卧式纤维缠绕机三轴缠绕头结构设计【任务书+开题报告+SolidWorks+CAD+说明书】.rar

毕业设计任务书学生姓名周世奇院系机电工程学院专业、班级机械设计制造及其自动化 20-4校内指导教师姓名刘长喜职称教授从事专业工程力学是否外聘是否企业指导教师姓名王云茹职称高级工程师从事专业机械设计是否外聘是否题目名称卧式纤维缠绕机三轴缠绕头结构设计 一、设计目的、意义纤维缠绕机是一种用于复合材料缠绕成型工艺的成型设备，它属于非标设备，包含缠绕运动控制系统（机器人）、缠绕安装工作台及模具、缠绕头及其控制系统、张力控制装置四部分。本论文将主要探讨卧式纤维缠绕机的缠绕头结构部分的设计。包括总体设计、走纱路径机构设计、滚轮组设计、运动机构设计。在比较几种方案的基础上研究出缠绕头最佳方案，优化缠绕机的缠绕效率及缠绕精度。二、设计内容、技术要求（研究方法）本课题针对国内为卧式纤维缠绕机进行对比分析，同时纤维缠绕工艺进行了阐述，纤维缠绕工艺及装备的应用领域。在此基础之上，针对我国目前纤维缠绕机的的发展现状，参考了一些现存的设备特点，在原有基础上，设计了一种先进的纤维缠绕机缠绕头。本设计完成了对卧式纤维缠绕机的缠绕头工作原理分析和总体结构方案设计，绘制了总体结构装配示意图，走纱路径机构、滚轮组、运动机构的装配图和其他零部件图，同时对运动机构的传动系统进行了设计和走纱路径机构进行设计，并进行了典型传动部件的校核计算。2、技术要求:(1)最大回转速度 15rad(2)最大定位精度 0.2(3)穿纱区域直径 165 mm(4)最大走纱速度 2m/s(5)承载张力范围 0-200N(6)丝嘴转动范围 -180180三、设计完成后应提交的成果1、设计说明书（不少于 1.5 万字）；2、A0 图纸 2 张，A1A4 图纸若干张，图纸总量不少于 3 张 A0。四、设计进度安排2023.12.2012.22：分配任务，明确设计内容；2023.12.232024.3.17：查阅资料，书写开题报告；2024.3.184.20：进行总体设计方案分析，拟定总体设计方案；2024.4.214.30：机械系统和传动系统参数的计算；2024.5.15.12：卧式纤维缠绕机缠绕头的总体结构设计；2024.5.135.23：零件图及装配图的绘制；2024.5.246.10：编写设计说明书；2024.6.116.19：送交评阅人、准备答辩。五、主要参考资料1 胡传炘.特种加工手册M.北京:北京工业大学出版社：20052 赵丁选.光机电一体化设计使用手册S.北京:化学工业出版社：20033 吴宗泽.机械设计使用手册S.北京 化学工业出版社：1999.14 朱孝录.齿轮传动设计手册S.北京：化学工业出版社：2004.75 王三民.机械原理与设计M.机械工业出版社,2001.6 机床设计手册编写组.S.北京：机械工业出版社：1986.127 现代机械传动手册编委会.现代机械传动手册S.北京：机械工业出版社：1995.48 苗淑杰等.机械设计实践S.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社：2003.2六、备注指导教师签字：年 月 日系主任签字：年 月 日毕业设计开题报告毕业设计开题报告设 计 题 目:设 计 题 目:卧式纤维缠绕机三轴缠绕头结构设计院 系 名 称:院 系 名 称:机电工程学院 专 业 班 级:专 业 班 级:机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名:学 生 姓 名:周世奇 导 师 姓 名:导 师 姓 名:王晓宏 王云茹 开 题 时 间:开 题 时 间:2024 年 3 月 17 日 指导委员会审查意见：签字：年 月 日1 课题研究目的和意义碳纤维是一种含碳量在 90%以上的碳主链结构无机纤维，由有机纤维在高温惰性气体中裂解碳化制成，属于新材料中的高性能复合材料。碳纤维材料性能具有优越的突出特点：一是高强度，抗拉强度在 3500MPa 以上；二是高模量，弹性模量在 230GPa 以上；三是低密度，密度是钢的 1/4；四是高比强度，比钢大 16倍；五是耐超高温，可耐 2000以上的高温惰性环境；六是耐低温，在-180低温下依然具有弹性；七是耐酸、耐油、耐腐蚀，其耐腐蚀性能超过黄金和铂金；八是热膨胀系数小，导热系数大，耐急冷急热1。随着复合材料缠绕技术的发展，在航空航天领域，很多金属材料制成的关键结构件正在逐步地被复合材料缠绕制品所代替。