CFRP预浸料光纤传感器自动铺设装置设计

发布时间：2017-09-18 10:07

  本文关键词：CFRP预浸料光纤传感器自动铺设装置设计

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【摘要】：光纤传感器具有尺寸小、质量轻和集传感传输于一体的特点,使成为埋入碳纤维预浸料制作智能复合材料的选项之一。但当埋入的光纤已处于较大拉伸状态或各段的应变相差较大,将给分布式光纤传感器的解调带来困扰和增加难度。针对光纤智能复合材料制作中手工将光纤铺放至碳纤维预浸料表面时存在的光纤应力不均匀和路径难以控制的问题,采用机械臂加铺放终端机构的方式,分别设计路径控制和铺放压实装置,实现预定直线路径的均匀铺放。论文主要包括以下内容。(1)确定自动铺放装置的总体方案。分析碳纤维铺设装置的工作原理,结合光纤传感器与碳纤维预浸料的相容性和自身的力学特性,进行包括机械臂、工作台及其辅助机构的铺放装置整体方案设计和零部件选型。(2)铺放机械臂运动学分析。根据所选机械臂结构,基于所得到的终端运动轨迹,分解机械臂的立柱、大臂、小臂和腕部的运动自由度,建立6自由度的4阶运动学方程,采用D-H方法建立4×4的齐次关节变换矩阵,并对正运动学方程求解,进而对铺放机械臂的终端执行机构的运动轨迹进行规划。(3)自动铺放装置控制系统设计。根据所确定的铺放终端运动轨迹,采用IPC和arduino控制器PMAC运动控制卡为硬件;采用PID控制,根据伺服电机控制算法得到PID控制的比例增益KP、积分增益TI、微分增益TD参数。充分利用计算机资源和PMAC的实时处理能力,实现了双CPU开放控制系统;同时用arduino编程软件界面用C语言进行铺放轨迹的编程。(4)光纤传感器机械铺放实验。运用自行研发的机械臂终端机械结构,以圆弧路径为例进行光纤铺放实验,采用光纤布拉格光栅传感器进行铺设应力均匀度测试;同时对光纤传感器铺设过程中的路径误差来源等进行分析。
【关键词】：光纤智能复合材料 机械臂 可编程多轴控制器 运动分析 Arduino
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 课题研究的意义和目的9
• 1.2 研究现状9-15
• 1.2.1 光纤传感器封装研究现状9-10
• 1.2.2 光纤智能复合材料研究现状10-11
• 1.2.3 纤维铺放装置研究现状11-15
• 1.3 本论文的主要内容15-17
• 第二章 CFRP预浸料光纤传感器铺放装置整体方案17-36
• 2.1 光纤传感器铺放装置组成及功能17-20
• 2.2 光纤传感原理及其与复合材料的相容性20-25
• 2.2.1.光纤传感器应变传感原理20-21
• 2.2.2 光纤传感器与CFRP相容性21-25
• 2.3 光纤传感器铺放装置主体部分设计25-30
• 2.3.1 光纤传感器铺放机械臂结构与驱动25-27
• 2.3.2 机器人腕部关节铺放头设计27-30
• 2.4 辅助装置设计30-35
• 2.5 本章小结35-36
• 第三章 铺设装置中机械臂运动学分析与路径规划36-49
• 3.1 铺放机械臂坐标系的建立36-40
• 3.1.1 机器人运动学方程36-39
• 3.1.2 坐标系的建立39-40
• 3.2 铺设机械臂正运动学方程40-43
• 3.3 运动学方程的求解43-45
• 3.4 光纤传感器铺放路径规划45-48
• 3.5 本章小结48-49
• 第四章 光纤传感器自动铺放装置控制系统设计49-63
• 4.1 光纤传感器铺设装置总体控制方案49
• 4.2 控制系统硬件设计49-58
• 4.2.1 光纤传感器铺设装置控制系统硬件设计49-51
• 4.2.2 PMAC硬件结构及其PID控制51-56
• 4.2.3 Arduino控制器56-58
• 4.3 控制系统软件设计58-62
• 4.4 本章小结62-63
• 第五章 光纤传感器铺放实验测试63-77
• 5.1 光纤传感器铺放相关参数测试63-68
• 5.1.1 光纤铺放压力加载试验63-65
• 5.1.2 已铺好光纤的碳纤维热压固化试验65-67
• 5.1.3 光纤传感器铺放机械臂末端轨迹测试67-68
• 5.2 光纤铺放路径测试及误差分析68-70
• 5.3 光纤铺放均匀度测试70-75
• 5.4 本章小结75-77
• 第六章 全文总结与展望77-79
• 参考文献79-83
• 致谢83-85
• 附录85-89

【参考文献】

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本文编号：874879