碳纖維增強(qiáng)碳/碳坩堝預(yù)制體柔性纏繞成形系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

摘要：

為解決目前手工增強(qiáng)纏繞碳/碳坩堝預(yù)制體無(wú)法保證產(chǎn)品一致性及生產(chǎn)效率低下的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種碳纖維增強(qiáng)坩堝預(yù)制體柔性纏繞成形系統(tǒng)。基于非測(cè)地線法提出了適用于一端平面封頭一端橢球封頭特殊回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)坩堝芯模的線型設(shè)計(jì)流程，介紹了計(jì)算機(jī)輔助線型設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊及實(shí)現(xiàn)方法，并對(duì)設(shè)計(jì)線型進(jìn)行了仿真；根據(jù)纏繞特性設(shè)計(jì)了四自由度專用纏繞機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，基于可編程控制器和觸摸屏設(shè)計(jì)了四自由度纏繞機(jī)控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了碳纖維增強(qiáng)纏繞實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：纏繞機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，纖維可連續(xù)穩(wěn)定地纏繞在芯模表面，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)碳/碳坩堝預(yù)制體的自動(dòng)化纏繞。

關(guān)鍵詞：碳/碳預(yù)制體；碳纖維增強(qiáng)纏繞；非測(cè)地線；線型軌跡；控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP23；TB33

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.007

Design and Experimental Study of a Flexible Winding Forming System for Carbon Fiber Reinforced Carbon/Carbon Crucible Preform

WANG Zheng1，2 DONG Jiuzhi1，2 CHEN Yunjun3 JIANG Xiuming1，2

1.School of Mechanical Engineering，Tiangong University，Tianjin，300387

2.Advanced Mechatronics Equipment Technology Tianjin Area Major Laboratory，Tiangong University，Tianjin，300387

3.School of Control Science and Engineering，Tiangong University，Tianjin，300387

Abstract： In order to solve the problems of product consistency and low production efficiency caused by manually reinforced carbon/carbon crucible preforms， a flexible winding forming system of carbon fiber reinforced crucible preform was proposed. The line type design process of crucible core die for special rotary body structure with one end plane head and one end ellipsoid head was presented based on the non-geodesic method. Each module and implementation method of computer aided line type design were introduced， and the design line type was simulated. A special winding machine with four degrees of freedom was designed according to the winding characteristics. The control system of four-axis winding machine was designed based on programmable controller and touch screen， and the winding tests were carried out. It is indicated that the winding machine runs stably and the fiber may be wound continuously and stably on the surfaces of the core die， and the system may realize automatic winding of carbon fiber reinforced carbon/carbon crucible preforms.

Key words： carbon/carbon preform； carbon fiber reinforced winding； non-geodesic； line type trajectory； control system

收稿日期：2022-09-05

0 引言

碳/碳復(fù)合材料具有低密度、高模量、高強(qiáng)度、抗腐蝕、低膨脹系數(shù)、高抗熱振性和高尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)異特性［1-2］。隨著近年來(lái)太陽(yáng)能光伏發(fā)電的迅速發(fā)展，對(duì)直拉法單晶硅爐熱場(chǎng)部件碳/碳坩堝的尺寸和壽命要求越來(lái)越高［3-4］。碳/碳坩堝由高強(qiáng)度碳纖維增強(qiáng)碳基體復(fù)合材料制備而成，但通過(guò)針刺技術(shù)成形的碳/碳坩堝預(yù)制體存在Z向連續(xù)纖維不足和周向力學(xué)性能較弱的缺點(diǎn)，進(jìn)行增強(qiáng)纏繞可較好地彌補(bǔ)該缺點(diǎn)，提高制品力學(xué)性能，延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命［5-7］。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)纏繞成形方法及設(shè)備進(jìn)行了大量研究。鄒財(cái)勇等［8］針對(duì)運(yùn)載火箭中錐形零部件的纏繞技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行了研究，描述了纏繞工藝及原理，并進(jìn)行了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。許家忠等［9］基于局部曲面纏繞法和機(jī)器人軌跡規(guī)劃，開發(fā)了一套集復(fù)雜異形件設(shè)計(jì)與制造一體的機(jī)器人系統(tǒng)。祖磊等［10］結(jié)合最優(yōu)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)研究了環(huán)形壓力容器非測(cè)地線纏繞線型，對(duì)環(huán)形壓力容器纏繞線型進(jìn)行優(yōu)化并進(jìn)行了線型纏繞軌跡仿真。ANDRIANOV等［11］詳細(xì)介紹了大長(zhǎng)徑比軸對(duì)稱復(fù)合材料壓力容器低成本纏繞成形技術(shù)和方法，總結(jié)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并通過(guò)微機(jī)控制設(shè)備進(jìn)行了纏繞實(shí)踐。ROJAS等［12］基于測(cè)地線理論和非測(cè)地線理論，開發(fā)了一套通用的纏繞設(shè)計(jì)系統(tǒng)，既可用于軸對(duì)稱芯軸纏繞，也適用于復(fù)雜芯軸纏繞，并在四軸纏繞機(jī)上進(jìn)行了纏繞實(shí)驗(yàn)。

