哈尔滨工业大学科技成果——数控纤维缠绕机
数控纤维缠绕机精密张力控制系统的实验研究
数控纤维缠绕机精密张力控制系统的实验研究
韩继文;伍斌;朱松青;贾延林;路华
【期刊名称】《机械工程师》
【年(卷),期】2001(000)012
【摘要】纤维缠绕是目前树脂基复合材料成型的最主要工艺手段之一,而缠绕过程中,张力的控制是缠绕技术的关键所在.文章在实验的基础上,对以磁粉离合器为执行元件的数控纤维缠绕机精密张力控制系统进行了深入的探讨与研究.
【总页数】3页(P18-20)
【作者】韩继文;伍斌;朱松青;贾延林;路华
【作者单位】徐州师范大学,江苏,徐州,221011;徐州师范大学,江苏,徐州,221011;徐州师范大学,江苏,徐州,221011;哈尔滨工业大学,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,黑龙江,哈尔滨,150001
【正文语种】中文
【中图分类】TH113.21
【相关文献】
1.数控缠绕机床嵌入式纤维张力控制系统研究 [J], 王世寰;蔡志刚;张克国
2.数控纤维缠绕机精密张力控制系统 [J], 朱松青;史金飞;伍斌;张兴奎
3.数控缠绕机精密张力控制系统 [J], 王春香;王永章;付云忠;路华;韩德东
4.数控纤维缠绕机精密张力控制系统的研究与开发 [J], 朱松青;史金飞;伍斌;张兴奎
5.编制数控纤维缠绕机张力控制系统应用程序的两种方法 [J], 朱松青;史金飞;韩继文
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数控缠绕机床嵌入式纤维张力控制系统研究_王世寰
3 实验结果
评价复合材料缠绕纤维张力控制器性能优劣的重
要指标是静差率 δ。
δБайду номын сангаас 2 ×Fa ×100%
(5)
Fm
式中 , Fa 为纤维张力幅值 , Fm 为平均纤维张力 。
不考虑纤维预张力对缠绕成型构件应力状态的
影响 ,采用测地线螺绕方式 ,缠绕用 16束纱 ,取 5组
设定张力数 据 , 样本量 均为 100。实 测数 据 结 果 如
图 1 硬件系统
112 软件系统结构 缠绕机床嵌入式纤维张力控制系统研究的软件系
统结构见图 2。缠绕机床的数控系统具有通用数控系 统的基本功能 ,其系统结构与通用数控并无太大差别 。 但系统实时内核中 ,嵌入了张力控制器 。控制器工作 时 ,可通过 SERCOS接口及伺服系统 ,获得当前各伺服 轴位置和速度信息 ,实现多轴联动的数据采样插补 ;还 可通过 SERCOS接口及 I/O 栈 ,获得缠绕实时纤维张 力数据 。
面 ,则应有 :
R ( z ( t) ) = R ( z) + n ( t) ·h
(3)
式中 , n ( t)为随时间 t变化的纤维叠层层数 , h为单层
纤维厚度 。
正常缠绕条件下 ,若纤维变形可视为弹性变形 , 联
立式 ( 2) 、( 3)和 ( 4) :
ΔF = K·
( R ( z)
+
n ( t) ·h) sinφ
111 硬件系统设计
缠绕机床数控系统主要包括工业 PC (CNC) 、伺服 驱动器和伺服电机以及用于实现模拟量 /数字量控制 的 I/O 栈 ,其中工业 PC中还要加插一块 SoftSERCANS 光纤通信板 ,如图 1 所示 。CNC与伺服驱动之间的实 时数据通讯采用 SERCOS ( Serial Real2Time Communica2 tion System ) 协 议 , SoftSERCANS 光 纤 通 信 板 就 是 软 SERCOS通信适配器 。 SERCOS是一种用于高速 、高精 度运动控制的现场总线接口和数据交换协议 。本系统 利用 I/O 栈实现了缠绕加工中纤维张力物理量的输入 输出 。CNC不仅可以和伺服系统实时地传送控制命令 和数据 (服务数据和实时操作数据 ) ,还可以向嵌入式 张力控制器实时传输服务数据 。
基于CADFIL和NUM的缠绕机控制系统设计
ｓ ｅ ｒ ｖ ｏ ｓ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｌ ，ｔ ｈ ｅ ａ ｘ ｉ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｌ ｍｏ ｖ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｏ ｕ ｔ ｒ ｉ ｇ ｇ ｅ ｒ ，ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｌ ｌ ｏ ｖ ｅ ｒ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｗｉ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｇ ｕ ｉ ｄ ｅ
