多轴纤维缠绕设备的技术现状与发展方向（下）

3.1四轴纤维缠绕

近期Cygnet Texkimp公司向英国国家复合材料中心(NCC)交付了一台四轴纤维缠绕机，该机器将成为一个全新的、用于氢能源运输和储存的先进制造和测试设施的一部分。这种多功能纤维缠绕技术由Cygnet Texkimp开发，为NCC及其合作伙伴提供了缠绕各类纤维（从预浸料到干纤维和玻璃纤维）的能力，包括所有纤维和树脂的组合，如高粘度和快速固化树脂。

图 Cygnet Texkimp 四轴纤维缠绕机

Cygnet Texkimp首席执行官卢克·瓦尔迪说：“我们非常自豪，我们的纤维缠绕技术成为NCC世界领先的氢项目的一部分。NCC及其合作伙伴的工作站在氢能源储罐设计和开发的新时代前沿，对于在英国确立这一制造领域发挥了重要作用。我们提供的技术具有高度的灵活性和能力，以满足许多不同纤维缠绕应用的需求，并支持NCC的开创性开发工作。”

图 Cygnet Texkimp 四轴纤维缠绕机工作状态

英国国家复合材料中心氢能源部门负责人马库斯·沃尔斯-布鲁克表示：“获取这台纤维缠绕机是我们在氢能源领域能力开发投资的延续，这台机器主要集中在压力容器上。它将帮助英国创建供应链，以实现其净零排放的雄心。作为我们先进的设计、测试和制造氢能源设施的关键技术，它将用于制造多种应用的压力容器，这一能力支持行业开发商业案例和产品，进入这一不断增长的市场。”这台纤维缠绕机设计用于同时缠绕四根纤维束。每根纤维束都有自己的张力控制单元和调节臂，用于调节进给和缠绕张力，以实现更快和更精准的缠绕。Cygnet Texkimp公司内部团队开发的定制软件包还允许NCC记录包括缠绕张力和速度、树脂温度和模具内气压等数据。这台纤维缠绕机由两个四位置纱架提供服务，它们被设计用于将不同类型的纤维引入过程中。一个预浸料纱架解卷并引导预浸料材料进入缠绕机，并作为一个新颖的解决方案的重要部分，旨在完全隔离卷筒所需的张力和缠绕阶段期间所需的张力，以确保纤维始终以最佳方式供给。第二个干纤维纱架以低张力和高精度将纤维引入过程，并设有封闭装置，以防止空气中的碎片释放到环境中。这台机器还具有两种用于干式缠绕应用的在线展开和涂覆能力，可快速轻松部署：一个温度控制的浸渍系统，配备可调节的扩展条，用于展开单根纤维束，以实现一致的树脂浸渍；一个涂布鼓和刀片，用于控制施加在纤维上的树脂量。NCC将研究这些方法在一系列应用中的缠绕应用适用性。

综上所述，这台先进的四轴纤维缠绕机不仅提高了缠绕过程的精准度和效率，而且通过其定制软件和多功能设计，为国家复合材料中心在氢能源运输和储存领域的研发工作提供了强大的技术支持。这不仅加强了英国在该领域的制造能力，还为其实现净零排放目标提供了关键技术支持。

3.2机床数字孪生

这一领域最早由美国空军研究实验室针对飞行器开展工作， 提出了一种如何利用数字孪生模型来进行结构寿命预测的方法，确保飞行器的结构完整性。在数控机床方面，西门子结合数字孪生概念，提出了结合机床 数字孪生模型设计思路：机床的数字孪生模型须贯穿产品的整个制造流程，包括产品的设计、生产调试以及未来服务等所有过程。建立机床数字孪生体，完成虚拟与现实的相互映射，虚拟机床能够完成对现实的反馈及对产品的持续改进。

图 机床数字孪生模型设计思路

国内哈工大已经进行相关研究，基于数字孪生技术开发多轴专用纤维缠绕机的虚拟仿真平台，建立机床整体模型，开辟机床虚拟空间，完成机床的离线及在线实时仿真功能开发，对缠绕过程的关键数据采集，并进行可视化处理，完成缠绕过程关键数据监测功能开发，实现软件层面对机床的直接控制，完成机床的虚实交互功能开发，开展缠绕实验，对软件的虚拟仿真功能验证。

图 基于数字孪生技术开发的缠绕机器人

机床可进行坐标联动且丝嘴的不会发生偏摆运动，初始状态为丝嘴水平且轴线与芯模轴线平行，且机器人的运动仿真轨迹显示正确；机床五坐标联动中，丝嘴受到偏摆的影响，在缠绕开始进行时，丝嘴状态就有所不同，如图所示，丝嘴在初始状态就有一定角度的旋转且与芯模有固定角度，同时，机器人的运动仿真轨迹显示正确。至此，机器人的缠绕运动轨迹解算完成，且缠绕轨迹验证正确，现场过程如下图所示。

4.1总结

纤维缠绕成型技术作为一种先进的加工方法，其发展历程紧密关联着纤维缠绕机的技术进步。自20世纪30年代以来，随着树脂基增强复合材料的出现和纤维缠绕技术的兴起，纤维缠绕设备经历了显著的发展。特别是在计算机和微处理器技术的推动下，纤维缠绕机从最初的自动生产设备演变为基于计算机数控和机器人技术的多轴联动高精度加工设备。

在国内，纤维缠绕技术得到了深入研究和广泛应用，成功制造了多种产品如压力容器和储罐，并在民用、汽车等领域日益增多。尽管我国在某些技术指标上已接近国际标准，但在复杂构件的缠绕研究和机床核心部件的国产化方面仍存在不足。

4.2展望

展望未来，纤维缠绕设备的发展方向将集中在提高设备的灵活性和适应性。针对复杂构件的缠绕需求，多轴纤维缠绕机将朝着更高自由度的方向发展。例如，引入高灵活性的机器人技术到自动缠绕过程中，不仅可以提高生产效率，还可以扩展缠绕技术在复杂结构制造中的应用范围。

国际上已有多个实例表明，机器人缠绕技术在复合材料壳状零件制造、复杂构件缠绕等领域的应用取得了显著成效。国内纤维缠绕设备发展亦应致力于机器人技术的引入和本土化研发，以提升在高精度和复杂构件缠绕方面的竞争力。同时，随着工业4.0和智能制造的推进，纤维缠绕设备未来还将深入探索数字孪生技术、虚拟仿真等先进技术的应用，以实现更高效、智能的生产和维护。这些技术的发展和应用，将有助于提升我国纤维缠绕技术的整体水平，推动相关产业的创新和成长。

顾家宸.多轴专用纤维缠绕系统关键技术研究[D].哈尔滨工业大学,2022.

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