一、技術(shù)溯源與發(fā)展脈絡

纖維纏繞成型技術(shù)，作為一種極具創(chuàng)新性的復合材料加工工藝，其起源可回溯至二十世紀三十年代。彼時，隨著樹脂基增強復合材料嶄露頭角，纖維纏繞技術(shù)順勢而生，開啟了其在材料加工領(lǐng)域的嶄新時代。

到了二十世紀四十年代末，第一代用于自動生產(chǎn)的纖維纏繞機問世，這一里程碑事件標志著纖維纏繞技術(shù)從手工勞作邁向機械化生產(chǎn)的重要跨越。盡管當時的設備功能相對有限，但其為后續(xù)技術(shù)的持續(xù)進步筑牢了根基。

步入七十年代，微處理器技術(shù)的蓬勃發(fā)展為纖維纏繞機帶來了首次重大革新。數(shù)控技術(shù)的融入，使得纖維纏繞機能夠?qū)崿F(xiàn)更為精準的運動操控，極大地提升了纏繞制品的精度與質(zhì)量。

隨著計算機時代的全面來臨，基于計算機數(shù)控以及機器人技術(shù)的纖維纏繞機橫空出世。這類新型設備不僅達成了多軸聯(lián)動的卓越性能，能夠完成極為復雜的纏繞軌跡，還具備了更高的自動化程度以及生產(chǎn)效率。多軸聯(lián)動技術(shù)讓纖維得以依照預設的復雜路徑緊密纏繞在芯模之上，全方位滿足了各類不同形狀、不同需求的產(chǎn)品制造要求。

在國內(nèi)，纖維纏繞技術(shù)的研究與應用同樣成果斐然。國內(nèi)學者深入鉆研纖維纏繞技術(shù)的理論體系，在纏繞規(guī)律剖析、力學性能解析等方面收獲頗豐。通過不懈努力，成功制造出諸如壓力容器、儲罐等多樣化的纖維纏繞產(chǎn)品，這些產(chǎn)品廣泛應用于民用、汽車、航空航天等多個關(guān)鍵領(lǐng)域。這一系列顯著成就充分彰顯出我國纖維纏繞技術(shù)已穩(wěn)步達到國際先進水平。

然而，我們也必須清醒地認識到，我國在纖維纏繞技術(shù)領(lǐng)域仍存在一些亟待攻克的難題。在機床核心部件方面，現(xiàn)階段我國在一定程度上仍依賴進口產(chǎn)品。盡管國內(nèi)科研人員在相關(guān)領(lǐng)域積極開展深入研究，但國產(chǎn)核心部件在機床上的實際應用占比依舊較低，這在一定程度上對我國纖維纏繞技術(shù)的進一步發(fā)展形成了制約。此外，在復雜構(gòu)件的研究方面，諸如異形件、三通管等，我國與國際先進水平相比仍存在一定差距，亟待進一步加大研發(fā)投入，全力提升技術(shù)水準。

二、國內(nèi)發(fā)展的多維度審視

（一）斐然成就與重大突破

在國內(nèi)，纖維纏繞技術(shù)領(lǐng)域的科研工作者們歷經(jīng)多年的拼搏奮進，在理論研究與產(chǎn)品制造兩大方面均取得了令人矚目的輝煌成就。

在理論層面，國內(nèi)學者深度剖析纖維纏繞的力學原理、纏繞規(guī)律等基礎理論知識，為該技術(shù)的實際應用筑牢了堅實的理論根基。通過構(gòu)建精準的數(shù)學模型，對纖維在纏繞過程中的應力分布狀況、變形規(guī)律等進行模擬分析，從而為實際生產(chǎn)中的工藝參數(shù)優(yōu)化提供了科學有效的指導。

在產(chǎn)品制造領(lǐng)域，我國已成功掌握了壓力容器、儲罐等多種纖維纏繞產(chǎn)品的核心制造技術(shù)。這些產(chǎn)品在質(zhì)量與性能方面均達到了較高水準，不僅充分滿足了國內(nèi)各行業(yè)的實際需求，部分優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品還成功打入國際市場，在國際舞臺上嶄露頭角。在民用領(lǐng)域，纖維纏繞壓力容器憑借其高強度、輕量化的顯著優(yōu)勢，被廣泛應用于天然氣的儲存與運輸環(huán)節(jié)，有效提升了運輸效率，降低了運輸成本。在汽車行業(yè)，纖維纏繞技術(shù)同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用，例如汽車傳動軸、車身結(jié)構(gòu)件等采用纖維纏繞復合材料制造，顯著減輕了汽車自身重量，進而提高了燃油經(jīng)濟性以及行駛性能。

