1.1设计纤维缠绕机器人手臂的意义

复合材料弯管是航空航天器减重节能，化工、石油开采和冶炼，建筑给排水，海洋开发以及食品加工等腐蚀问题突出的行业急需的产品，因此弯管生产的自动化是目前亟待解决的问题。

由于复合材料弯管的形状各不相同，结构也比轴对称管道复杂很多，而且规格系列繁多，所以其大批量的机械自动化生产难度大，我国的复合材料弯管多数是采用手糊工艺小批量分散地生产。手糊弯管的外观很粗糙，产品的强度低，而且生产的人工成本高，产品的质量得不到保障。弯管的生产效率迫切需要提高，同时弯管质量的优劣会直接影响着整条管道的寿命，因而弯管生产的自动化是目前亟待解决的问题。纤维缠绕技术在产品的强度、生产效率和生产成本等方面来考虑，都较其他成型工艺有很大的优势，所以首选纤维缠绕技术来实复合材料弯管的自动化生产。目前标准的纤维缠绕回转体的线型设计技术已经趋于成熟，而对于弯管这类非回转体的缠绕线型研究仍存在很多难点。

而目前我国的中高档缠绕成型技术的发展水平与国外相比还比较落后。高性能的纤维缠绕机还需要从美国、法国等西方国家引进，但引进成本高且高端的纤维缠绕技术无法引进。因此，大力发展纤维缠绕技术、研制出具有自主知识产权的高性能纤维缠绕机迫在眉睫。

1.2国内外现状

目前国内对复合材料纤维缠绕技术研究的单位很少，主要是一些从事FPR的厂家和少量高校研究机构。20世纪80年代末武汉工业大学的李先立等人研究了90度弯管纤维缠绕的运动方程^[1]，探讨了弯管的管径比对缠绕的影响，从受内压的角度考虑了最佳缠绕角的问题，并研究专用缠绕机来制造弯管；浙江大学的梁友栋等对弯管圆环段的测地线缠绕和圆柱段的非测地线稳定缠绕进行了研究，提出缠绕的代数模式和几何模式，分别解决稳定缠绕和均匀覆盖的问题；在这个基础上给出了纤维路径和机器路径设计的数学原理和计算方法，研发出一套CAD系统用于设计和制造复合材料弯管。武汉理工大学的田会方教授等对纤维缠绕弯管过程中的运动进行了分祈，根据芯模与吐丝嘴之间的相对运动关系，构建了悬纱的方程^[2]。弯管缠绕的研究难点在于它的形状是非对称的，而且在其内侧的凹曲而处可能会出现纤维的架空现象。弯管作为起连接作用的部件，受力情况复杂，横截面形状特殊，因此研究存在很大的难度。目前，计算机控制技术的大力发展使得我国的多轴缠绕机技术达到成熟，自动化大批量地设计和制造复合材料的弯管成为可能。

而因为我国纤维缠绕技术相对起步较晚，所以科研实力和欧美发达国家相比还是相形见绌。虽然轴对称产品的缠绕技术已经趋于国际水平，但高压缠绕弯管、糖葫芦型、T型三通管等非轴对称形体和奇异形体都少有提及，基本空白。对于管道的生产技术水平现已攻克，而对于管道的配件——弯管基本还是沿用手工、半自动的落后方式，生产出的产品强度低、造价高、表面粗糙、质量不尽如人意。

并且随着微电子行业和机电设备的不断发展，自动控制设备无论是特种机床还是工业机器人都延伸到了弯管的加工生产。由于用电脑进行数据采集和控制，轨迹运行进度高，各方向上误差小，界面友好，控制自如。德国亚琛大学研究的自动控制的缠绕设备上，由于出纱速度快，纱片宽度宽、股数多，还有自动浸渍、预热胶槽、张力控制等特色，所以生产的关键产品的质量要远高于其他。国外还有一种不间断成型弯管的缠绕设备。其过程为：芯模保持静止，绕丝嘴头可360度绕芯模回转，采用越过式缠绕的方式，从机头到机尾做往复运动。在机头的边缘装用于梳理纱线的纱疏、盛装树脂的“胶槽”和一些导纱机构，当缠绕正常运行时，浸渍树脂的纤维会被均匀的布满。

2. 研究的基本内容与方案

2.1整体设计方案

传统的纤维缠绕采用预浸式的方式对旋转的直筒进行纤维缠绕，但这种方式不适用于弯管的纤维缠绕所以对比之下，我拟采用以下方式：

因为要在圆柱形的弯管上进行纤维缠绕，而传统的缠绕方式较为繁琐且实现难度较大，所以现要改进并设计新的用于纤维缠绕的机器人手臂。

首先我们对纤维缠绕的运动进行分析，发现纤维缠绕的运动轨迹为延弯管轴线的的平动和延弯管表面的圆周运动的叠加运动。而弯管不宜转动，故设计一个机械手臂延弯管轴线平动，这部分运动可由机械臂的平动来完成部分，而对于弯管弯曲的部分的运动却不能很好完成，故而暂时留下了这个问题；而针对于延弯管表面的圆周运动，我们可以设计一个环形装置绕在弯管外对其进行圆周旋转的缠绕运动，这样做有效的减少了直接设计机械手臂时无法很好的引导纤维弯曲缠绕上弯管的难度。同时由于是由该环形装置对弯管进行缠绕加工，上述暂留问题也能得到有效的解决：我们可以让该环能在机械臂上进行绕Z轴的转动，即可完成让该延弯管轴线的平动。

同时为了对多种不同规格的弯管进行加工，我们不能每加工一种型号的产品，都对该型号的产品进行一次环形装置的设计，这样做成本太高。因此我们的机械臂可以设计为让该环形装置在圆周运动的平面内再进行延Y，Z轴弧线运动以保证圆环上进行缠绕加工的缠绕点与弯管缠绕表面的距离保持一致。以此实现对多种规格弯管的加工。所以，该机械臂应满足能在X，Y，Z，的平动和绕Z轴的转动。