但也由于一些制品缠绕工艺比较复杂，缠绕制品的质量难以保证，传统的复合材料缠绕工艺逐渐遭遇瓶颈。因此，开发五轴联动缠绕设备具有非常重要的意义2。纤维缠绕机是一种用于复合材料缠绕成型工艺的成型设备，它属于非标设备，包含缠绕运动控制系统（机器人）、缠绕安装工作台及模具、缠绕头及其控制系统、张力控制装置四部分。本论文将主要探讨卧式纤维缠绕机的缠绕头结构部分的设计。包括总体设计、走纱路径机构设计、滚轮组设计、运动机构设计。在比较几种方案的基础上研究出缠绕头最佳方案，优化缠绕机的缠绕效率及缠绕精度。2 文献综述2.1 国外发展现状国外针对玻璃钢纤维缠绕机控制系统的研究比较早。1946 年，首个纤维缠绕技术专利在美国注册，纤维缠绕成型工艺开始发展。1947 年，美国 Kellog公司制造了世界第一台机械缠绕机。机械式控制即借传动系统本身调节控制。如链条式缠绕机，一般通过调整挂轮调出缠绕规律和排纱密度。计算排纱密度时精确到小数点后第 8 位。常用工具书是挂轮选取表。70 年代前用手算，后用计算器算。微小的角位移将影响产品上的排线精度并导致不稳定，故马氏机构一类的传动不宜采用。按实现形成螺旋线的主运动方式，所用的缠绕机的布局类型在 20 世纪 60 年代已基本完成，如图 2.1 所示3。图 2.1随着更加复杂缠绕要求的提出,60 年代中期出现了液压伺服式玻璃钢缠绕机控制系统,美国在 1963 年便发布了滚转式缠绕机专利，见图 2.2。图 2.2 滚转式纤维缠绕机直至上世纪 70 年代市场上才出现与计算机技术相结合的玻璃钢纤维缠绕机控制系统,随后,随着计算机技术的发展使得纤维缠绕更加自动化和精确化4。20世纪 80 年代以来，微机控制纤维缠绕机(MCFW)发展甚快。知名厂家有美国安德逊公司、哥德华赛工程公司（Goldsworthy Engineering）、工程技术公司（Entec-Engineering Technology）、德囯百事得(BSD)公司、华特与威瑟(Waltritisch&Wachter)公司等。现在国际市场上的缠绕机已达到六轴，如图2.3 所示。图 2.3 美国安德逊公司微机控制 6 轴纤维缠绕机动作20 世纪 90 年代以后,玻璃钢纤维缠绕机控制系统发展速度逐渐加快。如何提高劳动生产率并提高通用性成为开发玻璃钢纤维缠绕机控制系统的首要任务。美国工程技术专家 MichaelL.Skinner3提出,使用机械链条、机械凸轮等控制策略进行控制的玻璃钢纤维缠绕机机械式控制系统存在缺乏通用性的缺点。为解决以上问题,MichaelL.Skinner3提出使用计算机开发基于计算机数控技术的玻璃钢纤维缠绕机控制系统,实现轴对称形状的玻璃钢管道缠绕。美国伦斯勒理工学院 E.Castro 等人4指出旋转芯模对轴对称形状的限制问题。针对以上问题，E.Castro4等人开发出了机器人玻璃钢纤维缠绕机控制系统进行异型构件玻璃钢制品的缠绕。进入 21 世纪，纤维缠绕机实现主运动的布局方式有了新的发展。日本岐阜大学与村田机械有限公司开发了“多元供给纤维缠绕”(MFGMulti Supply Filament Winding)机，其主轴同时作轴向直线移动与绕己轴线迴转运动，从而实现螺旋线缠绕。该机可以测地线和非测地线缠气瓶，亦可生产管道。其采用 180个碳纤维纱筒，实现自动化缠绕。提高了生产率，所产管道抗扭强度得到大幅提升，并拟生产汽车零部件。见图 2.4 至图 2.7。图 2.4 芯模双轴向运动式纤维缠绕机 图 2.5 日本多元供给纤维缠绕法原理图图 2.6 芯模双轴向运动式纤维缠绕机（日本）图 2.7 芯模双轴向运动式纤维缠绕机局部英国的 Pultrex 有限公司指出玻璃钢纤维缠绕机控制系统通用性差、实时通信能力弱等问题。针对以上问题，Pultrex 有限公司提出采用通用数控系统开发出了四轴联动玻璃钢纤维缠绕机数控系统5。Ma Quanjin6等人提出，随着缠绕技术和无线技术的发展，如何使用移动软件应用程序控制玻璃钢纤维缠绕机实现纤维制品的缠绕逐渐成为一个热门的研究方向。Ma Quanjin6等人提出了基于无线技术的玻璃钢纤维缠绕机控制系统设计方案，该系统实现利用手持设备控制玻璃钢纤维缠绕机进行玻璃钢制品的缠绕。如北马奇顿麦科罗公司（MICROSAM）开发的辅助机器人纤维缠绕自动生产线，从内衬输送、装卸内衬或缠绕好的工件，直到固化为成品，连续进行。可生产 CNG 罐、LPG 罐、燃料电池用氢气瓶等产品，单条生产线年产能逾 6 万件。见图 2.8、图 2.9。