CN116787805A - 复合材料铺丝路径的预估方法、装置、系统及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种复合材料铺丝路径的预估方法、装置、系统及介质,包括以下步骤:空跑采录步骤:启动铺丝机并且使铺丝机的铺丝头复合材料铺丝路径的预估方法处于空跑状态,对铺丝头复合材料铺丝路径的预估方法在空跑阶段的实际铺丝轨迹进行实时采集,并且将实际铺丝轨迹所对应的实际轨迹数据导入数据分析系统;对比分析步骤:在数据分析系统中,对比分析实际轨迹数据和理论轨迹数据;判断实际轨迹数据是否超过许用偏差,重复所述空跑采录步骤,直至实际轨迹数据的实际偏差不大于许用偏差。本发明能够预先判断复合材料构件是否出现质量问题,减少复合材料浪费,提高构件制造效率。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料制造技术领域,特别是涉及一种复合材料铺丝路径的预估方法、装置、系统及介质。
背景技术
复合材料作为现代先进大型飞机主结构用材已是明显的发展趋势。作为铺放制造复材整体构件的自动铺带机和自动铺丝机则随之得到极为快速发展和广泛应用,成为现代先进大型飞机制造的关键设备之一,其应用日益完善。
现代大型飞机主结构件设计制造已越来越多采用复材整体构件,并已从大型机翼长梁、蒙皮壁板等相对简单复材构件发展到大型飞机整体筒壳机身段及中小型飞机整体筒壳机身等复材构件,且构件尺寸越来越大,整体结构越来越复杂。传统自动纤维缠绕机床(AFW)和自动铺带机床(ATL)已很难满足航空飞机制造的实际应用需求。因此产生了将AFW机床缠绕功能和ATL机床层铺、压紧、切割和重铺等加工能力融合集成在一台设备上,也就是高端自动铺丝机(AFP)。
然而,铺丝/铺带设备具有复杂的控制逻辑与机械结构,在应用中可能出现实际铺丝路径与规划路径不同,即出现铺丝路径偏差。这种偏差难以直接由设备系统记录或识别。一旦出现超出许用偏差,会直接影响产品质量。例如,在制造壁板时,铺丝头因轴偏转而造成间隙变大与搭接问题,从而导致形成三角形间隙或长条状间隙。
现有解决方法:通常是进行人工判断等方法间接对铺丝结果进行监测/评估。缺点是,上述解决方案只能在实际铺丝过程中应用。但在实际铺丝过程中进行监测具有一定局限性,包括:
第一点,路径偏差常常与铺丝路径规划或设备运动系统相关,一旦出现,需要重新规划铺设路径或对设备进行校正,难以快速解决。此外在实际铺放过程中发现问题会往往会造成材料浪费。
第二点,无法在铺放之前发现问题,需反复试验,时间成本高。
现有中国专利(公布号:CN113176265A)公开了一种复合材料自动铺丝搭接及缝隙缺陷在机检测系统及方法,将线激光传感器固联到复合材料自动铺丝机的末端铺放头上,以此满足对复合材料自动铺丝过程中缺陷检测的迫切需求。然而,该方法只能在实际铺丝过程中应用,依旧存在上述两点的缺点问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明要解决的技术问题在于提供一种复合材料铺丝路径的预估方法、装置、系统及介质,能够预先判断复合材料构件是否出现质量问题,减少复合材料浪费,提高构件制造效率。
为了解决上述技术问题,本发明提供一种复合材料铺丝路径的预估方法,包括以下步骤:
空跑采录步骤:启动铺丝机并且使铺丝机的铺丝头处于空跑状态,对铺丝头在空跑阶段的实际铺丝轨迹进行实时采集,并且将实际铺丝轨迹所对应的实际轨迹数据导入数据分析系统;
对比分析步骤:在数据分析系统中,对比分析实际轨迹数据和理论轨迹数据;判断实际轨迹数据是否超过许用偏差,若否,则表示实际铺丝轨迹与预设规划轨迹相一致,将铺丝头的空跑状态切换至铺放状态;若是,则表示实际铺丝轨迹与预设规划轨迹不一致,对铺丝轨迹的设计策略或铺丝机的结构状态进行调整优化,重复所述空跑采录步骤,直至实际轨迹数据的实际偏差不大于许用偏差。
优选地,所述复合材料铺丝路径的预估方法还包括程序准备步骤:将预设铺丝程序导入铺丝机的控制系统。
优选地,所述空跑采录步骤还包括:使用光学跟踪仪对铺丝头的实际铺丝轨迹进行实时采集。