綜上所述，眾多學(xué)者對(duì)纏繞技術(shù)的研究主要針對(duì)管道、軸對(duì)稱壓力容器和具有凹凸面的復(fù)雜異形件。碳/碳坩堝預(yù)制體的形狀是一端橢球封頭一端平面封頭的特殊非軸對(duì)稱回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，關(guān)于碳纖維增強(qiáng)碳/碳坩堝預(yù)制體纏繞的相關(guān)研究鮮有報(bào)道。本文對(duì)碳纖維增強(qiáng)碳/碳坩堝預(yù)制體纏繞技術(shù)及設(shè)備進(jìn)行研究，介紹了計(jì)算機(jī)輔助線型設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊及設(shè)計(jì)流程，并對(duì)線型進(jìn)行仿真模擬，根據(jù)線型特性及坩堝預(yù)制體特殊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了增強(qiáng)纏繞專用纏繞機(jī)，基于可編程控制器（松下PLC）和昆侖通態(tài)觸摸屏（MCGS）建立了纏繞機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)纏繞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可靠性和可行性，為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

1 纖維纏繞CAD設(shè)計(jì)

纖維纏繞CAD設(shè)計(jì)可以模擬纖維纏繞軌跡，進(jìn)行分析比對(duì)找到最合適的纏繞線型，避免通過(guò)纏繞機(jī)反復(fù)試?yán)p來(lái)對(duì)比線型優(yōu)缺點(diǎn)，從而縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品一致性。CAD系統(tǒng)主要包括芯模設(shè)計(jì)、纏繞規(guī)律選擇、纏繞線型優(yōu)化和計(jì)算機(jī)仿真［13］。

1.1 芯模設(shè)計(jì)

纖維按照一定規(guī)律排布在芯模表面，坩堝芯模主要由圓柱段、橢球封頭和平面封頭組成，輸入各段幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)即可生成芯模造型。坩堝幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，R為圓柱段半徑，L為圓柱段長(zhǎng)度，a為橢球封頭長(zhǎng)半軸，b為橢球封頭短半軸，h為封頭高度。通過(guò)針刺工藝成形的碳/碳坩堝預(yù)制體具有一定厚度，因此在輸入幾何參數(shù)時(shí)應(yīng)考慮預(yù)制體的厚度。

1.2 纏繞規(guī)律選擇

纏繞規(guī)律是指絲嘴和芯模間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可總結(jié)為環(huán)向纏繞、縱向纏繞和螺旋纏繞。環(huán)向纏繞規(guī)律一般需要與其他兩種纏繞規(guī)律配合使用，纏繞角較大；縱向纏繞規(guī)律主要用于軸對(duì)稱小長(zhǎng)徑比筒型容器，纏繞角度較小；螺旋纏繞規(guī)律纏繞角介于環(huán)向纏繞角和縱向纏繞角之間，相較于其他兩種纏繞，螺旋纏繞規(guī)律較為復(fù)雜［14］。在實(shí)際纏繞時(shí)，應(yīng)考慮產(chǎn)品幾何結(jié)構(gòu)、負(fù)載特性、強(qiáng)度性能、使用環(huán)境和設(shè)備情況等，選擇合適的纏繞規(guī)律。對(duì)于特殊回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的坩堝芯模，一般可采用多循環(huán)螺旋纏繞與環(huán)向纏繞相結(jié)合的方式進(jìn)行纏繞。

