低成本纤维缠绕机的设计与制造外文翻译资料

 2022-08-25 09:08

Design and fabrication of low cost filament winding machine

Abstract

In general, the composite pipes are fabricated using glass fiber and polyester resin matrix by hand lay-up and also by 2-axis filament winding machine. In this work, a filament winding machine was designed and developed for the fabrication of pipes and round shape specimens. A lathe-type machine and a wet winding method were used in the design of the machine. It provides a capability for producing pipe specimens with an internal diameter up to 100 mm and lengths up to 1000 mm. The range of the winding angle, or the fiber orientation angle, starts from 20 to 90 depending on the mandrel diameter used. Mandrel speed is kept constant as 13.6 revolutions per minute (rpm) while the speed of screw of delivery unit varies from 0 rpm to a maximum of 250 rpm. In the filament winding process used, a single glass roving is drawn through a bath of pre-catalyzed resin which is mounted on the lead screw by the rotating mandrel. A control unit was used to control the whole process and achieve regular winding and good surface finish. Tube samples and other circular specimens of different dimensions were produced using this machine for the different mechanical tests and applications.

Keyword Filament winding; Composite tube; Glass fiber; Matrix; Fiber orientation angle

1. Introduction

Filament winding has emerged as the primary process for composite cylindrical structures fabrication at low cost. In this process, composite layers are successively wound on a rotating mandrel, as presented in Fig. 1.

The layers may be wrapped at different angles varying from hoop layers, which are perpendicular to the cylinder axis, to helical layers which are at an angle to the cylinder axis. The construction of composite cylinder by filament winding consists of three major steps [1], the first is the design, which includes the selection of materials, geometry, and fiber orientations while the second is fiber placement, the mechanical means by which the fibers are placed in their proper positions. Finally, the third is the selection and control of conditions which must be maintained during the

Fig. 1. Schematic of the wet filament winding process [1].

manufacturing process. A process for fabricating a composite structure in which continuous reinforcements (filament, wire, yarn, tape, or other), either previously impregnated with a matrix material or impregnated during the winding, are placed over a rotating and removable form or mandrel in a prescribed way to meet certain stress conditions. The reinforced fibers are usually made of glass, Kevlar or carbon. Owing to simplicity of process, the hardware configuration is quite standard, and generally involves two main sub-systems; the rotary assembly and the delivery system.The rotary assembly consists of two structural blocks;one fixed and the other linearly movable unit in which a 2-axis mechanically driven mandrel is mounted onto its holders. On the fixed end, the holder is connected to a rotating shaft, which is coupled to either a gear or a chain or belt reduction system, or directly to the motor unit. Generally, an AC or servo-motor is used because of its greater torque capabilities and accuracy when operating under conditions of heavy loading. For delivery system, rolls of continuous fibers are fed into a resin bath which is mounted onto the carriage rails that are commonly placed overhead to provide greater workroom. Generally, the shape is a surface of revolution and may or may not include end closures. When the required number of layers is applied, the wound form is cured and the mandrel removed. The material properties in each layer are constant but may vary from layer to layer. The mandrel is represented by a hollow cylinder with uniform effective wall thickness. The mandrel and the cylinder are of equal length and are axisymmetrical, so that neither the geometry nor the properties vary in the circumferential direction. Filament winding is defined as [2] a technique which lsquo;lsquo;produces highstrength and lightweight products; consists basically of two ingredients; namely, a filament or tape type reinforcement and a matrix or resinrsquo;rsquo;. The concept of filament winding process had been introduced in early 1940s and the first attempt was made to develop filament-winding equipment. The equipment that was designed in 1950s was very basic; performing thesimplest tasks using only two axes of motion (spindle rotation and horizontal carriage). By mid-1970s, machine design once again made a dramatic shift. This time the advancement of servo technology entered the realm of the machine design. High-speed computers allowed for rapid data processing, resulting in smoother motion and greater fiber placement accuracy. The 1980s and 1990s saw the increased use of computer technology. Computers and motion control cards became the essential pieces of hardware that were included in almost every machine. Machine speed control was greatly improved; computer control systems could track position and velocity with increased accuracy. Additional axes of motions were also incorporated into machine design;allowing for four, five and even six axes of controlled motion.

