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。

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。

新型纤维铺放头的方案设计与实验研究

本文提出了一种新型的纤维铺放头总体机构和控制方案。该方案可实现纤维铺放时纤维纱的剪切、重送、夹紧、施压等功能。方案中利用气缸带动的铰链机构使得切刀或压头动作,实现纤维纱的剪切和夹紧;利用伺服电机驱动的摩擦轮和风力辅助的方法实现纤维纱的重送;利用气缸和压辊实现对纱带在模具表面的加压,通过调整气缸压力的大小来达到给定的压力。原理样机研制表明该装置夹紧、剪切动作迅速、可靠,重送位置准确,证明了该铺放头方案的可行性。

大梁带复合材料铺放系统设计及其仿真

大梁带芯模较长(9m),宽度较窄(50mm),因此将大梁带铺放设备设计为龙门式结构。主要包括X、Y轴直线运动机构和Z轴旋转运动机构。将预浸带铺放过程中所必需的放料装置、除膜装置、张力控制装置、施压装置、剪切装置集中设计在铺放头内部。在Pro/Engineer中建立了大梁带铺放机的三维立体模型,研究大梁带铺放机各机构的运动方式,利用Pro/En-gineer的运动仿真模块对大梁带铺放机的铺放过程进行了计算机仿真。

FRP铺放成型技术的研究

纤维增强复合材料铺放成型技术是在手工迭层铺放和纤维缠绕工艺的基础上发展起来的一种机械化、自动化成型工艺。在纤维铺放成型技术中 ,主要采用铺放头机构实现纤维的铺放。该机构包括加料装置、加热装置、加压装置、剪切装置等。纤维铺放成型技术的控制系统主要是采用计算机数控 (CNC)来实现。

机器人高效自动铺丝技术研究进展

以机器人为平台的自动铺丝设备可高效铺放复杂的复合材料构件,受到了国内外航空航天产业的高度关注。根据目前机器人式自动铺丝技术的研究现状,介绍了机器人式自动铺丝机的发展历程,并对其核心结构——铺丝头和铺丝机器人的特点及发展进行了综述,分析了当前国内外机器人式自动铺丝软件技术及应用,最后对机器人式自动铺丝技术未来实现更高效铺放的发展趋势进行了展望。

FRP铺放技术的机构分析

纤维缠绕/铺放联合制造系统是纤维增强塑料(FRP)制品生产的先进制造装备之一,它适于加工外形复杂的FRP构件.纤维铺放头机构是该装备中的关键机构.分析了该机构的加料装置、施压装置、剪切装置、保护膜系统、加热装置等,提出一个设计方案.

风机叶片纤维带铺放头设计

分析了风机叶片铺放机的铺放过程,得出了铺放头所具有的功能,依据其功能对风机叶片铺放机的铺放头进行机构设计,铺放头机构设计主要包括压紧机构设计、剪断纤维机构设计、重新送料机构设计和加热装置的设计。首先,结合风机叶片的特点从总体上设计铺放头机构简图;其次,对各机构进行具体设计,之后应用Pro/ENGINEER Wildfire2.0软件的零件设计和装配设计功能对各机构进行实体建模;最后,把各个机构实体模型装配在一起形成铺放头。

多路纤维铺放控制系统的设计研究

针对目前传统的复合材料成型技术难以保证小曲率半径、凹凸不平等复杂表面构件加工的质量问题,对最新的纤维铺放技术进行了研究,设计了一种基于主流的IPC机+PMACⅡ可编程运动控制器的开放式控制系统,利用VC++6.0搭建了人机交互界面,通过PMACⅡ进行硬件/软件的设计以实现对每一路电动机的速度、位移的控制,进而达到对每一路纤维丝束的独立运动控制及整体的联合运动控制的目的,从而实现了对铺放压力的控制作用。同时还设计了压力反馈系统,以实现对铺放压力的精确控制。研究结果表明,该控制系统能够实时监测铺放过程中的各项参数,并能进行自动/手动操作;不仅能够顺利完成表面形状复杂构件的加工,而且达到铺放压力在30 N范围内误差为±3%的精度,保证了铺放质量。

纤维铺放设备中丝束增减控制方法及其比较

纤维铺放技术是实现复合材料"低成本"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。铺放设备的丝束铺放工作主要由铺放头完成,因此丝束增减控制是铺放控制系统研究的重点。通过分析铺放头结构、铺放控制系统结构、单路丝束的工作循环和丝束在重送、切断、铺放状态下夹紧模块、重送模块、切断模块的工作情况,总结出丝束增减控制程序设计的基本原则。同时提出了两种丝束增减控制方法:丝束增减控制与运动控制整合的方法和丝束增减控制独立于运动控制的方法。通过对这两种控制方法的比较分析,得出丝束增减控制独立于运动控制的方法具有方法简单、可降低铺放软件开发难度的特点。最终通过铺放试验验证了丝束增减控制方法的正确性及有效性。