Ｘｕ Ｊ ｉ ａ ｚ ｈ ｏ ｎ ｇ 一， Ｗａ ｎ ｇ Ｒｏ ｎ ｇ ｇ ｕ ｏ ， Ｇａ ｏ Ｌｉ ｙ ｅ ， Ｙ ａ ｎ ｇ Ｈｏ ｎ ｇ ｈ ｏ ｎ ｇ ， Ｚ ｈ ｏ ｕ Ｍｉ ｎ ｇ ｙ ｉ
（ １ ． Ｈａ ｒ ｂ ｉ ｎＩ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ， Ｈａ ｒ ｂ ｉ ｎ １ ５ ０ ０ ０ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ； ２ ． Ｈａ ｒ ｂ ｉ ｎＵｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄＴ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｙ， ｇ Ｈａ ｒ ｂ ｉ ｎ １ ５ ０ ０ ８ ０， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
关键词 ： 缠绕机 ； Ｃ ＡＤＦ Ｉ Ｌ软件 ； ＮＵ Ｍ 数 控 系统 ； 设 计 中 图分 类 号 ： Ｔ Ｐ ２ ７ ３ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ １ ． ３ ５ ３ ９ （ ２ ０ １ ４ ） ０ １ — ０ ０ ７ １ ． ０ ４
Байду номын сангаас
Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ Ｗ ｉ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＣＡＤＦＩ Ｌ ａ ｎ ｄ ＮＵＭ
哈尔滨工业大学科技成果——年产50吨高性能PBO纤维工程项目
哈尔滨工业大学科技成果——年产50吨高性能PBO
纤维工程项目
主要研究内容经过十多年的系统研究，哈工大黄玉东教授团队在实验室小试生产线上已经制备出拉伸强度5.0GPa，模量250GPa的高强度、高模量的PBO纤维。
相关研究已申请专利40余项，已授权的有30余项。
本项目已在大庆市高新技术开发区初步完成了中试化工作，形成了高强PBO纤维和高模PBO纤维两个品种，这两种产品接近吨级的纤维拉伸强度在5.0-5.5GPa之间，弹性模量>170GPa，热分解温度>650℃，纤维直径在12-13µm之间，长丝连续长度>3000m。
得到国家科技部资金支持3项，相关技术荣获国家技术发明二等奖和黑龙江省科学技术一等奖。
整体技术工艺水平在国内处于最先进地位，为下一步高性能PBO纤维的量产打下了坚实的基础。
应用领域高性能PBO纤维因其具有高强度、高模量、耐高温、密度低、不燃烧等特点，广泛应用于国防军工领域（如火箭发动机壳体、防弹材料、复合材料等），以及新能源、节能减等民用领域（如高温过滤材料、高温传送材料、高温隔热材料等）。
市场前景本项目拟以三期建设为主体思路，其中一期建设后规模为50吨/年，建设周期为1.5年，达产后预估销售单价在2000元/公斤，经计算年产值约为1亿元，净利润约为3500万元，实现利税约800万元。
二期建设后总规模为150吨/年，二期总投资1.8亿元，建设周期为1年，达产后预估销售单价在1800元/公斤，经计算年产值约为2.7亿元。
新产品技术
利用Ｂ ｔ ｍ－ ｐ ｏ ｏ Ｕ 方法制备基于纳米材料的纳米器件提供 ｔ
了关键技术。
目主要由武重集 团公司承担 ，华 中科技大学国家数控系
统工程技术研究 中心和镇江船舶螺旋桨厂参与，产学研
相 结合共 同研 制完 成 的。
航 天测控新推２ Ｇ数字示波器
由 北 京 航 天 测 控 技 术 开 发 公 司 自主 研 发 的