1.3 線型設(shè)計(jì)

碳纖維增強(qiáng)碳/碳坩堝預(yù)制體纏繞可采用環(huán)向纏繞加螺旋纏繞方式進(jìn)行纏繞，其坩堝芯模圓柱段殼體一端為橢球封頭一端為平面封頭。基于非測(cè)地線理論，針對(duì)坩堝芯模的特殊結(jié)構(gòu)，為了提高纖維利用率，在滿足橢球封頭極孔處纏繞角為90°的同時(shí)還應(yīng)滿足芯模平面封頭端的纏繞角為90°，這樣纖維在纏繞過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)反向返回纏繞。由于平面封頭與圓柱段直徑相同，因此可根據(jù)纏繞分段計(jì)算原理將其分為橢球封頭段和圓柱段進(jìn)行研究。橢球封頭段非測(cè)地線穩(wěn)定纏繞方程為［15］

dαdz=λ［（1+r·2）sin2α－r¨cos2α］r（1+r·2）cosα

－r·sinαrcosα（1）

dθdz=1+r·2rtanα（2）

式中，α為纏繞角；θ為中心轉(zhuǎn)角；λ為滑移系數(shù)；r為子午線方程；r·、r¨分別為子午線方程對(duì)芯模軸線坐標(biāo)z的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)。

纖維穩(wěn)定纏繞的條件為λ≤μs，μs為靜摩擦因數(shù)。當(dāng)λ=0時(shí)，方程變?yōu)榭巳R羅方程；當(dāng)λ≠0時(shí)，微分方程組沒(méi)有解析解，可通過(guò)邊界條件，運(yùn)用數(shù)值方法求解得到沿芯模軸線方向各點(diǎn)處的纏繞角和中心轉(zhuǎn)角。

由于芯模圓柱段的子午線方程等于常數(shù)，因此式（1）、式（2）可化簡(jiǎn)為

dαdz=－λsin2αrcosα（3）

dθdz=－tanαr（4）

根據(jù)芯模材質(zhì)與碳纖維間的最大靜摩擦因數(shù)可以確定滑移系數(shù)λ的取值范圍，采用數(shù)值分析中的四階龍格-庫(kù)塔法可得到纖維軌跡中各特征點(diǎn)處的纏繞參數(shù)，如封頭極孔處、赤道過(guò)渡處的纏繞參數(shù)。為保證纖維在芯模赤道處連續(xù)穩(wěn)定纏繞，可以通過(guò)改變滑移系數(shù)來(lái)改變赤道處過(guò)渡纏繞角大小。任意給定區(qū)間內(nèi)的封頭段滑移系數(shù)λ1或圓柱段滑移系數(shù)λ2，運(yùn)用MATLAB最優(yōu)化工具箱中的Fminbnd函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，即可得到另一滑移系數(shù)λ2或λ1，從而也可得到對(duì)應(yīng)赤道過(guò)渡處的纏繞角α1和α2，當(dāng)α1－α2≤0.0001°時(shí)即可認(rèn)為纖維在赤道處連續(xù)穩(wěn)定過(guò)渡纏繞。確定好滑移系數(shù)后可以得到穩(wěn)定纏繞中心轉(zhuǎn)角θs，由纏繞規(guī)律可知纖維均勻布滿芯模表面的中心轉(zhuǎn)角為

θu=360（kp+N）±Δθp

Δθ=360wπDcosα（5）

其中，N為芯模轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)，D為圓柱段直徑，Δθ為中心轉(zhuǎn)角差量，選定纖維寬度w和切點(diǎn)參數(shù)p、k可以求得均勻布滿中心轉(zhuǎn)角θu，當(dāng)|θs-θu|≤0.0001°時(shí)即可認(rèn)為中心轉(zhuǎn)角θ同時(shí)滿足穩(wěn)定纏繞條件和均勻布滿條件，此時(shí)輸出封頭段滑移系數(shù)λ1、圓柱段滑移系數(shù)λ2，線型設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

1.4 計(jì)算機(jī)圖形仿真

纏繞線型仿真系統(tǒng)基于MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)，在輸入芯模參數(shù)后生成三維模型，可通過(guò)光標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移操作，多視角觀察纖維纏繞軌跡。根據(jù)仿真結(jié)果分析反饋可以及時(shí)修改程序，優(yōu)化設(shè)計(jì)，直到均勻布滿芯模表面為止，線型模擬仿真流程如圖3所示。

