纤维铺放装置及其铺放关键技术研究

摘要

纤维复合材料由于其高比强度、高比模量、耐烧蚀和抗侵蚀等一系列优点已经成为现代大型飞机的主要结构用材，我国启动的大飞机项目中明确规定要大量使用纤维复合材料，因此飞机复合材料零件的“高性能”制造是我们亟待解决的问题。纤维铺放技术是实现复合材料高性能制造的重要手段之一，同时也是近年来发展最快、最有效的先进制造技术。纤维铺放技术综合了纤维缠绕技术与自动铺带技术各自的优点，通过能够完成丝束夹紧、重送和切断功能的铺放头，按一定角度将预浸丝束铺放到制品表面，同时完成开口、局部加厚等功能。本文针对铺放装置结构设计、铺放控制系统、铺放轨迹规划、后置处理等关键技术进行了研究。　　为了提高铺放设备的加工能力，特别是为了实现复杂型面管状零件的加工，研制了七自由度纤维铺放装置，该装置由手臂、主轴和纱架三部分组成。手臂部分的三个移动轴设计成正交结构，同时为了便于机构的逆运动学分析，将手臂的手腕设计成球型手腕，其位置和姿态解耦。铺放头安装在手臂末端，能够独立控制各路丝束的夹紧、重送和切断，其结构采用模块化设计方法，按丝束运动方向分为七个功能模块：丝束导向模块、丝束夹紧模块、丝束重送模块、丝束切断模块、丝束集合模块、丝束加热模块、丝束施压模块。纱架具有张力控制功能，张力控制器设计成以交流伺服电机为执行元件，PLC为主控制器，张力传感器为反馈元件的全闭环控制系统，并采用PID数字控制技术。　　研究了开放式结构的铺放控制系统，该控制系统包括运动控制、丝束控制和张力控制三个部分。运动控制部分采用IPC+运动控制卡的开放式结构，铺放加工代码采用标准的G代码和M代码。通过分析单路丝束的工作循环和丝束在重送、切断、铺放状态下夹紧模块、重送模块、切断模块的工作情况，总结出丝束控制程序设计的基本原则。同时提出了两种丝束控制方法：丝束控制与运动控制整合的方法；丝束控制独立于运动控制的方法。通过对这两种丝束控制方法的比较分析，得出丝束控制独立于运动控制的方法具有方法简单、降低铺放软件开发难度的特点。最终通过铺放试验验证了丝束控制方法的正确性。分析讨论了影响相邻丝束间缝隙的三个主要因素：丝束宽度、丝束集合装置设计的合理性、丝束加热温度。　　研究了两种铺放轨迹规划方法，即网格化方法和UG软件的二次开发方法。网格化方法以曲面网格化数据为基础，在网格单元内计算轨迹点坐标，再将计算的轨迹点顺次拟合得到铺放轨迹。这种方法由于开发周期长、难度大，仅在算法上进行了初步研究。UG软件的二次开发方法选用UG/Open GRIP开发工具，实现了铺放轨迹、轨迹规划坐标系下铺放头压辊姿态、轨迹点丝束数量、纤维重叠面积与间隙面积等铺放信息的计算。通过分析等铺放角曲线的计算方法、等距偏置算法、曲线延伸算法、基于丝带边缘曲线的轨迹规划方法，提出以等距偏置算法为计算核心的铺放轨迹优化方法，该轨迹优化方法使铺放设备尽量处于满丝铺放状态，减少了剪切丝束的次数，有助于铺放工作效率的提高。　　通过分析铺放运动过程，采用位姿分离法研究了七自由度纤维铺放设备的后置处理算法。铺放运动由主轴旋转运动和铺放头运动共同完成，因此将七自由度铺放机构分成主轴和手臂两部分分别进行后置处理，而这两部分都是非冗余机构，从而避开了处理冗余机构的运动学问题，简化了后置处理算法。通过分析主轴旋转变量的计算方法，提出了基于手臂末端运动轨迹和基于手臂末端施压方向的两种后置处理算法，并对这两种算法进行比较，得出基于手臂末端施压方向的后置处理算法具有机床工作平稳、关节变量范围小、关节角波动小、适用范围广的特点。因此对于曲率半径小、曲率变化大的铺放轨迹首选该后置处理算法。最后通过铺放运动仿真试验和机床铺放试验验证了后置处理算法的正确性和有效性。

目录

纤维铺放装置及其铺放关键技术研究

RESEARCH ON KEY TECHNOLOGY OFFIBER PLACEMENT MACHINE

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1 章 绪论

1.2 纤维铺放技术

1.2.1 纤维铺放技术简介

1.3 国内外纤维铺放技术的发展概况

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 本文研究内容

第2 章 七自由度纤维铺放装置的结构设计

2.1 铺放装置的总体结构

2.2 丝束控制模块的结构设计方案

2.2.1 丝束夹紧模块

2.2.2 丝束重送模块

2.2.3 丝束切断模块

2.3 辅助模块的结构设计方案

2.4 手腕机构设计方案

2.5 张力控制器设计方案

2.6 本章小结

第3 章 纤维铺放装置的控制系统

3.1 铺放控制系统结构

3.2 上位机控制系统软件

3.3 丝束控制方法

3.3.1 丝束控制分析

3.3.2 丝束控制与运动控制整合的方法

3.3.3 丝束控制独立于运动控制的方法

3.3.4 两种丝束控制方法的比较

3.4 张力控制方法

3.5 铺放加工试验

3.6 本章小结

第4 章 纤维铺放轨迹规划与优化方法

4.1 铺放轨迹规划的网格化方法

4.1.1 曲面的网格化

4.1.2 铺放轨迹的网格化计算

4.1.3 90o 铺放轨迹规划方法

4.1.4 铺放层内轨迹起始点的计算

4.1.5 轨迹规划坐标系下手臂末端姿态的计算

4.1.6 网格化方法的计算实例

4.2 铺放轨迹规划的UG 二次开发方法

4.2.1 曲面的预处理

4.2.2 铺放基准的确定

4.2.3 铺放轨迹规划方法

4.2.4 铺放轨迹优化方法

4.2.5 UG 软件二次开发方法的计算实例

4.2.6 纤维铺放信息

4.3 两种铺放轨迹规划方法的比较

4.4 本章小结

第5 章 七自由度纤维铺放装置的后置处理技术

5.1 后置处理算法分析及连杆坐标系建立

5.1.1 后置处理算法分析

5.1.2 连杆坐标系的建立

5.2 手臂部分的后置处理算法

5.2.1 相邻连杆之间的变换矩阵

5.2.2 运动学方程的正解

5.2.3 运动学方程的逆解

5.3 主轴部分的后置处理算法

5.3.1 主轴旋转方向的确定

5.3.2 主轴旋转角度的确定

5.4 后置处理算法验证及比较

5.4.1 后置处理算法验证

5.4.2 两种后置处理算法的比较

5.5 铺放头角度参数的分析

5.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

致 谢

个人简历