据悉 ，该机床最大加工直径达８ ｍ、高度达２ ｍ、工 作台承重 达１０ ，不仅具有精密铣削加工螺旋 桨叶面 ０吨 ＭＣ ３６ Ｇ ａｓ 采 （ 包括重叠部分 ）的功能，而且还能利用车铣功能复合 Ａ ２ ３示 波 器 模 块 是 一 款 双 通 道 ２ Ｓ／ 样 率 、 ０ＭＨ 高带宽的Ｖ Ｉ Ｘ 总线数字存储示波器模块 ，能够满 的特点 ，实现螺旋桨的一次装夹多表面 的加工，可 以大 ５ ０ ｚ 大提高我国舰艇用螺旋桨的加工质量。 足Ｖ 总线测试 系统 中对于高速信号测量与信号分析的 ＸＩ 尺寸上组合 了宽带信号 Ｃ Ｘ ６０ Ｋ ５８数控七轴五联动车铣复合加工机床项 目历 高端需求。该模块在单插槽宽ｃ 调理 、多种触发手段 、高速数据采集 、大容量数 据存 时长达４ 年之久，在主机 、控制及空间曲面加工等方面均 取得了 自主创新的成果 。其研究和开发的核心技术 ，能 储 、数字信号处理 、多 为我 国的能源行业的现代发电装备关键零部件 （ 如大型 种 波 形 运 算 等 多 种 功 叶片、水轮机转轮等 ）的制造加工提供共性加工技术和 能 。 模 块 可 由 内部 或 者 装备制造技术 ，为我国飞机发动机及火箭发动机 、舰艇 外 部源触发采集 ，采样 Ｇ ａｓ 螺旋桨制造提供高性能的国产制造装备。无论是对我国 速 率 高达 ２ Ｓ／，存 储 深度可以在０ ＭＢ ～２ 之间 国防建设，还是对国民经济相关行业的发展都具有非常 重要的意义。 任 意设置 ，模 拟信号处
纤维缠绕工艺及设备最新进展
纤维缠绕工艺进展一缠绕成型工艺简介缠绕成型工艺是将浸过树脂胶液的连续纤维（或布带、预浸纱）按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得制品。
根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同，分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。
1. 干法缠绕干法缠绕是采用经过预浸胶处理的预浸纱或带，在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上。
由于预浸纱（或带）是专业生产，能严格控制树脂含量（精确到2%以内）和预浸纱质量。
因此，干法缠绕能够准确地控制产品质量。
干法缠绕工艺的最大特点是生产效率高，缠绕速度可达100～200m/min，缠绕机清洁，劳动卫生条件好，产品质量高。
其缺点是缠绕设备贵，需要增加预浸纱制造设备，故投资较大此外，干法缠绕制品的层间剪切强度较低。
2. 湿法缠绕湿法缠绕是将纤维集束（纱式带）浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯模上。
湿法缠绕的优点为：①成本比干法缠绕低40%；②产品气密性好，因为缠绕张力使多余的树脂胶液将气泡挤出，并填满空隙；③纤维排列平行度好；④湿法缠绕时，纤维上的树脂胶液，可减少纤维磨损；⑤生产效率高（达200m/min）。
湿法缠绕的缺点为：①树脂浪费大，操作环境差；②含胶量及成品质量不易控制；③可供湿法缠绕的树脂品种较少。
3. 半干法缠绕半干法缠绕是纤维浸胶后，到缠绕至芯模的途中，增加一套烘干设备，将浸胶纱中的溶剂除去，与干法相比，省却了预浸胶工序和设备；与湿法相比，可使制品中的气泡含量降低。
三种缠绕方法中，以湿法缠绕应用最为普遍；干法缠绕仅用于高性能、高精度的尖端技术领域。
纤维缠绕成型的优点①能够按产品的受力状况设计缠绕规律，使能充分发挥纤维的强度；②比强度高：一般来讲，纤维缠绕压力容器与同体积、同压力的钢质容器相比，重量可减轻40～60%；③可靠性高：纤维缠绕制品易实现机械化和自动化生产，工艺条件确定后，缠出来的产品质量稳定，精确；④生产效率高：采用机械化或自动化生产，需要操作工人少，缠绕速度快（240m/min），故劳动生产率高；⑤成本低：在同一产品上，可合理配选若干种材料（包括树脂、纤维和内衬），使其再复合，达到最佳的技术经济效果。
蔡金刚---我国缠绕技术历程与现状定稿
我国纤维缠绕技术及产业发展历程与现状蔡金刚于柏峰杨志忠裴放哈尔滨玻璃钢研究院摘要:我国纤维缠绕技术从20世纪60年代初开始起步，到现在的成熟发展及广泛应用，大致经历了60年代初至60年代末的起步阶段、70年代初至80年代末的发展阶段、80年代末至90年代末技术完善阶段及21世纪初至今的成熟发展阶段。
关键词：纤维纤维缠绕缠绕技术一、引言我国的纤维缠绕技术和产业从无到有、从小到大，经历半个世纪几代科技工作者的不懈努力，目前我国的纤维缠绕技术及装备已处于世界先进行列，纤维缠绕复合材料产业和产品产量已位居世界第一。
