3.1四軸纖維纏繞

近期Cygnet Texkimp公司向英國國家復合材料中心(NCC)交付了一臺四軸纖維纏繞機，該機器將成為一個全新的、用于氫能源運輸和儲存的先進制造和測試設施的一部分。這種多功能纖維纏繞技術(shù)由Cygnet Texkimp開發(fā)，為NCC及其合作伙伴提供了纏繞各類纖維（從預浸料到干纖維和玻璃纖維）的能力，包括所有纖維和樹脂的組合，如高粘度和快速固化樹脂。

圖 Cygnet Texkimp 四軸纖維纏繞機

Cygnet Texkimp首席執(zhí)行官盧克·瓦爾迪說：“我們非常自豪，我們的纖維纏繞技術(shù)成為NCC世界領先的氫項目的一部分。NCC及其合作伙伴的工作站在氫能源儲罐設計和開發(fā)的新時代前沿，對于在英國確立這一制造領域發(fā)揮了重要作用。我們提供的技術(shù)具有高度的靈活性和能力，以滿足許多不同纖維纏繞應用的需求，并支持NCC的開創(chuàng)性開發(fā)工作。”

圖 Cygnet Texkimp 四軸纖維纏繞機工作狀態(tài)

英國國家復合材料中心氫能源部門負責人馬庫斯·沃爾斯-布魯克表示：“獲取這臺纖維纏繞機是我們在氫能源領域能力開發(fā)投資的延續(xù)，這臺機器主要集中在壓力容器上。它將幫助英國創(chuàng)建供應鏈，以實現(xiàn)其凈零排放的雄心。作為我們先進的設計、測試和制造氫能源設施的關(guān)鍵技術(shù)，它將用于制造多種應用的壓力容器，這一能力支持行業(yè)開發(fā)商業(yè)案例和產(chǎn)品，進入這一不斷增長的市場。”這臺纖維纏繞機設計用于同時纏繞四根纖維束。每根纖維束都有自己的張力控制單元和調(diào)節(jié)臂，用于調(diào)節(jié)進給和纏繞張力，以實現(xiàn)更快和更精準的纏繞。Cygnet Texkimp公司內(nèi)部團隊開發(fā)的定制軟件包還允許NCC記錄包括纏繞張力和速度、樹脂溫度和模具內(nèi)氣壓等數(shù)據(jù)。這臺纖維纏繞機由兩個四位置紗架提供服務，它們被設計用于將不同類型的纖維引入過程中。一個預浸料紗架解卷并引導預浸料材料進入纏繞機，并作為一個新穎的解決方案的重要部分，旨在完全隔離卷筒所需的張力和纏繞階段期間所需的張力，以確保纖維始終以最佳方式供給。第二個干纖維紗架以低張力和高精度將纖維引入過程，并設有封閉裝置，以防止空氣中的碎片釋放到環(huán)境中。這臺機器還具有兩種用于干式纏繞應用的在線展開和涂覆能力，可快速輕松部署：一個溫度控制的浸漬系統(tǒng)，配備可調(diào)節(jié)的擴展條，用于展開單根纖維束，以實現(xiàn)一致的樹脂浸漬；一個涂布鼓和刀片，用于控制施加在纖維上的樹脂量。NCC將研究這些方法在一系列應用中的纏繞應用適用性。

綜上所述，這臺先進的四軸纖維纏繞機不僅提高了纏繞過程的精準度和效率，而且通過其定制軟件和多功能設計，為國家復合材料中心在氫能源運輸和儲存領域的研發(fā)工作提供了強大的技術(shù)支持。這不僅加強了英國在該領域的制造能力，還為其實現(xiàn)凈零排放目標提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。

3.2機床數(shù)字孿生

這一領域最早由美國空軍研究實驗室針對飛行器開展工作， 提出了一種如何利用數(shù)字孿生模型來進行結(jié)構(gòu)壽命預測的方法，確保飛行器的結(jié)構(gòu)完整性。在數(shù)控機床方面，西門子結(jié)合數(shù)字孿生概念，提出了結(jié)合機床 數(shù)字孿生模型設計思路：機床的數(shù)字孿生模型須貫穿產(chǎn)品的整個制造流程，包括產(chǎn)品的設計、生產(chǎn)調(diào)試以及未來服務等所有過程。建立機床數(shù)字孿生體，完成虛擬與現(xiàn)實的相互映射，虛擬機床能夠完成對現(xiàn)實的反饋及對產(chǎn)品的持續(xù)改進。

