第 1 章 緒論

1.1 課題來源及研究的目的和意義

纖維復合材料主要以玻璃纖維、芳綸纖維和碳纖維為主，具有耐腐蝕、比強度高、可設(shè)計性強、易成型等特點。多年來纖維復合材料在化工行業(yè)、建筑行業(yè)、新能源產(chǎn)業(yè)、土木工程行業(yè)及航天領(lǐng)域等均有廣泛應用[1-3]。具有一定的纖維張力是纏繞成型工藝的必要條件，纏繞機按照預設(shè)的線型規(guī)律將浸滿樹脂膠液的紗線纏繞在芯模上，在纏繞結(jié)束后經(jīng)過固化和脫模從而獲得纖維制品的過程[4]。維纏繞制品除了具有復合材料的共同特點外，由于纏繞結(jié)構(gòu)的方向強度比可根據(jù)結(jié)構(gòu)要求而定，使其各部位載荷要求的強度與各部位材料提供的實際強度相適應，因而可設(shè)計成能充分發(fā)揮材料效率的結(jié)構(gòu)[5]。

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1.2 國內(nèi)外纖維纏繞機的發(fā)展狀況及發(fā)展趨勢

上世紀四十年代初機械式纏繞機發(fā)展迅速，美國人將其應用到制導系統(tǒng)、航天設(shè)備等領(lǐng)域[10]。Kellog 公司于 1947 年研發(fā)出世界上首臺纏繞機，并成功纏繞了火箭發(fā)動機殼體。此后機械式纏繞機的產(chǎn)品越來越大，型號越來越多，如EnTec公司研制了 400型纏繞機及Mcclean Andrson公司研制了 W-2型纏繞機[11]。該類纏繞機的結(jié)構(gòu)以“主軸+小車”的形式組成，其傳動方式以“鏈條+齒輪”的形式實現(xiàn)。齒輪間的傳動可以改變主軸和小車之間的速度比，通過改變鏈條的長短可以改變小車的行程。由于機械式纏繞機受機械結(jié)構(gòu)的影響，因此纏繞的纖維制品精度較低[12-14]。

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第 2 章 纏繞機的纏繞軌跡分析及優(yōu)化

2.1 軸對稱回轉(zhuǎn)體芯模軌跡設(shè)計

在本文設(shè)計的四自由度纏繞機控制系統(tǒng)中，主要對軸對稱回轉(zhuǎn)體芯模進行軌跡設(shè)計，其中間筒身段為圓柱型，而兩端封頭分別為圓球、橢圓、圓臺。紗線通過裝滿膠液的膠槽，，跟隨導絲頭的往復運動均勻的纏繞在芯模表面。

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2.2 纏繞角優(yōu)化

在實際纏繞過程中，需要根據(jù)纏繞芯模的尺寸和工藝參數(shù)對纏繞角進行計算。如果纏繞角設(shè)置不合理會導致滑紗、端部大頭等現(xiàn)象。所以本文提出一種纏繞角的優(yōu)化方法，即先計算出預設(shè)纏繞角纏繞時的芯模轉(zhuǎn)角，然后根據(jù)纖維均勻布滿的穩(wěn)定條件對纏繞角進行優(yōu)化。

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第 3 章 纏繞機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計................19

3.1 纏繞機機械結(jié)構(gòu)及工作原理...............19

3.2 控制系統(tǒng)硬件方案設(shè)計...............21

第 4 章 纏繞機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計................28

4.1 控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計................28

4.2 纏繞機上位機軟件設(shè)計...............29

第 5 章 纏繞實驗及分析...............38

5.1 纏繞機實驗設(shè)備介紹................38

5.2 實驗及分析................39

第 5 章 纏繞實驗及分析

5.1 纏繞機實驗設(shè)備介紹

本次實驗所用的四自由度纏繞機設(shè)備，由哈爾濱理工大學機電控制及自動化控制研究所開發(fā)的龍門式纏繞機。如圖 5-1 所示。該纏繞機具體參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速范圍 0-100 rpm/min；纖維張力控制為 40-60N；最大出紗速度為 180 m/min；纏繞直徑 1-1000mm；小車行程 0-4500mm；伸臂行程為 0-600mm；絲嘴旋轉(zhuǎn)范圍為±180°。

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5.2 實驗及分析

本實驗利用四自由度纏繞機上位機纏繞軟件對芯模進行線型設(shè)計與優(yōu)化，本實驗所用芯模為軸對稱回轉(zhuǎn)體容器，其封頭截面為圓、筒身段為圓柱型的容器，其模型圖如圖 5-2 所示。

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結(jié)論

纏繞機是復合材料制品成型的核心設(shè)備。二、三自由度的纏繞機由于采用“主軸跟隨”的纏繞方式，容易對控制系統(tǒng)精度造成影響。四自由度數(shù)控纏繞機雖然利用集成數(shù)控系統(tǒng)但是其不但價格昂貴并且很難進行二次開發(fā)。為了解決這些問題，本文設(shè)計了四自由度開放式數(shù)控纏繞機控制系統(tǒng)，論文所做工作歸納如下：1. 通過對軸對稱回轉(zhuǎn)體芯模進行分析，利用微分幾何原理分別對軸對稱回轉(zhuǎn)體芯模的封頭和筒身段的芯模轉(zhuǎn)角公式進行推導。建立回轉(zhuǎn)體芯模的落紗點極坐標方程，利用落紗點的極坐標與懸紗的單位切向量對導絲頭的運動方程進行求解。最后根據(jù)纖維均勻布滿的穩(wěn)定條件對預設(shè)纏繞角進行優(yōu)化。

參考文獻（略）

本文編號：583102