西安工程大学本科毕业设计（论文）
第1章 绪论
1．1本文研究的目的及意义
树脂基复合材料[1]，由于其较高的比强度、比模量，抗疲劳、耐腐蚀、成形工艺性好以及可设计性强等特点，已经成为航空航天领域与铝合金、钛合金和钢并驾齐驱的四大结构材料之一。目前，虽然复合材料织造自动化技术已经有了发展，但仍然应用有限，尤其是对于那些具有相对复杂的形状的部件。而纤维铺放系统是制造复杂结构纤维增强塑料(FRP)制品的先进制造技术之一。用于制造如圆筒容器、储罐、管、球、锥形体或组合形体等正曲率回转体的制品，更适合用于制造含有负曲率的回转体表面、具有深槽、加强筋的壳体构件等外型相对复杂的FRP制品。这一特性在航空航天以及军事领域中显得尤为重要突出。纤维铺放头是纤维铺放系统中加工外形复杂的FRP构件的关键机构。它是集机、电、气一体的技术。纤维铺放头机构一般安装在五轴纤维缠绕机的绕丝头部分。其运动系统与纤维缠绕机的运动轴耦合，即利用FW系统的原有运动。铺放功能主要由铺放头机构来完成。研制自主产权的纤维铺放成型技术及设备，提高该类产品制造技术水平，将对我国航空航天及国防事业的发展具有重大意义。
1．2 纤维铺放系统
它与带铺放机的不同之处在于：它使用一组各自独立的纤维或纱线并列的铺放在芯模的表面上，而不再使用预先成型的预浸带。在铺放机上有一个纱架，架上装有多卷预浸纤维纱线（又称为预浸纱），每股纱线被送往铺放头的速率都是单独控制的。铺放头内有一套装置可以单独控制每一股纱线的铺放，它允许同时送入多股相互平行的纱线，铺放头上的压紧辊（或压紧靴）同时把所有的纱线紧紧的压在模具上形成纤维带。同时，在铺放头内还装有剪切／送纱装置，它可以任意剪断或重新输送某一股或多股纤维束。这样，在铺放过程中可以随时增加或减少需要或不需要的纱线。这种可选择的剪断纤维带中的任意一股纱线的能力可以带来许多好处。其一是纤维铺放机可以沿着弓形路径铺放纱线，这是因为每一股纱线的长度是可变的，因此每一股纱线可以比相邻的纱线延长一个不同的长度，从而铺放出一个平顺的纤维带；其二是铺放锥形体时可以在当铺放头到达芯模的小端时剪断多余的纱线以避免不必要的堆积，从而可以节省材料；其三就是可以在芯模的表面上“开窗户”，例如当芯模表面有孔时，在经过这些地方时铺
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放头可以通过剪断一根或多根纱线以避免覆盖这些地方。纤维铺放技术是在80年代中后期发展起来的。早期的纤维铺放机一般使用压紧辊把纤维束压在模具上。使用压紧辊的好处在于结构简单，便于维护，而且可以以较高的速度铺放而不会损伤纤维束。但其缺点是压紧辊在其整个宽度方向上是不可变形的，所以就不能随模具表面的变化而随之调整，当模具表面曲率较大时，压紧辊两边的纤维就压不实；相反，当模具表面存在凹面的曲率半径小于压紧辊的宽度时，中间的纤维束也不能压实。另一种是采用压紧头代替压紧辊。相对于纤维缠绕和带铺放装置有了很大的改进，但是在某些应用中还是存在缺陷。 1．2．1纤维铺放的发展简史
原子能纤维缠绕[3]成型工艺技术可追溯到20世纪40年代二战时期的美国Manhattan工程，该工程部需要重量轻的FRP(Fiber Reinforced Plastic)加强带。Richard E．Young首先考虑以高强度的玻璃钢(FRP)来代替金属，并最先形成了把纤维缠绕在芯模上的缠绕原始概念。同时设计制造了第一台著名的由旧马达和齿轮组成的简易纤维缠绕机，随后缠绕了第一个复合材料火箭动机壳体，以及用于防化学腐蚀的首条玻璃钢管道并投入使用。上世纪50年代，纤维缠绕技术已能生产各种尺寸的火箭发动机壳体，广泛用于火箭、战略导弹等尖端军用产品上。
上世纪60．70年代，缠绕制品应用领域已从军事部门扩展到化工、污水处理、石油及能系统等重要的民用部门，已可缠绕巨大体积的复合材料产品，如直径为26英尺，长为126英尺的风车叶片；直径10m，容积达1000m3的巨型储罐。该时期的纤维缠绕技术进入了腾飞阶段。上世纪80年代，由于世界性的军备竞赛，虽然纤维缠绕制品仍集中应用于航空、航天和国防项目之中，但应用领域已扩展到民用工业，丰富了民用产品的种类，如用于供水系统的高压管道，用于消防的压力容器及潜水装置等。到目前为止，绝大部分纤维缠绕机是简单的二轴联动缠绕机和三轴联动缠绕机，而且80年代以前的缠绕机都是机械控制的，首台计算机控制的纤维缠绕机诞生于这个时期。