图 2.8 辅助机器人纤维缠绕机（北马奇顿）图 2.9 纤维缠绕自动生产线（北马奇顿）2.2 国内发展现状北京 251 厂(北京玻璃钢研究院，时称所)与哈尔滨玻璃钢研究院(时称所)分别于 1965 年和 1966 年推导出不同表述方式的纤维缠绕规律，并开发了机械控制的卧式纤维缠绕机。1965 年，北京 251 厂设计了我国首台卧式纤维缠绕机“525”（见图 2.10），该缠绕机于 2011 年“退休”。1966 年，设计了齿链式机械无级调节缠绕规律的环链卧式纤维缠绕机，此机不用挂轮，可便捷地调节缠绕规律与排纱密度，生产了多种规格的气瓶。从结构布局考虑，对生产 15L 及其以下气瓶用的链条式缠绕机采取链传动垂直面布置（如图 2.11 之“525”）；生产 20L 及其以上气瓶用的链条式缠绕机采取链传动水平面布置，其链轮由前者的两只变为四只。图 2.10“525”我国第一台环链卧式纤维缠绕机图 2.11 无级调节缠绕规律的环链卧式纤维缠绕机传动系统1974 年，北京 251 厂成功研制 X2 型行星式纤维缠绕机9，10，传动系统中采用了三轴同心行星原理，见图 2.12 与图 2.13。图 2.12 行星式纤维缠绕机图 2.13 行星式纤维缠绕机（北京 251 厂）2002 年，哈尔滨玻璃钢研究院为哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所设计了滚转式纤维缠绕机，见图 14。图 2.14 滚转式纤维缠绕机（哈工大）王莉娟7等人认为，目前夹砂玻璃钢纤维缠绕机控制系统在进行管道的加工过程中存在封头堆积严重问题，且系统操作复杂，稳定性差。为了解决以上问题，王莉娟7等人提出了夹砂玻璃钢纤维缠绕机控制系统的设计方案，该系统实现了在进行玻璃钢管道缠绕过程中运行稳定、缠绕精度高。20 世纪 90 年代起，国内一些企业和大学纷纷开展了 MCFW 和机器人缠绕机研发，如哈尔滨玻璃钢研究院、武汉理工大学（图 2.15）、哈尔滨工业大学、中船 625 所、武汉九迪复合材料公司、哈尔滨理工大学（图 2.16）、南京航空航天大学等。图 2.15 微机控制七轴四联动双小车重型缠绕机图 2.16 微机控制环形气瓶缠绕机2008 年，重庆庆阳公司成功研发全自动连续复合管道生产线。该线无笨重的供给平台，整体重量减轻；干法供料系统改为浸润供料系统；使用高温替代常温固化，强度提升 10%以上；树脂可循环使用，内外密闭加温，节约能源。哈尔滨理工大学研发弯头自动缠绕机与三通缠绕机，见图 2.17、图 2.18。图 2.17 弯头自动缠绕机（哈尔滨理工大学）图 2.18 三通缠绕机（哈尔滨理工大学）2020 年，重庆庆阳控股（集团）有限公司、河南省沁阳市复合材料研究院与阳县福瑞普建材公司分别成功研制直径为 10250mm 高效连续缠绕玻璃钢管生产线。此线无钢带建模，在简捷的设备上，低成本高效率完成玻璃钢管道的连续成型，生产速度可以达到 2m/min，其诀窍为牵引履带机公转自转同步进行。通过分析国内外现有文献可知，就目前而言，与发达国家相比，我国在自主研发方面还是略逊一筹，但是瑕不掩瑜，在某些方面，我国的水平已经逼近，甚至于超过了发达国家，达到了世界先进水平。随着我国纤维缠绕工业的不断发展，已然在此方面具有了一定的国际影响力。3 设计基本内容、拟解决的主要问题3.1 设计基本内容(1)缠绕头的各部分位置与运动范围设计；(2)依据当前国内五轴联动纤维数控缠绕机设计，本文缠绕头设计具有三个动力驱动轴:绕丝嘴旋转的 B 轴，伸臂伸缩的 X 轴，丝嘴以伸臂运动方向 X 轴为基准做左右摆动运动的方向 C 轴。(3)丝嘴滚轮组结构设计3.2 拟解决的主要问题(1)通过计算各部分零件参数，确定零件尺寸，保证各部分不会出现相撞的问题；(2)对丝嘴滚轮进行受力分析，以此为基础确定丝嘴滚轮形状；(3)对全体进行受力分析，以此为基础确定相关箱体和材料的种类。4 技术路线或研究方法4.1 技术路线设计预分为 X 轴的伸臂设计，C 轴的旋转设计，B 轴的丝嘴回转体设计，根据缠绕机的工作情况，需要控制 X 轴的伸臂，C 轴的旋转，B 轴的丝嘴回转体。确定设计方案为五轴纤维缠绕机缠绕头，分别实现工作需要的三种运动。具体路线设计如图 4.1。