以坩堝芯模尺寸R=a=400 mm、L=600 mm、b=200 mm、h=150 mm為例，取纖維寬度w=2.1 mm，N=1，根據(jù)線型設(shè)計(jì)流程，可求得不同切點(diǎn)個(gè)數(shù)和不同切點(diǎn)時(shí)序所對(duì)應(yīng)的纏繞參數(shù)，二切點(diǎn)線型纏繞參數(shù)λ1=0.138、λ2=0.221，赤道處過(guò)渡纏繞角α=48.68°，中心轉(zhuǎn)角θ=538.1194°，切點(diǎn)個(gè)數(shù)p=2，k=1。纖維纏繞軌跡仿真如圖4所示。

2 纏繞機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

碳/碳坩堝預(yù)制體由碳布/網(wǎng)胎疊層針刺成形，纏繞機(jī)通過(guò)絲嘴運(yùn)動(dòng)將碳纖維束根據(jù)一定的纏繞線型均勻布

滿針刺過(guò)后的坩堝預(yù)制體表面。考慮芯模形狀及線型特征，將纏繞運(yùn)動(dòng)分為纏繞小車X向平動(dòng)、Z向平動(dòng)、絲嘴翻轉(zhuǎn)和芯模勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了碳纖維增強(qiáng)碳/碳坩堝預(yù)制體纏繞專用臥式四軸纏繞機(jī)。

2.1 纏繞機(jī)總體設(shè)計(jì)

如圖5所示，纏繞機(jī)主要分為纏繞小車、張力機(jī)構(gòu)和芯模回轉(zhuǎn)臺(tái)三部分。纏繞小車包括X、Z向移動(dòng)平臺(tái)和絲嘴，絲嘴通過(guò)X、Z向移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)將纖維束按一定線型纏繞在芯模表面。張力機(jī)構(gòu)安裝在X向移動(dòng)平臺(tái)上，是纖維從紗筒到絲嘴的途經(jīng)通道，主要由退繞機(jī)構(gòu)和彈簧輥式張力機(jī)構(gòu)組成。芯模回轉(zhuǎn)臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)坩堝芯模回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，包括坩堝芯模、定位支撐機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

2.2 纏繞小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

X、Z向移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)可以唯一確定芯模上落紗點(diǎn)的坐標(biāo)，因此需要保證平動(dòng)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度，采用滾珠絲杠傳動(dòng)可滿足運(yùn)動(dòng)精度，提高傳動(dòng)效率。采用一端固定一端支撐的方式安裝絲杠，這種安裝方式會(huì)在軸向產(chǎn)生微量浮動(dòng)，可以減小或避免因絲杠自重而產(chǎn)生的彎曲。固定端與帶輪配合，通過(guò)同步帶與電機(jī)相連，考慮到負(fù)載和運(yùn)行穩(wěn)定性，配合線性滑軌使用。在實(shí)際纏繞過(guò)程中，由于纖維束具有一定的寬度，為防止纖維在纏繞中重疊擠壓，出現(xiàn)厚度不一致等情況，設(shè)計(jì)了絲嘴翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，在纏繞過(guò)程中絲嘴繞自身軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，保證纖維寬度一致。考慮翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度較低且為了實(shí)現(xiàn)緊湊安裝，采用一對(duì)等徑錐齒輪進(jìn)行傳動(dòng)。

2.3 張力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張力系統(tǒng)包括退繞機(jī)構(gòu)和彈簧輥式張力機(jī)構(gòu)。退繞機(jī)構(gòu)由牽引輪和纖維筒子架組成，隨小車共同移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)軸向退繞可滿足快速纏繞要求。張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于防止實(shí)際纏繞過(guò)程中張力突變引起纖維跳線或斷線，常用的張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)有三輥式張力機(jī)構(gòu)、彈簧式張力機(jī)構(gòu)和跳線輥式張力機(jī)構(gòu)。三輥式張力機(jī)構(gòu)由上張力輥和兩個(gè)下張力輥組成，氣缸驅(qū)動(dòng)上張力輥的下壓量達(dá)到調(diào)節(jié)纖維張力的目的。彈簧式張力機(jī)構(gòu)通過(guò)彈簧的伸縮量來(lái)調(diào)節(jié)纖維張力，在彈簧許可的變形范圍內(nèi)通過(guò)伸長(zhǎng)或壓縮彈簧抵消或施加纖維張力。跳線輥式張力機(jī)構(gòu)通過(guò)輥?zhàn)幼灾貋?lái)平衡纖維張力。結(jié)合安裝位置和設(shè)計(jì)目的，本文選用彈簧輥式張力機(jī)構(gòu)，張力系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖6。

