线络筒机部件。基于SolidWorks参数上链机芯，系统。通过模拟绕组的运动，绕组可以在由力，加速度，速度，位移和卷绕轨道的各种自由度来计算。这些参数可以是可视呈现的图形或动画的形式。与这些参数的动画图像和可视图像，就可以在一个纺丝头，小车，主轴运动分析，这可能在的判定的问题和包装线的过程中出现的，以满足产品的要求判断可能的问题。因此，有可能实现的问题，绕线机，该原型可预先获得卷绕机之前可以找到，并且可以使该实验以确定卷绕参数的产品的生产，最小产品前的质量。目的提高时间绕线机和行参数。 3.2缠绕系统模型的构建 使用SOLIDWORK绕组仿真建模系统，可以直接调用solidworksmotion插件来模拟曲折的过程系统。然而，由于在创建整个仿真系统的绕组的数量过多，则一部分，该部分是太复杂了，对于直接模拟整个绕组系统。目前，电脑无法完成整个系统的缠绕工艺模拟。因此，为了更好地利用在计算机模拟过程资源来完成，需要减少部件的数量和系统的部件的数量，为简化模拟系统绕组之间。简化的模拟系统模拟过程不影响绕组，实现了简化的模拟系统和完整的系统是完全一样的。从而简化了模拟系统缠绕，以保持整个系统的主要机构：支持主轴，芯模主轴，手推车，手推车架，铺设头缩回机构。缠绕工艺设备主要依赖于支持与这些组织合作。卷绕系统简化现有的机构不仅可以模拟缠绕工艺，并能节省计算的电脑。 经过简化的系统的建设，新的系统将被保存，为未来的绕组仿真系统的核心模型准备。 经过多次循环后的绕组卷绕系统将模拟过程结束，但由于曲折的过程，计算和计算机数据庞大，需要记住每一时刻各运动副零部件的速度，位置和其他相关信息，从而模拟时间计算机存储的数据量越多，占用的计算机内存可能最终导致SolidWorks的出现自动关闭内存已用完。为了避免这种现象的出现，提出了模拟的线性设置一定的圆，要求，以满足视图线和铺设头速度的关键点，也可以充分利用计算机内存资源来完成绕组过程模拟。 在绕组端部的过程中，绕组的转速不稳定等，很容易引起线的现象，因此在绕组过程中不能发生转速抖动现象。在头部的 位移和速度运动 曲线的头部伤口的过程中如图 3-1(a)、图 3-1(b)所示。 图3-1 吐丝头伸出臂位移与速度曲线 从图中可以看出，在绕线过程中，运动稳定性的铺设头，无速度突变情况。将头伸缩运动时，绕组头需要一个自由度，旋转头绕组速度稳定，减少纱线的实际卷绕过程，纱线的断裂情况对卷绕过程有重要意义 提供良好的基础。 速度是铺设在头部伤口的头的过程在图3-2中曲线所示，纺丝速度汽车速度和铺放头臂的运动速度运动的合成速度图可以看到从线，落纱点移动速度一直处于稳定的突变，可以更好地完成绕组的过程。 图3-2 吐丝头速度随时间变化曲线  总结 本文的主要任务是针对目前绕线机的多功能性的现状，一般都没有很强的基础上，根据前两个自由度机械绕线机设计一个成本相对较低的模型，用三度自由度的纤维缠绕机。该绕线机可实现锥、压力容器、管道等一些常见的铁芯绕组，具有较广泛的通用性和开发的卷绕机，可大幅降低生产纤维制品的成本，对推动卷绕机的开发具有一定的作用。本文的主要工作为： (1) 通过了解相关文献，了解纤维缠绕机的历史，主要绕线机的类型和发展，未来趋势和绕线机等方面的当前状态。 (2) 本文介绍了总体设计方案和三轴联动纤维缠绕机的主要部件的设计理念，引入了绕线机，智能校正系统和热压的操作模式的张力控制系统。 (3) 基于SolidWorks的运动参数插上仿真系统络筒机，构建交互式界面，完成卷绕过程模拟分析，通过分析发现不足，提高了绕线机的设计和工艺参数可以提供帮助。  致谢 在这个毕业设计的时间我最想感谢我的导师XXX。在设计过程中也遇到了很多不明白的问题，教师XXX利用个人休息的时间帮我来分析这个问题，并提出了许多宝贵建议，为我的毕业设计的顺利完成奠定了良好的基础。在实习期间，XXX亲自率领一个星期的实习大大拓宽了我们的视野，也让我们有我们的设计理解设计感觉。接近尾声时，XXX老师仔细阅读我们的设计，很多地方提出有见地的修改意见，并在最初的设计纠正错误，给了我们很大的帮助。 最后感谢母校的大力培养。  参考文献： [1]刘道春．复合材料在高新技术中的地位与发展趋势[J]．化学工业，2012，30(9)：33．37． [2]宋力听．航天材料发展趋势分析，中国空间科学学会第七次学术年会[C]．大连：2009． [3]瑛琪，盖登宇，宋以国，等．纤维缠绕技术的现状及发展趋势[J]．材料导报，201 1，25(3)：110-1 13． [4]苏峰，于柏峰，贺晶等．纤维缠绕设备的创新和发展[J]．纤维复合材料，2008(1)：49-5 1． [5]许家忠．内固化高压玻璃钢管制造工艺及技术研究[D]．哈尔滨：哈尔滨理工大学，2007． [6]申涛．组合回转体缠绕运动控制程序开发[D]．哈尔滨：哈尔滨理工大学，2007． [7]陈静．纤维缠绕机计算机控制系统的设计及实现[D]．天津：天津工业大学，2005． [8]徐家忠，乔明，尤波．纤维缠绕复合材料成型原理及工艺[M]．北京：科学出版 社，2013． [9]宋广吉．数控滚转式纤维缠绕机的优化设计与仿真软件的开发[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009． [10]雷文，凌志达．缠绕成型玻璃钢容器的技术特点及其在我国应用现状分析[J]．玻璃钢／复合材料．2000，(3)：40．41 [11]张兴宏，赵珂，陈刚．纤维缠绕壳体的成型工艺[J]．航天工艺，2001(1)：16-20． [12]文JJ永纯．新型复合材料成型设备的进展[J]．纤维复合材料，201 1(1)：33．34 [13]陈云军，蒋秀明，杨公源．方型构件缠绕机张力控制系统的设计与实现[J]．天津工业大学学报2012，3 1(5)77．88． [14]李海宁，史耀耀，赵建钊，等．复合材料布铺放缠绕机设计与控制技术研究[J]．机械科学与技术，2008，27(7)：966-970 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