类回转体构件双头铺丝后处理技术研究

发布时间：2020-08-21 09:38

【摘要】：本文以复合材料机器人平台自动铺放为工程背景,为满足高效铺放的应用需求,针对类转体构件的双工位协作铺丝方案及后置处理算法的设计等关键技术展开研究。分析了离线编程下协作铺丝机器人平台的轨迹分配及纵向进给的适应配合;并且实现了多个附加轴与机器人平台的联动功能,为开发协作铺放双工位工作站的离线编程系统奠定了理论基础。主要研究工作如下:首先提出了模具整体轨迹的双头铺放分配方案。分析了机器人自动铺丝平台的结构组成,详细分析了六轴工业机器人的有效工作空间,以此进行双机器人系统布局分析并确定了旋转主轴位置。以机器人平台可达空间作为约束条件,通过夹角控制对铺丝轨迹进行配对。得到完整模具的轨迹分配方案后,将CAD软件生成的铺放模具信息转化成机器人角度的加工文件。其次以纵向进给步长为约束完成两条轨迹铺放速率的协调,从而实现两台铺丝机器人作业的时间同步效果。然后研究机器人执行程序求解所需要的末端坐标系位姿计算方法,并简单介绍KUKA机器人执行程序的输出格式。再次针对附加扩展轴的后置处理,分别设计扩展平移底座和旋转主轴的多重处理算法。针对导轨滑台的平移后处理,本文确定以手轴交点为参考因子的连续式定位逆解算法相对加工效率更高,更具有实用性。而后研究以旋转主轴为主动轴,两侧机器人做配合运动的协作法以及以凹面铺放机器人铺放姿态为主要优化因素的主从法。考虑到铺放平台的普适性,确定以手轴交点为参考因子的协作法作为本文的主轴后处理算法。最后对主轴的后置处理算法进行优化处理,以消除主轴旋转的不规则运动。基于虚拟仿真环境下,在双工位仿真系统中对工程中常见的复合材料铺层进行仿真,验证后置处理算法的可行性。
【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
【图文】：

材料组成,铺放

力结构和次承力结构的复合材料，其纤维体积含量通常大于 50%[1-3]。ACM 具有轻质高强、抗疲劳、耐腐蚀等优点，更重要的是其性能具有可设计性、可实现整体化成型，不仅可以明显降低零部件和连接件的数量，同时也使整个结构更加可靠[4-6]。基于上述优良特性，先进复合材料从起先应用于航空航天高端范围到而今已经被应用到了交通、体育等日常领域[7-13]。先进复合材料在飞行器上的应用已经进入成熟应用期，航空构件中先进复合材料的用量已成为判断其先进性的关键性因素[10,12]。标志着目前飞机制造先进水平的 B787 和 A350XWB 的材料组成如图 1. 1 所示。从图中可以发现，二者的复合材料用量已经分别达到了其结构重量的50%和 52%。复合材料的成本来源主要包括设计成本、材料成本和加工成本三部分，其中加工成本占到总成本的 70%~80%[14,15]，因此低成本制备技术和制备技术的优化是目前复合材料的研究重点。美国制定并实施了许多低成本复合材料研究开发计划，这些计划的主要目的都是降低复合材料的加工成本并提高生产效率[16]。目前已经常用的复材加工技术包括自动铺放、缠绕、拉挤、缝合、编织等，其中复合材料低成本制造技术的自动化和数字化成为研究重点，该技术可以有效降低复材生产的成本[17]。近年来，自动铺放技术逐渐得到大力发展与应用，其中自动铺丝技术（AFP）可以实现预浸料的变宽度铺放[18]与变角度铺放（Fiber Steering），可以用于铺放曲率变化较大的复杂构件。

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类回转体构件双头铺丝后处理技术研究采用较窄的预浸带对小曲率壁板如机翼蒙皮、大尺寸机身壁板等部件进来看，铺带设备分为龙门式和卧式两种，分别用于铺放不同曲率的构件板和翼面类构件的铺放成型，卧式主要用于大曲率构件及回转体构件铺[21]。相对于自动铺丝和手糊成型，自动铺带的成型效率最高，但应用范限制[22]。丝技术综合了自动铺带和纤维缠绕技术的优点，铺丝头将多根预浸窄带在芯模表面，加热软化预浸纱并压实定型。自动铺丝工艺可以根据实际预浸窄带的根数，更加适合于具有不规则外形和边界的大尺寸制件的成自动铺丝成型技术的研究起步较早，并且已经成功将该项技术推广到工. 2 自动铺丝成型技术典型应用所示的是机身、翼身融合体、S 进气道、复合材料结构。

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(a) Coriolis 机器人铺丝设备 (b) ADC 公司 AFP/ATL -0510图 1. 3 各公司自动铺丝机器人实物图国内面向该工艺的研究较国外晚近 20 年，作为国内率先开展铺丝机相关技术探索的南京空航天大学，接连成功研发出了 16、24 丝束卧式铺丝机和 8 丝束铺丝机器人，并对传纱路径预浸料分切以及铺丝路径规划算法进行了深入研究和优化，与应用单位合作完成对多种验证的工艺性探索[23-25]，并且将自动铺丝技术向工程应用方面进行推广，与多家单位进行合作完了飞机翼梁、S 进气道和飞机尾锥壁板等的试制，实现了自动铺丝技术的工程应用。1.2 多机器人的协调控制1.2.1 多机器人加工中心的国内外研究情况在早期机器人技术研究中，研究人员致力于在单机器人系统的运动学解决方案、结构特和控制方案等方面开展研究。随着关于机器人相关交叉技术研究的越发深入，目前单机器人加工性能以及控制技术得到了极大提高，尤其是鲁棒性和可靠性的提升，使得单机器人系统经能够独立的完成一些简单的加工任务。但是在执行实际生产中可能需要并发进行、相对较复杂的任务时，单个机器人的工业应用往往显得力不从心[26]。

【参考文献】