自动铺丝加工轨迹光顺优化及其仿真研究

发布时间：2020-04-18 22:31

【摘要】：自动铺丝技术是复合材料自动化制造的代表,加工轨迹优化作为自动铺丝CAD/CAM软件系统中重要的功能之一,可以针对加工轨迹进行优化提高制造精度和效率。本文在前人的研究基础上,结合自动铺丝实际工程经验,提出了针对CAD轨迹的曲率光顺算法以及针对NC代码的加工姿态优化算法,并分别开发了机床运动仿真模块以及加工轨迹显示仿真模块。首先,提出了一种CAD加工轨迹的曲率光顺优化算法。复杂型面模具铺放是自动铺丝技术要克服的难题之一,在芯模曲面曲率变化率剧烈的区域,加工轨迹通常有较大的曲率,这种情况会造成预浸纱发生屈曲变形并影响构件质量。为了提高复杂模具铺放质量,本文分析了预浸纱屈曲变形的机理,并提出了一种加工轨迹能量法曲率光顺方法,并以三次B样条曲线为插值曲线,对加工CAD轨迹曲线的曲率指标进行了光顺处理,旨在降低纤维屈曲变形程度提高构件质量。通过数据分析和铺放试验验证了算法的曲率光顺效果。另一方面,提出了一种针对NC代码优化的法向加工姿态优化算法。自动铺丝加工过程中,由于加工法向姿态的不光顺,转轴电机会频繁进行加减速来调整姿态,从而限制了铺放加工的速率。为了进一步提高制造效率,以铺放头柔性压辊为应用基础,建立了自动铺放刀尖坐标系下的允许偏转空间,并详细分析了不同旋转方向对该空间形态的影响。在该约束空间范围内,对加工轨迹的转轴运动曲线进行了滤波以及最优化处理,使整个加工过程中姿态变化更为连续,降低转轴运动负荷,最终实现加工效率的提升。通过数据分析以及铺放试验验证了算法的姿态优化效果。最后,开发了自动铺放仿真模块,主要包括机床运动仿真模块和轨迹显示仿真模块。首先以典型卧式铺丝机结构为例,分析了自动铺丝机械连杆结构,并建立了运动模型。针对该机床运动模型,以OpenGL图形库为基础,开发了机床运动系统。通过OpenGL标准变换函数,完成了多轴自动铺放设备的虚拟装配以及机床运动功能,建立了以NC代码为输入数据的机床运动仿真模块。另一方面,分析了自动铺丝CAD轨迹格式以及关键点信息,以此为理论基础开发了基于OpenGL的加工轨迹动态仿真模块,实现了自动铺丝轨迹静态以及动态显示功能。机床运动仿真模块和轨迹显示模块共同组成了自动铺丝加工仿真的基础功能,为二三两章算法提供基础仿真模块。
【图文】：

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自动铺放技术国内外研究现状1 自动铺丝技术及装备发展自动铺放技术的概念由波音公司及 Hercules 公司于 20 世纪 70 年代所提出，该技核心分别是是铺放头机构的设计、机床控制、以及铺放所需预浸料的制备[10-11]，，自工原理示意图如图 1.1。自动铺放装备是自动铺放技术的应用基础，该设备集成机、电、气为一体，且通自由度，能够完成多轴平移旋转的耦合运动，并在数控系统的控制下准确运动和预浸纱的铺放加工[12-13]。铺放头是铺放装备的核心功能机构，通常具有以下基础纤维传送、加热、加压、纤维剪切。正常工作流程是预浸料通过传送装置输送至铺，整个输送过程中通过张力控制器使预浸纱处于拉直状态以防脱落及变形，之后通气缸作用将纤维压实在芯模表面，同时加热装置通过传感器反馈模具温度信息，精具表面温度，让预浸料处于最优温度状态，最后剪切装置在适当的位置完成预浸料实现铺放边界以及开孔构件的精确铺放。

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(a) Lynx 铺丝设备 (b) Mongoose 铺丝设备图 1.3 Ingersoll 公司铺丝设备在机器人铺丝领域，美国 ADC 公司研发的机器人铺放装备已交付多所大学及科研机构，其主要特点是结构简单适合用于教学及原理研究（图 1.4（a））。2014 年，德国弗朗霍夫研究院开发了一种可更换铺放机构模块的铺放设备（图 1.4（b）），它可以根据用户所需选择不同功能，主要包括热塑性预浸纱铺放及干纱铺放等[17]。（a）英国谢菲尔德大学铺放设备（b）德国弗朗霍夫研究院铺放设备
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

【参考文献】