S形进气道纤维铺放轨迹规划和优化方法

为研究纤维铺放轨迹规划和优化算法,在分析等铺放角法和等距偏置法两种轨迹规划方法的基础上,提出基于纤维带边缘曲线的轨迹规划方法和纤维带丝束数量计算方法。在轨迹铺放角范围满足设计要求的前提下,将等铺放角法和等距偏置法两种轨迹规划方法相结合,提出以曲线在曲面内等距偏置为核心的铺放轨迹优化方法。该算法可以提高铺放设备的工作效率,并对纤维带丝束数量、纤维重叠面积、纤维间隙面积等铺放信息的计算方法进行了分析。最后将以上分析结果应用到S形进气道曲面的铺放轨迹规划中,证明了该铺放轨迹规划和优化方法的可行性。

高精度大口径光栅拼接装置的控制算法

采用宏/微结合双驱动的少自由度并联进给结构,给出了一种光栅拼接装置设计算法。宏动部分是5PTS-1PPS型并联机构,采用步进电机驱动滚珠丝杠形式的进给机构;微动部分是5TSP-1PPS型并联机构,采用压电陶瓷驱动柔性铰链形式的进给机构;二者串联构成光栅拼接机构。计算了宏动部分和微动部分的并联机构自由度,利用并联机构运动学的逆解推导出该装置的控制算法,并根据控制算法进行了宏动、微动机构点位控制的运动学仿真。为了提高机构的定位精度,分析了机构的系统误差并提出了误差修正方法。最后,将以上算法应用到光栅拼接装置中。实验结果表明:宏动部分最大移动定位误差为3.6μm,最大转动定位误差为4.4μrad;微动部分最大移动定位误差为0.06μm,最大转动定位误差为1.2μrad;基本满足光栅拼接系统的精度要求。

纤维铺放设备机械手臂末端运动轨迹的后置处理技术研究

在已知被铺放芯模和芯模铺放纤维轨迹的基础上,对数控铺放设备的后置处理算法进行了研究。通过铺放设备运动过程的分析,将这种冗余度机器人的七个关节分两个部分处理:主轴关节部分和机械手臂部分。运用机器人学相关原理建立杆件坐标系,通过机器人运动学的正解和逆解,得到了机械手臂六关节变量的解。提出利用投影向量法判断铺放螺旋轨迹方向。同时为了实现铺放过程的运动仿真,系统阐述了铺放轨迹的前期处理方法。分析了铺放头角度参数和位置参数的关系及铺放头角度参数的合理范围。最后通过铺放运动过程仿真,证明了所提出的后置处理算法和轨迹数据前期处理方法的正确性。

终端光学组件及反射镜架控制系统的开发

终端光学组件及反射镜架是激光约束核聚变装置中的重要组成部分,具有运动轴数量多且分散的特点,为实现该设备的运动控制,采用分布式控制的思想,建立了以倍福嵌入式PC和总线端子为底层控制器,以EtherCAT网络为通讯的控制系统结构.控制软件在VC++和TwinCAT的环境中开发,对于机械系统要求的特殊功能均编制成PLC功能模块,并在下位机中运行,包括电机上下电锁紧功能、自动上下电功能、某个运动轴的手动跟随功能、单向定位功能.其中单向定位控制功能的应用将重复定位精度控制在3μrad以内.这种分布式控制系统具有结构简单、成本低廉、通讯速度快等特点,在实际工程应用中稳定、可靠.

