數控纖維纏繞機的機械機構設計研究

摘 要 本文簡述龍門數控纖維纏繞機第五軸機構設計方案，并對臥式纏繞機尾座機構設計方案進行總結。第五軸機構設計方案主要簡述設計初期需要注意的事項，同時對第五軸驅動機構和執行機構主要零件的選型，強度的校核，位置的放置等情況進行了簡述。臥式纏繞機尾座機構設計方案對以下情況進行總結：非電動尾座軸向固定總結、尾座支承設計總結、電動尾座結構形式總結。通過總結方案可以快速應對部分纏繞工藝及纏繞參數對尾座機構形式的需求。

關鍵詞 纏繞機；執行機構；驅動機構；尾座機構

Design of Mechanical Mechanism of CNC Fibre Winding Machine

Wen Xiaorui1， Huang Yongliang2

（Harbin FRP Institute Co.，Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT The paper briefly describes the design scheme of the fifth axis mechanism of the gantry CNC filament winding machine and summarizes the design scheme of the tailstock mechanism of the bedroom winding machine. The design scheme of the fifth axis mechanism mainly describes the matters needing attention in the initial stage of the design， and briefly describes the selection of the main parts of the fifth axis drive mechanism and actuator， the strength check， and the placement of the position. The design scheme of the tailstock mechanism of the bedroom winding machine summarizes the following situations： the axial fixation of the non-electric Tailstock， the design of the tailstock support， and the structural form of the electric Tailstock. By summarizing the scheme， we can quickly meet the requirements of some winding processes and winding parameters on the form of tailstock mechanism.

KEYWORDS winding machine；actuator；drive mechanism；tailstock mechanism

1 引言

數控纖維纏繞機是非標準化機器，非標準化設計的主要依據來自客戶的纏繞工藝：纏繞時纖維含膠量、張力控制、工作軸數量等因素。龍門數控纖維纏繞機第五軸機構就是為滿足客戶對復雜纏繞工藝的需求而設計的。五軸聯動數控纖維纏繞機的研制成功，對纏繞工藝而言是一次技術性的飛躍[1]，該類型纏繞機適用于某些普通纏繞工藝難以滿足成型的復雜纏繞制品，尾座機構設計方案的總結目的是使其標準化。該機構方案總結提出了注意事項，節省了設計時間，對設計人員有一定的參考價值。

2 龍門數控纖維纏繞機第五軸機構設計方案

當前國內四軸聯動纖維數控纏繞機具有四個動力驅動軸：主軸帶動模具做回轉運動即回轉中心、小車機構做與回轉中心平行的運動、伸臂機構相對回轉中心做垂直運動、偏擺機構做回轉運動[2]，如圖1所示。

第五軸是指帶動偏擺機構整體做擺動的驅動軸[3]，即擺動機構。五軸聯動纖維數控纏繞機較早被國外制造出來，國際上已有七軸甚至更多軸的數控纖維纏繞機[8-9]。伴隨國內控制水平的提高，纏繞理論的創新，纏繞軟件的升級，應客戶的需求，哈爾濱復合材料設備公司為客戶設計一臺龍門式雙工位五軸聯動數控纖維纏繞機，如圖2所示。

2.1 第五軸機構總體設計方案

哈爾濱復合材料設備公司制造的龍門四軸聯動數控纖維纏繞機已經成型，第五軸機構在此設備的基礎上進行設計。第五軸機構即擺動機構主要位于伸臂機構與偏擺機構之間，起到驅動偏擺機構做圓周擺動的作用。第五軸的驅動電機減速機位置可根據實際情況考慮，通常將擺動機構的減速機電機與偏擺機構并排放置，一定注意擺動機構帶動偏擺機構在回轉過程中不與減速機干涉。擺動機構的電機減速機位置偏向床尾側更方便操作且擁有足夠設計空間。減速機在滿足輸出扭矩和轉動慣量匹配負載的情況下盡量選用直角減速機。減速機的輸出軸與擺動機構的旋轉軸采用同步帶輪與同步帶進行傳動，傳動效率在0.95-0.98[4]，同時滿足技術協議中偏擺機構所需要的轉速。三個機構安裝后位置如圖3所示。

該總體設計方案要考慮以下因素：

減速機固定安裝位置設計時盡量靠近偏擺機構，減少不必要的彎矩，同時亦可減輕箱體的重量。減速機位置的選擇考慮到只要與偏擺機構出紗絲嘴架工作區域不干涉即可，同時此位置還要滿足同步帶長度調整范圍。該機構是同步帶同步帶輪驅動方式，注意減速機法蘭處的頂絲要雙面頂，保證位置精度。

設計時提前考慮電機動力線和編碼器線走線問題，擺動機構只隨伸臂機構做直線運動，所以該機構的走線可借鑒原有偏擺機構走線形式，拖鏈位置靠近電機處。原設備偏擺機構并不轉動，所以此次設計時要考慮偏擺機構的走線問題，選擇用回轉拖鏈，回轉拖鏈工作區域不要與擺動機構電機減速機干涉。