纏繞張力的取值范圍一般為纖維能承受最大拉力的5%～12%。選用東麗碳纖維T300-3K，其性能參數(shù)如表1所示。

纖維能承受的最大拉伸力為

F=KEA=σbew（6）

式中，A為纖維截面面積。

則纏繞張力計(jì)算公式為

T=mKEA=mσbew（7）

式（7）中，m∈［5%，12%］，則可知張力的范圍為62～149 N。根據(jù)彈簧拉力調(diào)節(jié)范圍，彈簧輥式張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)所用彈簧選用輕載型AWS12-50拉伸彈簧。

2.4 芯模回轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖7所示，芯模回轉(zhuǎn)臺(tái)主要包括坩堝芯模、芯模固定機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和整體定位支撐機(jī)構(gòu)。

坩堝芯模分為圓柱段和封頭段，通過(guò)螺栓連接為一個(gè)整體，在實(shí)際生產(chǎn)中，針對(duì)不同尺寸的坩堝預(yù)制體可組合相應(yīng)尺寸的坩堝芯模，提高生產(chǎn)柔性。整體芯模安裝在芯模固定板上，固定板與主軸相連，伺服電機(jī)通過(guò)同步帶傳動(dòng)帶動(dòng)主軸和芯模做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

如圖8所示，四軸纏繞機(jī)控制系統(tǒng)采用“HMI+PLC+安川伺服控制系統(tǒng)”的硬件方案，選用昆侖通態(tài)觸摸屏TPC1162Hi作為人機(jī)交互界面，實(shí)時(shí)觀測(cè)和調(diào)整纏繞參數(shù)。下位機(jī)選用松下可編程控制器FP-XHC60T，此型號(hào)控制器安全可靠、抗干擾性強(qiáng)，最多可進(jìn)行六軸位置控制，支持位置數(shù)據(jù)表控制方式，滿足纏繞機(jī)各軸運(yùn)動(dòng)控制和I/O控制。纏繞機(jī)芯模主軸，X、Z向平動(dòng)工作臺(tái)和絲嘴翻轉(zhuǎn)軸分別采用安川750 W、400 W和400 W伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。PLC輸出脈沖控制各軸配合運(yùn)動(dòng)，光電傳感器檢測(cè)信號(hào)反饋給PLC，實(shí)現(xiàn)限位保護(hù)和斷紗檢測(cè)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 各軸運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算

轉(zhuǎn)速比是單位時(shí)間內(nèi)芯模旋轉(zhuǎn)次數(shù)與絲嘴往返次數(shù)之比，即芯模和絲嘴的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，線型是纖維的排布規(guī)律，通過(guò)對(duì)纏繞規(guī)律的研究可以發(fā)現(xiàn)，不同的線型嚴(yán)格對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速比。根據(jù)前文的線型設(shè)計(jì)，考慮到速比微調(diào)，可以得到轉(zhuǎn)速比公式為

i=kp+N±Δθ360p=kp+N±wpπDcosα（9）

其中，k/p為最簡(jiǎn)真分?jǐn)?shù)，N為自然數(shù)。為避免滑線，工藝上計(jì)算時(shí)“±”通常取負(fù)號(hào)。

芯模旋轉(zhuǎn)主軸轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為

n=1000×vxmπD（9）

vxm=vqwsinα

其中，vxm為芯模速度；vqw為纖維速度，纖維纏繞過(guò)程中纖維速度應(yīng)小于等于0.9 m/s。可知主軸旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間t=1/n，則絲嘴沿軸線往返一次的時(shí)間t0=ti。