图 4.15 总体方案设计5.1 方案一1、B 轴电动机-锥齿轮组-丝嘴（如图 5.1）图 5.12、C 轴电动机-锥齿轮组-传动轴（如图 5.2）图 5.23、X 轴电动机-减速器-齿轮齿条-伸缩臂（如图 5.3）图 5.35.2 方案二1、B 轴电动机-斜齿轮组-丝嘴（如图 5.4）图 5.42、C 轴电动机-换向器-斜齿轮组-传动轴（如图 5.5）图 5.53、X 轴电动机-减速器-滚珠丝杠-伸缩臂（如图 5.6）图 5.65.3 方案设计比较1、电动机为了保证运动的平稳性，电机全部选用伺服电机。.2、B 轴根据机械结构设计方案，若此处使用锥齿轮，则锥齿轮为一级传动，占用空间大，成本高，线速度高、噪音大；故直接选用斜齿轮组传动，体积小、重量轻、传递扭矩大、起动平稳、相对好加工，成本较小。3、C 轴若齿轮箱中选用锥齿轮，则占用空间大，此时与之连接的电机可能有与上方箱体相撞的可能性；若选用斜齿轮，则占用空间合理，且与之相连接电机无与上方箱体相撞的可能性。4、X 轴齿轮齿条结构相对较简单，但此处精度要求更高，滚珠丝杠制造精度较高，摩擦力小，噪音小，寿命较高，相对来说维护成本更小。5.4 方案设计选择方案对比锥齿轮组斜齿轮组换向器齿轮齿条滚珠丝杠方案一21方案二211单个价格（元）285599114205表 5.11、经济性比较：方案一价格：228+1114=170 元方案二价格：25+1599+1205=814 元方案二价格大于方案一。2、安全性比较：方案一由于结构问题，占用空间较大，因此突出暴露出来的部位较多，且悬空部位较多，易造成磕碰事件的发生；方案二相对来说部件占用空间较小，突出部位较少，发生的事故相对来说较少。3、可持续发展性比较：方案一采用的锥齿轮、齿轮齿条虽在价格上相比较便宜，但是传动效率低，不宜在大功率下长期连续工作，磨损较严重，长期维护成本较高，不利于机器的可持续性使用；方案二采用的斜齿轮、滚珠丝杠传动效率高、使用寿命长、传动比恒定、传递速度与功率范围都很大，长期维护成本较少，较为符合可持续性使用。故综合来看，方案二比方案一更为合适。1、B 轴伺服电动机-斜齿轮组-丝嘴2、C 轴伺服电动机-换向器-斜齿轮组-传动轴3、X 轴伺服电动机-减速器-滚珠丝杠-伸缩臂6 设计进度安排2023.12.2012.22：分配任务，明确设计内容；2023.12.232024.3.17：查阅资料，书写开题报告；2024.3.184.20：进行总体设计方案分析，拟定总体设计方案；2024.4.214.30：机械系统和传动系统参数的计算；2024.5.15.12：卧式纤维缠绕机缠绕头的总体结构设计；2024.5.135.23：零件图及装配图的绘制；2024.5.246.10：编写设计说明书；2024.6.116.19：送交评阅人、准备答辩。7 主要参考文献1 陆玮聪.碳纤维产产业发展态势与商业银行服务策略选择J.时代经贸,2023.20(4):1562 冯消冰,吴任东,袁朝龙，焦玮.五轴联动数控纤维缠绕机及其张力系统的 设计J.现代机械,2016;2-53 陈博.国内外复合材料工艺设备发展述评之二纤维缠绕成型J.复 合材料科学与工程,2023(S1):10-244 温虓睿，黄永亮.数控纤维缠绕机的机械机构设计研究J.纤维复合材料，2023，4:29-335 张宗正.四轴玻璃钢纤维缠绕机控制系统设计与开发D.西安电子科技大学：20206 Skinner M L,Roser R R,Samowitz K J.Computer control of fiber glass filament winding machinesJ.IEEE transactions on industry applications,1985(4):1057-1063.7 Castro E,Seereeram S,Singh J,et al.A real-time computer controller for a robotic filament winding systemJ.Journal of Intelligent and Robotic Systems,1993,7(1):73-93.8 富宏亚.纤维缠绕/铺带/铺丝成型设备的发展状况J.哈尔滨工业大学,2009.9 Quanjin M,Rejab M R M,Idris M S,etal.Wireless technology applied in 3-axis filament winding machine control system using MIT app inventorC/IOP Conference Series:Materials Science and Engineering.IOP Publishing,2019,469(1):012030.10王莉娟.基于 Trio 的夹砂玻璃钢管缠绕机控制系统研制D.