3.1四軸纖維纏繞

近期Cygnet Texkimp公司向英國國家復合材料中心(NCC)交付了一臺四軸纖維纏繞機，該機器將成為一個全新的、用于氫能源運輸和儲存的先進制造和測試設施的一部分。這種多功能纖維纏繞技術由Cygnet Texkimp開發，為NCC及其合作伙伴提供了纏繞各類纖維（從預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

Cygnet Texkimp首席執行官盧克·瓦爾迪說：“我們非常自豪，我們的纖維纏繞技術成為NCC世界領先的氫項目的一部分。NCC及其合作伙伴的工作站在氫能源儲罐設計和開發的新時代前沿，對于在英國確立這一制造領域發揮了重要作用。我們提供的技術具有高度的靈活性和能力，以滿足許多不同纖維纏繞應用的需求，并支持NCC的開創性開發工作。”

圖 Cygnet Texkimp 四軸纖維纏繞機工作狀態

英國國家復合材料中心氫能源部門負責人馬庫斯·沃爾斯-布魯克表示：“獲取這臺纖維纏繞機是我們在氫能源領域能力開發投資的延續，這臺機器主要集中在壓力容器上。它將幫助英國創建供應鏈，以實現其凈零排放的雄心。作為我們先進的設計、測試和制造氫能源設施的關鍵技術，它將用于制造多種應用的壓力容器，這一能力支持行業開發商業案例和產品，進入這一不斷增長的市場。”這臺纖維纏繞機設計用于同時纏繞四根纖維束。每根纖維束都有自己的張力控制單元和調節臂，用于調節進給和纏繞張力，以實現更快和更精準的纏繞。Cygnet Texkimp公司內部團隊開發的定制軟件包還允許NCC記錄包括纏繞張力和速度、樹脂溫度和模具內氣壓等數據。這臺纖維纏繞機由兩個四位置紗架提供服務，它們被設計用于將不同類型的纖維引入過程中。一個預浸料紗架解卷并引導預浸料材料進入纏繞機，并作為一個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，以確保纖維始終以最佳方式供給。第二個干纖維紗架以低張力和高精度將纖維引入過程，并設有封閉裝置，以防止空氣中的碎片釋放到環境中。這臺機器還具有兩種用于干式纏繞應用的在線展開和涂覆能力，可快速輕松部署：一個溫度控制的浸漬系統，配備可調節的擴展條，用于展開單根纖維束，以實現一致的樹脂浸漬；一個涂布鼓和刀片，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用中的纏繞應用適用性。

綜上所述，這臺先進的四軸纖維纏繞機不僅提高了纏繞過程的精準度和效率，而且通過其定制軟件和多功能設計，為國家復合材料中心在氫能源運輸和儲存領域的研發工作提供了強大的技術支持。這不僅加強了英國在該領域的制造能力，還為其實現凈零排放目標提供了關鍵技術支持。

3.2機床數字孿生

這一領域最早由美國空軍研究實驗室針對飛行器開展工作， 提出了一種如何利用數字孿生模型來進行結構壽命預測的方法，確保飛行器的結構完整性。在數控機床方面，西門子結合數字孿生概念，提出了結合機床 數字孿生模型設計思路：機床的數字孿生模型須貫穿產品的整個制造流程，包括產品的設計、生產調試以及未來服務等所有過程。建立機床數字孿生體，完成虛擬與現實的相互映射，虛擬機床能夠完成對現實的反饋及對產品的持續改進。

圖 機床數字孿生模型設計思路

國內哈工大已經進行相關研究，基于數字孿生技術開發多軸專用纖維纏繞機的虛擬仿真平臺，建立機床整體模型，開辟機床虛擬空間，完成機床的離線及在線實時仿真功能開發，對纏繞過程的關鍵數據采集，并進行可視化處理，完成纏繞過程關鍵數據監測功能開發，實現軟件層面對機床的直接控制，完成機床的虛實交互功能開發，開展纏繞實驗，對軟件的虛擬仿真功能驗證。

圖 基于數字孿生技術開發的纏繞機器人

機床可進行坐標聯動且絲嘴的不會發生偏擺運動，初始狀態為絲嘴水平且軸線與芯模軸線平行，且機器人的運動仿真軌跡顯示正確；機床五坐標聯動中，絲嘴受到偏擺的影響，在纏繞開始進行時，絲嘴狀態就有所不同，如圖所示，絲嘴在初始狀態就有一定角度的旋轉且與芯模有固定角度，同時，機器人的運動仿真軌跡顯示正確。至此，機器人的纏繞運動軌跡解算完成，且纏繞軌跡驗證正確，現場過程如下圖所示。

4.1總結

纖維纏繞成型技術作為一種先進的加工方法，其發展歷程緊密關聯著纖維纏繞機的技術進步。自20世紀30年代以來，隨著樹脂基增強復合材料的出現和纖維纏繞技術的興起，纖維纏繞設備經歷了顯著的發展。特別是在計算機和微處理器技術的推動下，纖維纏繞機從最初的自動生產設備演變為基于計算機數控和機器人技術的多軸聯動高精度加工設備。

在國內，纖維纏繞技術得到了深入研究和廣泛應用，成功制造了多種產品如壓力容器和儲罐，并在民用、汽車等領域日益增多。盡管我國在某些技術指標上已接近國際標準，但在復雜構件的纏繞研究和機床核心部件的國產化方面仍存在不足。

4.2展望

展望未來，纖維纏繞設備的發展方向將集中在提高設備的靈活性和適應性。針對復雜構件的纏繞需求，多軸纖維纏繞機將朝著更高自由度的方向發展。例如，引入高靈活性的機器人技術到自動纏繞過程中，不僅可以提高生產效率，還可以擴展纏繞技術在復雜結構制造中的應用范圍。

國際上已有多個實例表明，機器人纏繞技術在復合材料殼狀零件制造、復雜構件纏繞等領域的應用取得了顯著成效。國內纖維纏繞設備發展亦應致力于機器人技術的引入和本土化研發，以提升在高精度和復雜構件纏繞方面的競爭力。同時，隨著工業4.0和智能制造的推進，纖維纏繞設備未來還將深入探索數字孿生技術、虛擬仿真等先進技術的應用，以實現更高效、智能的生產和維護。這些技術的發展和應用，將有助于提升我國纖維纏繞技術的整體水平，推動相關產業的創新和成長。

顧家宸.多軸專用纖維纏繞系統關鍵技術研究[D].哈爾濱工業大學,2022.

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