纤维自动铺放系统以及其铺放轨迹的规划方法

摘要

本发明公开了一种纤维自动铺放系统，包括纤维自动铺放装置、与纤维自动铺放装置对应设置的模具承载装置以及控制子系统，所述控制子系统包括用于对纤维自动铺放装置进行控制的压辊压力‑铺放轨迹混合控制模块和铺放张力‑速度解耦控制模块以及对模具承载装置的温度进行控制的温度模糊自适应控制模块；本发明还提供了上述的纤维自动铺放装置的铺放轨迹的规划方法。本发明可实现铺放工艺参数的精密控制，从而提高铺放质量，本发明的铺放轨迹能够使协作机械臂避开奇异位姿，同时改善协作机械臂关节受力情况，避免干涉，提高运动效率和安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料铺放的技术领域。更具体地说，本发明涉及一种纤维自动铺放系统以及其铺放轨迹的规划方法。

背景技术

碳纤维复合材料具有比强度大、比模量高、抗疲劳和耐化学腐蚀等优良性能，被广泛的应用在航空航天，汽车船舶和体育器材等领域。自动铺放技术是实现复合材料成型的重要方法之一。根据纤维增强复合材料形态，自动铺放技术可分为自动铺带与自动铺丝两类。自动铺丝技术综合了自动铺带和纤维缠绕技术的优点，铺丝头把缠绕技术中多条预浸丝束独立输送和自动铺带技术的压实、切割、重送功能结合在一起，由铺丝头将多根预浸丝束在铺放压辊下集束成为一条宽度可变的预浸带后铺放在模具表面，并压实成型。自动铺丝设备包括自动铺丝头和控制其运动的机床或多自由度机械臂。随着工业机器人技术不断成熟和铺丝设备应用场合多样化的发展，以工业机器人作为运动平台，并与自动铺丝头组合的自动铺丝设备应运而生。

目前国内外对自动铺放系统及其控制方面研究较多，机器人式自动铺丝机的设计主要集中在可以完成自动铺丝的铺放要求，少有铺放压力/位置混合控制研究，也未研究参数耦合(如：张力-速度耦合)对控制效果的影响。综上所述，考虑实际作业过程中外界扰动、负载变化等未知因素以及张力-速度对纤维自动铺放系统的控制影响，对实现异形件的纤维铺放加工具有重要意义。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提供一种纤维自动铺放系统，该自动铺放设备考虑了实际作业过程中负载变化等外界扰动，以及张力-速度耦合等的影响进行微调节，提高了纤维的铺放质量。

本发明采用如下的技术方案来实现的：

一种纤维自动铺放系统，包括纤维自动铺放装置、与纤维自动铺放装置对应设置的模具承载装置以及控制子系统，所述控制子系统包括用于对纤维自动铺放装置进行控制的压辊压力-铺放轨迹混合控制模块和铺放张力-速度解耦控制模块以及对模具承载装置的温度进行控制的温度模糊自适应控制模块。

进一步地，所述纤维自动铺放装置包括协作机械臂以及设置在协作机械臂上且用于铺放纤维的铺放头。

进一步地，所述模具承载装置包括多自由度运动平台以及设置在所述多自由度运动平台上的智能温控模具，所述智能温控模具中设置有加热装置。

进一步地，所述压辊压力-铺放轨迹混合控制模块包括位置干扰观测器、位置滑模控制器、压力干扰观测器以及力控制器；

所述压辊压力-铺放轨迹混合控制模块设置为：获取纤维自动铺放装置各轴的实时角度反馈q

获取纤维自动铺放装置各轴的力反馈经滤波后的压力值F

将上述得到的位置输出信号x

进一步地，所述铺放张力-速度解耦控制模块包括解耦控制器、速度PI控制器以及张力PI控制器；

所述铺放张力-速度解耦控制模块设置为：获取纤维自动铺放装置中用于描述张力-速度动态耦合关系的动力学模型，再获取纤维自动铺放装置的实时铺放速度V和铺放张力F，对铺放速度V进行计算得到速度误差e

