CN116330706A - 一种复合材料自动铺放的工艺路径生成系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合材料自动铺放的工艺路径生成系统，包括资源模块、模型定义模块和路径规划模块；所述资源模块用于系统参数数据的定义；所述模型定义模块将机床和铺丝头通过导入模型进行几何尺寸和结构定义；所述路径规划模块在铺放构件曲面上通过建立数学模型，形成满足结构设计要求的复合材料预浸丝束排布方式，并且控制铺放过程中铺放头运动路径及姿态。本发明能够实现智能自动铺丝，提高自动铺丝机运行效率、保证铺放质量、节约材料，降低制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于复合材料自动铺放的工艺领域的复合材料自动铺放的工艺路径生成系统。
背景技术
碳纤维复合材料产品具有比传统材料更优的力学性能，因此在航空航天、新能源汽车、风力发电等领域得到大量应用。复合材料构件的传统制造大多采用手工、缠绕、缝纫等技术，手工铺放具有工作范围小、定位差、铺放效率低、铺放压力控制精度低、铺放厚度和角度无法精确保证、质量不稳定、劳动强度大、人力投入多等不足。
自动铺丝技术是复合材料自动化加工的一种，自动铺丝方式具有低成本、高效率、高材料利用率，以及生产制造的柔性自动化等特性。与传统的机械加工不同，自动铺放技术采用按设计方向逐层铺叠的增料加工模式。
自动铺放工艺路径生成系统根据材料铺放工艺特性和构件外形特征，按照构件结构设计要求，依照铺放设备机器结构和工作模式，生成可供专用铺放设备实现复合材料构件成型制造的NC加工代码。在满足设计要求的基础上，应尽可能提高铺放效率、保证铺放质量、节约材料，降低制造成本。
国内高校如南京航空航天大学、武汉理工大学、浙江大学等团队，对铺放软件中的各个模块，如轨迹规划技术，进行了一定的研究和实验，取得了一定的进展，但目前国内的研究主要以针对某些功能模块进行基于CATIA功能的开发为主，距离形成稳定、可靠、高效的铺放软件还有一定的距离。目前国内仅少数单位拥有自动铺放设备，具有自主知识产权的自动铺放工艺路径生成系统在国内尚属空白。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种复合材料自动铺放的工艺路径生成系统，能够实现智能自动铺丝，提高自动铺丝机运行效率、保证铺放质量、节约材料，降低制造成本。
实现上述目的的一种技术方案是：一种复合材料自动铺放的工艺路径生成系统，包括资源模块、模型定义模块和路径规划模块；
所述资源模块用于系统参数数据的定义；
所述模型定义模块将机床和铺丝头通过导入模型进行几何尺寸和结构定义；
所述路径规划模块在铺放构件曲面上通过建立数学模型，形成满足结构设计要求的复合材料预浸丝束排布方式，并且控制铺放过程中铺放头运动路径及姿态。
进一步的，所述系统参数数据分为材料参数和设备参数；
材料参数分为曲面信息数据、装备数据和材料铺放工艺特性数据；
设备参数数据包括机器的基本参数、动作特性、铺放工艺特性以及机器铺放过程可能出现的调节参数。
进一步的，所述路径规划模块包括层合板设计模块和单层路径轨迹设计模块，层合板设计模块对自动纤维铺放过程中的铺放角进行控制，单层路径轨迹设计模块根据材料的铺放工艺特性、构件外形曲面特性和机器特性，按照层合板设计的铺放方向、铺叠顺序和铺放层数建立相应的规划算法，生成自动铺放轨迹中心线。
再进一步的，单层路径轨迹设计模块采用等距偏移法算法进行单层的铺放路径规划，具体方法为先构造出一条初始铺丝参考线，然后以该参考线为基准，在曲面上按照一个满丝束宽度的距离进行等距偏移，生成参考线族进行轨迹规划。
复合材料自动铺丝工艺路径生成系统以提高铺丝机运行效率、保证铺放质量、节约材料，降低制造成本，具有如下优点：
1)和传统人工铺设相比，极大地降低了成本，材料浪费率也降低了。人工铺设浪费率超过25％，而用自动铺丝机完成铺设，浪费率小于5％。
2)本发明极大地提高了生产效率，可减少传统人工层铺劳动量40％-90％。
