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(qiáng)度、高比模量、耐燒蝕和抗侵蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為現(xiàn)代大型飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)用材，我國啟動(dòng)的大飛機(jī)項(xiàng)目中明確規(guī)定要大量使用纖維復(fù)合材料，因此飛機(jī)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(shí)現(xiàn)復(fù)合材料高性能制造的重要手段之一，同時(shí)也是近年來發(fā)展最快、最有效的先進(jìn)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(dòng)鋪帶技術(shù)各自的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)完成開口、局部加厚等功能。本文針對(duì)鋪放裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(jìn)行了研究。
　　為了提高鋪放設(shè)備的加工能力，特別是為了實(shí)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(gè)移動(dòng)軸設(shè)計(jì)成正交結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了便于機(jī)構(gòu)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，將手臂的手腕設(shè)計(jì)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(dú)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(jì)方法，按絲束運(yùn)動(dòng)方向分為七個(gè)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(jì)成以交流伺服電機(jī)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(yùn)動(dòng)控制、絲束控制和張力控制三個(gè)部分。運(yùn)動(dòng)控制部分采用IPC+運(yùn)動(dòng)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(jì)的基本原則。同時(shí)提出了兩種絲束控制方法：絲束控制與運(yùn)動(dòng)控制整合的方法；絲束控制獨(dú)立于運(yùn)動(dòng)控制的方法。通過對(duì)這兩種絲束控制方法的比較分析，得出絲束控制獨(dú)立于運(yùn)動(dòng)控制的方法具有方法簡(jiǎn)單、降低鋪放軟件開發(fā)難度的特點(diǎn)。最終通過鋪放試驗(yàn)驗(yàn)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(gè)主要因素：絲束寬度、絲束集合裝置設(shè)計(jì)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(jì)算軌跡點(diǎn)坐標(biāo)，再將計(jì)算的軌跡點(diǎn)順次擬合得到鋪放軌跡。這種方法由于開發(fā)周期長(zhǎng)、難度大，僅在算法上進(jìn)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(shí)現(xiàn)了鋪放軌跡、軌跡規(guī)劃坐標(biāo)系下鋪放頭壓輥?zhàn)藨B(tài)、軌跡點(diǎn)絲束數(shù)量、纖維重疊面

6、積與間隙面積等鋪放信息的計(jì)算。通過分析等鋪放角曲線的計(jì)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(jì)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)由主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和鋪放頭運(yùn)動(dòng)共同完成，因此將七自由度鋪放機(jī)構(gòu)分成主軸和手臂兩部分

7、分別進(jìn)行后置處理，而這兩部分都是非冗余機(jī)構(gòu)，從而避開了處理冗余機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)問題，簡(jiǎn)化了后置處理算法。通過分析主軸旋轉(zhuǎn)變量的計(jì)算方法，提出了基于手臂末端運(yùn)動(dòng)軌跡和基于手臂末端施壓方向的兩種后置處理算法，并對(duì)這兩種算法進(jìn)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(jī)床工作平穩(wěn)、關(guān)節(jié)變量范圍小、關(guān)節(jié)角波動(dòng)小、適用范圍廣的特點(diǎn)。因此對(duì)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(yùn)動(dòng)仿真試驗(yàn)和機(jī)床鋪放試驗(yàn)驗(yàn)證了后置處理