回轉機構設計是在原有纏繞機器上增加的機構，該機構主要包括：主體箱體、驅動主軸、回轉支撐、電機減速機、同步帶輪同步帶。增加的機構重量相對較大，所以原有機器設計時選用的標準件機加件規格要相應增大：例如伸臂機構用的線性滑塊由原來的型號增大一個規格，選用TRH35FL。伸臂機構的上下面固定板要相應的加厚。伸臂傳動用的絲杠也要相應的增大尺寸。

2.2 擺動機構主要結構設計

擺動機構設計主要考慮兩個方面的設計：一是驅動結構設計，主要是對與驅動軸連接的同步帶輪的設計；二是執行結構設計，主要是對回轉主軸強度的校核和回轉支承的選型。

2.2.1 驅動結構設計

根據技術協議對偏擺機構回轉參數的要求以及前文提到的減速機宜采用直角減速機等情況。通過計算，確定擺動機構電機選用松下MSME302電機，減速機選用Wps115-15直角減速機。前文提到減速機輸出軸與偏擺機構旋轉中心有一定距離，該距離不能過大，要保證偏擺機構旋轉精度，所以采用電機減速機與同步帶輪、同步帶的驅動方式。該方式傳動效率高、傳動穩定性好、安裝簡便、易于維修更換、大傳動比傳動滿足協議轉速要求，且壽命長。技術協議要求旋轉機構最大轉速80 rpm。松下MSME302電機額定轉速3000 rpm、最高轉速5000 rpm，Wps115-15直角減速機傳動比15。

公式（1）計算結果接近最大轉速，滿足設計要求，根據公式減速機輸出軸選用Z=22齒同步帶輪，擺動機構驅動主軸選用Z=60齒同步帶輪。計算預估需要功率大概在 1.84 kW。帶輪的設計功率Pd=1.84×1.5=2.76 kW，根據同步帶輪選型圖可知采用周節制H型同步帶輪。

小同步帶輪與減速機輸出軸采用普通平鍵連接用于驅動，同步帶輪兩側采用頂絲固定方式防止小同步帶輪軸向竄動。大同步帶輪因為空間尺寸限制以及維護維修方便簡單等要求，宜采用同步帶輪與旋轉軸通過圓柱銷來傳遞動力[5]。銷的材料選用45#鋼，具體設計如圖4所示。

從公式（2）和（3）可知，設計滿足傳遞所需要的扭矩要求，電機最大扭矩是額定扭矩的3倍，計算結果亦小于銷的許用應力。同時為使大同步帶輪不產生軸向運動，如上圖所示，在圖中位置處采用螺釘鎖緊。

2.2.2 執行結構設計

執行機構主要考慮兩部分：驅動主軸的強度計算以及回轉支承的型號選擇。

2.2.2.1 驅動主軸的強度計算

偏擺機構采用雙工位纏繞設計，每工位最大用紗量4團，每團最大張力50 N。單工位最大需要200 N，危險截面距離第一工位受力距離為362 mm，第一工位與第二工位中心距為600 mm。將回轉機構驅動主軸與偏擺機構近似看作成一體，其受力圖、剪力圖與彎矩圖如圖5所示。

從圖5可知，最大彎矩發生在主驅動軸外徑與回轉支承內徑相配合處，此處直徑為124.5 mm。為減輕主驅動軸重量，主驅動軸做成內孔直徑為84.5 mm的中空軸。旋轉軸的材料選取45#鋼，并且調質處理。彎扭合成強度條件為：

式中，［σ-1］：軸的許用彎曲應力

通過公式（4）結果可知，設計的主驅動軸外徑與回轉支承內徑配合處直徑尺寸滿足強度要求。實際纏繞時產生的彎矩大約為300 Nm，代入上邊公式σca=2.19 MPa，同樣滿足強度要求。

2.2.2.2 回轉支承的選用

選用型號為010.10.180.1.2的回轉支承，首先考慮到此型號的回轉支承厚度符合整體高度的設計要求，其次此型號的回轉支承固定位置與偏擺機構安裝固定板位置大體相近，滿足設計以及安裝要求。最重要的是此回轉支承滿足軸力與彎矩要求。回轉支承緊固選用10.9強度螺栓。初步計算回轉支承所受軸向力為1200 N，最大彎矩300 Nm。