依照纏繞經(jīng)驗(yàn)可假設(shè)絲嘴沿芯模軸線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)在圓柱段勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t1，在封頭段勻加速運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t2，加速度為as，考慮到芯模上落紗點(diǎn)坐標(biāo)總是滯后于絲嘴坐標(biāo)，在纏繞過(guò)程中會(huì)有一定的超程，因此令絲嘴沿芯模軸線運(yùn)動(dòng)在圓柱段的行程為L(zhǎng)′，封頭段行程為h′，L′、h′均可由CAD線型設(shè)計(jì)得到：

t1+t2=t0/2

ast22/2=h′

ast2t1=L′（10）

滾珠絲杠導(dǎo)程為4 mm，則絲嘴Z向平動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速nZ=360as/（8π）。同理也可得到絲嘴X向平動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速。纏繞機(jī)第四個(gè)自由度為絲嘴繞自身軸線做翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在纏繞過(guò)程中翻轉(zhuǎn)角度范圍為［-180°，180°］。

3.2.2 程序運(yùn)行流程

可編程控制器控制模式分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。手動(dòng)控制主要用于各軸單獨(dú)調(diào)試和處理一些異常情況；自動(dòng)控制時(shí)各軸先進(jìn)行回原操作，寫入纏繞運(yùn)動(dòng)參數(shù)，絲嘴Z向運(yùn)動(dòng)和X向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行插補(bǔ)控制，到達(dá)正限位時(shí)絲嘴進(jìn)行返回纏繞，絲嘴往返一次后除芯模主軸外，其余三軸重新回到原點(diǎn)，按照不同線型，絲嘴往返不同次數(shù)后完成一個(gè)完整循環(huán)纏繞，通過(guò)線型設(shè)計(jì)可知纖維均勻布滿需要的完整循環(huán)數(shù)，即可得到纖維均勻布滿時(shí)絲嘴的往返次數(shù)。纏繞程序流程圖見(jiàn)圖9。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，將無(wú)緯布鋪放在坩堝芯模表面，經(jīng)過(guò)纖維增強(qiáng)纏繞后與碳纖維網(wǎng)胎針刺成形，重復(fù)鋪設(shè)直至達(dá)到制品尺寸要求，預(yù)制體的厚度隨著重復(fù)纏繞-針刺成形逐漸增加，可在重復(fù)一定次數(shù)后更新芯模參數(shù)，通過(guò)CAD求解新的纏繞軌跡，并分解為纏繞機(jī)各軸電機(jī)進(jìn)給量，采用可編程控制器位置控制數(shù)據(jù)表模式控制各軸運(yùn)動(dòng)，提高控制系統(tǒng)適應(yīng)性和靈活性。

4 四軸纏繞機(jī)纏繞實(shí)驗(yàn)研究

在搭建好的纏繞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上分別進(jìn)行纏繞精度實(shí)驗(yàn)和纏繞線型實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證碳纖維增強(qiáng)碳/碳坩堝預(yù)制體柔性纏繞成形系統(tǒng)的可行性和可靠性。

4.1 纏繞精度實(shí)驗(yàn)

在纏繞過(guò)程中絲嘴完成一個(gè)循環(huán)后需錯(cuò)開一個(gè)紗寬［16］，令紗寬為一束纖維寬度，本實(shí)驗(yàn)采用東麗碳纖維T300-3K，纖維單絲直徑為7 μm。通過(guò)CAD 設(shè)計(jì)得到纏繞參數(shù)和轉(zhuǎn)速比，由下位機(jī)控制各軸電機(jī)按一定的運(yùn)動(dòng)軌跡，將纖維按照所設(shè)計(jì)的線型排布在芯模表面。

在完成給定循環(huán)后，測(cè)量纏繞在芯模上纖維的鋪開寬度，圖10為二切點(diǎn)線型一個(gè)循環(huán)后纖維鋪開寬度測(cè)量圖。

分別在絲嘴完成3個(gè)循環(huán)、5個(gè)循環(huán)和7個(gè)循環(huán)纏繞后，測(cè)量纖維在芯模上的鋪開寬度，每組測(cè)量6次，求出纖維鋪開寬度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，纏繞精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由于纏繞過(guò)程中纖維間存在重疊擠壓，故測(cè)得的纖維鋪開寬度均小于理論寬度，并且由于存在機(jī)械誤差、測(cè)量誤差，因此鋪開寬度允許存在一定的誤差量。結(jié)果表明，纏繞系統(tǒng)的控制精度滿足纏繞要求。