哈尔滨理工大学,2008.11尹秀云,吕贵平.五轴联动多功能微机控制纤维缠绕机控制系统的设计J.纤维复合材料,2005,1:47-4812沈春锋，任洵涛，韩江，程楠楠，王亮.纤维缠绕张力控制系统设计研究J.制造业自动化,2020,42(4):94-9613杨庚雨.机器人与机床混合的双通道缠绕机控制系统关键技术研发D.华中科技大学,202214许家忠.缠绕原理M.科学出版社,201315孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理(第八版)M.高等教育出版社,2013I摘要摘要碳纤维是一种含碳量在 90%以上的碳主链结构无机纤维，由有机纤维在高温惰性气体中裂解碳化制成，属于新材料中的高性能复合材料。碳纤维(CF 或者石墨纤维)是直径约为 5-10 微米的纤维，主要由碳原子组成。碳纤维具有几个优点，包括高刚度、高抗拉强度、低重量、高耐化学性、耐高温和低热膨胀。这些特性使得碳纤维在航空航天、土木工程、军事和赛车运动以及其他竞赛运动中非常受欢迎。然而，与类似纤维如玻璃纤维或塑料纤维相比，它们相对昂贵。其特点是：强度和模量都比较高，耐温性比较好，重量强，因此此种材料的应用范围非常的广泛，因此设计一台合理能满足市场需求的缠绕机是非常具有研究意义的，本次毕业设计的主要题目是三轴碳纤维缠绕机，其主要结构是 X轴横向移动机构和 Y 轴旋转机构、Z 轴旋转机构等机构主要零部件组成，在本论文中，详细介绍了组成结构，进行了对蜗轮蜗杆传动机构的设计，最后并使用三维设计软件 solidworks 绘制了整套设备的三维图，并使用二维设计软件AutoCAD 绘制了装配图和关键零部件图纸。关键字：缠绕；蜗轮蜗杆；solidworks关键字：缠绕；蜗轮蜗杆；solidworksIIabstractCarbon fiber is a type of inorganic fiber with a carbon backbone structure containing over 90%carbon.It is made by cracking and carbonizing organic fibers in high-temperature inert gas,and is a high-performance composite material in new materials.Carbon fiber(CF or graphite fiber)is a fiber with a diameter of approximately 5-10 microns,mainly composed of carbon atoms.Carbon fiber has several advantages,including high stiffness,high tensile strength,low weight,high chemical resistance,high temperature resistance,and low thermal expansion.These characteristics make carbon fiber very popular in aerospace,civil engineering,military and racing sports,as well as other competitive sports.However,compared to similar fibers such as glass fiber or plastic fiber,they are relatively expensive.Its characteristics are:high strength and modulus,good temperature resistance,and strong weight.Therefore,the application range of this material is very wide.Therefore,designing a reasonable winding machine that can meet market demand is of great research significance.The main topic of this graduation project is the three-axis carbon fiber winding machine,which