进一步地，所述温度模糊自适应控制模块包括测量变送器、模糊控制器以及PID控制器；

所述温度模糊自适应控制模块设置为：测量变送器获取模具承载装置的实时温度T，对实时温度T进行相关的计算得到温度误差E，将温度误差E和误差变化率EC＝dE/dt输入到模糊控制器中得到PID控制器的参数K

本发明的另一个目的是提供一种上述的纤维自动铺放系统的铺放轨迹的规划方法，包括如下步骤：

S1:在进行轨迹规划时先固定模具承载装置，按照复合材料的铺放路径规划出纤维自动铺放装置的初始运动轨迹Tr

S2:对初始运动轨迹进行仿真，固定多模具承载装置，得到纤维自动铺放装置在铺放过程中可能出现的奇异位姿、走线/管道缠绕以及运动干涉的时刻t

S3:根据规划的初始运动轨迹Tr

S4:之后再对纤维自动铺放装置进行轨迹规划，直到下一个奇异位姿、走线/管道缠绕以及运动干涉的时刻t

S5:重复S3，S4的循环直到完成全部轨迹规划；

S6:重复S2到S5的循环，消除运动过程中的全部奇异位姿、走线/管道缠绕以及运动干涉的位置，得到轨迹Tr

进一步地，还包括如下步骤：

S7:以上述获得的轨迹Tr

S8:根据T

S9:根据规划的轨迹Tr

S10:将各时间区间(t

本发明至少包括以下有益效果：本发明的压辊压力-铺放轨迹(力/位)混合控制模块针对协作机械臂在铺放方向位置跟踪和力跟踪过程中，考虑实际作业过程中负载变化等外界扰动进行控制，而铺放张力-速度解耦控制模块考虑铺放张力和速度的耦合关系对铺放张力与速度进行实时精密控制，温度模糊自适应控制模块则是针对所采用热塑性复合材料中树脂特性(熔化温度、玻璃化温度)，对铺放过程中智能温控模具的加热温度进行模糊自适应控制，使铺放温度处于合适的范围，本发明从三个方面对铺放进行控制，克服了铺放过程中可能存在的铺放偏差，从而大大提高了铺放质量；此外，本发明还提供了纤维自动铺放系统铺放轨迹的规划方法，根据该规划方法规划出的轨迹能使协作机械臂避开奇异位姿且避免走线/管道缠绕以及运动干涉，而且还能克服铺放过程中协作机械臂受力不佳而导致的铺放质量问题，提高运动效率和安全性。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明实施例纤维自动铺放系统的结构示意图；

图2为本发明实施例压辊压力-铺放轨迹混合控制模块控制策略图；

图3为本发明实施例的压力干扰观测器框图；

图4为本发明实施例铺放张力-速度解耦控制模块控制策略图；

图5为本发明实施例温度模糊自适应控制模块控制策略图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明提供一种纤维自动铺放装置，如图1所示，包括基于协作机械臂的纤维自动铺放装置1、基于多自由度运动平台的模具承载装置2以及用于对纤维自动铺放装置1和模具承载平台2进行控制的控制子系统。其中，纤维自动铺放装置1包括协作机械臂1-1以及设置在协作机械臂1-1端的铺放头1-2。模具承载装置2包括多自由度运动平台2-1以及设置在多自由度运动平台2-1上的智能温控模具2-2，其中，铺放头1-2与智能温控模具2-2对应设置。为了便于控制铺放温度，智能温控模具2-2内设置有加热装置。上述多自由度运动平台2-1能够实时调整智能温控模具2-2的位姿，使铺放头1-2在模具坐标系下按照确定的轨迹运动时，协作机械臂1-1能够避开奇异位姿，避免走线/管道缠绕以及运动干涉，同时改善协作机械臂1-1关节受力情况，提高运动效率和安全性。

控制子系统包括用于对协作机械臂1-1进行控制的压辊压力-铺放轨迹(力/位)混合控制模块、对铺放头1-2进行控制的铺放张力-速度解耦控制模块以及智能温控模具2-2进行温度控制的温度模糊自适应控制模块。

