摘 要

缠绕成型工艺具有突出的优点，并成为热塑树脂基复合材料的重要的成型方法。纤维缠绕机是缠绕成型工艺的重要设备，纤维缠绕机的性能决定了纤维缠绕制品的质量。随着纤维缠绕制品应用到生产生活中的各个领域，对于纤维缠绕机的功能和效率也有了新的要求。四轴纤维缠绕机能够很好满足纤维缠绕制品生产需要，实现多功能缠绕和对不规则平面进行缠绕。

本文通过SolidWorks软件对四轴纤维缠绕机机主机底座系统、床头系统、尾座系统、伸臂翻转系统及机身等部件进行三维实体建模并装配虚拟样机。通过非常直观的可视化，简单明了地反映了缠绕机的系统结构和工作原理，为纤维缠绕机的创新设计和改进提供参考。

关键词：纤维缠绕机；三维设计；SolidWorks

Abstract

The winding molding process has outstanding advantages and has become an important molding method for thermoplastic resin matrix composites. Filament winding machine is an important equipment for winding molding process. The performance of filament winding machine determines the quality of filament winding products. With the application of filament winding products in various fields of production and life, new requirements for the function and efficiency of filament winding machines are also required.The four axis filament winding machine can well meet the production requirements of filament winding products, achieve multi-functional winding and winding irregular planes.

In this paper, the SolidWorks software is used to model the three dimensional entity of the four axis filament winding machine's mainframe system, the headstock system, the tailstock system, the overarm turnover system and the fuselage, and assemble the virtual prototype. Through the very visual visualization, the system structure and working principle of the winding machine are reflected simply and clearly, and the reference for the innovative design and improvement of the filament winding machine is provided.

Key Words：Filament winding machine; three-dimensional design;SolidWorks

目 录

第1章 绪论 1

1.1国内外研究概况 1

1.2缠绕成型工艺 2

1.3论文研究的目的和意义 4

1.4论文研究主要内容 4

第2章 纤维缠绕机介绍 5

2.1纤维缠绕机分类 5

2.2四轴卧式纤维缠绕机简介 6

第3章 四轴卧式纤维缠绕机设计 7

3.1纤维缠绕机床身设计 7

3.1.1床架设计 7

3.1.2小车电机座设计 8

3.1.3床身装配 9

3.2纤维缠绕机床头设计 9

3.2.1床头主轴设计 10

3.2.2床头架设计 10

3.2.3床头装配 11

3.3纤维缠绕机尾座设计 12

3.3.1尾座螺杆设计 12

3.3.2顶尖套设计 13

3.3.3尾座装配 13

3.4纤维缠绕机伸臂翻转设计 14

3.4.1翻转系统设计 15

3.4.2张力系统设计 15

3.4.3伸臂系统设计 16

3.4.4伸臂翻转装配 17

3.5纤维缠绕机总体装配 17

总 结 18

致 谢 19

参考文献 20

第1章 绪论

与一般的单一材料相比，复合材料具有许多突出优点，可改善或避免单一材料的缺点，各材料的优势得到充分发挥，使得材料具有新的性能。主要表现在：一、极其的高比强度和髙比模量。二、良好的耐疲劳性高。三、极强的抗断裂能力。四、较好的减振性能。因此复合材料制品在国防和民用广泛应用，需求强劲。纤维缠绕技术是树脂基复合材料制造技术之一，是将在连续的纤维或布带在浸胶槽浸过树脂胶液后按设计缠绕规律缠绕到芯模上,然后在适当的温度下树脂使树脂凝固、然后蜕去芯模，制成一定形状复合材料制品的工艺过程。与其它成型工艺相比，纤维缠绕技术具有低成本和高效率的特点。为了适应工业化生产纤维缠绕制品和提高生产效率，纤维缠绕机应运而生，纤维缠绕设备的发展是推动缠绕技术发展的关键所在。

1.1国内外研究概况

纤维缠绕技术最早是美国在1947年开始研究，并在同年美国Kellog公司研发了第一台纤维缠绕机，用于生产F-84飞机的压缩空气瓶。随着玻璃纤维、碳纤维等高性能纤维的出现以及缠绕配套设备的发展，纤维缠绕工艺已经成为可靠性高且生产效率高的纤维缠绕技术，得到迅速的发展，20世纪60年代开始在几乎所有可能的领域都得到了应用，这一时期缠绕所用的纤维主要以玻璃纤维为主导。20世纪八十年代，纤维缠绕技术以航空和国防为主，但是在民用方面得到了进一步拓展。进入20世纪九十年代，纤维缠绕机进入飞速发展的阶段。商用领用进入到了汽车、体育器材等方面，此时多轴纤维缠绕机开始出现并迅速发展。国外缠绕机发展可以分为四个阶段，这四个阶段也可以作为划分缠绕机种类的方式，按照控制和自动化程度方式可以分为机械式缠绕机，数字程序控制缠绕机，和微机控制缠绕机。

