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。

大型复合材料丝束铺放机关键部件结构分析

对大型复合材料丝束铺放机关键部件进行了计算分析,对丝束铺放机的总体结构、网格划分及约束加载进行了介绍,详细分析了横梁和铺丝头在不同工作位置由于自重引起的丝束铺放机的变形以及变形对直线运动精度的影响。分析数据对丝束铺放机关键部件结构优化设计提供了理论依据,为横梁反变形设计提供了重要数据。

大型复合材料铺丝机模态分析

对大型复合材料铺丝机的三维实体结构进行模态分析,发现结构薄弱环节,对结构刚性设计提供准确设计方案。

6自由度自动纤维铺放成型机设计与研究

针对复合材料自动铺放设备进行设计及研究,基于自动铺放成型设备运行原理,利用SolidWorks软件建立纤维铺放成型机各个部件的三维模型。以6自由度纤维丝铺放成型虚拟样机关键零部件为研究对象,利用ABAQUS软件进行静力学分析及模态分析,得到了关键零部件的仿真结果。通过分析关键零部件的仿真数据,验证铺放成型机的结构能够满足铺放设备作业时所需的强度、刚度及稳定性等要求。建立了铺放成型虚拟样机仿真模型,得到了芯模及铺放头与机械臂连接处的速度及加速度变化规律,通过分析铺放速度及加速度变化范围,验证了6自由度纤维铺放成型虚拟样机设计的合理性。

新型复合材料成型设备的进展

本文介绍了传统复合材料缠绕设备发展过程与制品应用范围,结合新型复合材料构件要求及应用特点,介绍了针对零度纵向缠绕时纤维稳定性及密实性较差开发应用纤维铺放机,针对缠绕设备低效率和低制造柔性开发应用机器人缠绕,针对缠绕工艺适应性开发应用纤维拉挤编织机。通过说明这些新型设备的应用,阐述了复合材料构件成型设备的发展趋势。

基于模糊PID铺丝机恒张力送丝控制系统设计

自动铺丝机是复材成型的关键设备。针对铺丝过程中纤维张力的恒定影响着制件性能,提出了一种铺丝机恒张力送丝控制系统的设计方案。该方案以STM32微控制器为主控单元,直流无刷电机为执行元件。设计了一种模糊PID控制器,使整个系统可以实时调节,通过Simulink的仿真分析验证了模糊PID优越性;通过搭建的试验平台对该系统进行试验,验证其张力控制的效果。

先进复合材料自动铺丝设备研究现状与发展趋势

先进的复合材料由于其高比强度、比模量、大幅减重和良好的耐腐蚀性,已被广泛用于航空航天工业及其他领域。自动铺丝机是实现自动铺丝的必要设备,是影响铺放质量和生产效率的重要环节。因此,研发和改进自动铺丝机,成为制造复合材料复杂构件的最关键的课题之一。本文针对近年来国内外的自动铺丝设备,重点围绕铺丝机机床主体结构、纱架形式、铺丝头压力系统、加热系统与张力系统等方面,对当前自动铺丝机的研究与应用现状进行论述与分析,总结了国内外自动铺丝设备的研究成果,分析了国内外铺丝设备的优势与不足,最后探讨并总结了自动铺丝设备未来的发展趋势,为铺丝机的设计与优化提供了一个参考方向。

基于强化学习的航空零件复合材料缠绕机床运动优化方法

大型结构件自动铺缠是航空工业中重要的自动化工艺,这些结构件中存在曲率较大的加工区域,加工过程中产生的剧烈转角变化降低了实际加工速度,增加了加工时间。文中研究了一种针对六轴铺缠机床的优化方法,目的在于保证较大负载转轴运动平稳的前提下,提高加工效率。在刀具路径已经确定的情况下,依据刀具路径和机床运动性能搭建用于强化学习的简单仿真环境,使用PPO策略决策在不同状态下分配转台轴的运动量,进而规划出相应的机床各轴加工轨迹。选用铺缠路径对两种不同分配冗余轴的策略进行比较,验证效果表明,强化学习规划路径能够在保证实际进给速度的前提下有效降低关节的速度波动。