机械式光栅拼接稳定性全闭环控制技术研究

激光惯性约束聚变对机械式拼接光栅的稳定性提出更高的要求,采用全闭环控制技术实现光栅拼接的高稳定性。为提高光栅装置的拼接精度,分析柔性机构的运动性能,从理论上推导精确的拼接机构运动控制算法;以电容微位移传感器作为反馈元件,研究动光栅位姿监测算法,实现动光栅位姿的实时监测。综合应用拼接机构运动控制算法和光栅位姿监测算法,实现光栅拼接稳定性的单神经元自校正PID全闭环控制;设计了光学检测系统,进行光栅拼接试验,并测试拼接装置的运动精度和稳定性,评估光栅拼接稳定性全闭环控制技术的可行性。试验结果表明拼接机构定位精度为0.2μrad/步(转动)、10 nm/步(平动),转动稳定精度小于1.2μrad/30 min、平动小于24 nm/30 min(平动),满足光栅拼接任务的要求。

纤维铺放轨迹的网格化生成法

提出了一种自由曲面纤维铺放轨迹生成的新方法,即以自由曲面的网格化数据为基础,在每个二维四边形单元中对铺放轨迹进行计算与分析。对于这种计算方法出现的各种情况进行了详细的分类讨论,推导了铺放轨迹点的理论公式。利用此方法生成的铺放轨迹曲线光滑,不会出现曲线突变的情况。该方法具有算法简单,易于程序实现的特点。

热塑性复合材料纤维铺放工艺的研究进展

热塑性复合材料由于其良好的可焊接性、可循环利用性、抗化学腐蚀性,特别是短时间内就可加工成型等特点,在未来航空航天构件制造领域有着广阔的应用前景。纤维铺放过程中涉及一系列的物理现象,涵盖传热学、热力学、结晶动力学,牛顿流体力学等学科及这些学科的交叉领域。本文以上述学科的相关知识为理论依据,对纤维铺放工艺中的加热工艺,冷却工艺,铺层间强度,纤维铺放压力和残余热应力五方面内容,通过分析其理论模型的建立和求解方法,介绍和讨论了纤维铺放过程中与最终产品质量相关的基体材料结晶度、铺层间紧密接触程度、铺层间熔合度等关键问题及其中涉及的铺放温度、铺放速率、铺放压力等主要工艺参数。同时,本文还总结了国外的研究成果和研究进展,指出其中存在的一些问题,并对今后纤维铺放工艺的研究方向进行了展望。

基于自动铺放技术的热塑性复合材料原位固化成型研究进展：热传导行为及层间性能

纤维增强复合材料具有轻质、高强、性能可设计等特性,在减重、抗疲劳、耐腐蚀、维修性等方面明显优于传统金属材料,在航空航天、交通运输、国防等领域的应用越来越广泛,其中热塑性复合材料具有高韧性、高冲击性、无限储存周期、可回收利用等众多优点。复合材料自动铺放技术成型效率高、自动化程度高,特别适用于大尺寸和复杂构件的制造。同时,热塑性复合材料原位固化技术不断发展和进步,生产效率显著提高,生产成本降低,构件质量得以提升。因此,基于自动铺放技术的热塑性复合材料原位固化成型将会是未来大飞机主承力部件的重要成型方法。然而,热塑性复合材料铺放成型过程经历高温制造,伴随着热力学耦合等相关问题。对于原位固化方法,热源的选择颇为关键,将直接影响铺放成型的效果和效率。在铺放成型过程中,热塑性聚合物分子链受热发生流动,宏观上则是热塑性树脂发生从固态到熔融态再到固态的物理变化。整个成型过程持续时间较短,但又涉及一系列的物理变化,是一个非常复杂的过程,目前已成为国际上高性能热塑性复合材料的研究热点之一。热塑性复合材料纤维铺放成型常用的热源主要包括热空气、激光、超声波、电子束等。其中针对热空气的研究较早,建立了铺层内的热传导理论模型,就铺层基层中温度场展开了许多工作并取得了相应的成果。对激光加热成型获得的铺放构件的诸多研究表明,激光作为热源相比于热空气可以大幅提升层间性能。此外,学者们还提出了不同的理论模型来预测最终的熔合强度,但测试结果显示铺放构件的力学性能不及热压罐固化的构件,进一步的理论和实践探索仍然很有必要。本文主要聚焦基于预浸料自动铺放技术的热塑性复合材料原位固化成型工艺,从工艺过程中的热传导行为、铺层的性能指标两方面介绍或探讨了铺放工艺过程、热传递模型、原位固化热源、铺层间紧密接触度、熔合度及熔合强度等的研究现状。

