纖維纏繞成型技術(shù)是一種的加工方法，其中通過噴嘴將浸漬樹脂的纖維束按特定規(guī)律纏繞在芯模上，經(jīng)固化處理后形成終產(chǎn)品。這種技術(shù)的發(fā)展與纖維纏繞機(jī)的進(jìn)步密切相關(guān)。20世紀(jì)30年代，隨著樹脂基增強(qiáng)復(fù)合材料的出現(xiàn)，纖維纏繞技術(shù)開始興起。到了20世紀(jì)40年代末，代用于自動(dòng)生產(chǎn)的纖維纏繞機(jī)誕生。伴隨微處理器技術(shù)的發(fā)展，纖維纏繞機(jī)經(jīng)歷了多次升級(jí)，特別是在計(jì)算機(jī)時(shí)代，出現(xiàn)了基于計(jì)算機(jī)數(shù)控和機(jī)器人技術(shù)的纖維纏繞機(jī)，實(shí)現(xiàn)了多軸聯(lián)動(dòng)和高精度加工。

國內(nèi)學(xué)者對(duì)纖維纏繞技術(shù)進(jìn)行了深入的理論研究，并成功制造了多種纖維纏繞產(chǎn)品，如壓力容器和儲(chǔ)罐等。這些技術(shù)在民用、汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多，顯示出我國纖維纏繞技術(shù)已達(dá)到國際水平。然而，我國在機(jī)床核心部件方面依然依賴進(jìn)口產(chǎn)品。雖然國內(nèi)也進(jìn)行了相關(guān)研究，但國產(chǎn)核心部件在機(jī)床上的應(yīng)用仍然較少。在纖維纏繞領(lǐng)域，盡管我國在某些指標(biāo)上已接近國際標(biāo)準(zhǔn)，但在復(fù)雜構(gòu)件（如異形件、三通管等）的研究方面仍有所不足。

圖 COMAU機(jī)器人聯(lián)合西門子共同研發(fā)的機(jī)器人

隨著德國工業(yè)4.0的提出，各個(gè)分別提出相應(yīng)發(fā)展策略，共同朝著智能化的方向發(fā)展，在各類新興技術(shù)中，機(jī)器人占據(jù)了一席之地。工業(yè)機(jī)器人作為一種多自由度、高靈活性裝置，在智能化領(lǐng)域的多方面應(yīng)用是必然的，自20 世紀(jì)60年代美國首先研發(fā)出臺(tái)工業(yè)機(jī)器人后，各國開始進(jìn)入機(jī)器人的爭相研發(fā)階段，不同的一些標(biāo)志性時(shí)代產(chǎn)物。

表 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展進(jìn)程

圖 機(jī)器人輔助纏繞應(yīng)用場景

3.1四軸纖維纏繞

近期Cygnet Texkimp公司向英國復(fù)合材料中心(NCC)交付了一臺(tái)四軸纖維纏繞機(jī)，該機(jī)器將成為一個(gè)全新的、用于氫能源運(yùn)輸和儲(chǔ)存的制造和測(cè)試設(shè)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(yù)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(jī)

Cygnet Texkimp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世界的氫項(xiàng)目的一部分。NCC及其合作伙伴的工作站在氫能源儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)和開發(fā)的新時(shí)代前沿，對(duì)于在英國確立這一制造領(lǐng)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(yīng)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(jī)工作狀態(tài)

英國復(fù)合材料中心氫能源部門負(fù)責(zé)人馬庫斯·沃爾斯-布魯克表示：“獲取這臺(tái)纖維纏繞機(jī)是我們?cè)跉淠茉搭I(lǐng)域能力開發(fā)投資的延續(xù)，這臺(tái)機(jī)器主要集中在壓力容器上。它將幫助英國創(chuàng)建供應(yīng)鏈，以實(shí)現(xiàn)其凈零排放的雄心。作為我們的設(shè)計(jì)、測(cè)試和制造氫能源設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)，它將用于制造多種應(yīng)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(jìn)入這一不斷增長的市場。”這臺(tái)纖維纏繞機(jī)設(shè)計(jì)用于同時(shí)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(jìn)給和纏繞張力，以實(shí)現(xiàn)更快和更的纏繞。Cygnet Texkimp公司內(nèi)部團(tuán)隊(duì)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(tái)纖維纏繞機(jī)由兩個(gè)四位置紗架提供服務(wù)，它們被設(shè)計(jì)用于將不同類型的纖維引入過程中。一個(gè)預(yù)浸料紗架解卷并引導(dǎo)預(yù)浸料材料進(jìn)入纏繞機(jī)，并作為一個(gè)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，以確保纖維始終以佳方式供給。第二個(gè)干纖維紗架以低張力和高精度將纖維引入過程，并設(shè)有封閉裝置，以防止空氣中的碎片釋放到環(huán)境中。這臺(tái)機(jī)器還具有兩種用于干式纏繞應(yīng)用的在線展開和涂覆能力，可快速輕松部署：一個(gè)溫度控制的浸漬系統(tǒng)，配備可調(diào)節(jié)的擴(kuò)展條，用于展開單根纖維束，以實(shí)現(xiàn)一致的樹脂浸漬；一個(gè)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(yīng)用中的纏繞應(yīng)用適用性。

