CN104992018A - 一种圆锥大角度自动铺丝的编程算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆锥大角度自动铺丝的编程算法，首先调整数控铺放设备使压辊所在旋转轴的轴线与模具主轴处于同一水平面内，并根据圆锥半锥角调整铺放设备，使压辊位于圆锥一端并垂直于圆锥水平母线；其次，根据圆锥螺旋角和螺距之间的关系式调整铺放设备，使压辊前进方向沿着端面处螺旋线的切线方向。再次，设置铺丝机构沿锥壳轴线方向每次步进的长度x，计算铺丝机构在垂直于锥壳轴线方向上每次步进的长度xtanα、主轴旋转角度和压辊旋转角度Δβ。最后，对Δβ进行计算机语言编程，输出铺丝机构沿锥壳轴线方向每步进一次，对应的各轴运动量，完成编程。

Description

一种圆锥大角度自动铺丝的编程算法

技术领域

本发明属于复合材料自动铺放技术领域，涉及一种圆锥大角度自动铺丝的编程算法。

背景技术

自动铺放技术作为高性能复合材料复杂构件的主流制造技术，已经成为大型航空航天飞行器的标配制造技术，广泛应用于国外大型飞机制造公司。复合材料锥壳广泛应用于航空航天领域，如飞机尾椎、机身过渡段等；此外，复合材料锥壳在民用领域应用也日益广泛，如大型发电机的玻璃钢护环、砼搅拌运输车的搅拌筒等。

现有技术当中对回转类构件多采用纤维缠绕的方式进行成型加工，但由于缠绕成型对模具的施压方式属于柔性施压，纤维张力在回转体截面直径改变时难以控制，从而影响制品的工艺性能。本发明对圆锥环向成型采用自动铺丝技术，铺放头压辊对模具的施压方式属于刚性施压，可随着回转体截面直径的改变适时调整施压方向，保证了铺放制品的质量。

自动铺丝技术中所采用的复合材料铺层成型方式会直接影响到最终复合材料构件的各项性能及铺放过程的复杂程度。目前实际生产中，对锥壳构件最为常用的是采用固定角度铺放方式制造0°铺层、±45°铺层和90°铺层。由于严格的90°铺层无法保证纤维的连续性，因此，一般采用近90°铺层设计完成锥壳等回转体构件的环向铺放。但是，近90°固定角铺层轨迹设计存在增减纱的问题。本发明根据圆锥螺旋角与螺距的数学关系进行自动铺丝编程的算法，通过适时调整铺放角，避开了增减纱处理，减小了轨迹规划的难度，提高了编程效率。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种圆锥大角度自动铺丝的编程算法，根据圆锥几何特征进行编程，通过适时调整铺放角，避开了增减纱处理，具有编程简单、效率高的特点。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种圆锥大角度自动铺丝的编程算法，包括以下过程：

1)数控铺放设备的压辊位于旋转轴A的轴线上，与主轴U位于同一水平面内，并垂直于圆锥数模的水平母线；根据圆锥半锥角调整铺放设备，使压辊位于圆锥一端并垂直于圆锥水平母线；

2)调整所述设备的横移轴X和进给轴Y，所述压辊末端对准圆锥端面轮廓线；

3)根据铺放角和螺距的关系，求出压辊在圆锥端面处的铺放角，并调整旋转轴A至该角度；所述铺放角包括圆锥螺线的螺旋角，及圆锥螺线与圆锥轴线的夹角；根据铺放角调整铺放设备，使压辊沿着圆锥端面处螺旋线的切线方向前进；

4)铺丝机构在横移轴X上沿圆锥轴线方向每次步进的长度为x，进给轴Y在垂直于圆锥轴线方向上每次步进的长度为x tanα，每步进一次，对应的主轴U的旋转角度为：其中，α为圆锥半锥角，S为螺距；

当压辊沿圆锥母线方向步进S时，步进的次数于是横移轴每步进一次，对应的主轴旋转角度

5)计算每步进一次，所述旋转轴A的旋转角度，即铺放角的变化值；

6)对铺放角的变化值进行计算机语言编程，输出铺丝机构每步进一次，对应的各轴的运动量。

进一步的，在本发明中，所述步骤3)中，所述铺放角为圆锥螺线的螺旋角，根据圆锥螺旋角和螺距的关系，求出压辊在圆锥端面处的螺旋角β，并调整旋转轴A至该角度；所述关系式为：