ａ=45°承載角時，動態工況下計算出的坐標點與ａ=60°承載角時靜態和動態工況下計算出的坐標點均在01回轉支承能力曲線下。

3 臥式纏繞機尾座機構設計方案總結

3.1 非電動尾座機構軸向固定總結

疫情過后經濟開始復蘇，各行業產能普遍提速，大多希望在同一時間段產出更多的制品，客戶傾向于使用多工位，即三工位以上的纏繞設備。這就要求尾座需要局部結構的改進，因為三工位及更多工位在纏繞時會受到很大的軸向力，在軸向方向必須有可靠的固定方式。根據尾座結構形式，尾座的軸向固定需從兩方面考慮問題，首先必須保證所選擇的與模具直接接觸的回轉頂尖能夠承受足夠大的軸向力，其次是尾座主體結構的固定情況。在大部分情況下，回轉頂尖的選購都滿足使用條件，所以當尾座頂尖承受的軸力大于尾座定位的摩擦阻力時，尾座會出現松動現象，在正常纏繞時，會存在危險，所以，設計可靠的尾座防退裝置是十分有必要的[6]。

回轉頂尖可以根據模具載荷大小選擇合適的莫氏型號，應當注意增強套筒和尾座架體的結構強度，增大尾端推力軸承和絲杠直徑。如果尾座采用托輥支承模具接軸的結構形式，亦可以選擇傘狀的回轉頂盤，模具重量由托輥支承，軸向力就會小很多?；剞D頂尖頂出一般采用手搖輪驅動形式，電動或液壓[7]驅動形式近年也在不斷增多。

尾座主體的固定方式通常是采用夾板固定，夾板固定的好處在于夾板易加工，可獲取較高精度的加工面，夾緊力大，空間占用小等，用于單工位或雙工位對纏繞時產生的軸向力的限制足夠。如果是多工位尾座體固定，建議在夾板固定的基礎上再增加軸向限位機構。通常有兩種簡便的方式，一種是鏈輪鏈條固定，一種是齒條固定。其中鏈輪鏈條固定總體費用相對少一些，但固定尾座的鏈輪加工有難度。齒條固定要求固定齒條的接觸面需進行加工，固定尾座的齒輪可直接選用齒條，這樣亦簡便些。建議如果多工位纏繞工作長度不長的情況下，選用齒條固定方式。如果選擇的齒條或齒輪節距過大，固定用的齒輪或鏈輪可多備幾種，相對位置可以按節距的一半設計。如果尾座體受到的軸向力非常大，亦可以選擇齒輪齒條加減速機的形式進行固定。減速機輸入端法蘭處增加與法蘭固定軸即可。如果纏繞模具載荷較大且長度較長，只有幾種長度，可以將尾座體下箱體固定板固定在特定幾個板位置處，這幾個位置板用膨脹螺栓固定。使用不同長度時，可通過吊裝進行調節。

3.2 尾座支承設計總結

尾座支承目前有兩種結構形式，一是絲杠垂直升降，一是絲杠水平旋轉，托輥在絲母帶動下進行移動。前一種形式適用于單工位纏繞機尾座，此結構在設計中所需要的高度空間較大，不適用多工位機型。此種形式好處在于：托輥可以根據載荷設計成固定形式，托輥上升空間大，整體占用空間小，同時承載力較大。但需注意導向桿的材質選擇和設計位置。此設計要求支承絲母的支承板便于機加工，保證導向桿與絲桿要有較好的平行精度。后一種形式可用于多工位纏繞機尾座，或使用整根絲杠，或使用雙根絲杠。一般選擇線性滑軌和線性滑塊用于導向和承載。此結構在與主軸垂直的水平方向占用空間較大，但此設計可滿足模具接軸直徑較大范圍的變化，同時操作簡便。此形式最好配合回轉頂尖使用，回轉頂尖起到定位作用。

3.3 電動尾座機構形式總結

纏繞模具載荷較大且纏繞長度較長，尾座箱體上表面建議使用托輥支承模具接軸，采用頂盤頂住接軸端面定位，尾座箱體驅動采用齒輪齒條和電機減速機驅動形式，電機要采用抱閘電機，減速機優先選擇斜齒輪蝸輪蝸桿減速機。此形式要求尾座體下表面和軌道上表面有好的加工精度，并在每次使用前向軌道上表面打入適量潤滑油。尾座機構所承受的軸向力，要采用機械固定形式。

纏繞模具載荷中等，尾座箱體上表面建議使用托輥支承模具接軸，采用回轉頂尖定位。尾座箱體驅動采用鏈輪鏈條和電機減速機驅動形式，尾座箱體通過偏心滾輪在尾座軌道上表面移動。或者采用齒輪齒條和電機減速機驅動形式，尾座箱體通過線性滑塊在尾座軌道上表面的線性滑軌上移動。無論哪種形式都需要對模具載荷、長度、移動形式進行具體設計。

4 結語

（1）本文簡述龍門數控纖維纏繞機第五軸機構設計的一種方案，該方案對臥式纏繞機機型亦有參考價值。

（2）臥式數控纖維纏繞機尾座機構總體趨勢正在向著標準化、機床化轉移，該機構設計方案分為非電動和電動兩種情況。

參 考 文 獻

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通訊作者：溫虓睿，男，碩士，工程師。研究方向為復合材料設備機械設計。E-mail：13936579705@163.com