綜上所述，這臺(tái)的四軸纖維纏繞機(jī)不僅提高了纏繞過程的度和效率，而且通過其定制軟件和多功能設(shè)計(jì)，為復(fù)合材料中心在氫能源運(yùn)輸和儲(chǔ)存領(lǐng)域的研發(fā)工作提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。這不僅加強(qiáng)了英國在該領(lǐng)域的制造能力，還為其實(shí)現(xiàn)凈零排放目標(biāo)提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。

3.2機(jī)床數(shù)字孿生

這一領(lǐng)域早由美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室針對(duì)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(jìn)行結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)的方法，確保飛行器的結(jié)構(gòu)完整性。在數(shù)控機(jī)床方面，西門子結(jié)合數(shù)字孿生概念，提出了結(jié)合機(jī)床 數(shù)字孿生模型設(shè)計(jì)思路：機(jī)床的數(shù)字孿生模型須貫穿產(chǎn)品的整個(gè)制造流程，包括產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)試以及未來服務(wù)等所有過程。建立機(jī)床數(shù)字孿生體，完成虛擬與現(xiàn)實(shí)的相互映射，虛擬機(jī)床能夠完成對(duì)現(xiàn)實(shí)的反饋及對(duì)產(chǎn)品的持續(xù)改進(jìn)。

圖 機(jī)床數(shù)字孿生模型設(shè)計(jì)思路

國內(nèi)哈工大已經(jīng)進(jìn)行相關(guān)研究，基于數(shù)字孿生技術(shù)開發(fā)多軸纖維纏繞機(jī)的虛擬仿真平臺(tái)，建立機(jī)床整體模型，開辟機(jī)床虛擬空間，完成機(jī)床的離線及在線實(shí)時(shí)仿真功能開發(fā)，對(duì)纏繞過程的關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行可視化處理，完成纏繞過程關(guān)鍵數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能開發(fā)，實(shí)現(xiàn)軟件層面對(duì)機(jī)床的直接控制，完成機(jī)床的虛實(shí)交互功能開發(fā)，開展纏繞實(shí)驗(yàn)，對(duì)軟件的虛擬仿真功能驗(yàn)證。

圖 基于數(shù)字孿生技術(shù)開發(fā)的纏繞機(jī)器人

機(jī)床可進(jìn)行坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)且絲嘴的不會(huì)發(fā)生偏擺運(yùn)動(dòng)，初始狀態(tài)為絲嘴水平且軸線與芯模軸線平行，且機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真軌跡顯示正確；機(jī)床五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)中，絲嘴受到偏擺的影響，在纏繞開始進(jìn)行時(shí)，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(shí)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真軌跡顯示正確。至此，機(jī)器人的纏繞運(yùn)動(dòng)軌跡解算完成，且纏繞軌跡驗(yàn)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)作為一種的加工方法，其發(fā)展歷程緊密關(guān)聯(lián)著纖維纏繞機(jī)的技術(shù)進(jìn)步。自20世紀(jì)30年代以來，隨著樹脂基增強(qiáng)復(fù)合材料的出現(xiàn)和纖維纏繞技術(shù)的興起，纖維纏繞設(shè)備經(jīng)歷了顯著的發(fā)展。特別是在計(jì)算機(jī)和微處理器技術(shù)的推動(dòng)下，纖維纏繞機(jī)從初的自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備演變?yōu)榛谟?jì)算機(jī)數(shù)控和機(jī)器人技術(shù)的多軸聯(lián)動(dòng)高精度加工設(shè)備。

在國內(nèi)，纖維纏繞技術(shù)得到了深入研究和廣泛應(yīng)用，成功制造了多種產(chǎn)品如壓力容器和儲(chǔ)罐，并在民用、汽車等領(lǐng)域日益增多。盡管我國在某些技術(shù)指標(biāo)上已接近國際標(biāo)準(zhǔn)，但在復(fù)雜構(gòu)件的纏繞研究和機(jī)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(shè)備的發(fā)展方向?qū)⒓性谔岣咴O(shè)備的靈活性和適應(yīng)性。針對(duì)復(fù)雜構(gòu)件的纏繞需求，多軸纖維纏繞機(jī)將朝著更高自由度的方向發(fā)展。例如，引入高靈活性的機(jī)器人技術(shù)到自動(dòng)纏繞過程中，不僅可以提高生產(chǎn)效率，還可以擴(kuò)展纏繞技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用范圍。

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