$\mathrm{\β}={\tan }^{-1}\frac{2\mathrm{\π}\sin \mathrm{\α}}{ln(\frac{2S\sin \mathrm{\α}}{d}+1)},$

其中，α为圆锥半锥角，S为螺距，d为圆锥上任一点处截面圆的直径。螺距S可由选用预浸丝的宽度和数量确定。

进一步的，在本发明中，所述步骤5)中，所述铺放角为螺旋角β，变化值Δβ为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}=\mathrm{\β}(d+\mathrm{\Δ}d)-\mathrm{\β}\left(d\right)={\tan }^{-1}\frac{2\mathrm{\π}\sin \mathrm{\α}}{ln(\frac{2S\sin \mathrm{\α}}{d+\mathrm{\Δ}d}+1)}-{\tan }^{-1}\frac{2\mathrm{\π}\sin \mathrm{\α}}{ln(\frac{2S\sin \mathrm{\α}}{d}+1)},$

其中，α为圆锥半锥角，S为螺距，d为圆锥上任一点处截面圆的直径，Δd＝-2x tanα。

进一步的，在本发明中，所述步骤5)中，所述铺放角为螺旋角β，变化值Δβ为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{\β}}_R-{\mathrm{\β}}_r}{L/X}$

其中，β_R和β_r分别是圆锥大端的螺旋角和圆锥小端的螺旋角，L为圆锥的长度。由于实际工程应用中一般用圆台代替圆锥进行铺放，因此，本文所述圆锥与圆台意义一致，圆锥大端和圆锥小端分别对应圆台的大端和小端，下同。此种算法是在β_R-β_r较小时可选取的计算方法，在铺放精度允许的条件下，可选取上述方法求取Δβ以简化计算。

进一步的，在本发明中，所述设备的断纱点根据压辊沿圆锥轴线的运动轨迹从末端往回至设定长度进行选取。其中，断纱点是保证连续复合材料预浸纱恰好铺覆至圆锥端面的切纱位置；设定长度按照复合材料预浸纱在圆锥面上的铺覆长度进行选取，具体值由铺丝头切刀到压辊末端的距离决定。

进一步的，在本发明中，所述设备的断纱根据压辊运动到圆锥的设定位置时通过数控机床的操作界面手动操作。其中，断纱位置按照复合材料预浸纱在圆锥面上的铺覆长度进行选取，具体值由铺丝头切刀到压辊末端的距离决定。

进一步的，在本发明中，步骤6)中铺丝机构每步进一次，对应的各轴的运动量均为相对值或均为绝对值。

进一步的，在本发明中，所述设备还包括偏航轴C、俯仰轴B和升降轴Z中的一种或多种的组合，其中，升降轴Z与横移轴X和进给轴Y两两垂直，构成空间三维坐标系；偏航轴C、俯仰轴B和旋转轴A的回转中心交于空间一点。

有益效果：本发明提供的圆锥大角度自动铺丝的编程算法，根据圆锥的几何特征进行编程，可根据选用的预浸丝的宽度和丝数确定螺距，计算起始铺放角；设置铺丝机构每次步进的长度，提高铺放效率；中途无需送断纱处理，编程方法简单、高效。很好地解决了现有技术对圆锥大角度铺丝轨迹规划的问题。

附图说明

图1为圆锥数模示意图；

图2为龙门式数控铺放设备模型；

图3为卧式数控铺放设备模型。

具体实施方式

图1为圆锥数模示意图，下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例1

如图2所示为一种由龙门式7轴联动数控铺放设备和圆锥模具组成。

(1)转动B轴至水平位置，调整升降轴Z，使B轴轴线与模具主轴处于同一水平面内；同时，根据圆锥半锥角调整旋转轴C，使压辊垂直于圆锥水平母线；调整平动轴X和Y，使压辊对准圆锥大端面轮廓线。