优选地,标定所述铺丝头的工具中心点;在铺丝头上设置被光学跟踪仪追踪的靶标,并且标定靶标和工具中心点之间的空间关系。
优选地,将所述光学跟踪仪所采集的实际轨迹数据传输至上位机。
优选地,所述上位机上配置轨迹分析程序,轨迹分析程序用于对实际轨迹数据与理论轨迹数据进行超差判断分析。
本发明还提供一种铺丝质量预估装置,包括:
空跑采录模块,空跑采录模块用于执行所述空跑采录步骤;
对比分析模块,对比分析模块用于执行所述对比分析步骤。
本发明还提供一种铺丝路径预估系统,包括:
上位机,上位机包括存储器和处理器,其中,存储器用于存储计算机程序,处理器用于运行所述存储器存储的计算机程序,以执行所述复合材料铺丝路径的预估方法;
数据采集器,数据采集器通信连接于上位机;
具有多个靶标的辅助工具,辅助工具设于铺丝头;
摄像机,摄像机通信连接于数据采集器,摄像机用于捕捉靶标的位置信息。
优选地,所述辅助工具包括支架,支架的不同朝向的分支端上设有靶标。
本发明还提供一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器运行时实现所述复合材料铺丝路径的预估方法。
如上所述,本发明的复合材料铺丝路径的预估方法、装置、系统及介质,具有以下有益效果:预估方法的主要创新点在于两个步骤:第一步,即空跑采录步骤:启动铺丝机并且使铺丝机的铺丝头处于空跑状态,对铺丝头在空跑阶段的实际铺丝轨迹进行实时采集,并且将实际铺丝轨迹所对应的实际轨迹数据导入数据分析系统;需要注意的是,铺丝头需要空跑至少一整个铺层,通过影像技术手段连续、实时记录铺丝头的实际轨迹数据;第二步,即对比分析步骤:首先,需要配置一个数据分析系统,在数据分析系统预存有理想的理论轨迹数据;接着,在数据分析系统中,调取理论轨迹数据以作为实际轨迹数据的比对标准数据;再者,一一对比分析各个位置的实际轨迹数据和理论轨迹数据;紧接着,判断实际轨迹数据是否超过许用偏差,若否,则表示实际铺丝轨迹与预设规划轨迹相一致,将铺丝头的空跑状态切换至铺放状态,从而形成质量良好的复合材料构件;若是,则表示实际铺丝轨迹与预设规划轨迹不一致,会导致最后成型的复合材料构件会出现类似于缝隙的缺陷问题;然后,对铺丝轨迹的设计策略或铺丝机的结构状态进行调整优化;最后,重复上述空跑采录步骤,直至实际轨迹数据的实际偏差不大于许用偏差,从而确保最终成型的复合材料构件质量良好。因此,本发明的复合材料铺丝路径的预估方法能够预先判断复合材料构件是否出现质量问题,减少复合材料浪费,提高构件制造效率。
附图说明
图1显示为本发明的复合材料铺丝路径的预估方法的流程图;
图2显示为铺丝路径预估系统的使用状态图。
元件标号说明
1 铺丝头
2 靶标
3 上位机
4 数据采集器
5 摄像机
6支架
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式,熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知,本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等,均仅用以配合说明书所揭示的内容,以供熟悉此技术的人士了解与阅读,并非用以限定本发明可实施的限定条件,故不具技术上的实质意义,任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整,在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下,均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时,本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语,亦仅为便于叙述的明了,而非用以限定本发明可实施的范围,其相对关系的改变或调整,在无实质变更技术内容下,当亦视为本发明可实施的范畴。