锥壳零件自动铺丝变角度轨迹规划算法

基于自动铺丝设备具有可灵活操作的铺放头及铺放所采用的预浸纤维丝宽度窄等特点,提出一种新型的铺层成型算法——变角度丝束铺放,其具有无间隙和无重叠的特点.以锥壳零件为例,首先建立此类零件几何特征的数学模型,推导出锥壳零件上任意轨迹的数学方程;然后提出变角度铺层的成型原理及方法,建立变角度轨迹规划算法的数学模型并推导出锥壳零件上任意变角度铺放路径及路径曲率的数学方程,再结合自动铺丝设备及预浸丝束自身特点对变角度铺层的可铺性进行分析.最后通过仿真实验对文中算法进行了验证.

七自由度四丝束纤维铺放机及数控系统的开发

为了实现纤维丝束的自动铺放,研制了七自由度四丝束铺放样机。该设备采用卧式总体布局,铺放头包括丝束夹紧、重送、切断、施压、加热、导向等模块。铺放设备的结构形式为七自由度冗余机构,采用位姿分离法,将机构的七个自由度化简为6+1的非冗余机构的形式,利用简化的运动学逆解方法解决了其运动学逆解问题。数控系统采用当前主流的IPC+运动控制卡的开放式结构形式,运动代码采用标准的G代码形式,并利用运动控制卡的PLC功能,以M代码的形式实现了铺放头的丝束控制动作,实现了铺放机控制代码的标准化。最后通过机床的铺放运动试验,证明了文中阐述方法的正确性和可行性。

纤维铺放轨迹规划的两种方法及其比较研究

为了实现纤维铺放轨迹规划,本文提出了两种方法,即网格化方法和CAD软件的二次开发方法。针对网格化方法,提出了自由曲面的网格化方法和四边形网格铺放轨迹生成算法。针对CAD软件的二次开发方法,基于UG软件,提出了可变计算步长的初始轨迹计算方法、轨迹优化算法和丝束数量计算方法。以某型号的S形飞机进气道为参考模型,利用两种方法分别进行了轨迹规划。最后,对两种开发方法进行了比较研究,发现第二种方法相对于第一种方法具有功能强、开发周期短、与CAD软件的集成度高等优点,得出了其更适合铺放软件开发的结论。

摆线轮啮合齿形工作范围的确定

通过分析啮合相位角几何图形的位置,推导出摆线针轮行星减速器中摆线轮实际工作范围的理论公式,画出了啮合相位角函数的拟合曲线,并结合实际讨论其函数曲线的工程意义。通过编制的优化程序验证了摆线轮齿形工作部分范围的合理性,得出了等距加移距修形曲线更逼近转角修形曲线的结论。

皮秒短脉冲光参量啁啾脉冲放大中泵浦信号高精度同步主动控制技术研究

在皮秒短脉冲泵浦的光参量啁啾脉冲放大(ps-OPCPA)系统中,泵浦光与信号光之间的高精度时间同步是需要解决的关键问题之一.本文基于中国工程物理研究院激光聚变研究中心的全OPCPA激光装置,对用于前端ps-OPCPA中泵浦光与信号光的高精度同步主动控制技术进行了详细研究.采用大啁啾信号光窄光谱光参量放大的主动反馈方式,通过合理设计反馈光路信号光的时域展宽啁啾系数,将泵浦光与信号光的同步时间抖动从ps量级降低至百fs量级的时间范围,从而极大地改善了前端ps-OPCPA的能量和光谱不稳定性:7 min测试时间内泵浦光与信号光相对同步时间抖动的均方根值(RMS)从458 fs改善至93 fs,输出能量RMS不稳定性从30.3%改善至3.15%,且维持光谱宽度大于100 nm的稳定宽光谱输出.