3)产品质量稳定，保证组合部位精密度。
附图说明
图1为投影法生成初始路径图；
图2为等距偏移法获取的轨迹点集图；
图3为向量旋转法示意图。
具体实施方式
为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例进行详细地说明：
本发明的一种复合材料自动铺放的工艺路径生成系统，其目标是按照构件设计要求，根据材料工艺特性，利用自动铺放装备完成复合材料的构件设计。系统处理对象是图形和数据，输出结果也同样是数据。其具体包括资源模块、模型定义模块和路径规划模块。
资源模块用于系统参数数据的定义。所述系统参数数据分为材料参数和设备参数。
材料参数分为曲面信息数据、装备数据和材料铺放工艺特性数据。曲面信息数据如曲面的数学信息、构件设计数据如铺放角度、铺层设计、间隙容差、性能容差等。装备数据如机器参数。材料铺放工艺特性数据如纤维宽度、丝数、带宽、铺放中允许变形量等四个主要数据流。
设备参数数据包括机器的基本参数、动作特性(M变量的定义)、铺放工艺特性(如机器加热时间与铺放速度的关系等)以及机器铺放过程可能出现的调节参数(如如在铺放状态与未铺放状态，预浸带从切刀到压辊距离的变化量)。
模型定义模块将机床和铺丝头通过导入模型进行几何尺寸和结构定义。曲面信息数据输入可采用的技术途径包括两种：
通过交互界面输入特性参数，由系统调用图形接口完成建模。其优点是由于自行开发，算法简单。在后期轨迹规划时可充分利用数学手段，内存占用低，运算速度快。
利用通用CAD软件完成曲面信息的建模工作。通过读取通用曲面文件格式，并在后期对数据进行重构，在算法上以数值迭代计算为主，通用性强，但效率低。目前的专用CAD软件都支持该方式，在图形设计环境下生成标准格式的曲面文件，由于用户界面标准统一，充分利用了通用图形设计软件的稳定性和强大功能。
该模块中的铺放曲面信息数据面型和边界通过导入曲面和曲线进行定义，其中导入的曲面文件格式支持STL，边界曲线支持格式XML、STEP、IGES、DXF。
路径规划模块在铺放构件曲面上通过建立数学模型，形成满足结构设计要求的复合材料预浸丝束排布方式，并且控制铺放过程中铺放头运动路径及姿态。这是实现铺放工艺的核心，也是自动铺放CAM软件等后续步骤的前提。复合材料铺层设计，是结构设计的基础，也是铺丝成型构件中特有的工作内容。铺层设计的优劣在很大程度上影响着最终产品性能的成败。
所述路径规划模块包括层合板设计模块和单层路径轨迹设计模块。层合板设计模块对自动纤维铺放过程中的铺放角进行控制。定角度铺层是层合板设计常用的方式之一。在自动纤维铺放过程中，铺放角是指铺层上某点处，丝束方向与某固定轴线所成的角度，比如铺放角定义为丝束方向与x轴的夹角，其取值范围为±90°。在实际设计中，考虑拉力、压力及剪切力的影响，铺放角通常选取0°、90°、±45°等，此外，将一定数量的单向板沿z轴方向叠加，就形成了复合材料层合板，为对称结构层合板，可描述为[+α1/-α2]。
单层路径轨迹设计模块根据材料的铺放工艺特性、构件外形曲面特性和机器特性，按照层合板设计的铺放方向、铺叠顺序和铺放层数建立相应的规划算法，生成自动铺放轨迹中心线。
单层路径轨迹设计模块采用等距偏移法算法进行单层的铺放路径规划，具体方法为先构造出一条初始铺丝参考线，然后以该参考线为基准，在曲面上按照一个满丝束宽度的距离进行等距偏移，生成参考线族进行轨迹规划。等距偏移法的技术关键在于如何构造满足结构和工艺要求的初始参考线以及采取何种有效的等距平移算法。构造初始参考线的主要方法有：基准参考曲线法、初始方向曲面映射法、测地线、特征平面与曲面的交线法、构件主应力方向曲线等。曲面等距偏移曲线的算法主要包括投影法、网格法和测地线数值法等。
曲面文件格式采用大型CAD软件，如CATIA、Pro/E、UG等，它们都擅长自由曲面造型。同时这些软件都能将自由曲面转化成由多个三角面片组合成的网格曲面，并以STL文件的格式输出。
STL三角网格曲面存在以下拓扑关系：
