纖維鋪放裝置及其鋪放關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、纖維復(fù)合材料由于其高比強度、高比模量、耐燒蝕和抗侵蝕等一系列優(yōu)點已經(jīng)成為現(xiàn)代大型飛機的主要結(jié)構(gòu)用材，我國啟動的大飛機項目中明確規(guī)定要大量使用纖維復(fù)合材料，因此飛機復(fù)合材料零件的“高性能”制造是我們亟待解決的問題。纖維鋪放技術(shù)是實現(xiàn)復(fù)合材料高性能制造的重要手段之一，同時也是近年來發(fā)展最快、最有效的先進制造技術(shù)。纖維鋪放技術(shù)綜合了纖維纏繞技術(shù)與自動鋪帶技術(shù)各自的優(yōu)點，通過能夠完成絲束夾緊、重送和切斷功能的鋪放頭，按一定角度將預(yù)浸絲束鋪放到制

2、品表面，同時完成開口、局部加厚等功能。本文針對鋪放裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計、鋪放控制系統(tǒng)、鋪放軌跡規(guī)劃、后置處理等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。
　　為了提高鋪放設(shè)備的加工能力，特別是為了實現(xiàn)復(fù)雜型面管狀零件的加工，研制了七自由度纖維鋪放裝置，該裝置由手臂、主軸和紗架三部分組成。手臂部分的三個移動軸設(shè)計成正交結(jié)構(gòu)，同時為了便于機構(gòu)的逆運動學(xué)分析，將手臂的手腕設(shè)計成球型手腕，其位置和姿態(tài)解耦。鋪放頭安裝在手臂末端，能夠獨立控制各路絲束的夾緊、重送和切斷，

3、其結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計方法，按絲束運動方向分為七個功能模塊：絲束導(dǎo)向模塊、絲束夾緊模塊、絲束重送模塊、絲束切斷模塊、絲束集合模塊、絲束加熱模塊、絲束施壓模塊。紗架具有張力控制功能，張力控制器設(shè)計成以交流伺服電機為執(zhí)行元件，PLC為主控制器，張力傳感器為反饋元件的全閉環(huán)控制系統(tǒng)，并采用PID數(shù)字控制技術(shù)。
　　研究了開放式結(jié)構(gòu)的鋪放控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括運動控制、絲束控制和張力控制三個部分。運動控制部分采用IPC+運動控制卡的開放式

4、結(jié)構(gòu)，鋪放加工代碼采用標(biāo)準(zhǔn)的G代碼和M代碼。通過分析單路絲束的工作循環(huán)和絲束在重送、切斷、鋪放狀態(tài)下夾緊模塊、重送模塊、切斷模塊的工作情況，總結(jié)出絲束控制程序設(shè)計的基本原則。同時提出了兩種絲束控制方法：絲束控制與運動控制整合的方法；絲束控制獨立于運動控制的方法。通過對這兩種絲束控制方法的比較分析，得出絲束控制獨立于運動控制的方法具有方法簡單、降低鋪放軟件開發(fā)難度的特點。最終通過鋪放試驗驗證了絲束控制方法的正確性。分析討論了影響相鄰絲束間

5、縫隙的三個主要因素：絲束寬度、絲束集合裝置設(shè)計的合理性、絲束加熱溫度。
　　研究了兩種鋪放軌跡規(guī)劃方法，即網(wǎng)格化方法和UG軟件的二次開發(fā)方法。網(wǎng)格化方法以曲面網(wǎng)格化數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在網(wǎng)格單元內(nèi)計算軌跡點坐標(biāo)，再將計算的軌跡點順次擬合得到鋪放軌跡。這種方法由于開發(fā)周期長、難度大，僅在算法上進行了初步研究。UG軟件的二次開發(fā)方法選用UG/Open GRIP開發(fā)工具，實現(xiàn)了鋪放軌跡、軌跡規(guī)劃坐標(biāo)系下鋪放頭壓輥姿態(tài)、軌跡點絲束數(shù)量、纖維重疊面

6、積與間隙面積等鋪放信息的計算。通過分析等鋪放角曲線的計算方法、等距偏置算法、曲線延伸算法、基于絲帶邊緣曲線的軌跡規(guī)劃方法，提出以等距偏置算法為計算核心的鋪放軌跡優(yōu)化方法，該軌跡優(yōu)化方法使鋪放設(shè)備盡量處于滿絲鋪放狀態(tài)，減少了剪切絲束的次數(shù)，有助于鋪放工作效率的提高。
　　通過分析鋪放運動過程，采用位姿分離法研究了七自由度纖維鋪放設(shè)備的后置處理算法。鋪放運動由主軸旋轉(zhuǎn)運動和鋪放頭運動共同完成，因此將七自由度鋪放機構(gòu)分成主軸和手臂兩部分

7、分別進行后置處理，而這兩部分都是非冗余機構(gòu)，從而避開了處理冗余機構(gòu)的運動學(xué)問題，簡化了后置處理算法。通過分析主軸旋轉(zhuǎn)變量的計算方法，提出了基于手臂末端運動軌跡和基于手臂末端施壓方向的兩種后置處理算法，并對這兩種算法進行比較，得出基于手臂末端施壓方向的后置處理算法具有機床工作平穩(wěn)、關(guān)節(jié)變量范圍小、關(guān)節(jié)角波動小、適用范圍廣的特點。因此對于曲率半徑小、曲率變化大的鋪放軌跡首選該后置處理算法。最后通過鋪放運動仿真試驗和機床鋪放試驗驗證了后置處理