复合材料自动铺丝技术研究进展

先进复合材料自动铺丝技术在航空航天领域获得了广泛的应用。本文从自动铺丝机发展历程、自动铺丝工艺技术研究进展、自动铺丝CAD/CAM系统发展以及自动铺丝技术在航空航天领域大型构件上的具体应用出发,综述了国内外自动铺丝技术的研究进展,最后提出了复合材料自动铺丝技术未来研究发展的方向。本文的研究对于复合材料自动铺丝技术的工程实践以及实现复合材料结构“低成本、高性能”制造具备一定的研究意义。

大型龙门式自动铺丝机空间误差建模及参数辨识

为减小复合材料自动铺丝机定位误差,改善复合材料铺放成型质量,提出了大型龙门式自动铺丝机空间误差建模及参数辨识方法。首先分析了龙门自动铺丝机空间拓扑结构及几何误差组成要素,基于多体系统理论分别建立了自动铺丝机理论与实际运动学模型,进而获得了自动铺丝机末端空间误差模型;然后采用三阶切比雪夫多项式为基函数描述与位置有关的几何误差(PDGE),确定含待定误差参数的空间误差分量,建立自动铺丝机空间误差参数识别优化目标函数,采用Levenberg-Marquardt算法(LM算法)求解该无约束非线性最小二乘优化问题,获得了162项误差模型参数;最后通过测量铺丝机工作空间体对角线和ARJ21翼梢小翼壁板铺放路径,验证了误差建模及参数辨识方法的有效性。

大型龙门铺丝机综合误差建模及补偿

为了提高大型龙门自动铺丝(AFP)机的精度,提出重力变形与几何误差综合建模与补偿方法.采用有限元法对龙门铺丝机进行静力学分析,通过工作空间网格化方法建立重力变形模型;基于齐次变换矩阵与切比雪夫多项式建立几何误差模型,结合剔除重力变形的测量数据与Powell算法实现对几何误差参数的辨识;综合重力变形模型和几何误差模型,提出基于综合误差补偿的G代码修正策略.在龙门铺丝机上开展综合误差补偿对比实验,结果表明,补偿前龙门铺丝机误差较大,不能完全满足铺放精度需求,而经过补偿后位置误差和姿态误差均大幅度降低,其中姿态误差减小80%以上,而位置误差减小90%以上,满足铺放精度需求,证明了所提出的综合误差建模和补偿方法的有效性.

自动铺丝机专利技术综述

目前自动纤维丝铺放技术是实现复合材料高性能制造的重要手段之一,同时也是近年来发展最快、最有效的先进制造技术。本文以自动铺丝机的专利申请作为分析对象,分析了自动铺丝机的专利申请分布情况、核心专利以及重点申请人。

国内外复合材料工艺设备发展述评之四——自动铺放成型

本文分析了自动铺放成型工艺所用设备的发展历程,指出其优缺点,并对今后发展提出建议。

基于拐点光顺的七轴龙门式铺丝机插补算法

针对七轴龙门式自动铺丝机运动过程中,因采用连续短线段的轨迹描述方式而产生的拐点速度不连续的问题,提出基于柔性加减速控制的拐点光顺插补算法。在该插补算法中,首先改进三次Bernstein-Bézier曲线,使其能用3个控制顶点进行定义,然后使用该曲线连接相邻短线段,以保证铺放路径切向连续、曲率连续。利用轨迹误差和曲线性质确定控制顶点的位置,最后在柔性加减速控制方法的基础上对“直线段+过渡曲线段”的铺放路径进行插补运算,并采用标注协调点的方法保证机床在各插补运算阶段的速度和加速度连续。通过仿真分析,表明该插补算法能够保证机床在整个铺放路径上快速平稳运动。