2. Manufacturing techniques

The properties of a composite product are not only dependent on the properties of fiber and resin matrix, but are also dependent on theway by which they are processed.

There are a variety of processing techniques for fabricatingcomposite parts/structure; resin transfer moulding, autoclave moulding, pultrusion and filament winding. Out of these processes, filament winding involves low cost and is the fastest technique for manufacturing of fiber reinforced cylindrical components as high-pressure pipes and tanks.

3. Winding methods

There are two different windi

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低成本纤维缠绕机的设计与制造

F.H.阿卜杜拉，S.A. Mutasher，Y.A.哈立德，S.M. sapuan*

A.M.S. hamouda，B.B. Sahari，M.M.哈姆丹

机械及制造工程 马来西亚博特拉大学，43400沙登，雪兰莪州，马来西亚

3月2日2005年，2005年6月20日，2005年8月24日

摘 要

一般情况下，复合管是手工制作而成，采用玻璃纤维和聚酯树脂基，也由轴丝绕线机缠绕而成。而在缠绕技术中，缠绕机设计在机械制造发达国家中技术逐渐成熟。车床型机和湿法缠绕方法被用来在机器的设计。它提供了一个生产内部直径达100毫米，长度可达1000毫米的管道标本。蜿蜒的范围角度或纤维取向的角度，从所用芯轴直径20度达到90度。芯棒的速度保持不变，而作为交货单元的螺杆速度从0 rpm至250 rpm甚至最大达到13.6每分钟转速（RPM）变化着。在纤维缠绕过程中使用的单一的玻璃粗纱是通过制芯棒率先安装了预催化树脂旋转拧制而成。控制单元是用来控制整个过程，实现定期绕组和良好表面完成。的功能。使用这台机器的不同管样品和其他不同尺寸的圆形标本力学性能测试和应用。

关键词 纤维缠绕复合管；玻璃纤维；矩阵；纤维取向角

一、介绍

1、在低成本制造过程中，复合材料缠绕成圆柱结构是主要的过程。

在这个过程中，复合层先后在一个旋转的芯棒缠绕，见图1。包裹层可在不同的角度箍层，这是垂直于气缸轴的螺旋层，为一个角度气缸轴。复合气瓶的制造缠绕包括三个主要步骤。首先，是材料的选择、几何、纤维取向的设计。第二，是纤维铺放的机械方法，通过其中的纤维被放置在适当的位置。最后，是条件的选择和在制造过程中必须保持控制。

2、用于制造复合结构的过程中（长丝，丝，纱，磁带，或连续增援除外），无论是在绕组材料以前的浸渍，通过旋转和移动的形式被放置或在规定的芯棒方式，以满足一定的压力条件。钢筋纤维通常由玻璃、芳纶或碳组成。由于工艺简单，硬件配置标准，一般涉及两个主要的子系统；旋转装配系统和输送系统。旋转装置由两个结构块：一个固定装置和另一个线性移动装置，其中12轴机械驱动的芯棒安装到合理位置。在固定端支架连接到旋转轴，这是耦合到一个齿轮或链或皮带的系统，也可直接连接到电机。

一般来说，交流伺服电机的使用，因为其更大的扭矩能力和在重载条件下准确性。为输送系统连续进行纤维辊送入树脂浴缸中，电机通常置于顶部，以提供更大的工作空间。材料在每一层的属性是不变的，但可能会有所不同在层与层之间。芯棒是一个中空的均匀有效的壁厚缸。芯棒气缸的长度相等，是轴对称的，因此，既不是几何，也不是物业在圆周方向的变化。