今天，我们在这里进行纪念活动，回顾我国纤维缠绕技术和产业的发展历程，让我们对老一辈纤维缠绕技术的创立和开拓者、纤维缠绕产业的创立和开拓者，以及所有对我国纤维缠绕复合材料做出贡献的人士犹然起敬。
中国纤维缠绕技术的发展历程，充满了许许多多自主创新的故事，是一部自力更生、艰苦奋斗的发展史，她伴随着我国的航天航空事业而诞生和成长。
同时，中国纤维缠绕技术和产业的发展史也是中国复合材料发展史的缩影，在中国复合材料发展中占有显著地位，为中国成为复合材料产量大国做出了重要贡献。
二、纤维缠绕技术发展历程我国纤维缠绕技术的发展历程大致可分为三个阶段：起步阶段（20世纪60年代初—20世纪60年代末）●发展阶段（20世纪70年代初—20世纪80年代末）●完善和成熟发展阶段（20世纪80年代末至20世纪90年代末技术完善阶段，21世纪初至今成熟发展阶段）1.纤维缠绕技术起步阶段我国的纤维缠绕技术起步于20世纪60年代初。
哈尔滨玻璃钢研究院（原哈尔滨玻璃钢研究所）、北京玻璃钢研究院有限公司（原北京251厂）分别在哈尔滨和北京开展了纤维缠绕技术的研究。
1964年，哈尔滨玻璃钢研究院提出螺旋纤维缠绕基本规律（即切点法），并给出了这一规律的数学表达式。
在国内首次提出封头曲面上的纤维轨迹位于一个平面内，顺利解决了封头曲面纤维缠绕中心角的计算问题。
哈波院-缠绕机购买客户
一、公司简介哈尔滨复合材料设备开发公司成立于1991年6月，隶属于哈尔滨玻璃钢研究院，是哈尔滨高新技术企业。
主要产品是玻璃钢缠绕机、玻璃钢拉挤机及生产需要的相关辅助设备，设备曾出口到日本、俄罗斯、马来西亚、韩国、越南、科威特等国家，中国境内的美国独资、英国独资企业也购买我们的设备，在国际行业市场上具有一定的知名度。
公司（原哈尔滨玻璃钢研究院研究室）从1990年开始研制计算机控制缠绕机，目前，两轴、三轴及四轴计算机控制缠绕机规格齐全，已拥有计算机控制纤维缠绕机用户100余家，主要面向军工、航空航天、核工业部企业、大专院校、科研院所以及水处理膜壳和电气绝缘产品生产企业的用户，提供高性能、高品质纤维缠绕机，此类缠绕机我们的市场占率高达95%以上。
玻璃钢拉挤机也向智能化发展，拉挤工艺参数可设定、测量并记录，满足特殊拉挤制品需求。
由于公司重视产品质量、售后服务，市场信誉好，很多用户多次购买我们的设备，2005年实行ISO0001质量管理体系以来，记录统计表是用户投诉率为0，用户服务满意率高达96%以上。
请相信我们：销售业绩第一、设备质量第一、服务信誉第一。
二、主要零部件厂家公司为保证产品质量，主要机械、气动部件及仪表采用进口名牌产品、电控件采用国内知名厂家通过质量管理体系认证的产品, 如下表所示：制造厂家名称和地址主要零部件名称日本松下/三菱/富士公司交流伺服控制系统美国Data talu公司运动控制单元台湾ABBA公司直线导轨台湾研华工业计算机、功能控制卡日本OMRON 原点限位开关日本理化控温仪表日本SMC 电气比例阀、油雾分离器、气缸、减压阀正泰集团接触器上海二工指示灯与按钮三、销售业绩3.1 系列高性能、高精度、多轴、多工位计算机控制缠绕机系列高性能、高精度、多轴、多功位计算机控制缠绕机是公司的主导产品，其目的满足军工企业、航空航天企业、大专院校、科研院以及其他生产玻璃钢压力容器企业的需求，如军用特种压力容器、汽车用天然气气瓶、消防呼吸气瓶等。
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哈尔滨工业大学科技成果——数控纤维缠绕机
项目简介
复合材料缠绕技术能够最大发挥材料的性能，复合材料缠绕的产品具有强度高、重量轻、抗疲劳、耐腐蚀、寿命长等突出优点。
近几年来，哈工大先后成功地研制出不同结构形式、适应不同性能要求、缠绕不同形状制品、采用不同原材料的数控纤维缠绕机。
所研制的数控环形气瓶缠绕机、卧式数控缠绕机、车载气瓶立式数控缠绕机等设备已在多家企业和科研单位获得应用。
卧式五坐标数控纤维缠绕机
气瓶缠绕机是生产汽车燃料气瓶、呼吸气瓶、消防气瓶的主要设备，鉴于目前国内复合材料缠绕压力容器市场看好，已有数家厂商从国外引进整套缠绕生产线，但产品技术转让费用很高。
因此开发复合材料缠绕技术有极大的市场。
我国目前正积极推广代用燃料汽车以解决城市空气环境污染，液化石油气汽车已经在各个城市推广普及。
采用液化石油气作为代用燃料成为必然趋势之一，初步估算近几年每年仅气瓶需求达200-400万只，产值可达数亿元。
卧式五坐标数控纤维缠绕机展示。