淺談仿形技術在復合材料鋪放機中的可行性應用

楊瑞慶，楊曉煒，霍巖

(1.哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱150006)(2.哈爾濱工業大學，哈爾濱150001)

淺談仿形技術在復合材料鋪放機中的可行性應用

楊瑞慶1，楊曉煒2，霍巖1

(1.哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱150006)(2.哈爾濱工業大學，哈爾濱150001)

復合材料鋪放機對各向運動需要精確的位置要求，目前的鋪放設備全部采用伺服控制。對應一種產品就要一套控制程序，如遇復雜的空間曲面，程序的編輯就變得更加繁瑣。所以，要想辦法簡化這一工作。本文就是結合仿形技術、計算機控制復合材料鋪放設備結構及控制特點探討仿形技術應用在復合材料鋪放設備簡化程序設計的可行性。

仿形；鋪放；基準靠模；可編程控器

1 引言

隨著航空、航天等相關技術的飛速發展，碳纖維復合材料預浸料鋪放設備已逐漸嶄露頭角、越來越得到人們的重視。目前，在發達的西方國家鋪放設備已日趨成熟、應用在生產當中，而在我國，鋪放技術還處在起步階段，發展比較緩慢。其中一個關鍵原因是軟件尤其是復雜空間曲面的控制軟件設計還存在著一定的困難。那么有何辦法能使其簡化?以往，在機械加工中遇到不規則曲面時常常采用仿形加工，大大簡化了生產工藝、降低了生產成本。仿形加工技術的經驗及仿形系統本身固有的特性，啟發我們考慮將其應用于鋪放設備之中以簡化控制程序的設計。

2 仿形系統的工作原理、結構及控制方式

2.1 仿形系統的工作原理(圖1)

仿形系統的工作原理是:探頭沿X軸方向運動，同時在Z軸方向隨著基準模具曲面的法向位移發出相關的可控信號(機械或電信號)，通過系統控制加工頭走出與基準模具曲面一樣的軌跡，一條曲線走完后，沿Y軸方向行走一個步距，掃描下一條曲線，直至完成整個曲面。探頭的移動可以是隨動也可數控(由PLC或NC系統控制)，精度則取決于探頭的步進幅度和中間環節元件的靈敏度。

圖1 空間曲面示意圖

2.2 仿形系統的結構

一套完整的仿形系統主要有下面幾部分組成(圖2)。

圖2 仿形系統方塊圖

靠模:具有所需曲面的基準模具或直接是工件表面

掃模單元:包括探頭和信號發生器。探頭在力作用下緊貼于靠模表面，并隨曲面的變化在曲面法線方向上運動。探頭可以是滾輪或萬象球(用于簡單控制)，也可以是紅外光電單元(用于高級控制)。

控制單元:能夠將探頭的機械運動轉換為機械運動或電信號。通常采用的為電位器、壓力傳感器、液壓電比例轉換器、PLC、CNC等控制單元。

驅動單元:將控制單元所采得的信號再次轉換為機械運動。通常為變頻調速電機、步進電機、伺服電機、液壓或氣動電比例閥。

執行單元:即加工頭、通常為結構構件、氣缸或液壓缸。

檢測反饋單元:將執行單元運動產生的電信號變化與控制單元的電信號設定值進行比較。通常為編碼器、電比例閥等。

2.3 仿形系統的控制

仿形系統的控制主要分為兩種:隨動和數控。反饋檢測分為開環和閉環。

隨動開環控制在實際應用中就是執行單元直接隨探頭機械聯動，結構上表現為機械構件、液壓或氣動動力直接傳遞。控制單元最為簡單、直觀。目標精度受中間環節的間隙、運動慣性影響比較大。

隨動閉環控制就是將執行元件的位移產生的電信號與探頭位移產生的電信號進行比較，利用其差值通過控制器最終確定執行元件的移動量。這控制單元比較簡單。精度受元件的靈敏度影響比較大。

以上兩種控制方式均不需繁雜的程序設計。因而，要比計算機控制伺服系統要簡單和廉價。

數控開環控制在實際應用中就是將探頭移動采得的數字信號經控制單元傳輸給執行單元。精度受元件的靈敏度、探頭的步進幅度等因素影響。

數控閉環控制在實際應用中就是將執行單元實際移動產生的數字信號反饋給控制單元進行比較修正。精度受傳感器等元件的靈敏度影響。

數控仿形系統相對復雜造價也相對較高，精度也相對較高。

3 鋪放機工作原理和控制

鋪放機的機頭工作時就是將預浸帶一條接一條鋪在工件表面上，直至預浸帶布滿整個表面。現有的國外鋪放機都采用全伺服控制，即要實現一個空間曲面的鋪放動作，就必須要在多個方向產生位移或轉動。它的每一方向運動由伺服電機經中間精密傳動環節驅動，要有相應的程序支持。這些程序就是對一系列空間點的坐標進行描述(點越多，行走軌跡越準確)，用差補理論及相應的語言設計出相應的行走程序。曲面不同，程序也不同。

4 仿形技術應用于鋪放機中的可行性分析

從鋪放機工作原理和控制的敘述中知道，要想給出一個空間曲面上一系列點坐標，就必須要首先根據鋪放頭行走路徑進行詳細的數學計算。對于規則的曲面，各點計算相應簡單，而對于復雜的曲面來說，就非常復雜。而且，這樣計算出的點坐標也往往是近似值，與實際曲面產生偏差。無疑，這會對程序設計工作帶來麻煩，且容易出錯也不易修改。另外，鋪放機工作頭的行走軌跡根據需要往往是不規則的，跳躍式的，這都會增加編程的困難。

由于鋪放機工作頭行走方式與仿形加工中探頭行走方式相同，都是在力作用下壓緊曲面表面。那么，能不能根據仿形技術的特點，將其應用于鋪放機中以簡化程序設計呢?

計算機控制技術發展到今天，數據采集技術已不再是難題。例如:圖1中所示的曲面。全伺服控制情況下，要在X向、Y向、Z向計算出大量的點坐標。而采用仿形技術結合數據采集技術后，則只需給出X向、Y向的步距，Z向坐標則由光電探頭在靠模上運動自行給出，且連續不斷的將這些坐標值輸送給控制系統控制加工頭的軌跡輸出，如將探頭裝置直接應用到鋪放頭上，那么鋪放頭就會隨著曲面而連續運動，更趨于精確。這樣就會大大簡化控制程序的設計。

5 結語

綜合以上分析，將仿形加工技術與數控、計算機控制數據采集技術結合起來共同應用于鋪放機中是可行的，會簡化工作程序，減少工作量。

［1］仇學青.模具制造工藝學［M］.北京:機械工業出版社，2014.

［2］劉克.基于機器人和PLC技術的自由曲面拋光控制分析［J］.制造業自動化，2011，33(8):11-13.

Researching the Feasibility Application of Profile Modeling Technology in the FRP Composite Material Laying Equipment

YANG Ruiqing1，YANG Xiaowei2，HUO Yan1
(1.Harbin FRP Institute，Harbin 150036)(2.Harbin Institute of Technology，Harbin 150001)

The FRP composite material laying equipment need precise position in all moving，now all the laying equipments are sevocontrolled.To one product need a set of control procedure，if the surface is complicated，the edition of controll procedure is very difficult.So need us find out a method to make it simply.The article will discuss the feasibility of the profile modeling technology use in composite material laying equipment.

the profile modeling technology；the FRP composite material laying；the base model；the plc

2016-04-03)

楊瑞慶(1963-)，男，山東人，本科，高級工程師。研究方向:復合材料設備。E-mail:yrq811123@ 163.com.