is mainly composed of the main components of the X-axis lateral movement mechanism,Y-axis rotation mechanism,Z-axis rotation mechanism,and other mechanisms.In this paper,the composition structure is introduced in detail,and the worm gear transmission mechanism is designed.Finally,the three-dimensional design software Solidworks is used to draw the three-dimensional diagram of the entire equipment,and the assembly diagram and key component drawings are drawn using the two-dimensional design software AutoCAD.Keywords:entanglement;Worm gear and worm gear;SolidworksIII目录目录第一章 绪论.11.1 碳纤维用途介绍.11.2 国外发展现状.11.3 国内发展现状.51.4 本论文研究对象.7第二章 整体结构方案介绍.82.1 蜗轮蜗杆传动机构介绍.82.2 伺服系统介绍.92.3 设备整体介绍.10第三章 Z 轴旋转机构计算.113.1Z 轴旋转机构运行原理.113.2 主要技术参数.123.3 传动方案的确定.123.4 蜗轮及蜗杆的选用与校核.133.5 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸.173.6 伺服电机的选择及运动参数的计算.193.7 蜗杆轴的校核与计算.203.8 齿轮上键的选取与校核.213.9 轴承选用.223.10 润滑与密封.233.11 间隙消除设计.243.12 直线导轨选型.26第四章 solidworks 折叠式 3D 打印机建模.284.1SolidWorks 三维软件介绍.284.2 轴承法兰实体建模.294.3 丝杠螺母限位挡板 SolidWorks 建模过程.31结 论.34致 谢.35参考文献.361第一章 绪论第一章 绪论1.1 碳纤维用途介绍1.1 碳纤维用途介绍碳纤维是一种含碳量在 90%以上的碳主链结构无机纤维，由有机纤维在高温惰性气体中裂解碳化制成，属于新材料中的高性能复合材料。碳纤维材料性能具有优越的突出特点：一是高强度，抗拉强度在 3500MPa 以上；二是高模量，弹性模量在 230GPa 以上；三是低密度，密度是钢的 1/4；四是高比强度，比钢大16倍；五是耐超高温，可耐2000以上的高温惰性环境；六是耐低温，在-180低温下依然具有弹性；七是耐酸、耐油、耐腐蚀，其耐腐蚀性能超过黄金和铂金；八是热膨胀系数小，导热系数大，耐急冷急热1。随着复合材料缠绕技术的发展，在航空航天领域，很多金属材料制成的关键结构件正在逐步地被复合材料缠绕制品所代替。但也由于一些制品缠绕工艺比较复杂，缠绕制品的质量难以保证，传统的复合材料缠绕工艺逐渐遭遇瓶颈。因此，开发五轴联动缠绕设备具有非常重要的意义2。纤维缠绕机是一种用于复合材料缠绕成型工艺的成型设备，它属于非标设备，包含缠绕运动控制系统（机器人）、缠绕安装工作台及模具、缠绕头及其控制系统、张力控制装置四部分。本论文将主要探讨卧式纤维缠绕机的缠绕头结构部分的设计。包括总体设计、走纱路径机构设计、滚轮组设计、运动机构设计。在比较几种方案的基础上研究出缠绕头最佳方案，优化缠绕机的缠绕效率及缠绕精度。1.2 国外发展现状国外针对玻璃钢纤维缠绕机控制系统的研究比较早。1946 年，首个纤维缠绕技术专利在美国注册，纤维缠绕成型工艺开始发展。1947 年，美国 Kellog 公司制造了世界第一台机械缠绕机。机械式控制即借传动系统本身调节控制。如链条式缠绕机，一般通过调整挂轮调出缠绕规律和排纱密度。计算排纱密度时精确到小数点后第 8 位。常用工具书是挂轮选取表。70 年代前用手算，后用计算器算。微小的角位移将影响产品上的排线精度并导致不稳定，故马氏机构一类的传动不宜采用。按实现形成螺旋线的主运动方式，所用的缠绕机的布局类2型在 20 世纪 60 年代已基本完成，如图 1.1 所示3。