双曲面自动铺带机床的构型改进

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnauticaSinicaJune252011VoI，32No．61132．1138ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：∥hI‘】‘b．buaa．e山．∞H‘xb@buaae山．∞文章编号：1000一6893(2011)06一n32一07双曲面自动铺带机床的构型改进赵增林，王显峰*，文立伟，肖军南京航空航天大学材料科学与技术学院，江苏南京210016摘要：结合预浸带在铺叠过程中的特点，分析了铺带成型压力对铺带工艺过程和最终成型构件的影响。对双曲面的特点进行了研究，阐述了通用5轴铺

2、带机在铺放此类曲面时所遇问题及对策。为了更好地解决传统铺带机由于缺少俯仰自由度所造成的铺带头压力方向与模具表面不能垂直的问题，提出了6轴自动铺带机构型，并分析了改进机构在铺放双曲面时的可行性以及相对于5轴铺带机构型的优势。基于D—H法建立该铺带机构的数学模型及运动学解逆；最后以某典型双曲面为例，建立针对本机构的加工仿真系统，验证了该机构针对双曲面铺放的可行性。关键词：自动铺带机，双曲面；多轴；逆运动学；运动仿真中图分类号：V26；TP273文献标识码：A自动铺带(AutomaticTape-Laying，ATL)技术由于主要用于铺放小曲率、大尺寸的构件

3、，相对于其他复合材料成型技术有着突出的效率优势n-3]。众所周知，当代制造业正朝着多品种、中小批量的模式发展，伴随而来的需求就是设备更加专门化[4]。自动铺带技术也是如此，近年来，针对特定构件的专用铺带机越来越多。自动铺带成型是自动铺带设备按照一定的工艺参数将预浸带铺放到芯模表面，并铺放至设计厚度。在铺带过程中对铺放压力的控制是自动铺带技术的一个重要因素。由于自动铺带自身的工艺特点，在铺放过程中保持铺放压力的恒定是其工艺过程的关键因素。而当加工模具为双曲面时，在铺放成型过程中铺层成型压力会随曲率的变化而波动，导致各预浸带铺层的厚度不均匀及铺层中纤维丝柬

4、形态的变化，如铺层存在局部“屈曲”变形、预浸带屈皱或其他不稳定因素，则会降低构件的质量可靠性和抗疲劳特性。为保证预浸带在其曲面各处法向上所受的成型压力相同，必须根据铺放路径的位置以及铺放路径上成型压力与铺带头压力的夹角，不断改变铺带头压力。为实现预浸带成型压力的恒定控制，通用的5轴铺带机可采取在计算机辅助制造(CAM)环节分阶段控制成型压力的改进措施[5]：张建宝采用铺带头压力控制算法在数字控制(NC)程序代码中加入控制信号，分段调节铺带头压力，以达到保证成型压力恒定的目的。典型5轴铺带机虽然能保证铺层成型压力的恒定，但需要实时地分段调节工艺过程，控制

5、环节复杂，不利于铺带效率的提高。本文从改变铺带头压力方向的角度出发，为使铺带头主压辊(压靴)实时垂直于待加工点所在的模具表面，同时使主压辊达到精确定位，提出一种6轴专用铺带机构。收稿日期：2010-09-07；退修日期：2010-11-26；录用日期：2011_03-01；网络出版时间：2011．03-1613：31：44网络出版地址：www∞n舱t／kcms／detail／11．1929．V．20110316．1331．002．htmI∞I：CNKI：11-1929／V．20110316．1331．002基金项目：国家重大科技专项(2009Zx400

6、4·102)；国家自然科学基金(50905088)*通讯作者．Tel．：025—84892980E帕ij；硼mgxf@nu拍．e由．∞丐l用格式l赵增裤．I显峰．文立伟．等．双莹面自动镧带机庆的构型改进[J]?航空学摄．2011。32f6)：¨32-1138．zhaozengIln。Wangxi锄锄g．w∞Liwei．ela1．cc州igIJrationimprovem∞tofATLmechan．smappIieato竹perbo

7、I∞

8、鲫柏∞￡Jj．AdaAe∞-憾micaelAstron叫t{勰s{nI∞．20¨，32(6)：¨32·1138．赵增

9、林等：双曲面自动铺带机床的构型改进1自动铺带工艺特点及6轴铺带机构1．1典型铺带机构型及工艺过程分析目前国内外比较典型的自动铺带机由5个自由度控制铺带头的运动r6⋯，图1为龙门架式5轴铺带机构型，它由X、y、Z这3个平动轴控制铺带机上铺带头的位置，转动轴C轴实现主压辊(压靴)沿模具表面轨迹运动方向的姿态控制，摆动轴A轴满足模具表面上垂直于轨迹路径方向的曲面曲率的变化要求，5个轴联动使主压辊(压靴)较好地贴合于模具表面或前一铺层上，如图2所示。图1典型5运动轴龙门自动铺带机Fig．1Typical5一axisportalATI。machine图2主压辊与

10、模具表面贴合示意图F追．2Assemblingbetweenrollerandmould在自动