4.2 纏繞線型實(shí)驗(yàn)

通過(guò)兩切點(diǎn)線型CAD設(shè)計(jì)可知，此線型封頭段滑移系數(shù)為0.138，圓柱段滑移系數(shù)為0.221，赤道過(guò)渡處纏繞角為48.68°。圖11為二切點(diǎn)線型絲嘴完成多循環(huán)纏繞后纖維排布示意圖，纖維束間排布均勻，線型軌跡與圖形仿真基本吻合。圖12為赤道處過(guò)渡纏繞角的測(cè)量示意圖，其中角度尺一邊與芯模子午線重合，一邊和纖維軌跡切線方向重合。多次測(cè)量，過(guò)渡纏繞角測(cè)量結(jié)果如表3所示，測(cè)量結(jié)果與理論設(shè)計(jì)值最大相對(duì)誤差為1.68%，在纏繞工藝允許的范圍內(nèi)，驗(yàn)證了線型設(shè)計(jì)的正確性和各軸運(yùn)動(dòng)控制的可行性。

5 總結(jié)

（1）介紹了一種碳纖維增強(qiáng)碳/碳坩堝預(yù)制體柔性纏繞成形系統(tǒng)，基于非測(cè)地線法和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)提出了纏繞線型設(shè)計(jì)及仿真流程，縮短了設(shè)計(jì)周期，避免了生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)纏繞線型的試錯(cuò)環(huán)節(jié)。

（2）設(shè)計(jì)了四自由度增強(qiáng)纏繞專用纏繞機(jī)，基于可編程控制器和昆侖通態(tài)觸摸屏搭建了纏繞機(jī)控制系統(tǒng)；經(jīng)過(guò)多次纏繞實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性，可實(shí)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)碳/碳坩堝預(yù)制體低成本自動(dòng)化纏繞。

（3）在研究過(guò)程中對(duì)纖維纏繞張力的穩(wěn)定控制涉及較少，接下來(lái)將探討纏繞過(guò)程中張力的精密控制及張力對(duì)纏繞制品強(qiáng)度的影響。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 李賀軍， 史小紅， 沈慶涼， 等. 國(guó)內(nèi)C/C復(fù)合材料研究進(jìn)展［J］. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)， 2019， 29（9）：2142-2154.

LI Hejun， SHI Xiaohong， SHEN Qingliang， et al. Research Progress of C/C Composites in China［J］. Chinese Journal of Nonferrous Metal， 2019， 29（9）：2142-2154.

［2］ 王俊山， 徐林， 李煒， 等. 航天領(lǐng)域C/C復(fù)合材料研究進(jìn)展［J］. 宇航材料工藝， 2022， 52（2）：1-12.

WANG Junshan， XU Lin， LI Wei， et al. Research Progress of C/C Composites in Aerospace Field［J］. Aerospace Material Technology， 2022， 52（2）：1-12.

［3］ 蔣建純， 周九寧， 浦保健， 等. 炭/炭復(fù)合材料制造硅晶體生長(zhǎng)坩堝初探［J］. 炭素， 2004（2）：3-7.

JIANG Jianchun， ZHOU Jiuning， PU Baojian， et al. Fabrication of Silicon Crystal Growth Crucible by Carbon/Carbon Composites［J］. Carbon， 2004（2）：3-7.

［4］ 張靈玉， 閔明， 張旭輝， 等. 炭/炭復(fù)合材料堝幫使用壽命的影響研究［J］. 炭素， 2018（4）：20-23.

ZHANG Lingyu， MIN Ming， ZHANG Xuhui， et al. Study on the Influence of Service Life of Carbon/Carbon Composite Pot［J］. Carbon， 2018（4）：20-23.

［5］ 楊紅英， 康曉佩， 張亞洲， 等. 碳/碳針刺預(yù)制體的研究進(jìn)展［J］. 上海紡織科技， 2021， 49（4）：9-12.

YANG Hongying， KANG Xiaopei， ZHANG Yazhou， et al. Research Progress of Carbon/Carbon Acupuncture Prefab［J］. Shanghai Textile Technology， 2021， 49（4）：9-12.