计算机控制缠绕机的研制成功使得生产纤维铺设十分精确的复合材料产品成为可能，从而可以生产出高性能、低成本、重量轻的优质缠绕部件。另外扩大了可缠绕部件的种类，从简单的直管到一些形状复杂的部件。在计算机控制系统引入到纤维缠绕技术之前，人们大多靠经验进行模式设计，是一项劳动力密集、周期长的工作。为改善这种局面，人们开始探索用计算机设计缠绕模式，即纤维缠绕CAD技术开始发展。用计算机辅助设计缠绕模式，使得缠绕模式的生成简单容易，从而减少了产品的开发和生产周期。当然，此时的软件工具十分简单，而且只能设计简单部件(如直管等)的缠绕模式。与此同时，生产效率问题已引起缠绕机设计者的重视，开发了多轴缠绕机，可以在一台缠绕机上同时缠绕多个部件。进入90年代后，发展速度明显加快，缠绕技术进入了新
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的高速发展阶段。提高劳动生产率已置于首要地位，多转轴多运动轴缠绕机已成为标准，进一步扩大商用领域，诸如基础设施、救生设备、汽车以及冷却塔等。缠绕机亦上了一个台阶，研制出了计算机控制的六轴缠绕机，从而结束了用手糊、半用糊生产常用管道配件一弯管和三通T形管的历史。同时，更多运动轴缠绕机的引入使得缠绕形状更为复杂的新产品成为可能，目前国际上已有七轴甚至多达十一轴的计算机控制纤维缠绕机。 1．2．2纤维铺放的特点 1）纤维传输
纤维铺放的第一个特点，在纤维铺放的过程中，纤维带从纱架上被绷直，经过3个坐标的腕关节到纤维铺放头上。纤维带必须经过上述路径传递，以便铺放头的操作区域不会受到很大的限制。铺放头的操作，必须保持铺放头的中心线与心轴或模具表面在沿着纤维路径的任何给定点相一致。与铺放头移动的行为密切相关的纱架，限定了纤维传输路径上方向的任意改变。传输一个绷直纱带通过这个方向的最好的方法是，采用安装在纱架和铺放头上的可改变方向的滚轮装置拉直这个纱带。这些变向滚轮必须安装在相同枢轴上，这样它可以自动调整位置而与铺放头相协调。 2) 不同的约束进给速度
纤维铺放的第二个重要特点是每个束纱都有独立的传输引导系统，因此各个束纱铺放的出纱速度可以不同。每条约束都有自己的一套由纱架到压实的传输引导轮。当铺放头将纤维从纱架上拉出并将其压在制件表面上时，在铺放的宽带范围内的每个纱束都对应着一个唯一的线长度。当铺放头层压一个曲面时，纱带外缘的纱束将会比里面的纱束拉出的长。同样，当铺放头在一个等值面上铺层时，一些纱束铺放长度必须比另一些纱束长。在纤维铺放中，各束纤维铺放的出纱速度有所差别是必需的。 3) 纱束的切断—夹紧和再启动
纤维铺放的第三个特点是，自动的切断和再启动铺放纤维。这对于不停止铺放头的层压运动而单独的切断-夹紧和再启动铺放纱束是必需的。作为脱机软件的一部分，指示切断和重新铺放纱束的指令必须根据铺放制件几何形状的要求进行编程。这个特点允许所有或任何结合在一起的纱束被剔除或添加来改变纱带的宽度，其宽度的变化量等于一束纱束宽度的整数倍。有了这个功能后，就可以通过减少纱带宽度来避免多余的材料浪费。同时在制件边缘切断所有的纱束来节省返回面积上材料的浪费。 4) 压实
纤维铺放工艺的最后一个特点就是使用一个机械压实装置将预浸纱束层压
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到模具或制件表面。压实是一个讲纱束压到制件或模具表面来排除空气的行为，同时里面纱带宽度方向上的间隙也可以被消除。在大多数情况下，在压实轮的压紧区域必须加热以减少纱束中树脂的粘度。在工艺中这部分叫作粘性加强。热量引起树脂流动，使压实辊轮能够容易地去除纱束之间的空隙。增加粘性也使铺放的纤维能与模具或前一铺层快速的粘住并且保持结合。
1．3国内外纤维铺放技术
1．3.1国外纤维铺放技术的发展
目前国外采用的纤维铺放系统是制造复杂FRP制品的先进制造技术之一。纤维铺放技术在西方少数发达国家于90年代开始研究开发，并不断推广应用，目前已应用于工业化生产。FP应用的实例有：F，A一18E／F进气道，后中心滑动板蒙皮；c一17风扇罩，起落架吊窗；BA609前机身；v一22后机身，滑动板蒙皮等。纤维铺放技术最早是作为缠绕技术的改革(新型缠绕技术)提出的，用于复合材料机身机构制造，必须针对复合材料缠绕技术的几个弱点进行创新，技术核心是多丝束铺放头的设计研制和相应材料体系开发。最早研制的有Boeing公司、Cincinnati Milacron公司、Hercules公司(Alliant Techsystems的前身)，1982年开始设备设计、工艺与材料研制等诸项工作。