图 1.1随着更加复杂缠绕要求的提出,60 年代中期出现了液压伺服式玻璃钢缠绕机控制系统,美国在 1963 年便发布了滚转式缠绕机专利，见图 2.2。图 1.2 滚转式纤维缠绕机直至上世纪 70 年代市场上才出现与计算机技术相结合的玻璃钢纤维缠绕机控制系统,随后,随着计算机技术的发展使得纤维缠绕更加自动化和精确化4。20世纪 80 年代以来，微机控制纤维缠绕机(MCFW)发展甚快。知名厂家有美国安德逊公司、哥德华赛工程公司（Goldsworthy Engineering）、工程技术公司（Entec-Engineering Technology）、德囯百事得(BSD)公司、华特与威瑟(Waltritisch&Wachter)公司等。现在国际市场上的缠绕机已达到六轴，如图32.3 所示。图 1.3 美国安德逊公司微机控制 6 轴纤维缠绕机动作20 世纪 90 年代以后,玻璃钢纤维缠绕机控制系统发展速度逐渐加快。如何提高劳动生产率并提高通用性成为开发玻璃钢纤维缠绕机控制系统的首要任务。美国工程技术专家 MichaelL.Skinner3提出,使用机械链条、机械凸轮等控制策略进行控制的玻璃钢纤维缠绕机机械式控制系统存在缺乏通用性的缺点。为解决以上问题,MichaelL.Skinner3提出使用计算机开发基于计算机数控技术的玻璃钢纤维缠绕机控制系统,实现轴对称形状的玻璃钢管道缠绕。美国伦斯勒理工学院 E.Castro 等人4指出旋转芯模对轴对称形状的限制问题。针对以上问题，E.Castro4等人开发出了机器人玻璃钢纤维缠绕机控制系统进行异型构件玻璃钢制品的缠绕。进入 21 世纪，纤维缠绕机实现主运动的布局方式有了新的发展。日本岐阜大学与村田机械有限公司开发了“多元供给纤维缠绕”(MFGMulti Supply Filament Winding)机，其主轴同时作轴向直线移动与绕己轴线迴转运动，从而实现螺旋线缠绕。该机可以测地线和非测地线缠气瓶，亦可生产管道。其采用 180个碳纤维纱筒，实现自动化缠绕。提高了生产率，所产管道抗扭强度得到大幅提升，并拟生产汽车零部件。见图 2.4 至图 2.7。4图 1.4 芯模双轴向运动式纤维缠绕机 图 1.5 日本多元供给纤维缠绕法原理图图 1.6 芯模双轴向运动式纤维缠绕机（日本）图 1.7 芯模双轴向运动式纤维缠绕机局部英国的 Pultrex 有限公司指出玻璃钢纤维缠绕机控制系统通用性差、实时通信能力弱等问题。针对以上问题，Pultrex 有限公司提出采用通用数控系统开发出了四轴联动玻璃钢纤维缠绕机数控系统5。Ma Quanjin6等人提出，随着缠绕技术和无线技术的发展，如何使用移动软件应用程序控制玻璃钢纤维缠绕机实现纤维制品的缠绕逐渐成为一个热门的研究方向。Ma Quanjin6等人提出了基于无线技术的玻璃钢纤维缠绕机控制系统设计方案，该系统实现利用手持设备控制玻璃钢纤维缠绕机进行玻璃钢制品的缠绕。如北马奇顿麦科罗公司（MICROSAM）开发的辅助机器人纤维缠绕自动生产线，从内衬输送、装卸内衬或缠绕好的工件，直到固化为成品，连续进行。可生产 CNG 罐、LPG 罐、燃料电池用氢气瓶等产品，单条生产线年产能逾 6 万件。见图 2.8、图 2.9。5图 1.8 辅助机器人纤维缠绕机（北马奇顿）图 2.9 纤维缠绕自动生产线（北马奇顿）1.3 国内发展现状北京 251 厂(北京玻璃钢研究院，时称所)与哈尔滨玻璃钢研究院(时称所)分别于 1965 年和 1966 年推导出不同表述方式的纤维缠绕规律，并开发了机械控制的卧式纤维缠绕机。1965 年，北京 251 厂设计了我国首台卧式纤维缠绕机“525”，该缠绕机于 2011 年“退休”。1966 年，设计了齿链式机械无级调节缠绕规律的环链卧式纤维缠绕机，此机不用挂轮，可便捷地调节缠绕规律与排纱密度，生产了多种规格的气瓶。从结构布局考虑，对生产 15L 及其以下气瓶用的链条式缠绕机采取链传动垂直面布置；生产 20L 及其以上气瓶用的链条式缠绕机采取链传动水平面布置，其链轮由前者的两只变为四只。2002 年，哈尔滨玻璃钢研究院为哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所设计了滚转式纤维缠绕机。王莉娟7等人认为，目前夹砂玻璃钢纤维缠绕机控制系统在进行管道的加工过程中存在封头堆积严重问题，且系统操作复杂，稳定性差。为了解决以上问题，王莉娟7等人提出了夹砂玻璃钢纤维缠绕机控制系统的设计方案，该系统实现了在进行玻璃钢管道缠绕过程中运行稳定、缠绕精度高。