［6］ 王金鐸， 啜艷明， 郭賓， 等. 單晶硅爐用炭/炭復(fù)合材料堝幫使用壽命的影響因素研究［J］. 炭素技術(shù)， 2020， 39（3）：36-40.

WANG Jinduo， CHUO Yanming， GUO Bin， et al. Study on Factors Influencing the Service Life of Carbon/Carbon Pot for Monocrystalline Silicon Furnace［J］. Carbon Technology， 2020， 39（3）：36-40.

［7］ 鄭蕊， 徐征， 李旭嘉， 等. 不同針刺預(yù)制體結(jié)構(gòu)對(duì)C/C復(fù)合材料力學(xué)性能的影響［J］. 宇航材料工藝， 2012， 42（5）：26-29.

ZHENG Rui， XU Zheng， LI Xujia， et al. Effects of Different Needling Preforms on Mechanical Properties of C/C Composites［J］. Aerospace Material Technology， 2012， 42（5）：26-29.

［8］ 鄒財(cái)勇， 孔令國(guó)， 李張?jiān)? 復(fù)合材料錐形纏繞機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 復(fù)合材料科學(xué)與工程， 2020（6）：105-108.

ZOU Caiyong， KONG Lingguo， LI Zhangzeng. Design of Composite Tapered Winding Mechanism and Control System［J］. Composite Materials Science and Engineering， 2020（6）：105-108.

［9］ 許家忠， 姜濤， 苗雅男， 等. 四自由度復(fù)合材料回轉(zhuǎn)體纏繞機(jī)控制系統(tǒng)［J］. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2013， 18（5）：22-25.

XU Jiazhong， JIANG Tao， MIAO Yanan， et al. Control System of Four Degrees of Freedom Composite Rotary Body Winding Machine［J］." Journal of Harbin University of Science and Technology， 2013， 18（5）：22-25.

［10］ 祖磊， 穆建橋， 王繼輝， 等. 基于非測(cè)地線纖維纏繞壓力容器線型設(shè)計(jì)與優(yōu)化［J］. 復(fù)合材料學(xué)報(bào)， 2016， 33（5）：1125-1131.

ZU Lei， MU Jianqiao， WANG Jihui， et al. Design and Optimization of Non-geodesic Fiber Winding Pressure Vessel［J］. Journal of Composite Material， 2016， 33（5）：1125-1131.

［11］ ANDRIANOV A， TOMITA E K， VERAS C A， et al. A Low-cost Filament Winding Technology for University Laboratories and Startups［J］. Polymers， 2021， 14（5）：1066.

［12］ ROJAS E V， CHAPELLE D， PERREUX D， et al. Unified Approach of Filament Winding Applied to Complex Shape Mandrels［J］. Composite Structures， 2014（116）：805-813.

［13］ 許家忠， 劉美軍， 孫棟. 纏繞機(jī)器人CAD/CAM系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］. 中國(guó)機(jī)械工程， 2019， 30（12）：1416-1422.

XU Jiazhong， LIU Meijun， SUN Dong. Design and Applications of Robotic Filament Winding CAD/CAM System［J］. China Mechanical Engineering， 2019， 30（12）：1416-1422.

［14］ 許家忠， 喬明， 尤波. 纖維纏繞復(fù)合材料成型原理及工藝［M］. 北京：科學(xué)出版社， 2013.

XU Jiazhong， QIAO Ming， YOU Bo. Forming Principle and Technology of Fiber Wound Composite［M］. Beijing：Science Press， 2013.

［15］ GUO K， WEN L， XIAO J， et al. Design of Winding Pattern of Filament-wound Composite Pressure Vessel with Unequal Openings Based on Non-geodesics［J］. Journal of Engineered Fiber and Fabrics， 2020， 15：1-17.

［16］ MAQ J， REJAB M， KUMAR N M， et al. Experimental Assessment of the 3-axis Filament Winding Machine Performance［J］. Machine performance， 2019， 2：100017.

（編輯 袁興玲）

作者簡(jiǎn)介：

王 征，男，1997年生，碩士研究生。研究方向?yàn)樘祭w維復(fù)合材料預(yù)制體成型裝備。E-mail：wangzheng0845@163.com。

董九志（通信作者），男，1981年生，副教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)楦咝阅軓?fù)合材料預(yù)制體成型智能裝備（碳纖維、石英纖維等）。E-mail：15034320845@163.com。