如图2所示,本发明的铺丝机具有一个铺丝头1,该铺丝头1用于在模具表面铺设预浸料(预浸料一般为预浸丝或预浸带),从而形成一个复合材料构件。复合材料构件的成型质量直接影响飞机或航天器的综合性能,因此,复合材料构件是衡量飞机或航天器的先进性,乃至衡量一个国家航空制造水平的重要指标。复合材料构件通常由碳纤维片层在曲面模具上逐层叠加铺放而成,通常每个铺层具有各自的纤维铺放方向和各自的铺放范围,以满足设计要求的结构性能。对于每一铺层,铺丝机根据当前层的铺放角度、铺层边界和预先规划的三维轨迹将多条碳纤维丝束彼此并排构成丝束带进行铺放,以构成当前完整的铺层。一个铺层铺放完毕以后,再根据下一铺层中各丝束带的三维轨迹等铺放信息,由数控运动系统带动上述铺丝头自动将丝束带叠加铺放到前一铺层上面,完成下一铺层。
然而,在实际铺丝过程中,相较于预设规划轨迹,铺丝头1的实际铺丝轨迹可能出现一定的偏离度,从而导致缝隙缺陷的出现。
为了预先评估上述铺丝头1是否会形成质量良好的复合材料构件,如图1所示,本发明提供一种复合材料铺丝路径的预估方法,包括以下步骤:
空跑采录步骤:启动铺丝机并且使铺丝机的铺丝头1处于空跑状态,对铺丝头1在空跑阶段的实际铺丝轨迹进行实时采集,并且将实际铺丝轨迹所对应的实际轨迹数据导入数据分析系统;
对比分析步骤:在数据分析系统中,对比分析实际轨迹数据和理论轨迹数据;判断实际轨迹数据是否超过许用偏差,若否,则表示实际铺丝轨迹与预设规划轨迹相一致,将铺丝头1的空跑状态切换至铺放状态;若是,则表示实际铺丝轨迹与预设规划轨迹不一致,对铺丝轨迹的设计策略或铺丝机的结构状态进行调整优化,重复上述空跑采录步骤,直至实际轨迹数据的实际偏差不大于许用偏差。
在本发明中,预估方法的主要创新点在于两个步骤:第一步,即空跑采录步骤:启动铺丝机并且使铺丝机的铺丝头1处于空跑状态,对铺丝头1在空跑阶段的实际铺丝轨迹进行实时采集,并且将实际铺丝轨迹所对应的实际轨迹数据导入数据分析系统;需要注意的是,铺丝头1需要空跑至少一整个铺层,通过影像技术手段连续、实时记录铺丝头1的实际轨迹数据;第二步,即对比分析步骤:首先,需要配置一个数据分析系统,在数据分析系统预存有理想的理论轨迹数据;接着,在数据分析系统中,调取理论轨迹数据以作为实际轨迹数据的比对标准数据;再者,一一对比分析各个位置的实际轨迹数据和理论轨迹数据;紧接着,判断实际轨迹数据是否超过许用偏差,若否,则表示实际铺丝轨迹与预设规划轨迹相一致,将铺丝头1的空跑状态切换至铺放状态,从而形成质量良好的复合材料构件;若是,则表示实际铺丝轨迹与预设规划轨迹不一致,会导致最后成型的复合材料构件会出现类似于缝隙的缺陷问题;然后,对铺丝轨迹的设计策略或铺丝机的结构状态进行调整优化,例如,调整铺丝路径设计中的区域划分,重新设计各层的铺丝轨迹,例如,随着设备应用,铺丝头各轴的位置发生漂移,轨迹误差逐步增大,此时对设备进行校准即可,再例如,检修已变形的工装;最后,重复上述空跑采录步骤,直至实际轨迹数据的实际偏差不大于许用偏差,从而确保最终成型的复合材料构件质量良好。
因此,本发明的复合材料铺丝路径的预估方法能够预先判断复合材料构件是否出现质量问题,减少复合材料浪费,提高构件制造效率。
为了使上述铺丝头1进行空跑,上述复合材料铺丝路径的预估方法还包括程序准备步骤:将预设铺丝程序导入铺丝机的控制系统。
为了提高信息采集的便捷度,上述空跑采录步骤还包括:使用光学跟踪仪对铺丝头1的实际铺丝轨迹进行实时采集。
为了简化铺丝头1,用一个点来表示整个铺丝头1,标定上述铺丝头1的工具中心点(工具中心点简称为TCP);为了便于转换坐标数据,在铺丝头1上设置被光学跟踪仪追踪的靶标2,并且标定靶标2和工具中心点之间的空间关系。
为了存储、调取、处理上述实际轨迹数据,将上述光学跟踪仪所采集的实际轨迹数据传输至上位机3。
为了自动分析实际铺丝轨迹与预设规划轨迹是否相一致,上述上位机3上配置轨迹分析程序,轨迹分析程序用于对实际轨迹数据与理论轨迹数据进行超差判断分析。
本发明还提供一种铺丝质量预估装置,包括:
空跑采录模块,空跑采录模块用于执行上述空跑采录步骤;
对比分析模块,对比分析模块用于执行上述对比分析步骤。
本发明还提供一种铺丝路径预估系统,包括:
上位机3,上位机3包括存储器和处理器,其中,存储器用于存储计算机程序,处理器用于运行上述存储器存储的计算机程序,以执行上述复合材料铺丝路径的预估方法;