(1)每个顶点至少由3条边线相交得到，也即每个顶点位置至少存在3个相邻的三角片。
(2)每条边线为2个三角片的公共边，也即与每一条边线相关的是2个相邻三角片。
(3)每个三角片以3条边线与3个三角片相邻。
对于外形比较平坦，起伏较小工件，可用定向投影的方法得到初始参考曲线。它将指定的曲线按设定方向投影至模具曲面，得到的曲线作为参考路径轨迹。如图1所示，将曲线B(t)，沿向量L向曲面反向投影后的曲线设为P(t)。P(t)即为该铺放层的参考线。
当B(t)曲线是一条具有明确方向的直线时，通过定向投影，可用于生成0°、90°和±45°等常规方向的路径曲线，非常适用于平坦型开曲面构件的铺丝路径生成，且对于常用的0°、90°和45°等铺丝角度，工作时压辊在曲面上沿着“直线”前进，具有明确的方向性特点，因此对于常用角度条件下的基准路径生成，是非常适用的。
B(t)曲线沿L向量方向在STL格式的曲面投影：
(1)STL曲面的数据检验：曲面STL数据结构中的法向与L夹角小于某一个数值，比如60度，确保曲面为平坦型。
(2)STL数据结构沿着向量L进行旋转，使得L竖直，形成新的STL数据结构。
(3)分析新的三角数据结构，记录x、y的最小、最大数值，形成一个矩形区域，也就是新三角曲面在xoy平面上的投影区域的包络矩形，将此矩形分为若干区域，如n×m个数组存放链表的指针。
(4)对B(t)进行点细分，取其x、y数值，判断其处于n×m的哪个区域，然后对该区域内的所有数据结构进行计算，判断该x、y点是否在三角形元素内，如果在，根据三点定义平面的性质，生成z值。
(5)对于所有的细分点，进行如上过程。即可形成投影参考线点集。
其中，Node节点存放新STL曲面数据，除了顶点和法向量数据，在尾部存有指向下一个数据的指针，以形成数据链表。数组p存放该区域的首地址。当遍历新的STL数据结构时，填充到上述Node链表中，并更新数组p。
对于等距偏移算法，其指第一条路径为参考线，其他连续路径等距铺放在前一条路径旁边。这种方式的优点是不存在间隙，铺层不需要增删丝束，因而能获取较快的铺放速度。
如图2，参考曲线CⅠ上与橡胶压辊的接触点为任一点P，该点的法平面为N，N与抛物面的交线为空间曲线D，P’为该空间曲线上距离点P弧长为d。如此，一系列的P’点集构成了偏移曲线CⅡ，再以同样的偏移方式，得到偏移曲线CⅢ…。
取参考线CⅠ的点集为{P0,P1,…,Pn}，则从任意点Pi(xPi,yPi,zPi)线性拟合的方向向量为
当n足够大时，近似与曲面相切。设其单位向量为/>
则根据法平面N的点法式公式为：
e1x(x-xPi)+e1y(y-yPi)+e1z(z-zPi)＝0 (1)
而e3直线参数方程为：
式2中，当t取值为增量数值时0.1d、0.2d、…、d，可得到e3直线10个点，运用3.4的投影算法，将该10个点垂直投影到曲面上，可得到曲面上的10个点。
由于曲面平坦，曲线的曲率变化较小，该10点近似可认为处于圆弧上。采用最小二乘法进行圆弧拟合，设圆心O(A,B)，半径R。
令a＝-2A,b＝-2B,c＝A2+B2-R2，则圆的曲线方程可写成
x2+y2+ax+by+c＝0
求出参数a,b,c，即可得到圆心及半径。
根据最小二乘法进行圆弧拟合算法，设
可得
由式(5)、(6)、(7)即可求得圆心O(A,B)和半径R。
这时候，可以采用近似圆弧法，即认为曲线D为圆弧，通过偏移弧长d，得到偏移点位置。
在图3中，PP’近似为圆弧，所以
由图3可知，向量OP1是OP绕
旋转α角，即
将P1根据3.4中新的三角数据结构上投影，即是P’。
采用上述系统的自动铺丝机实现持续地对预浸丝束的输送、精确定位、准确铺层、压实、准确切断、重启再输送等动作，具有6轴联动能力，能实现各种复杂曲面的铺放。在铺放丝束时，这些坐标轴的联动可保证铺丝头垂直于工件表面。
铺丝机结构由上下两部分组成，分别是下部分的工作台传动结构和上部分的铺丝头传动结构。工作台上放置铺放模具，其传动结构由X、B、C等3轴组成，铺丝头上部分传动结构由Y、Z、A等3轴组成，实现铺丝头的位姿控制。根据铺放工艺要求，在铺放过程中，铺丝头的中心轴与铺放曲面的法向保持重合，而铺丝头的正向与规划路径的切向保持重合。