20 世纪 90 年代起，国内一些企业和大学纷纷开展了 MCFW 和机器人缠绕机研发，如哈尔滨玻璃钢研究院、武汉理工大学、哈尔滨工业大学、中船 625所、武汉九迪复合材料公司、哈尔滨理工大学、南京航空航天大学等。62008 年，重庆庆阳公司成功研发全自动连续复合管道生产线。该线无笨重的供给平台，整体重量减轻；干法供料系统改为浸润供料系统；使用高温替代常温固化，强度提升 10%以上；树脂可循环使用，内外密闭加温，节约能源。哈尔滨理工大学研发弯头自动缠绕机与三通缠绕机。2020 年，重庆庆阳控股（集团）有限公司、河南省沁阳市复合材料研究院与阳县福瑞普建材公司分别成功研制直径为 10250mm 高效连续缠绕玻璃钢管生产线。此线无钢带建模，在简捷的设备上，低成本高效率完成玻璃钢管道的连续成型，生产速度可以达到 2m/min，其诀窍为牵引履带机公转自转同步进行。通过分析国内外现有文献可知，就目前而言，与发达国家相比，我国在自主研发方面还是略逊一筹，但是瑕不掩瑜，在某些方面，我国的水平已经逼近，甚至于超过了发达国家，达到了世界先进水平。随着我国纤维缠绕工业的不断发展，已然在此方面具有了一定的国际影响力。1.4 未来发展趋势纤维缠绕成型技术作为一种先进的加工方法，其发展历程紧密关联着纤维缠绕机的技术进步。自 20 世纪 30 年代以来，随着树脂基增强复合材料的出现和纤维缠绕技术的兴起，纤维缠绕设备经历了显著的发展。特别是在计算机和微处理器技术的推动下，纤维缠绕机从最初的自动生产设备演变为基于计算机数控和机器人技术的多轴联动高精度加工设备。在国内，纤维缠绕技术得到了深入研究和广泛应用，成功制造了多种产品如压力容器和储罐，并在民用、汽车等领域日益增多。尽管我国在某些技术指标上已接近国际标准，但在复杂构件的缠绕研究和机床核心部件的国产化方面仍存在不足。展望未来，纤维缠绕设备的发展方向将集中在提高设备的灵活性和适应性。针对复杂构件的缠绕需求，多轴纤维缠绕机将朝着更高自由度的方向发展。例如，引入高灵活性的机器人技术到自动缠绕过程中，不仅可以提高生产效率，还可以扩展缠绕技术在复杂结构制造中的应用范围。7国际上已有多个实例表明，机器人缠绕技术在复合材料壳状零件制造、复杂构件缠绕等领域的应用取得了显著成效。国内纤维缠绕设备发展亦应致力于机器人技术的引入和本土化研发，以提升在高精度和复杂构件缠绕方面的竞争力。同时，随着工业 4.0 和智能制造的推进，纤维缠绕设备未来还将深入探索数字孪生技术、虚拟仿真等先进技术的应用，以实现更高效、智能的生产和维护。这些技术的发展和应用，将有助于提升我国纤维缠绕技术的整体水平，推动相关产业的创新和成长。1.4 本论文研究对象(1)缠绕头旋转机构的设计；(2)依据当前国内五轴联动纤维数控缠绕机设计，本文缠绕头设计具有三个动力驱动轴:绕丝嘴旋转的 B 轴，伸臂伸缩的 X 轴，丝嘴以伸臂运动方向 X 轴为基准做左右摆动运动的方向 C 轴。8第二章 整体结构方案介绍第二章 整体结构方案介绍2.1 蜗轮蜗杆传动机构介绍2.1 蜗轮蜗杆传动机构介绍蜗轮蜗杆机构常用来传递两交错轴之间的运动和动力。蜗轮与蜗杆在其中间平面内相当于齿轮与齿条，蜗杆又与螺杆形状相似。蜗轮蜗杆机构通常两轴交错角为 90，一般是以蜗杆为主动件。从外形上看,蜗杆类似螺栓，蜗轮则很像斜齿圆柱齿轮。工作时，蜗轮轮齿沿着蜗杆的螺旋面作滑动和滚动。为了改善轮齿的接触情况，将蜗轮沿齿宽方向做成圆弧形,使之将蜗杆部分包住，这样蜗杆蜗轮啮合时是线接触，而不是点接触。蜗轮蜗杆的特点：（1）可以得到很大的传动比，比交错轴斜齿轮机构紧凑。（2）两轮啮合齿面间为线接触，其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构。（3）蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪音很小。（4）具有自锁性。当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆。如在起重机械中使用的自锁蜗杆机构，其反向自锁性可起安全保护作用。（5）传动效率较低，磨损较严重。蜗轮蜗杆啮合传动时，啮合轮齿间的相对滑动速度大，故摩擦损耗大、效率低。另一方面，相对滑动速度大使齿面磨损严重、发热严重，为了散热和减小磨损，常采用价格较为昂贵的减摩性与抗磨性较好的材料及良好的润滑装置，因而成本较高。（6）蜗杆轴向力较大。在蜗轮蜗杆传动中，蜗轮轮齿的失效形式有点蚀、磨