Tool geometry based prediction of critical thrust force while drilling carbon fiber reinforced polymers

Carbon fiber reinforced polymers （CFRPs） are known to be difficult to cut due to the abrasive nature of carbon fibers and the low thermal conductivity of the polymer matrix. Polycrystalline diamond （PCD） drills are commonly employed in CFRP drilling to satisfy hole quality conditions with an acceptable tool life. Drill geometry is known to be influential on the hole quality and productivity of the process. Considering the variety of CFRP laminates and available PCD drills on the market, selecting the suitable drill design and process parameters for the CFRP material being machined is usually per- formed through trial and error, In this study, machining performances of four different PCD drills are investigated. A mechanistic model of drilling is used to reveal trade-offs in drill designs and it is shown that it can be used to select suitable feed rate for a given CFRP drilling process.

基于CATIA生成数控加工路径的机器人纤维铺放轨迹规划

纤维铺放轨迹规划是纤维铺放成型中控制加工路径的关键步骤,直接影响复合材料构件的成型精度和铺放效率。本文基于成熟的商业化CATIA数控加工编程软件进行纤维铺放轨迹计算,获取待处理的加工路径,利用矢量补充和格式转换算法解决了铺放轨迹信息与FANUC机器人兼容性差的问题;借助插值算法求出了输送点和剪断点,补充了铺放轨迹信息,进而得到了完整的铺放信息,缩短了开发周期。在基于FANUC机器人的铺放装备上对某飞机舱门进行铺放实验,验证了基于CATIA数控加工技术的纤维铺放轨迹生成方法具有可行性,铺放轨迹结束点位置误差及轨迹间距误差都在±0.5mm之内。

健康监测系统中光纤传感器网络优化布置研究

针对健康监测系统中不合理的传感器布置将影响传感器数据采集的有效性,降低监测系统的精度,以基于光纤Bragg光栅(FBG)传感器网络的结构健康监测系统为研究对象,采用逐步积累法,对系统中传感器网络的优化排布方法进行了研究。首先采用Ansys力学仿真软件建立了试验件的有限元模型并进行了加载试验,然后采用仿真获得的数据对传感器排布位置进行了优化,最后按照仿真研究获得的传感器优化位置在试验件上进行了试验研究。结果表明,试验同仿真结果具有很好的一致性,相对于原始传感器网络的排布方案,在相同的系统监测精度下,优化后的传感器排布方案可以采用更少的传感器;如果采用相同数量的传感器,优化后的传感器排布方案可以获得更高的监测精度。

基于红外和可见光图像融合的铺丝缺陷检测方法

为提高纤维自动铺放(AFP)的质量,分析了目前视觉检测技术中单光谱检测技术成像的局限性,提出一种基于深度学习的红外与可见光联合检测缺陷手段以实现对铺放缺陷的检测、定位和分类。利用热红外图像与可见光图像中易检缺陷种类不同的特点,采用特征融合网络将两种光谱信息融合从而改善检测效果。考虑在线检测对实时性要求较高,为提高检测速度,采用单阶段检测网络作为检测框架,并依据纤维缺陷的长宽比分布严重不均的特点分析了单阶段检测网络中基于锚框方法的不足,提出采用无锚框的检测框架,增加改进的特征金字塔网络结构进行多尺度预测。以全类平均正确率(mAP)为衡量指标,实验结果相比单光谱检测方法、基于锚框检测方法和未使用改进特征金字塔结构分别提升了6.30%、6.64%和1.02%。通过Tensor RT加速后检测网络对每张608像素×608像素图像的检测时间小于20 ms,满足实时检测的需求,检测平均召回率超过88%,平均精确率超过82%,满足生产准确度需求。数据在试验台进行离线检测验证得出,并在大型龙门铺丝机上进行了在线测试。