复合材料自动铺丝工艺路径生成系统应用于天线反射面板是航空航天工业领域中复合材料应用的常用到的构件之一。铺放实验采用江苏恒神环氧树脂EH918、宽度为6.35mm的预浸料。模具尺寸为1000mm×500mm。铺层结构为[0°/90°/45°/-45°]，共计8层。
根据铺放设置、丝束生成、仿真试验：
(1)各铺放角的丝束路径轨迹完整而顺直，丝束间距均匀；
(2)设置报警阈值Gap Warning为5mm，Overlap warning为0，经过运算检验，未产生报警情况，表明丝束之间的间隙和重叠满足要求；
(3)设置侧向扭转阈值Angle deviat ion为1°，经过运算检验，未产生报警情况，表明丝束未发生明显的侧向扭曲。
以上检验情况表明：生成的铺丝轨迹效果较好，丝束能均匀覆盖在芯模表面，满足工艺设计要求和工程需要。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
Claims (4)
1.一种复合材料自动铺放的工艺路径生成系统，其特征在于，包括资源模块、模型定义模块和路径规划模块；
所述资源模块用于系统参数数据的定义；
所述模型定义模块将机床和铺丝头通过导入模型进行几何尺寸和结构定义；
所述路径规划模块在铺放构件曲面上通过建立数学模型，形成满足结构设计要求的复合材料预浸丝束排布方式，并且控制铺放过程中铺放头运动路径及姿态。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料自动铺放的工艺路径生成系统，其特征在于，所述系统参数数据分为材料参数和设备参数；
材料参数分为曲面信息数据、装备数据和材料铺放工艺特性数据；
设备参数数据包括机器的基本参数、动作特性、铺放工艺特性以及机器铺放过程可能出现的调节参数。
3.根据权利要求1所述的一种复合材料自动铺放的工艺路径生成系统，其特征在于，所述路径规划模块包括层合板设计模块和单层路径轨迹设计模块，层合板设计模块对自动纤维铺放过程中的铺放角进行控制，单层路径轨迹设计模块根据材料的铺放工艺特性、构件外形曲面特性和机器特性，按照层合板设计的铺放方向、铺叠顺序和铺放层数建立相应的规划算法，生成自动铺放轨迹中心线。
4.根据权利要求3所述的一种复合材料自动铺放的工艺路径生成系统，其特征在于，单层路径轨迹设计模块采用等距偏移法算法进行单层的铺放路径规划，具体方法为先构造出一条初始铺丝参考线，然后以该参考线为基准，在曲面上按照一个满丝束宽度的距离进行等距偏移，生成参考线族进行轨迹规划。
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|---|---|---|---|---|
| CN117172399A (zh) * | 2023-11-02 | 2023-12-05 | 成都飞机工业（集团）有限责任公司 | 一种基于启发式算法的自动铺丝轨迹规划方法 |
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Cited By (2)
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| CN117172399A (zh) * | 2023-11-02 | 2023-12-05 | 成都飞机工业（集团）有限责任公司 | 一种基于启发式算法的自动铺丝轨迹规划方法 |
| CN117172399B (zh) * | 2023-11-02 | 2024-03-15 | 成都飞机工业（集团）有限责任公司 | 一种基于启发式算法的自动铺丝轨迹规划方法 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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