(2)根据圆锥螺旋角和螺距之间的关系式，计算出压辊在锥壳大端面处的螺旋角并调整A轴至该角度，其中，α是圆锥半锥角，R是圆锥大端截面圆半径。

(3)设置X轴每次步进的长度x(x＜0)，计算出Y轴每次步进的长度x tanα和主轴旋转角度

(4)计算X轴每步进一次，A轴的旋转角度即转动量，即β的变化值 $\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}=\mathrm{\β}(d+\mathrm{\Δ}d)-\mathrm{\β}\left(d\right)={\tan }^{-1}\frac{2\mathrm{\π}\sin \mathrm{\α}}{ln(\frac{2S\sin \mathrm{\α}}{d+\mathrm{\Δ}d}+1)}-{\tan }^{-1}\frac{2\mathrm{\π}\sin \mathrm{\α}}{ln(\frac{2S\sin \mathrm{\α}}{d}+1)},$ 其中，d是圆锥截面圆的直径，Δd＝2x tanα。

(5)对Δβ进行计算机语言编程，输出X轴每步进一次，对应的各轴运动量的相对值，并以文本文件形式存储，完成编程。

实施例2

如图2所示为由龙门式7轴联动数控铺放设备和圆锥模具组成。

(1)转动B轴至水平位置，调整升降轴Z，使B轴轴线与模具主轴处于同一水平面内；同时，根据圆锥半锥角调整C轴，使压辊垂直于圆锥水平母线；调整平动轴X和Y,使压辊对准圆锥小端面轮廓线。

(2)根据圆锥螺旋角和螺距之间的关系式，计算出压辊在锥壳小端面处的螺旋角并调整A轴至该角度，其中，α是圆锥半锥角，r是圆锥小端截面圆半径。

(3)设置X轴每次步进的长度x(x＞0)，计算出Y轴每次步进的长度x tanα和主轴旋转角度

(4)计算X轴每步进一次，A轴的转动量，即β的变化值 $\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}=\mathrm{\β}(d+\mathrm{\Δ}d)-\mathrm{\β}\left(d\right)={\tan }^{-1}\frac{2\mathrm{\π}\sin \mathrm{\α}}{ln(\frac{2S\sin \mathrm{\α}}{d+\mathrm{\Δ}d}+1)}-{\tan }^{-1}\frac{2\mathrm{\π}\sin \mathrm{\α}}{ln(\frac{2S\sin \mathrm{\α}}{d}+1)},$ 其中，d是圆锥截面圆的直径，Δd＝2x tanα。

(5)对Δβ进行计算机语言编程，输出X轴每步进一次，对应的各轴运动量的相对值，并以文本文件形式存储，完成编程。

实施例3

如图2所示为一种由龙门式7轴联动数控铺放设备和圆锥模具组成。首先，转动B轴至水平位置，调整升降轴Z，使B轴轴线与模具主轴处于同一水平面内；同时，根据圆锥半锥角调整C轴，使压辊垂直于圆锥水平母线；调整平动轴X和Y,使压辊对准圆锥端面轮廓线。其次，根据圆锥螺旋角和螺距之间的关系式，计算出压辊在锥壳端面处的螺旋角，并调整A轴至该角度。最后，设置X轴每次步进的长度x，计算出Y轴每次步进的长度x tanα、主轴旋转角度和A轴的转动量输出X轴每步进一次，对应的各轴运动量的相对值，以文本文件存储，完成编程。

实施例4

如图3所示为一种由卧式7轴联动数控铺放设备和圆锥模具组成。首先，转动B轴至水平位置，调整升降轴Z，使B轴轴线与模具主轴处于同一水平面内；同时，根据圆锥半锥角调整C轴，使压辊垂直于圆锥水平母线；调整平动轴X和Y,使压辊对准圆锥端面轮廓线。其次，根据圆锥螺旋角和螺距之间的关系式，计算出压辊在锥壳端面处的螺旋角，并调整A轴至该角度。最后，设置X轴每次步进的长度x，计算出Y轴每次步进的长度x tanα、主轴旋转角度和A轴的转动量输出X轴每步进一次，对应的各轴运动量的相对值，以文本文件存储，完成编程。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种圆锥大角度自动铺丝的编程算法，其特征在于：包括以下过程：

