目前世界上新材料的发展趋势是复合化和多样化，复合材料已经得到广泛的应用。在生产纤维复合材料的技术中，最早开发，使用最广泛，最为重要的是纤维缠绕技术。所谓纤维缠绕技术，是指通过丝嘴与模具的相对运动将纱或丝束按照一定规律缠绕于模具上，制造复合材料构件的成型技术。采用纤维缠绕技术制得的产品具有准确率高，纤维排列整齐，比刚度、比强度较高的特点。纤维缠绕技术广泛应用于火箭发动机壳体、管道、储罐、高压气瓶、发电机叶片等部件的制造。^[1]

国外对纤维缠绕技术研究的起步较早。20世纪30年代，相关概念的雏形出现，40年代中期纤维缠绕技术的概念被正式提出，60年代初，第一台机械式纤维缠绕机出现，但因生产耗时耗力、传动机构要随线型变化改动等缺点，很快被市场淘汰。^[2]1973年，ENTEC公司研制出第一台微处理器控制纤维缠绕机，1976年，第一台计算机控制的纤维缠绕机McCleanAnderson 60面市，是复合材料自动化成型技术的开端。80~90年代，Pultrex公司开发出四轴联动数控纤维缠绕机，更多运动轴的引入使得复杂形状工件的缠绕成为可能。同时，纤维缠绕CAD技术开始出现，利用计算机辅助设计缠绕模式和线型，大大简化了设计流程，减少了产品的开发、工艺设计周期与生产时间。多工位缠绕机亦在此时出现，在一台缠绕机上，通过传动装置带动多个主轴运动，多个工件同时缠绕，使得生产效率较单工位缠绕机提高数倍。进入21世纪，多主轴、多运动轴联动逐渐成为缠绕机性能的判断标准，目前国外已有十一轴的缠绕机出现。国外知名的纤维缠绕机制造商有ENTEC公司、McCleanAnderson公司、BSD公司等。

国内对纤维缠绕技术的研究起步于1958年，初衷是为国防建设服务。60年代初，我国正式开始纤维缠绕技术的研究，1965年正式掌握缠绕规律与缠绕速比的计算方法，实现了螺旋缠绕排线的机械化，1971年开始研究异形件缠绕技术，1987年提出网格结构纤维缠绕计算原理，1996~1998年提出拟测地线路径算法，用于解决回转体纤维缠绕稳定轨迹的设计。^[3]目前国内中低档的两轴、三轴数控纤维缠绕机制造技术及缠绕工艺已经基本成熟，并在管道制造和压力容器生产过程中得到广泛应用，六轴微机控制缠绕机亦已研制成功。高性能、大型缠绕机则因其应用于国防军工、航空航天的潜在可能性，掌握生产技术的国家对我国限制出口，故仍与世界先进水平存在差距。^[4]

目前国外已经研制出可自动挂卸纱的纤维缠绕机，马其顿MIKROSAM公司研制的用于LPG/CNG的高压容器自动化纤维缠绕生产线，具有自动纤维切割/挂纱功能，且可根据客户具体需求进行功能定制。德国Roth公司的Typ 1型纤维缠绕机具有1~5个工位，配合全自动产线上的其他设备，可以实现自动切纱/上纱功能。上海开能环保设备有限公司引进德国多工位纤维缠绕设备，可以实现纤维束的自动挂接和切断，同时还能在缠绕完成后自动更换芯模，生产流程完全自动化，无需人工干预，大幅提高产品质量和生产效率。

我国纤维缠绕工艺经历几十年的发展，控制系统、测量装置、数据采集均已实现自动控制，但仍未完全自动化。挂纱和卸纱，作为工艺的首末环节，仍需人工完成。首先，挂接纤维束的质量直接影响纤维缠绕制品的性能，手工作业难以保证挂卸纱的可靠性。其次，手工作业耗时较长且效率低下。第三，生产现场纤维粉尘较多，生产中使用的液体树脂材料含有挥发性有机试剂，对现场工作人员的健康有潜在的威胁。国内相关单位对自动挂卸纱装置的研究尚处于理论研究、结构设计阶段，实际生产中，挂纱、卸纱作业仍依赖人工操作。^[5]故开发出一种自动挂纱机构是非常有意义的。

2. 研究的基本内容与方案

该装置的设计目的是通过机械装置，将碳纤维束或玻璃纤维束固定于芯模表面，实现挂纱的动作，在缠绕工序结束后，亦可对纤维束进行切割，完成剪切环节。整套动作应循环进行，无需人工干预，实现纤维缠绕工艺的自动化。^{[6, 7]}

图1 纤维缠绕自动挂纱的流程图

由文献^[8-13] 可知，纤维缠绕自动挂纱机构主要有三种类型：主轴配合型、小车配合型、工业机器人型。主轴配合型机构体积紧凑、占用空间小，但只能在主轴箱附近挂纱。此外，各工位都需要设置单独的挂纱装置，在多工位情况下，所需的操作空间较大，机构运动复杂。故主轴配合型自动挂纱装置不太适用于两工位以上的缠绕机。