数据采集器4,数据采集器4通信连接于上位机3;
具有多个靶标2的辅助工具,辅助工具设于铺丝头1;
摄像机5,摄像机5通信连接于数据采集器4,摄像机5用于捕捉靶标2的位置信息。
本发明的铺丝路径预估系统的整体结构简单,布局合理,提高了复合材料铺丝路径的预估效率。
为了在铺丝头1变换位姿时,摄像机5依旧能够捕捉到靶标2的位置信息,上述辅助工具包括支架6,支架6的不同朝向的分支端上设有靶标2。具体的,支架6包括主枝杆,主枝杆的一端固定于铺丝头1的辊轮架的侧壁上,主枝杆的另一端被分成多个分支杆,每个分支杆的悬空端夹设有一个所述靶标2,靶标2可以是发光球,也可以反光球。如图2所示,靶标2的数量为三个,摄像机5的数量为四个,当然,靶标2的数量和摄像机5的数量可以根据现场工况和实际需求进行任意设定。
本发明还提供一种计算机可读存储介质,上述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,上述计算机程序被处理器运行时实现上述复合材料铺丝路径的预估方法。
综上所述,本发明能够预先判断复合材料构件是否出现质量问题,减少复合材料浪费,提高构件制造效率。所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种复合材料铺丝路径的预估方法,其特征在于,包括以下步骤:
空跑采录步骤:启动铺丝机并且使铺丝机的铺丝头(1)处于空跑状态,对铺丝头(1)在空跑阶段的实际铺丝轨迹进行实时采集,并且将实际铺丝轨迹所对应的实际轨迹数据导入数据分析系统;
对比分析步骤:在数据分析系统中,对比分析实际轨迹数据和理论轨迹数据;判断实际轨迹数据是否超过许用偏差,若否,则表示实际铺丝轨迹与预设规划轨迹相一致,将铺丝头(1)的空跑状态切换至铺放状态;若是,则表示实际铺丝轨迹与预设规划轨迹不一致,对铺丝轨迹的设计策略或铺丝机的结构状态进行调整优化,重复所述空跑采录步骤,直至实际轨迹数据的实际偏差不大于许用偏差。
2.根据权利要求1所述的复合材料铺丝路径的预估方法,其特征在于:所述复合材料铺丝路径的预估方法还包括程序准备步骤:将预设铺丝程序导入铺丝机的控制系统。
3.根据权利要求1所述的复合材料铺丝路径的预估方法,其特征在于:所述空跑采录步骤还包括:使用光学跟踪仪对铺丝头(1)的实际铺丝轨迹进行实时采集。
4.根据权利要求3所述的复合材料铺丝路径的预估方法,其特征在于:标定所述铺丝头(1)的工具中心点;在铺丝头(1)上设置被光学跟踪仪追踪的靶标(2),并且标定靶标(2)和工具中心点之间的空间关系。
5.根据权利要求4所述的复合材料铺丝路径的预估方法,其特征在于:将所述光学跟踪仪所采集的实际轨迹数据传输至上位机(3)。
6.根据权利要求5所述的复合材料铺丝路径的预估方法,其特征在于:所述上位机(3)上配置轨迹分析程序,轨迹分析程序用于对实际轨迹数据与理论轨迹数据进行超差判断分析。
7.一种铺丝质量预估装置,其特征在于,包括:
空跑采录模块,空跑采录模块用于执行所述空跑采录步骤;
对比分析模块,对比分析模块用于执行所述对比分析步骤。
8.一种铺丝路径预估系统,其特征在于,包括:
上位机(3),上位机(3)包括存储器和处理器,其中,存储器用于存储计算机程序,处理器用于运行所述存储器存储的计算机程序,以执行如权利要求1至权利要求6中任一项所述的复合材料铺丝路径的预估方法;
数据采集器(4),数据采集器(4)通信连接于上位机(3);
具有多个靶标(2)的辅助工具,辅助工具设于铺丝头(1);
摄像机(5),摄像机(5)通信连接于数据采集器(4),摄像机(5)用于捕捉靶标(2)的位置信息。
9.根据权利要求8所述的铺丝路径预估系统,其特征在于:所述辅助工具包括支架(6),支架(6)的不同朝向的分支端上设有靶标(2)。
10.一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,其特征在于:所述计算机程序被处理器运行时实现如权利要求1至权利要求6中任一项所述的复合材料铺丝路径的预估方法。
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