根據(jù)纖維導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計，對纏繞運動方式的特點進行分析，建立縱向纏繞數(shù)學(xué)模型，計算出纖維纏繞角，通過NC程序編程，實現(xiàn)了臥式纖維纏繞設(shè)備在縱向纏繞時的自動化運動。
摘要
為解決纖維復(fù)合材料氣瓶纏繞的問題，在臥式纏繞機上對氣瓶縱向纏繞進行試驗。根據(jù)纖維導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計，對纏繞運動方式的特點進行分析，建立縱向纏繞數(shù)學(xué)模型，計算出纖維纏繞角，通過NC程序編程，實現(xiàn)了臥式纖維纏繞設(shè)備在縱向纏繞時的自動化運動。試驗結(jié)果表明：芯模上的纖維緊密排列不松散，符合CNG氣瓶纏繞的精度要求，滿足纖維復(fù)合材料氣瓶纏繞的使用要求，驗證了利用臥式纖維纏繞機進行縱向纏繞的可行性。
《兵工自動化》2019年第12期《利用臥式纖維纏繞機進行氣瓶縱向纏繞試驗》
作者：李 珊，段學(xué)俊，吳慶堂，修 冬，張瑞君，盧 忠
單位：長春設(shè)備工藝研究所超精密加工技術(shù)研究室，長春 130012
李 珊，段學(xué)俊，吳慶堂，等. 利用臥式纖維纏繞機進行氣瓶縱向纏繞試驗[J].兵工自動化,2019, 38(12):38-41.
CNG氣瓶作為汽車能源盛裝容器的基本技術(shù)要求是耐高壓、質(zhì)量輕和高可靠性。采用復(fù)合材料氣瓶代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼制氣瓶已成為新能源汽車的發(fā)展趨勢。復(fù)合材料氣瓶在減輕氣源載體質(zhì)量的同時也提高了氣瓶的存儲能力，能夠提高新能源汽車的續(xù)航能力[1-7]。目前，纖維纏繞形式分為環(huán)向纏繞、縱向纏繞和螺旋纏繞。在進行縱向纏繞時，導(dǎo)向裝置在固定平面內(nèi)做勻速圓周運動，芯模繞自身軸線慢速旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)向裝置每轉(zhuǎn)一周，芯模轉(zhuǎn)過一個微小角度，反應(yīng)到芯模表面是一個紗片的寬度。
對于臥式纖維纏繞機而言，出紗環(huán)無法對氣瓶進行縱向360°旋轉(zhuǎn)纏繞；因此，臥式纏繞機只能進行環(huán)向纏繞和螺旋纏繞。筆者通過建立氣瓶縱向纏繞的數(shù)學(xué)模型及編制數(shù)控NC程序，使纖維導(dǎo)向裝置進行插補，從而達到利用臥式纏繞機進行縱向纏繞的目的。
1 縱向纏繞數(shù)學(xué)模型
基于纖維導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計和纖維纏繞數(shù)學(xué)模型的解算，對纖維纏繞進行工序分析、分解，編制纏繞的NC代碼，對芯模進行纖維纏繞試驗。選用材料為6061的鋁合金氣瓶作為纏繞芯模。鋁合金芯模實物與尺寸如圖1所示。
首先對氣瓶上的圓弧段進行分析。為保證纖維纏繞一個循環(huán)后，纖維束與兩端孔相切，纖維纏繞的軌跡是一條單圓平面封閉曲線，每纏繞完一個循環(huán)時，需要錯開一根纖維束寬度，纖維束與氣瓶軸線之間的交角為0°～25°?？v向纏繞纖維軌跡如圖2所示。
在縱向纖維纏繞中，纖維束與縱軸的夾角稱為纏繞角?，計算公式為
式中：L1為直筒段長度；H1、H2為纖維纏繞芯模兩端圓弧段的軸向長度；e1、e2為纖維纏繞芯模兩端圓弧段的孔半徑。
假設(shè)纖維束的寬度為B(一般為已知值)，纏繞角為 ，其在芯模圓周平行圓上所占的弧長為
與此弧長對應(yīng)的芯模轉(zhuǎn)角為
在纏繞芯模時，直筒段和圓弧段的芯模旋轉(zhuǎn)角會發(fā)生較大改變，為了地進行分析，將纏繞芯模進行分段討論，得出纏繞數(shù)學(xué)公式。
由于縱向纖維纏繞的大特點是纖維纏繞一周后在芯模上處于同一平面，直筒段的纖維束屬于縱向纏繞的一部分。由圖2可知，在直筒段的纖維纏繞角數(shù)學(xué)計算公式為
式中，c1為平面投影圖中纖維從中心軸到右圓弧段與直筒段交線一點的距離，c2為平面投影圖中纖維從中心軸到左圓弧段與筒身交線一點的距離，c1+c2即為纖維單向纏繞直筒段時，芯模轉(zhuǎn)角對應(yīng)的弧長。