1.机械控制缠绕机

机械控制缠绕机型式很多（绕臂式平面缠绕机，滚翻式缠绕机，卧式缠绕机，轨道式缠绕机，行星式缠绕机，球形缠绕机，电缆式纵环向缠绕机，新型缠管机），而其中以卧式缠绕机应用最广。

机械控制缠绕机的优点：①系统结构简单，在制造时可有效降低成本；②具有很高的可靠性，不易出故障，维修方便；③由于成本较低，广泛用于民用罐，管产品的生产。机械式缠绕机是目前应用最广泛的，同时具有广阔的发展空间。

机械控制缠绕机的缺点：①速比变化时，调整齿轮和链条较麻烦，变化产品生产时，需要准备的时间过长；②非线性缠绕精度不高，不能用于精度要求高的航天航空制品生产。

2.数字控制缠绕机

数字控制缠绕机通过传感器检测芯模偏转角度角大小和小车的位移，并将检测到的信号通过编码器转为电脉冲并通过编码盘控制控制缠绕过程。该型缠绕设备可完成非线形缠绕，使用灵活，操作简便，能满足一些特殊产品的生产要求 。但数控系统没有编程运算功能，改变线型时，需要停机调整，准备工作量较大，因而不能满足更加复杂制品的缠绕要求。

3.微机控制缠绕机

该型缠绕机在性能上发生了根本变化，缠绕功能更加完善，适应性和灵活性更强，可以实现多轴缠绕运动的控制，线形精度和重复性精度更高，运行可靠，操作简便。在微机控制缠绕机中，采用了计算机程序控制，增强了通用性和灵活性。生产这种缠绕机的主要国外公司有美国安德逊公司，德国的拜尔公司，还有我国的高校，比如武汉工业大学，武汉理工大学、哈尔滨工业大学等。

微机控制缠绕机优点：更便捷①增加了缠绕机的运动坐标数②增加了计算机硬件和软件，扩大了缠绕机控制功能③ 缠绕精度高，由于传动机构选用精密机械，保证系统有较高的定位精度和重复定位精度，所以提高了缠绕精度和制品的重现性。④由计算机程序控制，节省人力，使用方便。微机控制缠绕机缺点：太昂贵，成本太高。

微机控制缠绕机考虑成本问题，主要用于航空，航天制品的生产，机械控制缠绕机则主要于民用罐，管产品的生产，随着计算机技术及传感技术的发展，机械控制缠绕机和微机控制缠绕机得到了充分的发展，而数控缠绕机由于电气操作柜和驱动设备的落伍，已被淘汰。

1.2缠绕成型工艺

缠绕工艺是指将浸过树脂基胶液的连续纤维或布带，按照设计预定规律缠绕到芯模上，然后固化脱模成为复合材料制品的工艺过程。纤维缠绕工艺及流程如下图所示：

图1.1基本纤维缠绕机

按照纱线浸胶的顺序和缠绕设备的不同，缠绕工艺可分为干法缠绕、湿法缠绕及半干法缠绕三种。
1．干法缠绕
　　干法缠绕时，缠绕的纱线采用的是由其他工厂或者本厂纱线生产部门生产已经浸胶的纱带，纱线在进行缠绕前进行质量检测，确保各纱线质量。缠绕时，纱线通过加热设备加热到一定温度，使得纱线软化缠绕到芯模上。干法缠绕的优点是纱线质量稳定，可以使胶含量控制在一定比例，生产效率高，生产车间环境清洁。缺点是树脂流动性差，制品剪切强度低。

2．湿法缠绕
　　湿法缠绕是将纤维经浸胶槽浸渍液态树脂后，由丝嘴牵引直接缠绕在芯模上，然后再固化脱模得到制品。湿法缠绕成本比干法缠绕低40%左右，制品气密性好，内部缺陷少。由于存在液态树脂胶液，纤维磨损较少。缺点是浸胶后立即缠绕，含胶量及制品质量不易控制，同时，树脂浪费大，劳动条件较差。
3．半干法缠绕
　　半干法缠绕是将纤维在浸胶槽浸渍液体树脂胶后，在缠绕机张力系统到芯模的丝嘴机构中，增加一套烘干设备，将浸胶纱中的溶剂烘干除去，与干法相比，减少了预浸胶工序和设备；降低了成本，与湿法相比，缠绕制品的质量稳定易于控制，但比湿法过了烘干设备，增加了劳动成本。
　　综合来看，湿法缠绕具有其他缠绕所不具备的优点而广泛用于实际生产中，干法缠绕仅用于成本较高的尖端技术领域。

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