摘 要

随着科技的进步，不断涌现出多种新型材料并成功应用于人们的日常生产和生活当中。其中，复合材料以其优异的综合性能，广泛应用于多个领域。在复合材料的成型工艺中，纤维缠绕成型工艺由于具有产品强度高、可整体成型及能更好发挥纤维高强度特性等特点，得到了广泛的应用。纤维缠绕机作为生产聚合物基复合纤维缠绕制品的专用设备，它的设计和生产是机械制造行业中的一个新门类 。但国内大多数缠绕机大都是 2、3 轴的，还远远不能满足我国工业现代化的要求 ，所以本课题以纤维缠绕技术为基础，研制了一台四自由度小型卧式纤维缠绕机。

本文在以前两自由度机械式缠绕机的基础上，设计出一台新型四轴联动小型卧式纤维缠绕机。该缠绕机的四个自由度分别为：小车沿导轨往复直线运动、芯模主轴转动、吐丝头伸缩与回转运动，通过计算机控制这四个自由度联动完成常见芯模的缠绕过程 。在CAXA平台下，完成了缠绕机这四部分的结构设计，并画出了图纸。

关键词：缠绕机；四自由度；工作原理；结构

Abstract

With the development of science and technology，a variety of new materials continuously appears and they are applied to people's daily production and life successfully. Among them, composite materials are widely used in many fields for their excellent multiple-function. Among the composite material molding processes, the fiber winding molding process because of the productions high intensity, the overall shape and the fully using of the high-strength characteristics of fiber, has been widely used in many fields. As a special equipment of producing polymer matrix composite fiber-wound products, the industry of designing and producing the machinery manufacturing now is a new category. However,most of domestic winding machine is 2,3-axis,so this topic will develop a 4-dof compact horizontal fiber winding machine based on fiber winding technology.

Based on the formerly mechanical winding machine，a new 4-Axis fiber horizontal
winding machine is designed .The 4 degrees of freedom of the machine are spindle rotates，winding car forward and backward motion，telescopic and slewing motion of guide-wire head.．The 4-Axis of the machine are controlled by computer，which can wind common mandrels such as pressure vessel mandrel In the CAXA platform，the structure design of the four components are completed and draw the drawings.

Key Words: winding machine;4-dof;working principle;structure

目录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 纤维缠绕机国内外发展状况与趋势 1

1.2.1 纤维缠绕机国外发展状况 1

1.2.2纤维缠绕机国内发展状况 2

1.2.3纤维缠绕机的发展趋势 2

1.3 课题研究的目的和意义 3

1.4 课题研究的内容及预期目标 3

1.4.1 课题研究内容 3

1.4.2 课题研究的预期目标 4

第二章 纤维缠绕的基本原理及公式 5

2.1 纤维缠绕原理概述 5

2.2 纤维缠绕的理论模型及公式 5

2.3纤维缠绕的基本公式 6

2.3.1转速比 6

2.3.2 缠绕中心角 6

2.3.3 芯模转角 7

2.3.4 缠绕机功率 7

第三章 纤维缠绕机及其缠绕线型分析 8

3.1纤维缠绕机的主要结构类型 8

3.2纤维缠绕基本线型的分析 9

3.2.1 环向缠绕 10

3.2.2 纵向缠绕 10

3.2.3 螺旋缠绕 11

3.3纤维均匀缠满芯模的条件 12

第四章 基于CAXA的4轴小型卧式缠绕机的设计 13

4.1设计前的相关计算 13

4.2小型卧式缠绕机的总体结构设计 13

4.3主轴和主轴手轮尾座 15

4.4卧式缠绕机主轴箱的设计 16

4.5卧式纤维缠绕机小车支架的设计 17

4.6卧式缠绕机行走小车的设计 17

4.6.1 传动方案 17

4.6.2 行走小车运动机构设计 19

4.7 吐丝头的伸缩与回转机构 20

4.7.1吐丝头伸缩机构 20

4.7.2 吐丝头回转机构 21

4.8张力检测控制系统 22

第五章 总结与展望 24

5.1 论文总结 24

5.2 展望 25

参考文献 26

致谢 27

第一章 绪论

1.1 引言

从本世纪初提出大分子长链结构奠定复合材料科学的基础，到建立起巨大的复合材料工业体系，复合材料从书本概念转变到大规模应用，仅仅用了短短几十年时间。在这几十年中，复合材料以其具有的高强度、高模量、比重小、良好的化学稳定性等优异性能，迅速得到了相关行业的认可。现在在建筑、航天、汽车、能源、化工等行业所用到的材料中，复合材料均占有很大比重。现代高科技的发展离不开复合材料，复合材料对现代科学技术的发展，有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模，已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。自动纤维缠绕术作为一种新型的复合材料制造技术，已被公认为是一个经济有效的高性能复合材料产品生产技术，其设备与工艺的研究已成为当代先进制造技术的一个重要发展方向^[1]。

1.2 纤维缠绕机国内外发展状况与趋势

1.2.1 纤维缠绕机国外发展状况

国外缠绕机的发展主要经历了三个历程：机械式缠绕机、数字程序控制缠绕机、计算机控制缠绕机。

20世纪40年代中期，国际上正式提出了纤维缠绕技术的概念。1946年纤维缠绕技术取得美国发明专利，1947世界上第一台机械式缠绕机被美国Kellog公司制造出来。在这段时期研制的缠绕机均是两自由度机械式缠绕机，其控制系统是由皮带、齿轮、滑轮和链条等组成的机械系统，主轴转速与小车移动速度的绕速比由齿轮啮合传动比决定。由于受齿轮传动的影响，机械式缠绕机不能缠绕任意缠绕角的纤维产品，而且产品的精度不高。