Boeing公司的机械工程师提出了“AVSD铺放头”(Automated Variable Sttraind Dispensing Head)设想，解决纤维束的压实、切断和重送的问题。1985年Hercules公司研制出第一台原理样机，1989年Cincinnati Milacron公司设计出第一台纤维铺放机并于1990年投入使用；1995年Ingersoll公司研制出其第一台纤维铺放成型机。经过20年的发展，国外的纤维铺放成型技术装备已经基本成熟，成型设备总自由度达到7个、丝束数目最大可达24根，最大成型构件长达15米、最大横向尺寸达4米，尺寸精度可达0．1毫米；还可以完成加筋、局部混杂等特殊功能，全自动微机程序控制。成型装备及技术(如控制与设计软件、预浸丝束技术)已经实现商品化，目前全世界已经有20多台纤维铺放设备在运转，预计到2010年世界上将有60多台纤维铺放机投入使用。
1．3.2国内纤维铺放技术的发展
纤维铺放技术目前在我国尚属空白，这类FRP制品在国内一般采用手工或者半手工操作制造，其生产效率低，制品质量不稳定，制约了我国FRP空间构件制造技术的发展和水平的提高。FRP在航空、航天方面的应用越来越广泛，如运载火箭发动机壳体、喷管、鼻锥、航天器FRP构件、飞机机翼、尾翼、旋翼及舰艇的FRP构件等。因而为了满足我国航空、航天工业对FRP构件制造的需求，研究开
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发具有我国自主知识产权的铺放系统已成为亟待解决的课题。 1．3 .3纤维铺放技术的应用
复合材料[2]纤维铺放成型技术(Fiber placement，FP)是自动铺丝束成型技术(Automated tow placement，AXP)和自动窄带铺放成型技术(Automated tap placement．AXP)的统称，是在已有缠绕和自动铺放技术基础上发展起来的一种全自动卷4造技术。目前，纤维铺放技术主要用于飞机机构的制造。Alliant Techsystems公司的前身是Hercules公司，最早开发研制纤维铺放技术，研制出多种复合材料构件：F22压翼轴采用纤维铺放技术制造，工时由728小时降到163小时，废料由97磅降到7磅，零件数由221个降到5个。直接内加筋风扇机匣，大大降低了材料成本、制造成本和制造时间并提高了损伤容限。另外还研制了Bell／BA-609倾转旋翼机机身壁板、Atlas5型运载火箭等。
Northrop Grumman公司在80年代术90年代初与Hercules和McDonnell Douglas合作最早开发纤维铺放技术，用于FtA-18E／F部件，包括进气道唇D、机身蒙皮和水平安定面蒙皮以及GE90的风扇叶片等。用纤维铺放成型技术制造出C-17的混杂纤维复合材料发动机短舱门替代原有蜂窝机构的短舱门，构件抗冲击强度提高4-6倍，废料率由50％降低到7％，制造周期由30天缩短到2天。
Boeing公司是应用纤维铺放技术最成功、研制部件品种最多的公司。最成功的例子是V22倾转旋翼机，包括后机身、中机身内蒙皮、受油管、旋翼扭管、翼梢浮筒等。它还研制了波音747和波音767进气道整流罩，RAH．66尾梁蒙皮。
Aerospatiale公司采用纤维铺放成型技术制造了Airbus飞机机翼内连杆，五根边杆在一台自行设计制造的机器上一次同时成型。芯模采用聚乙烯醇纱芯，异型截面尺寸变厚度、变铺层方向。每五十分钟生产一批，已经批量生产。
Constructions Aeronauticas S．A．公司也已采用2台纤维铺放机用于A340．500／600的发动机单壁短舱门生产，取代现有的蜂窝结构短舱门，可望提高损伤容限3倍。
1．4本文主要研究内容
本文就是研究第一部分铺放头前端的放纱过程，在这个过程中主要是要解决放纱是纤维与背衬纸的分离，也就是放卷和收卷的过程。在这个过程中为了能够保证纤维的匀速铺放，就必须使得纤维以匀线速度输送，但是在放卷和收卷的过程中由于直径是不断在变化的，所以辊轮的转速也在不停的变化，这就需要能够有合适的机构开控制辊轮的转速能使纤维以匀线速度输送。为了实现此机构本文中用了磁粉离合器和直流伺服电动机。磁粉离合器是一种性能优越的自动控制元
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