基于有限差分法的重型龙门铣床大跨距横梁重力变形曲线计算方法

为解决重型龙门铣床大跨距横梁由于铸件材质、制造工艺等因素导致重力变形有限元仿真结果不准确的问题,基于有限差分法提出一种大跨距横梁重力变形曲线的离散化计算方法。利用有限差分法、简支梁弯曲理论和固支梁扭转理论建立了横梁重力变形的离散化模型。假设横梁离散段的抗弯刚度为变量,结合横梁自重变形曲线和重力变形离散化模型计算各离散段的当量抗弯刚度,表征横梁材质的不均一性。采用有限元仿真方法分离横梁重力变形曲线,得到弯曲变形曲线与扭转变形曲线。应用当量抗弯刚度校正弯曲变形曲线、扭转变形曲线,得到准确的横梁重力变形曲线。实验验证表明,该计算方法相比有限元仿真,能有效提高机床的G10精度。

七自由度纤维铺放机后置处理算法及比较

为了使七自由度纤维铺放机按规划的铺放轨迹运动,必须研究铺放机的后置处理算法。通过比较七自由度冗余度机器人的各种逆解方法,结合纤维铺放的工作过程,铺放机后置处理算法采用位姿分离法,将7个关节分两个部分进行后置处理算法的研究:主轴关节部分和机械手臂部分。这种算法在保留机构冗余特性的同时,避开了冗余自由度机构的运动学分析、优化问题,简化了后置处理算法。通过分析主轴关节的不同处理方法,提出基于机械手臂末端运动轨迹和基于机械手臂末端施压方向2种算法。并对这2种算法进行分析比较,得出基于机械手臂末端施压方向的后置处理算法使机床运动平稳、关节变量变化范围小、关节角波动小、适用范围广的结论。通过铺放试验验证了后置处理方法的正确性。

S型进气道纤维铺放轨迹网格化生成

将网格化方法应用到飞机S型进气道模型的铺放轨迹规划中,即利用UG网格生成器网格化进气道CAD模型,并生成网格化数据,以该数据为基础建立网格单元和节点之间的拓扑关系,在每个网格单元中计算铺放轨迹和轨迹点的法向量。通过仿真试验证明该方法具有程序执行速度快、生成的铺放轨迹曲线光滑、无曲线突变情况等特点,具有一定的工程应用价值。提出利用UG的二次开发功能开发适用于该轨迹生成方法的网格化工具。

关于修正摆线轮啮合初始间隙与最佳修形方式的研究

利用新的理论方法,对各种修形方式的初始间隙进行求差运算,通过对运算结果进行分析,确定了不同条件下的最佳修形方式,并用实例验证了所得结论,对工程实际有一定的理论指导意义.

七自由度纤维铺丝样机研制

自动纤维铺放技术是解决高强度、轻质复合材料机身和进气道等构件制造的关键技术,该项技术综合了纤维缠绕和自动铺带技术的优点,在航空、航天等高科技领域得到了广泛应用。本文设计了七自由度四丝束纤维铺丝机及其控制系统,同时对丝束控制、铺丝轨迹规划和优化方法、设备的后置处理等关键技术进行了研究。

修正摆线轮啮合初始间隙分布规律的研究

介绍了一种求修正摆线轮与标准针轮啮合时初始间隙的简便算法,使计算式中的两个变量φ和τ转变为一个变量τ的函数,大大简化了计算程序。并对等距修正、移距修正、等距加移距修正的初始间隙进行了比较,结论如下:在相同的顶隙要求下,正等距加负移距修正的初始间隙小于等距、移距修正的初始间隙;以及正等距加负移距修正初始间隙最小的条件。

基于SolidWorks与有限元理论一种机械臂设计方法的研究

通过利用计算机虚拟设计与仿真技术,实现一种工程机械在计算机平台下的虚拟设计,采用有限元理论结合有限元分析软件对机械臂部分进行结构分析,并依据分析结果做出结构设计优化。探讨了一种该型机械臂的虚拟设计方法,已确定其结构设计的可靠性,有利于缩短产品的开发周期和减少研发费用。