1)数控铺放设备的压辊位于旋转轴A的轴线上，与主轴U位于同一水平面内，并垂直于圆锥数模的水平母线；

2)调整所述设备的横移轴X和进给轴Y，所述压辊末端对准圆锥端面轮廓线；

3)根据铺放角和螺距的关系，求出压辊在圆锥端面处的铺放角，并调整旋转轴A至该角度；所述铺放角包括圆锥螺线的螺旋角，及圆锥螺线与圆锥轴线的夹角；

4)铺丝机构在横移轴X上沿圆锥轴线方向每次步进的长度为x，进给轴Y在垂直于圆锥轴线方向上每次步进的长度为x tanα，每步进一次，对应的主轴U的旋转角度为：

其中，α为圆锥半锥角，S为螺距；

5)计算每步进一次，所述旋转轴A的旋转角度，即铺放角的变化值；

6)对铺放角的变化值进行计算机语言编程，输出铺丝机构每步进一次，对应的各轴的运动量。

2.根据权利要求1所述的圆锥大角度自动铺丝的编程算法，其特征在于：所述步骤3)中，所述铺放角为圆锥螺线的螺旋角β，根据圆锥螺旋角和螺距的关系，求出压辊在圆锥端面处的螺旋角β，并调整旋转轴A至该角度；所述关系式为：

$\mathrm{\β}={\tan }^{-1}\frac{2\mathrm{\π}\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{In}(\frac{2S\sin \mathrm{\α}}{d}+1)},$

其中，α为圆锥半锥角，S为螺距，d为圆锥上任一点处截面圆的直径。

3.根据权利要求1所述的圆锥大角度自动铺丝的编程算法，其特征在于：所述步骤3)中，所述铺放角为圆锥螺线与圆锥轴线的夹角根据螺旋角β、圆锥螺线与圆锥轴线的夹角及圆锥半锥角α之间的关系式：可求得圆锥螺线与圆锥轴线的夹角

4.根据权利要求1所述的圆锥大角度自动铺丝的编程算法，其特征在于：所述步骤5)中，所述铺放角为螺旋角β，变化值Δβ为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}=\mathrm{\β}(d+\mathrm{\Δ}d)-\mathrm{\β}\left(d\right)={\tan }^{-1}\frac{2\mathrm{\π}\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{In}(\frac{2S\sin \mathrm{\α}}{d+\mathrm{\Δ}d}+1)}-{\tan }^{-1}\frac{2\mathrm{\π}\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{In}(\frac{2S\sin \mathrm{\α}}{d}+1)},$

其中，α为圆锥半锥角，S为螺距，d为圆锥上任一点处截面圆的直径，Δd＝-2x tanα。

5.根据权利要求1所述的圆锥大角度自动铺丝的编程算法，其特征在于：所述步骤5)中，所述铺放角为螺旋角β，变化值Δβ为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{\β}}_R-{\mathrm{\β}}_r}{L/X},$

其中，β_R和β_r分别是圆锥大端的螺旋角和圆锥小端的螺旋角，L为圆锥的长度。

6.根据权利要求1所述的圆锥大角度自动铺丝的编程算法，其特征在于：所述设备的断纱点根据压辊沿圆锥轴线的运动轨迹从末端往回至设定长度进行选取。

7.根据权利要求1或6所述的圆锥大角度自动铺丝的编程算法，其特征在于：所述设备的断纱根据压辊运动到圆锥的设定位置时通过数控机床的操作界面手动操作。

8.根据权利要求1所述的圆锥大角度自动铺丝的编程算法，其特征在于：步骤6)中铺丝机构每步进一次，对应的各轴的运动量均为相对值或均为绝对值。

9.根据权利要求1所述的圆锥大角度自动铺丝的编程算法，其特征在于：所述设备还包括偏航轴C、俯仰轴B和升降轴Z中的一种或多种的组合，其中，升降轴Z与横移轴X和进给轴Y两两垂直，构成空间三维坐标系；偏航轴C、俯仰轴B和旋转轴A的回转中心交于空间一点。