（二）現(xiàn)存短板與嚴峻挑戰(zhàn)

盡管我國在纖維纏繞技術(shù)方面已取得顯著進展，但與國際先進水平相對比，仍存在一些亟待解決的短板與挑戰(zhàn)。

在機床核心部件方面，我國對進口產(chǎn)品的依賴程度依然較高。數(shù)控系統(tǒng)、伺服電機、高精度絲杠等核心部件，國外品牌在技術(shù)與性能方面具備明顯優(yōu)勢，長期占據(jù)著國內(nèi)高端市場。這一現(xiàn)狀不僅致使我國纖維纏繞設備的制造成本居高不下，更為關(guān)鍵的是，在關(guān)鍵技術(shù)層面我國受制于人，嚴重阻礙了我國纖維纏繞技術(shù)的自主創(chuàng)新進程以及產(chǎn)業(yè)升級步伐。

在復雜構(gòu)件的纏繞研究方面，我國仍存在較大的提升空間。異形件、三通管等復雜構(gòu)件的纏繞工藝難度極高，需要高精度的先進設備以及前沿的控制算法予以支撐。當前，我國在這方面的研究尚不夠深入，相關(guān)技術(shù)與設備仍處于探索階段。復雜構(gòu)件的纏繞質(zhì)量與效率難以契合實際生產(chǎn)需求，在航空航天、高端裝備制造等對復雜構(gòu)件需求迫切的領(lǐng)域，對我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形成了制約。

三、前沿探索的卓越成果

（一）四軸纖維纏繞機的卓越性能

在纖維纏繞設備的前沿探索進程中，四軸纖維纏繞機展現(xiàn)出了非凡的性能與巨大的發(fā)展?jié)摿?。Cygnet Texkimp 公司向英國國家復合材料中心（NCC）交付的一臺四軸纖維纏繞機，成為了行業(yè)內(nèi)備受矚目的焦點。這臺設備被應用于一個全新的、致力于推動氫能源運輸與儲存的先進制造和測試設施之中，為該領(lǐng)域的發(fā)展注入了強勁動力。

該四軸纖維纏繞機具備高度的靈活性以及廣泛的適用性。它能夠處理各類纖維材料，從預浸料到干纖維以及玻璃纖維，涵蓋了所有纖維與樹脂的組合類型，包括高粘度和快速固化樹脂。這一特性使得在實際生產(chǎn)過程中，它能夠全方位滿足不同客戶對于不同材料與工藝的多樣化需求，極大地拓展了纖維纏繞技術(shù)的應用范疇。

從技術(shù)細節(jié)層面來看，這臺纖維纏繞機設計為能夠同時纏繞四根纖維束，并且每根纖維束均配備獨立的張力控制單元以及調(diào)節(jié)臂。這種精細的設計構(gòu)造使得操作人員能夠精準地調(diào)控進給速度以及纏繞張力，從而實現(xiàn)更為快速、精準的纏繞作業(yè)過程。通過對張力的精確把控，纖維在纏繞過程中能夠始終保持均勻的分布狀態(tài)以及穩(wěn)定的形態(tài)，有力地確保了最終產(chǎn)品的質(zhì)量與性能。

Cygnet Texkimp 公司內(nèi)部團隊精心開發(fā)的定制軟件包，更是為這臺設備增添了諸多優(yōu)勢。該軟件允許 NCC 記錄包括纏繞張力與速度、樹脂溫度以及模具內(nèi)氣壓等一系列關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息。這些數(shù)據(jù)的記錄與分析，對于優(yōu)化生產(chǎn)工藝、提升產(chǎn)品質(zhì)量具有至關(guān)重要的意義。通過對這些數(shù)據(jù)的深入研究，技術(shù)人員能夠及時察覺生產(chǎn)過程中存在的問題，并進行有針對性的調(diào)整與改進。

在纖維供應環(huán)節(jié)，這臺纖維纏繞機由兩個四位置紗架提供服務支持。其中，一個預浸料紗架專門用于解卷并引導預浸料材料進入纏繞機，其獨特的設計能夠完全隔離卷筒所需的張力與纏繞階段所需的張力，確保纖維始終以最佳狀態(tài)供給。另一個干纖維紗架則以低張力和高精度將纖維引入生產(chǎn)過程，并且設有封閉裝置，有效防止空氣中的碎片逸散到環(huán)境中，有力保證了生產(chǎn)環(huán)境的清潔以及纖維的質(zhì)量。

