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课程设计（论文）题目：纤维铺放过程中的压力控制专业：机械工程及自动化班级：学生指导老师：时间：2012/12/19~2012/1/5西安工程大学本科课程设计（论文）I摘要树脂基复合材料具有很高的强量重量比，好的抗腐蚀、抗冲击性能等，所以在航空、航天工业等一些尖端技术中，树腊基复合材料已经逐渐被广泛的应用。纤维缠绕增强塑料制品除了具有以上的优点外，还具有可靠性高、生产效率高、材料成本低等更为突出的特点。尽管如此，纤维缠绕工艺也有它的局限性。例如，当芯模表面存在凹面时，纤维就会架空；当芯模上存在较大面积的平面时，如箱体零件，在平面部分纤维的压紧力很小或几乎没有，而棱角部分的压紧力却非常大，这就导致部件的不同部分壁厚不均。正是上述纤维缠绕工艺本身不可克服的缺点促使铺放技术的产生。铺放就是通过使用压紧辊按照一定规律把纤维束直接压在芯模表面上。通常铺放头具有送料和剪切的功能，它可以根据需要在适当的地方减少或增加纤维的数量。这样不仅可以沿着弧形的路径铺放，而且可以大大节约原材料。本文设计了一台纤维铺放机的原理样机。铺放机上的各个运动轴都在微机控制下协同运动。这样铺放机可以控制铺放头到达空间的任意位置进行铺放。在铺放头内有一套加料／剪切机构，它可以同时将6股纤维束铺放到芯模的表面，而且可以单独控制每一股纤维束的输送和剪切。同时铺放头还具有在铺放的同时将预浸胶纤维束加热的功能。为了适应现代智能化控制的发展方向，使控制系统向一体化方向发展，同时，方便进行复合材料制品的质量跟踪，提高纤维产品质量，压力控制系统的研究有很重要的现实意义。关键字：复合材料，纤维铺放机，纤维铺放头，压力控制器西安工程大学本科课程设计（论文）II目录第1章概述.........................................11.1纤维缠绕成型工艺简介..........................................11.1.1纤维缠绕成型工艺的发展简史................................11.1.2纤维缠绕成型工艺的特点及分类...............................21.1.3FRP制品的特点及应用........................................21.2纤维铺放系统..................................................31.2.1国内及国外铺放技术的发展史.................................31.2.2纤维铺放技术的应用.........................................41.2.3纤维铺放简介...............................................41.3本文研究意义及内容............................................5第2章压力控制系统总体设计...........................62.1系统设计要求..................................................62.2系统设计方案..................................................62.2.1系统框图...................................................62.2.2纤维铺放过程分析...........................................7第3章压力检测机构设计..............................83.1电阻应变片工作原理及横向效应..................................83.1.1金属的电阻应变效应及应变片结构.............................83.1.2横向效应简介..............................................103.2电阻应变片的动态响应特性.....................................113.3压力传感器调整电路...........................................12第4章执行机构-气缸的设计...........................144.1气缸工作原理.................................................144.2气缸工作特点.................................................154.3气缸的控制...................................................16第5章总结..........................................18参考文献..........................................19西安工程大学本科课程设计（论文）1第1章概述1.1纤维缠绕成型工艺简介纤维缠绕(Fw)成型工艺是指采用连续纤维或带经过树脂浸胶后，或者采用预浸胶纤维或带，按照一定的规律缠绕到芯模上，然后在加热或常温下固化，通过一系列处理最后制成一定形状的制品的一种生产工艺。缠绕成型的主要设备是缠绕机，辅助设备有浸胶装置、张力装置、加热固化装景、脱模装置、修整装置及纱架装置等。1.1.1纤维缠绕成型工艺的发展简史纤维缠绕成型工艺技术可追溯到20世纪40年代二战时期的美国Manhattan原子能工程，该工程部需要重量轻的FRP加强带。RichardE.Young首先考虑以高强度的玻璃钢（FRP）来代替金属，并最先形成了把纤维缠绕在芯模上的缠绕原始概念。