3、长丝的概念

缠绕工艺已在5月初推出20世纪40年代，第一次尝试了发展长丝卷绕设备。设备设计在20世纪50年代是非常基本的执行最简单的任务，只用两个运动轴（主轴旋转和水平运输）。到70年代中期，机械设计，再次作出了戏剧性的转变。这伺服技术的进步进入机设计的境界。允许高速计算机快速的数据处理，造成更顺畅议案和更大的光纤定位精度。 “20世纪80年代和90年代看到，越来越多地使用计算机技术。电脑和运动控制卡成为几乎包括硬件的重要部分每一台机器。机速度控制是大大改善;计算机控制系统可以跟踪位置提高精度和速度。

图1. 湿纤维维缠绕工艺原理

二、制造技术

复合产品的性能不仅依赖于纤维和树脂基体的性能，但也依赖于theway通过他们处理。也有各种用于制造加工技术复合材料部件/结构;树脂传递成型，蒸压成型，拉挤和缠绕。出这些过程中，纤维缠绕涉及成本低，是最快的光纤制造技术增强高压管道和坦克的圆柱组成部分。

三、绕线方法

绕线方法有两种不同的缠绕方法：

（1）湿绕组，其中纤维通过树脂传递浴缸和伤口上一个旋转的芯棒

（2）浸缠绕，纤维丝束预浸放在旋转的芯棒。

其中绕组法，湿法缠绕较为常见，并广泛应用于用于制造纤维增强热固性矩阵复合气瓶。与预浸绕组，湿法缠绕有几个优势：材料成本低;清盘时间短;和树脂配方可以很容易地改变，以满足特定的要求。

3.1清盘模式

在缠绕过程中，卷绕张力很容易得到控制。卷绕张力，卷绕角和/或树脂加固的每一层中的内容可以直到所需厚度和强度变化复合材料的实现。成品的属性绕组类型可以是多种多样的复合模式选择。在一般情况下，有三个基本长丝清盘模式如下。

3.1.1圈绕组

圈绕组它被称为周长或环形绕组。在箍绕组，高角度的螺旋缠绕方法90角。每个完整的旋转芯棒一个全带宽的进步乐队交付。如图2

图2 圆周或圈绕组

图3 螺旋式绕组

3.1.2螺旋绕组

螺旋绕组，在一个恒定的旋转芯棒速度的同时，纤维饲料马车横材和来回调节的速度，以产生所需的螺旋在图的角度。如图3所示

3.1．3极绕组

在极绕组，纤维通过切向极地室的一端开放，改变方向，并通过切向对面在另一端的极性开幕。换句话说，纤维包裹从南极到北极，作为芯棒臂旋转关于纵轴，如图 4所示。它用于风几乎圆顶端型轴向纤维压力容器。平行边的船只上，随后做圆周绕组。

图4 极绕组

四、拟设计的纤维缠绕机

拟设计的纤维缠绕机硬件配置示意图布局建议长丝卷绕机，如图5所示。

图5 建议绕线机的示意图

它包括三个主要单位：旋转装配单元，交付的设备和控制单元。

4.1 旋转装配单元

旋转装配单元旋转组件由两个支柱块举行上横框工作，并与电机变速箱。两个街区之一，是固定的，作为一个参考，而另一种是动产和可调节为不同芯棒长度线性。一旦芯棒分为两个自由旋转杯架，正确就位动产支柱块，然后锁定。在固定支柱年底，持有人的系统耦合电机变速箱滑轮和皮带。之间的电机和齿轮比变速箱被选定为1:60和减少之间的比例滑轮为1:2，这样的速度芯棒是固定的。

