纱架与铺丝头一体化纤维铺放系统研究

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1、硕士学位论文纱架与铺丝头一体化纤维铺放系统研究RESEARCHONINTEGRATIONTECHNIQUEOFCREELSANDFIBERPLACMENTHEADFORAUTOMATEDFIBERPLACEMENTMACHINE王磊哈尔滨工业大学2015年7月图书分类号：TH122学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文纱架与铺丝头一体化纤维铺放系统研究硕士研究生：王磊导师：韩振宇副教授申请学位：工学硕士学科：机械制造及其自动化所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年7月

2、授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TH122U.D.C:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONINTEGRATIONTECHNIQUEOFCREELSANDFIBERPLACMENTHEADFORAUTOMATEDFIBERPLACEMENTMACHINECandidate：WangLeiSupervisor：A.Prof.HanZhenyuAcademicDegreeAppliedfor：Master

3、ofEngineeringSpeciality：MechanicalManufacturingandAutomationAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：July,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要复合材料的优良性能决定了其在航空航天领域具有巨大的发展空间，然而由于我国复合材料成型技术起步较晚，如今缺乏

4、先进的成型技术已成为制约我国复合材料推广的主要原因之一。自动纤维铺放技术作为先进的复合材料成型技术，具有极好的工件适应性，可以完成各种复杂曲面的铺放。我国现阶段研制出来的铺放样机还不能满足实际工业生产的需要。本文在充分调研国内外文献的基础上，针对目前铺放设备丝束传输路径长、丝束易扭曲缠绕等问题，提出了纱架与铺丝头一体化纤维铺放设备的研制思路。按照模块化的思想对铺丝头及纱架的功能原理进行了详细的分析，得到了各模块设计的详细要求，为铺丝头的设计打下了基础。在结合了理论分析结果及国内样机常见问题的基础上，按

5、照8路丝束的要求对铺丝头的丝束布局、模块布局、各模块功能实现进行了设计，并对铺丝头装拆及调整的便捷性进行了设计。按照4路丝束的要求对纱架的基体、张力控制机构、收膜机构、导向机构进行了设计。得到了各模块的多种设计方案，根据龙门光机的连接形式等实际需求对各方案进行了对比分析，选择出了最优方案。通过计算分析将各方案具体化，并建立了纱架与铺丝头一体化结构的三维模型。建立了自动纤维铺放机整体三维模型，利用有限元软件对其进行了静力学分析及模态分析，在分析过程中对直线导轨结合面进行了处理。根据分析结果，提出了结构改

6、进方案。最终通过对龙门及纱架支座的改进使得自动纤维铺放机的整机刚度提高了一倍，一阶共振频率提高了近50%。根据所设计的自动纤维铺放机的运动控制需求，选择了开放式数控系统IPC+UMAC的控制方案，对铺放系统的总体控制方案进行了设计。搭建完成了自动纤维铺放机的机械部分、控制电柜以及气动回路。完成了自动纤维铺放样机的调试工作，该样机结构小巧，功能完善，较现存样机在多个方面具有明显的改进，同时彻底解决了非一体化铺放设备存在的丝束易缠绕、张力波动大等典型问题。在完成的样机上开展了铺放实验，实验证明样机各轴的驱

7、动性能良好，各模块设计合理，能够很好的满足相应的功能需求。关键词：复合材料；一体化；纤维铺放；结构设计；控制系统设计I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractThecompositematerialshaveexcellentperformance,whichdeterminesthattheywillhavehugedevelopmentspaceintheaerospacefield.Whilethecompositemoldingtechniquesstartlateinourcountr

8、y,thelackofadvancedcompositemoldingtechniqueshasbecomeoneofthemainreasonstoimpedethespreadandapplicationofcompositematerialsnow.AutomatedFiberPlacement(AFP),asonekindofadvancedcompositesformingtechnologies,hasexcellentadaptabilit