同时设计制造了第一台著名的由旧马达和齿轮组成的简易纤维缠绕机，随后缠绕了第一个复合材料火箭动机壳体，以及用于防化学腐蚀的首条玻璃钢管道并投入使用。西安工程大学本科课程设计（论文）2上世纪50年代，纤维缠绕技术已能生产各种尺寸的火箭发动机壳体，广泛用于火箭、战略导弹等尖端军用产品上。上世纪60．70年代，缠绕制品应用领域已从军事部门扩展到化工、污水处理、石油及风能系统等重要的民用部门，已可缠绕巨大体积的复合材料产品，如直径为26英尺，长为126英尺的风车叶片；直径10m，容积达1000m3的巨型储罐。该时期的纤维缠绕技术进入了腾飞阶段。上世纪80年代，由于世界性的军备竞赛，虽然纤维缠绕制品仍集中应用于航空、航天和国防项目之中，但应用领域已扩展到民用工业，丰富了民用产品的种类，如用于供水系统的高压管道，用于消防的压力容器及潜水装置等。到目前为止，绝大部分纤维缠绕机是简单的二轴联动缠绕机和三轴联动缠绕机，而且80年代以前的缠绕机都是机械控制的，首台计算机控制的纤维缠绕机诞生于这个时期。计算机控制缠绕机的研制成功使得生产纤维铺设十分精确的复合材料产品成为可能，从而可以生产出高性能、低成本、重量轻的优质缠绕部件。另外扩大了可缠绕部件的种类，从简单的直管到一些形状复杂的部件。进入90年代后，发展速度明显加快，缠绕技术进入了新的高速发展阶段。缠绕机亦上了一个台阶，研制出了计算机控制的六轴缠绕机，从而结束了用手糊、半用糊生产常用管道配件一弯管和三通Ｔ形管的历史。同时，更多运动轴缠绕机的引入使得缠绕形状更为复杂的新产品成为可能，目前国际上已有七轴甚至多达十一轴的计算机控制纤维缠绕机。1.1.2纤维缠绕成型工艺的特点及分类纤维缠绕成型工艺的特点是：制品呈各向异性，强度的方向性比较明显，层间剪切强度低；制品的几何形状有局限性，仅适用于制造圆柱体、球体、锥体、椭圆体、某些正曲率回转体制品以及部分上述形体的条件组合，对负曲率回转体制品及绝大多数非回转体难以缠绕；设备及辅助设备较多，投资较大。根据缠绕时树脂基体所处的化学物理状态的不同，纤维缠绕成型工艺在生产上分为干法、湿法及半干法三种。1.1.3FRP制品的特点及应用纤维缠绕增强塑料制品（FRP）具有下述突出的特点。(1)比强度高FRP的比强度3倍于钛，4倍于钢。使其在航空航天方面得以成功的应用。美国的阿特拉斯导弹原采用合金钢重量达79吨。后改用缠绕玻璃钢尽重59吨，比原来减少了25％。在民用方面，玻璃纤维缠绕的压力容器一般比同体积的钢质容器轻40％～60％。西安工程大学本科课程设计（论文）3(2)可靠性高.(3)生产效率高纤维缠绕制品质量高而稳定。可实现机械化和自动化，便于大批量生产。(4)材料成本低所用的增强材料大多数是无捻粗纱等连续纤维，减少了纺织和其它加工费用，材料成本低。由于纤维缠绕玻璃钢制品有着许多优点，因此在民用产品及军工产品得到了比较广泛的应用：1．玻璃钢压力容器2．玻璃钢化工管道3．玻璃钢大型贮罐和铁路罐车4．军用产品1.2纤维铺放系统1.2.1国外及国内铺放技术的发展目前国外采用的纤维铺放系统是制造复杂FRP制品的先进制造技术之一。纤维铺放技术在西方少数发达国家于90年代开始研究开发，并不断推广应用目前已应用于工业化生产。FP应用的实例有：F，A-18E/F进气道，后中心滑动板蒙皮；c-17风扇罩，起落架吊窗；BA609前机身；v-22后机身，滑动板蒙皮等。经过20年的发展，国外的纤维铺放成型技术装备已经基本成熟，成型设备总自由度达到7个、丝束数目最大可达24根，最大成型构件长达15米、最大横向尺寸达4米，尺寸精度可达0.1毫米；还可以完成加筋、局部混杂等特殊功能，全自动微机程序控制。成型装备及技术（如控制与设计软件、预浸丝束技术）已经实现商品化，目前全世界已经有20多台纤维铺放设备在运转，预计到2010年世界上将有60多台纤维铺放机投入使用。纤维铺放技术目前在我国尚属空白，这类FRP制品在国内一般采用手工或者半手工操作制造，其生产效率低，制品质量不稳定，制约了我国FRP空间构件制造技术的发展和水平的提高。FRP在航空、航天方面的应用越来越广泛，如运载火箭发动机壳体、喷管、鼻锥、航天器FRP构件、飞机机翼、尾翼、旋翼及舰艇的FRP构件等。因而为了满足我国航空、航天工业对FRP构件制造的需求，研究开发具有我国自主知识产权的铺放系统已成为亟待解决的课题。西安工程大学本科课程设计（论文）41.2.2纤维铺放技术的应用目前，纤维铺放技术主要用于飞机机构的制造。Boeing公司是应用纤维铺放技术最成功、研制部件品种最多的公司。最成功的例子是V22倾转旋翼机，包括后机身、中机身内蒙皮、受油管、旋翼扭管、翼梢浮筒等。它还研制了波音747和波音767进气道整流罩，RAH.66尾梁蒙皮。1.2.3纤维铺放简介它与带铺放机的不同之处在于：它使用一组各自独立的纤维或纱线并列的铺放在芯模的表面上，而不再使用预先成型的预浸带。在铺放机上有一个纱架，架上装有多卷预浸纤维纱线（又称为预浸纱），每股纱线被送往铺放头的速率都是单独控制的。铺放头内有一套装置可以单独控制每一股纱线的铺放，它允许同时送入多股相互平行的纱线，铺放头上的压紧辊（或压紧靴）同时把所有的纱线紧紧的压在模具上形成纤维带。同时，在铺放头内还装有剪切／送纱装置，它可以任意剪断或重新输送某一股或多股纤维束。这样，在铺放过程中可以随时增加或减少需要或不需要的纱线。这种可选择的剪断纤维带中的任意一股纱线的能力可以带来许多好处。其一是纤维铺放机可以沿着弓形路径铺放纱线，这是因为每一股纱线的长度是可变的，因此每一股纱线可以比相邻的纱线延长一个不同的长度，从而铺放出一个平顺的纤维带；其二是铺放锥形体时可以在当铺放头到达芯模的小端时剪断多余的纱线以避免不必要的堆积，从而可以节省材料；其三就是可以在芯模的表面上“开窗户”，例如当芯模表面有孔时，在经过这些地方时铺放头可以通过剪断一根或多根纱线以避免覆盖这些地方。纤维铺放技术是在80年代中后期发展起来的。早期的纤