4.2 交付的设备

交付的设备包括长丝纤维的持有人，运输和导轴与丝杠。铅螺杆是由一个可逆变速电机。长丝持有人仅仅是一个两轴表，一个用于携带一个或多个长丝而另一种是作为灯丝的指导用轧辊在制造过程中的纤维。马车由容器和打磨指南系统引脚。容器被用于运载树脂的混合物而引脚被用来作为一种引导纤维树脂浴缸和关闭多余的树脂从涂片湿纤维树脂浴后。此外，脚都被使用在湿纤维张力产生之前达到芯棒。一个简单的机制被用来带回从湿纤维容器抹上树脂再次以减少树脂用量和重用用于准备产品。最佳张力为10 N已通过这项工作。这给了一个相当一致的纤维体积分数。它被发现[3]重要的是要在稍后阶段产生的紧张局势当纤维湿润，以避免纤维的树脂路径损坏。更大的湿纤维的张力产生过度纤维损伤和低紧张制作标本不可接受的细小纤维组分。

4.3控制单元

控制单元包括继电器，限位开关，定时器和计数器，如图7所示。 函数控制单元是控制缠绕工艺为了得到适当绕组序列，其中是很难达到手动，并维护电机在运行过程中。控制单元还控制这到底是防止过风量重新移动时粗纱延误和芯棒的索引，以确保每个巡回稍有重叠的前一个生产统一的纤维糊。

五、标本制作

标本制作试样的绕线机上的设置，如图6所示。

图6 安装在绕线机上的标本

制造过程包括五个步骤如下：

第一步是固定芯棒其中可能是因为铝或PVC塑料管或任何不同机器上的块圆柱轴形状使用终端装置。第二步是准备树脂洗澡，这是环氧树脂和固化剂的混合物，使用一个特定的比例，并把它在容器中。步骤如下：

1、固定芯棒其中可能是因为铝或PVC塑料管或任何不同机器上的块圆柱轴形状使用终端装置。

2、准备树脂洗澡，这是环氧树脂和固化剂的混合物，使用一个特定的比例，并把它在容器中。 “在这次调查中所使用的环氧树脂和硬化类型分别为215兆瓦的TA和兆瓦215 TB。

3、通过树脂纤维丝束洗澡，然后通过一系列芯棒引脚。这些引脚使纤维直和减少树脂在纤维中的金额。

4、控制螺杆转速给建议缠绕角。

5、后层纤维缠绕到芯棒，标本离开3小时芯棒在室温下旋转防止树脂滴，然后凝固后试样被拉断芯棒，然后切成所需的长度。缠绕角和速度之间的关系螺杆芯轴直径为12.7毫米见图8。

这已被使用的关系计算下面

其中h是缠绕角，r为的芯棒半径，牛是芯棒速度，VC是运输线速度。

NS是螺杆转速，d是螺纹距离。

人们已经发现，尤其是对角之间0和90，认为作为一个完整的模式芯轴上的玻璃盖。这一直是两层。不同最终标本样品制造和加工后的尺寸

七、原控制系统的分析

旧绕线机由机器本体、驱动系统和控制系统组成。驱动系统由两部分组成:一是机械驱动系统，主要用于对电容器的膜芯进行缠绕;二是气压驱动系统，主要用于对缠绕过程进行辅助。控制系统主要是电气控制系统。

7.1 机械传动系统

由机械传动系统、卷绕过程中的旋转运动系统和指标系统组成的两个系统，用于卷绕后的一个部件。它的两个单元是皮带轮传动和齿轮传动。

主轴电机的旋转运动带动皮带轮在中轴线上运动，同时带动齿轮通过皮带的驱动、齿轮带动卷轴的驱动旋转:通过上述两个过程，使电容器的卷绕膜芯旋转。

中间轴被固定,卷筒和备用卷筒被安排成180 °与中轴相对。分度驱动系统是用来降低一个卷绕组件，因此，该组件退出下一个进程.在同一时间，一个未完成的卷筒被卷起，以便下一个零件卷绕。该系统由链传动和行星传动两部分组成。在主轴和从主齿轮之间使用行星驱动更容易。在分度过程中，分度电机的旋转带动轴链。减速驱动链使行星驱动齿轮的外轮运动，但中轴齿轮仍被气动机构堵塞。这样，卷筒轴上的齿轮和备用卷筒轴上的齿轮就会旋转，这样就完成了卷轴与备用轴之间的上下移动。