此外，這臺機器還具備兩種用于干式纏繞應用的在線展開和涂覆能力。一個溫度控制的浸漬系統(tǒng)，配備可調(diào)節(jié)的擴展條，能夠?qū)胃w維束進行展開操作，實現(xiàn)均勻的樹脂浸漬效果；一個涂布鼓和刀片，可精確控制施加在纖維上的樹脂量。NCC 將對這些方法在一系列應用中的纏繞適用性展開深入研究，進一步挖掘其潛在應用價值。

這臺先進的四軸纖維纏繞機的投入使用，不僅顯著提升了纏繞過程的精準度與效率，還為 NCC 在氫能源運輸和儲存領(lǐng)域的研發(fā)工作提供了強大的技術(shù)支撐。它極大地增強了英國在該領(lǐng)域的制造能力，為其實現(xiàn)凈零排放目標提供了關(guān)鍵技術(shù)保障。

（二）機床數(shù)字孿生技術(shù)的深度應用

機床數(shù)字孿生技術(shù)，作為智能制造領(lǐng)域的一項前沿核心技術(shù)，正逐步在纖維纏繞設備中得到廣泛應用，并展現(xiàn)出無可比擬的巨大優(yōu)勢。

數(shù)字孿生技術(shù)的核心要義在于，通過構(gòu)建物理實體與虛擬模型之間的雙向映射關(guān)系，實現(xiàn)對實體設備的實時監(jiān)測、預測性維護以及優(yōu)化決策等重要功能。在纖維纏繞機床領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)C床的運行狀態(tài)進行精準感知，對加工過程進行模擬仿真，對可能出現(xiàn)的故障進行早期預警與智能診斷，從而大幅提升機床的可靠性以及生產(chǎn)效率。

這一技術(shù)的起源可追溯至美國空軍研究實驗室針對飛行器開展的相關(guān)工作。當時，美國空軍研究實驗室提出了一種利用數(shù)字孿生模型進行結(jié)構(gòu)壽命預測的創(chuàng)新方法，旨在確保飛行器的結(jié)構(gòu)完整性。此后，數(shù)字孿生技術(shù)逐漸在各個領(lǐng)域得到廣泛應用與深入發(fā)展。在數(shù)控機床領(lǐng)域，西門子結(jié)合數(shù)字孿生概念，提出了機床數(shù)字孿生模型的創(chuàng)新設計思路。西門子認為，機床的數(shù)字孿生模型應當貫穿產(chǎn)品的整個制造流程，涵蓋產(chǎn)品的設計、生產(chǎn)調(diào)試以及未來服務等所有環(huán)節(jié)。通過建立機床數(shù)字孿生體，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實的相互映射，虛擬機床能夠?qū)ΜF(xiàn)實情況進行實時反饋，并對產(chǎn)品進行持續(xù)優(yōu)化改進。

在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學積極投身于相關(guān)研究工作，基于數(shù)字孿生技術(shù)成功開發(fā)出多軸專用纖維纏繞機的虛擬仿真平臺。該平臺構(gòu)建了機床整體模型，開辟出機床虛擬空間，實現(xiàn)了機床的離線及在線實時仿真功能。通過該平臺，能夠?qū)p繞過程的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行采集，并進行可視化處理，從而實現(xiàn)對纏繞過程關(guān)鍵數(shù)據(jù)的有效監(jiān)測。同時，該平臺還實現(xiàn)了軟件層面對機床的直接控制，完成了機床的虛實交互功能開發(fā)。

在實際應用場景中，機床數(shù)字孿生技術(shù)帶來了諸多顯著成效。通過虛擬仿真，技術(shù)人員能夠在實際生產(chǎn)之前對纏繞過程進行模擬演練，提前發(fā)現(xiàn)潛在問題，并進行優(yōu)化調(diào)整。這一舉措不僅有效減少了實際生產(chǎn)中的試錯成本，還顯著提高了生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。在機床運行過程中，數(shù)字孿生模型能夠?qū)崟r監(jiān)控機床的各項參數(shù)，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，能夠及時發(fā)出預警信息，便于技術(shù)人員進行維護作業(yè)，有效降低了機床的故障率，提高了設備的可靠性。

四、未來發(fā)展的關(guān)鍵方向

（一）機器人技術(shù)的深度融合

機器人技術(shù)在纖維纏繞領(lǐng)域的應用，正逐步顛覆傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，為行業(yè)發(fā)展帶來了前所未有的全新機遇。相較于傳統(tǒng)的纖維纏繞設備，機器人具備更高的靈活性、精度以及可重復性，能夠完美滿足復雜構(gòu)件的纏繞需求。