进一步地，压辊压力-铺放轨迹(力/位)混合控制模块针对协作机械臂1-1在铺放方向位置跟踪和力跟踪过程中，考虑实际作业过程中负载变化等外界扰动进行控制。压辊压力-铺放轨迹(力/位)混合控制模块具体的控制框架图如图2所示，其中，压辊压力-铺放轨迹(力/位)混合控制模块包括位置干扰观测器、位置滑模控制器、压力干扰观测器以及力控制器。

压辊压力-铺放轨迹(力/位)混合控制模块设置为：获取协作机械臂1-1各轴的实时角度反馈q

获取协作机械臂1-1各轴的力反馈经滤波后的压力值F

对于其中的滑模位置控制器，采用如下的滑模趋近律

这里，

N(s)＝α+(1+1/|Δx

其中，sigmoid(s)为S型函数，k＞0，δ＞0，0＜α＜1，ζ＞0均为滑模趋近律参数，Δx

采用如下的终端滑模面

这里

对于位置干扰d

其中，

对于压力干扰，扰动观测器如图3所示，Q(s)为低通滤波器，G

d

即得到了压力扰动d

铺放张力-速度解耦控制模块考虑铺放张力和速度的耦合关系，采用基于模型的方法设计解耦控制器，输出铺放头1-2内放、收卷电机的控制量，实现对张力和速度的解耦。针对解耦后的系统进行跟踪控制器的设计，从而实现铺放张力与铺放速度的解耦控制。该铺放张力-速度解耦控制模块包括解耦控制器、速度控制器以及张力控制器。铺放张力-速度解耦控制模块设置为：获取铺放头1-2用于描述张力-速度动态耦合关系的动力学模型，再获取铺放头1-2的实时铺放速度V和铺放张力F，对铺放速度V进行计算得到速度误差e

具体的控制框架图如图4所示。图中，V和F分别为速度与张力，e

首先建立铺放头的动力学模型来描述其张力-速度动态耦合关系，即

其中，v为输带速度，F

取状态变量为

其中，

将(8)式变形可得

其中，z

系统参考输入为速度和张力，系统模型的输出分别与参考输入做差得到速度误差e

其中k

温度模糊自适应控制模块针对所采用热塑性复合材料中树脂特性(熔化温度、玻璃化温度)，对铺放过程中智能温控模具的加热温度进行模糊自适应控制，使铺放温度处于合适的范围。温度模糊自适应控制模块包括测量变送器、模糊控制器以及PID控制器，其具体的控制框架图如图5所示。图5中，测量变送器获取智能温控加热模具2-2中的加热装置的实时温度T，再将实时温度T与参考温度-ΔT相加得到温度误差E，将温度误差E和误差变化率EC＝dE/dt输入模糊控制器得到PID控制器的参数K

本发明的另一个目的是提供一种纤维自动铺放系统铺放轨迹的规划方法，采用该铺放轨迹能够使协作机械臂避开奇异位姿且避免走线/管道缠绕以及运动干涉，包括如下步骤：

S1:在进行轨迹规划时先固定多自由度运动平台2-1，按照复合材料的铺放路径规划出协作机械臂1-2的初始运动轨迹Tr

S2:在Adams等动力学仿真软件中进行运动轨迹仿真，固定多自由度运动平台2-1，得到协作机械臂1-1在铺放过程中可能出现的奇异位姿、走线/管道缠绕以及运动干涉的时刻t

S3:根据规划的轨迹Tr

S4:之后再对协作机械臂1-1进行轨迹规划，直到下一个奇异位姿、走线/管道缠绕以及运动干涉的时刻t

S5:重复S3,S4的循环直到完成全部轨迹规划；

S6:重复S2到S5的循环，消除运动过程中的全部奇异位姿、走线/管道缠绕以及运动干涉的位置，得到轨迹Tr

为了进一步克服铺放过程中协作机械臂因受力不佳而导致的铺放偏差，纤维自动铺放系统铺放轨迹的规划方法还包括如下步骤：

S7:以上述得到的轨迹Tr

S8:根据T

S9:根据规划的轨迹Tr

S10:将各时间区间(t

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。