設(shè)纖維出紗環(huán)從直筒段左端移動到右端時，芯模轉(zhuǎn)角為進角γ，根據(jù)式(4)和三角函數(shù)公式，可以得到纏繞進角γ公式：
縱向纖維纏繞一個循環(huán)的軌跡處于同一平面，而且纖維經(jīng)過孔并與孔相切，設(shè)纖維束在圓弧段纏繞完成時所對應(yīng)的芯模轉(zhuǎn)角為包角β。為了得到纖維束通過圓弧段時纏繞轉(zhuǎn)角(包角)的通用公式且便于理解，假設(shè)兩端孔半徑不同，同時對芯模圓弧段進行軸向投影，可以繪制出圓弧段纖維纏繞軸向投影圖，如圖2所示。在纏繞圓弧段時，由縱向纏繞原理可得包角公式為：
將式(3)和式(5)代入式(6)可得包角通用公式：
當纖維纏繞芯模兩圓弧段端的孔半徑相等且兩圓弧段具有相同高度時，設(shè)e=e1=e2，H=H1=H2，則纖維纏繞角計算公式為：
由上式可知，縱向纖維纏繞的直筒段轉(zhuǎn)角(進角)和圓弧段轉(zhuǎn)角(包角)，出紗環(huán)運動一個完成循環(huán)時，纏繞芯模需旋轉(zhuǎn)360°，并且錯過一個纖維束寬角度所對應(yīng)的轉(zhuǎn)角 ，由此可
纖維纏繞進行NC編程之前，需對纖維纏繞設(shè)備進行坐標和各運動軸關(guān)系設(shè)定，參照臥式車床的坐標設(shè)定方法，設(shè)纖維纏繞芯模軸線方向為Z軸，出紗環(huán)的縱向移動方向為X軸，旋轉(zhuǎn)軸為U軸，坐標原點為纏繞機固定端點。纖維纏繞設(shè)備設(shè)定后的坐標系如圖3所示。
由于縱向纖維纏繞時落紗點的軌跡在一個平面內(nèi)，為了更清楚表達Z向進給、X向進給、U軸進給與C軸(主軸)的匹配關(guān)系，將圓弧段纏繞在Z方向上視為直筒段纏繞，纏繞圓弧段時使出紗環(huán)進行X軸方向和Z軸方向的插補，U軸轉(zhuǎn)角隨著不同段的纏繞而進行與纏繞角α的匹配。參照之前建立的縱向纏繞數(shù)學(xué)模型，繪制Z軸、X軸和U軸與C軸(主軸)的匹配關(guān)系如圖4所示。
圖4 Z軸、X軸和U軸與C軸(主軸)的匹配關(guān)系
參照NC代碼編寫方法[8-10]，根據(jù)不同的纏繞尺寸及工藝要求，將NC代碼輸入到纖維纏繞機數(shù)控系統(tǒng)中進行纏繞試驗。相對坐標編輯中，各數(shù)控軸設(shè)定參數(shù)如圖5所示。
在初次進行纏繞試驗過程中發(fā)生了嚴重的滑線現(xiàn)象，經(jīng)分析，主要原因是纏繞芯模的圓弧段旋壓收口的尺寸精度與設(shè)計精度出現(xiàn)了偏差，導(dǎo)致纏繞角的計算不準確。另外，由于微小誤差對纏繞參數(shù)的影響較為敏感，計算出的理論值也需在試驗中進行小范圍調(diào)整以獲得理想的工藝參數(shù)。初次試驗纏繞實物效果如圖6所示。
圖5 各數(shù)控軸設(shè)定參數(shù)情況
為了解決這一問題，將纖維纏繞芯模的纏繞角進行計算后，不斷進行纏繞角的微量調(diào)整，終成功將纏繞芯模進行了縱向纏繞，并且達到纏繞質(zhì)量要求。單根纖維一個循環(huán)內(nèi)的纏繞實物如圖7所示。
在確定縱向纏繞的一個循環(huán)滿足要求后，對氣瓶進行多循環(huán)自動纏繞，直至纖維束完全纏滿整個芯模。后續(xù)纏繞過程如圖8所示。
氣瓶經(jīng)縱向纏繞后，芯模上的纖維緊密排列不松散，符合預(yù)期纏繞精度要求。利用已經(jīng)確認的工藝參數(shù)及數(shù)控程序對氣瓶進行浸膠纏繞，并按工藝要求進行固化。按照GB/T9251氣瓶水壓測試方法對完成固化的氣瓶測壓，氣瓶壓力不小于20 MPa，達到該氣瓶使用標準指標，驗證了利用臥式纏繞機進行縱向纏繞的可行性。
筆者通過對縱向纏繞模型的建立、參數(shù)的計算，從而轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)控NC程序代碼，首先在未浸膠情況下進行縱向纏繞試驗，經(jīng)多次單循環(huán)纏繞試驗，不斷校正纏繞參數(shù)，消除了嚴重滑線的情況。隨后進行氣瓶的浸膠纏繞試驗，經(jīng)固化后氣瓶上的纖維致密緊實，氣瓶可承受壓力不小于20 MPa，滿足國標要求。該研究可給臥式纏繞機增添縱向纏繞的功能，為利用臥式纏繞機進行復(fù)合纏繞形式的試驗研究提供參考依據(jù)。