圖 機床數(shù)字孿生模型設計思路

國內(nèi)哈工大已經(jīng)進行相關(guān)研究，基于數(shù)字孿生技術(shù)開發(fā)多軸專用纖維纏繞機的虛擬仿真平臺，建立機床整體模型，開辟機床虛擬空間，完成機床的離線及在線實時仿真功能開發(fā)，對纏繞過程的關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集，并進行可視化處理，完成纏繞過程關(guān)鍵數(shù)據(jù)監(jiān)測功能開發(fā)，實現(xiàn)軟件層面對機床的直接控制，完成機床的虛實交互功能開發(fā)，開展纏繞實驗，對軟件的虛擬仿真功能驗證。

圖 基于數(shù)字孿生技術(shù)開發(fā)的纏繞機器人

機床可進行坐標聯(lián)動且絲嘴的不會發(fā)生偏擺運動，初始狀態(tài)為絲嘴水平且軸線與芯模軸線平行，且機器人的運動仿真軌跡顯示正確；機床五坐標聯(lián)動中，絲嘴受到偏擺的影響，在纏繞開始進行時，絲嘴狀態(tài)就有所不同，如圖所示，絲嘴在初始狀態(tài)就有一定角度的旋轉(zhuǎn)且與芯模有固定角度，同時，機器人的運動仿真軌跡顯示正確。至此，機器人的纏繞運動軌跡解算完成，且纏繞軌跡驗證正確，現(xiàn)場過程如下圖所示。

4.1總結(jié)

纖維纏繞成型技術(shù)作為一種先進的加工方法，其發(fā)展歷程緊密關(guān)聯(lián)著纖維纏繞機的技術(shù)進步。自20世紀30年代以來，隨著樹脂基增強復合材料的出現(xiàn)和纖維纏繞技術(shù)的興起，纖維纏繞設備經(jīng)歷了顯著的發(fā)展。特別是在計算機和微處理器技術(shù)的推動下，纖維纏繞機從最初的自動生產(chǎn)設備演變?yōu)榛谟嬎銠C數(shù)控和機器人技術(shù)的多軸聯(lián)動高精度加工設備。

在國內(nèi)，纖維纏繞技術(shù)得到了深入研究和廣泛應用，成功制造了多種產(chǎn)品如壓力容器和儲罐，并在民用、汽車等領域日益增多。盡管我國在某些技術(shù)指標上已接近國際標準，但在復雜構(gòu)件的纏繞研究和機床核心部件的國產(chǎn)化方面仍存在不足。

4.2展望

展望未來，纖維纏繞設備的發(fā)展方向?qū)⒓性谔岣咴O備的靈活性和適應性。針對復雜構(gòu)件的纏繞需求，多軸纖維纏繞機將朝著更高自由度的方向發(fā)展。例如，引入高靈活性的機器人技術(shù)到自動纏繞過程中，不僅可以提高生產(chǎn)效率，還可以擴展纏繞技術(shù)在復雜結(jié)構(gòu)制造中的應用范圍。

國際上已有多個實例表明，機器人纏繞技術(shù)在復合材料殼狀零件制造、復雜構(gòu)件纏繞等領域的應用取得了顯著成效。國內(nèi)纖維纏繞設備發(fā)展亦應致力于機器人技術(shù)的引入和本土化研發(fā)，以提升在高精度和復雜構(gòu)件纏繞方面的競爭力。同時，隨著工業(yè)4.0和智能制造的推進，纖維纏繞設備未來還將深入探索數(shù)字孿生技術(shù)、虛擬仿真等先進技術(shù)的應用，以實現(xiàn)更高效、智能的生產(chǎn)和維護。這些技術(shù)的發(fā)展和應用，將有助于提升我國纖維纏繞技術(shù)的整體水平，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新和成長。

顧家宸.多軸專用纖維纏繞系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學,2022.

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