在國外，機器人纏繞設備的應用已然相當廣泛。雅典國立技術(shù)大學借助六軸機器人成功實現(xiàn)了復合材料殼狀零件的制造。通過精確的編程與控制，機器人能夠依照預設路徑，將纖維束精準地纏繞在芯模之上，制造出形狀復雜、精度要求極高的殼狀零件。其獨特的運動靈活性，使得在處理不規(guī)則形狀的零件時，能夠輕松應對各種復雜的纏繞角度與軌跡要求，有力確保了產(chǎn)品的質(zhì)量與性能。

COMAU 機器人聯(lián)合西門子公司共同研發(fā)的一系列針對復合材料成型的機器人設備，更是充分展現(xiàn)了機器人技術(shù)在纖維纏繞領(lǐng)域的強大實力。這些設備融合了先進的機器人控制技術(shù)與西門子的數(shù)字化解決方案，實現(xiàn)了從纖維輸送、纏繞到固化的全流程自動化控制。在生產(chǎn)過程中，機器人能夠迅速響應指令，精確控制纖維的張力與纏繞速度，極大地提高了生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

在國內(nèi)，盡管機器人纏繞設備尚處于起步階段，但發(fā)展勢頭極為迅猛。眾多科研機構(gòu)與企業(yè)紛紛加大在這一領(lǐng)域的研發(fā)投入，致力于實現(xiàn)機器人纏繞技術(shù)的國產(chǎn)化與產(chǎn)業(yè)化。一些企業(yè)已成功引進國外先進的機器人技術(shù)，并結(jié)合自身實際需求進行了二次開發(fā)，取得了一定成果。部分企業(yè)通過與高校、科研機構(gòu)展開合作，開展產(chǎn)學研聯(lián)合攻關(guān)，在機器人纏繞設備的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面取得了突破，例如機器人運動控制算法、纖維纏繞軌跡規(guī)劃等。

展望未來，隨著機器人技術(shù)的持續(xù)發(fā)展與不斷成熟，其在纖維纏繞領(lǐng)域的應用將愈發(fā)廣泛與深入。一方面，機器人的性能將不斷實現(xiàn)質(zhì)的飛躍，例如具備更高的負載能力、更快的運動速度以及更高的定位精度，能夠滿足更大尺寸、更復雜結(jié)構(gòu)構(gòu)件的纏繞需求。另一方面，機器人與其他先進技術(shù)的深度融合將進一步拓展其應用場景。與人工智能技術(shù)相結(jié)合，機器人能夠?qū)崿F(xiàn)自主學習與智能決策，依據(jù)不同的產(chǎn)品要求自動調(diào)整纏繞參數(shù)與工藝，大幅提高生產(chǎn)的智能化水平；與 3D 打印技術(shù)相結(jié)合，有望實現(xiàn)纖維纏繞與增材制造的有機融合，創(chuàng)造出更為獨特的復合材料結(jié)構(gòu)。

（二）智能化與自動化的發(fā)展趨勢

隨著工業(yè) 4.0 的浪潮席卷全球，纖維纏繞設備正朝著智能化與自動化的方向大步邁進。智能化與自動化技術(shù)的廣泛應用，將極大地提升纖維纏繞設備的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)靈活性。

數(shù)字孿生技術(shù)作為智能化發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)之一，在纖維纏繞設備中的應用前景極為廣闊。通過構(gòu)建纖維纏繞設備的數(shù)字孿生模型，能夠?qū)崟r模擬設備的運行狀態(tài)、纖維纏繞過程以及產(chǎn)品質(zhì)量情況。在實際生產(chǎn)之前，技術(shù)人員可借助數(shù)字孿生模型進行虛擬仿真，對纏繞工藝參數(shù)進行優(yōu)化，提前發(fā)現(xiàn)潛在問題并進行調(diào)整，從而有效避免在實際生產(chǎn)中出現(xiàn)差錯，降低試錯成本，提高生產(chǎn)效率。在設備運行過程中，數(shù)字孿生模型能夠?qū)崟r監(jiān)測設備的各項參數(shù)，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，立即發(fā)出預警信號，并提供相應的解決方案，實現(xiàn)設備的預測性維護，降低設備故障率，延長設備使用壽命。

虛擬仿真技術(shù)同樣是纖維纏繞設備智能化發(fā)展的重要方向。借助虛擬仿真技術(shù)，操作人員能夠在虛擬環(huán)境中對纖維纏繞過程進行模擬操作，直觀地觀察纖維的纏繞軌跡、張力變化等情況。這不僅有助于操作人員更好地理解與掌握纏繞工藝，還能夠在虛擬環(huán)境中進行培訓與技能提升，有效減少因人為操作失誤導致的產(chǎn)品質(zhì)量問題。虛擬仿真技術(shù)還可與數(shù)字孿生技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)對實際生產(chǎn)過程的實時反饋與優(yōu)化，進一步提升生產(chǎn)的智能化水平。