7.2 电气控制系统

旧的电气控制系统由通用电气公司合作生产的专用控制发动机和调速装置组成。

通过按钮信号的操作板、各种光电传感器信号和卷筒光码盘的脉冲的信号的测试，特殊的控制引擎可控制整台绕线机的绕线过程，如自动送料、启动、定期绕线膜:穿孔铝箔、切断铝箔、停止绕线、分度、卸卷机组。

控制引擎不再生产，因为它只是在80年代为通用电气的产品。因此，当硬件被破坏时，很难修复，而且，GB的专用软件，基本程序组成不再被普遍使用，它有以下缺点:

1. 很难理解

2. 单轨的控制程序

3.无法保存，每次打开都需要重新输入程序

4. 需要额外的电池来保存，不方便，作为组件参数保存在控制引擎的RAM中

5. 没有保存工作数据。

八、重建后的控制系统

8.1 重建计划

旧机器和气动系统的性能良好。改造的重点是电气控制系统。主要从控制系统由PC机和PLC系统入手。

8.2 控制原理

生产数据的输入和修改由PC机屏幕完成。PLC系统是该控制系统的核心，负责整个控制，包括CPLT模块、高速计数器模块、A/D模块、D/A模块和通讯模块，整个过程包括模拟量闭环控制和开关量顺序控制。

8.2.1 模拟量开环和闭环控制

闭环控制包括速度模拟量反馈控制和绕组环数模拟量反馈控制。由PC机、PLC系统(PLC、A/D、DA、计数器等)、交流伺服系统、交流电机及相应的减速齿轮组成。

通过通信模块与PC机之间的通信，将数据输入PLC内部存储器或由PLC读取。通过A/D模块的固定读取速度，D/A模块与控制交流伺服系统的I/O端连接，控制主轴电机的启动和热、速度调节。电容器的速度和圈数由带轮和齿轮的工作来控制。

8.2.2 开关顺序控制

根据程序的要求和参数的设定，并根据调节的人为工艺、控制装置，通过识别opera盘和光电传感器的符号、控制阀、接触元件、离合器、避雷器元件等作为控制元件，PLC完成了电容的绕组。

九、软件系统

9.1 个人电脑软件

PC 程序由 VC 6.It 主要包括的后台监控程序和沟通能力

9.1.1 后台监视程序

后台监控程序由产品参数设置、缠绕工序参数设置和缠绕机远程控制两部分组成。组件参数设置接口与M-6一样，可以在该接口中添加、修改和保存组件参数卷绕过程参数设置界面，主要显示组件编号、滚动速度、当前工作组件编号和总组件编号，并增加了组件参数下载按钮。用手动操作代替PC机发送的远程控制命令，在操作面板上按下按钮，操作非常方便。

9.1.2 沟通

如果PC和PLC相互通信，则必须满足以下条件:

1.具有异步通信接口的PLG可以与具有异步通信适配器的PC机进行通信，要求它们必须采用相同的总线标准。PC机与PLC之间的通讯可由外部FXZN-232-BD模块控制;通过KS-2320半口

2. 它们的初始化使它们的波特率、停止比特数、奇偶校验码相同

3.编写PC通讯程序应该非常严格，根据PLC通讯协议2和3要求阐明PLC的通讯，这在《FXZN可编程逻辑控制gt;的机构副本》中有明确的含义，这里就不需要解释了。数据字段将按规定数量安装，PLC将直接从该数据字段中窥视，PLC将速度、部件数量等绕组程序参数写入相应的数据字段中，计算机将从该字段中窥视所需数量;通过通信器实现对PC机的远程控制，使PC机与PLC相对应PLC以PC命令为基础，在每次循环的停止位扫描结束语句后，自动组织应答，无需用PLC编写程序为了保证元件参数的完整性，PLC必须在PC机发送

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