自動化技術(shù)在纖維纏繞設備中的應用，將實現(xiàn)生產(chǎn)過程的全自動化控制。從纖維的上料、纏繞、固化到產(chǎn)品的下線，整個生產(chǎn)流程均可通過自動化系統(tǒng)進行精確控制。自動化的纖維上料系統(tǒng)能夠依據(jù)生產(chǎn)需求，自動將不同類型的纖維輸送至纏繞設備中，并確保纖維的張力穩(wěn)定；自動化的纏繞系統(tǒng)能夠按照預設程序，精確控制纖維的纏繞軌跡與速度，實現(xiàn)高效、精準的纏繞作業(yè)；自動化的固化系統(tǒng)能夠根據(jù)產(chǎn)品要求，自動調(diào)節(jié)固化溫度與時間，確保產(chǎn)品的固化質(zhì)量。通過自動化技術(shù)的應用，不僅能夠提高生產(chǎn)效率，降低人工成本，還能夠減少人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，提高產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性與一致性。

在智能化與自動化的發(fā)展趨勢下，纖維纏繞設備將具備更高的自適應能力與柔性生產(chǎn)能力。設備能夠根據(jù)不同的產(chǎn)品需求，迅速調(diào)整生產(chǎn)工藝與參數(shù)，實現(xiàn)多品種、小批量的柔性生產(chǎn)。智能化的生產(chǎn)管理系統(tǒng)還能夠?qū)ιa(chǎn)過程進行實時監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析，為企業(yè)的生產(chǎn)決策提供有力支持，助力企業(yè)實現(xiàn)生產(chǎn)資源的優(yōu)化配置，提升企業(yè)的市場競爭力。

五、總結(jié)與展望

纖維纏繞成型技術(shù)作為先進復合材料制造的核心關(guān)鍵技術(shù)，歷經(jīng)多年的持續(xù)發(fā)展，已取得了長足的進步。從最初的簡單機械化生產(chǎn)模式，逐步演進至如今的多軸聯(lián)動、智能化控制的先進水平，纖維纏繞設備的性能與精度不斷實現(xiàn)質(zhì)的飛躍，應用領(lǐng)域也日益廣泛。

回顧纖維纏繞成型技術(shù)的發(fā)展歷程，我們清晰地見證了其在材料科學、機械工程、自動化控制等多學科領(lǐng)域的協(xié)同創(chuàng)新驅(qū)動下，逐步走向成熟與完善。在國內(nèi)，盡管我們在某些方面取得了顯著成就，但與國際先進水平相比，仍存在一定差距。在機床核心部件的國產(chǎn)化、復雜構(gòu)件的纏繞技術(shù)以及設備的智能化水平等方面，我們?nèi)孕韪冻龀掷m(xù)努力，砥礪前行。

展望未來，隨著科技的不斷進步以及市場需求的持續(xù)增長，纖維纏繞設備將朝著更高的靈活性、適應性以及智能化水平邁進。機器人技術(shù)的深度融合將為復雜構(gòu)件的纏繞提供更為高效、精準的解決方案，極大地拓展纖維纏繞技術(shù)的應用范疇。智能化與自動化技術(shù)的蓬勃發(fā)展，將使纖維纏繞設備實現(xiàn)生產(chǎn)過程的全自動化控制、實時監(jiān)測與優(yōu)化調(diào)整，有效提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本與勞動強度。

數(shù)字孿生、虛擬仿真等先進技術(shù)也將在纖維纏繞領(lǐng)域發(fā)揮愈發(fā)重要的作用。通過構(gòu)建設備和產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型，我們能夠在虛擬環(huán)境中進行設計驗證、工藝優(yōu)化以及故障預測，實現(xiàn)從設計到生產(chǎn)的全過程數(shù)字化管理，提升企業(yè)的創(chuàng)新能力與市場競爭力。

纖維纏繞成型技術(shù)和多軸纖維纏繞設備的發(fā)展，將對相關(guān)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展起到積極的推動作用。在航空航天、汽車制造、能源等領(lǐng)域，高性能的纖維纏繞復合材料制品將為這些行業(yè)的發(fā)展提供強有力的支撐，助力我國高端制造業(yè)的崛起。我們滿懷期待，在未來，我國的纖維纏繞技術(shù)能夠在國際舞臺上占據(jù)更為重要的地位，為推動全球先進復合材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展貢獻更多的中國力量。