龍門式復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)

支 勉，侯玉婷，馬淑春

（保定標(biāo)正機(jī)床有限責(zé)任公司，河北 保定071000）

先進(jìn)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、抗疲勞、耐腐蝕、設(shè)計(jì)制造一體化的特點(diǎn)，復(fù)合材料自動(dòng)鋪放設(shè)備主要由歐美國家生產(chǎn)，西班牙M.TORRES公司，美國CINCINNATI，INGERSOLL，法國 FOREST-LINE 等生產(chǎn)。復(fù)合材料構(gòu)件生產(chǎn)主要有自動(dòng)纏繞機(jī)、自動(dòng)鋪帶機(jī)、自動(dòng)鋪絲機(jī)等制造技術(shù)。其中自動(dòng)鋪絲機(jī)主要用于形狀復(fù)雜曲面型構(gòu)件的鋪放制造，如飛機(jī)機(jī)身、尾錐，以及S型進(jìn)氣道等復(fù)雜構(gòu)件的整體制造，而該類設(shè)備在中國尚屬空白。按照國家科技重大專項(xiàng)“航空復(fù)合材料構(gòu)件自動(dòng)鋪絲頭設(shè)備開發(fā)及應(yīng)用”要求，設(shè)計(jì)一款龍門式復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲設(shè)備尤為迫切。

1 龍門式復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式及相關(guān)計(jì)算

龍門式復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲機(jī)是國內(nèi)首臺紗架與鋪絲頭一體式的碳纖維自動(dòng)鋪絲設(shè)備，可滿足成型負(fù)曲面最小曲率半徑為150 mm，正曲面最小曲率半徑為20 mm；纖維鋪絲速度0～30 m/min；根據(jù)復(fù)合材料構(gòu)件CAD數(shù)模生成鋪絲軌跡，具有后置處理、避碰干涉檢驗(yàn)和離線加工仿真功能。絲束間隙均勻、公差±0.5 mm.

該設(shè)備包括機(jī)械主體、控制系統(tǒng)、紗架和自動(dòng)鋪絲頭裝置；工裝夾具裝置由四大部分組成，共有X、Y、Z、A、C、C12、E 七個(gè)軸。紗架和鋪絲頭固定在 A、C、C12軸回轉(zhuǎn)裝置中，機(jī)床帶動(dòng)鋪絲頭完成絲束對芯模的鋪放工作。整個(gè)過程可實(shí)現(xiàn)七軸的同步聯(lián)動(dòng)，確保鋪絲過程的連續(xù)性。整體結(jié)構(gòu)及外形如圖1、圖2所示。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 整機(jī)外形圖

1.1關(guān)于X坐標(biāo)推力計(jì)算

在水平方向移動(dòng)時(shí)，電機(jī)所要克服的力包括加速力、摩擦力以及鋪絲力。

設(shè)定：

X坐標(biāo)驅(qū)動(dòng)重量M：12.5 t（整個(gè)橫梁移動(dòng)部件）

空載快速移動(dòng)速度Vx：30 m/min

最大加速度初步設(shè)定為ax：1 m/s2

在水平移動(dòng)情況下：

Fax=max（加速力）

Ffx= μmg（摩擦力）

Fbx=1 000 N（鋪絲力）

其中μ取0.05

所以總受力：

由于鋪絲是連續(xù)工作，故整個(gè)過程所承受的最大力是加速時(shí)的力。

在機(jī)械消隙雙邊驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，負(fù)載由龍門雙邊齒條驅(qū)動(dòng)來平衡，單邊齒條平衡驅(qū)動(dòng)力一般取66%（該值是單邊齒條可以平衡驅(qū)動(dòng)力的最大百分比）。

預(yù)載間隙扭矩Tp的百分比Tp%在機(jī)械消隙應(yīng)用中通常取最大負(fù)載的100%.

受力分析如下圖3所示。

圖3 受力分析圖

相對于A點(diǎn)，有

Fx1×R+Tp=F切×2R

其中Fx1＝66%Fx

Tp＝66%Fx×100%（Tp是電機(jī)所為消除機(jī)械間隙所提供的一個(gè)扭矩）

所以單邊最大切向力

F切＝（66%Fx+66%Fx×100%）/2=13 200 N

由于Grudel公司生產(chǎn)的m=4斜齒條246 053系列最大承載力為28 394 N.

故安全系數(shù)為28 394÷13 200＝2.15，可以滿足使用驅(qū)動(dòng)力要求及安全系數(shù)要求。

1.2關(guān)于Y坐標(biāo)推力Fy的計(jì)算

y坐標(biāo)是由伺服電機(jī)直接通過聯(lián)軸器聯(lián)接絲杠驅(qū)動(dòng)移動(dòng)部件（滑座、滑枕、回轉(zhuǎn)裝置、紗架和鋪絲頭等）移動(dòng)。移動(dòng)部件的導(dǎo)軌副為直線導(dǎo)軌，移動(dòng)部件的總質(zhì)量為3 t.

推力通常是在工作進(jìn)給勻速、電機(jī)低轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下進(jìn)行計(jì)算，額定扭矩是指在額定轉(zhuǎn)速下的扭矩。所以電機(jī)的輸出扭矩通常取靜扭矩M0=70 N·m

故：

式中，η為效率，取0.9.設(shè)絲杠導(dǎo)程為12 mm.

又因?yàn)橐朔苿?dòng)部件移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦阻力，所以有效推力Fy：

Fy=F-m×g×μ

上式中，m為移動(dòng)部件自身質(zhì)量，為3 t；μ為移動(dòng)部件與直線導(dǎo)軌間的摩擦系數(shù)，為0.05.

Fy=32 970 N-3 000 kg×9.8 N/kg×0.05=31 500 N

所以Y坐標(biāo)的推力大約為3.15 t.

1.3關(guān)于Z坐標(biāo)推力Fy的計(jì)算

Z軸伺服電機(jī)通過同步帶驅(qū)動(dòng)絲杠，帶動(dòng)移動(dòng)部件（滑枕、鋪絲頭等）移動(dòng)。

傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 Z軸傳動(dòng)示意圖

推力通常是在工作進(jìn)給勻速、電機(jī)低轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下進(jìn)行計(jì)算，額定扭矩是指在額定轉(zhuǎn)速下的扭矩。所以電機(jī)的輸出扭矩通常取靜扭矩M0=50 N·m.

在豎直運(yùn)動(dòng)過程中，因移動(dòng)部件在垂直于Z軸的方向產(chǎn)生偏移量以及存在幾何偏差，故而形成的扭矩會(huì)在導(dǎo)軌上產(chǎn)生摩擦力。

假設(shè)最大的摩擦力為重力完全壓在立柱上產(chǎn)生的摩擦力

Fa1=μmg=0.01×2 000 kg×10 g/s2=200 N

μ為摩擦系數(shù)，為0.01（該系數(shù)的選取考慮重力不可能完全壓到立柱上，摩擦系數(shù)選取范圍內(nèi)的較小值）；m為驅(qū)動(dòng)重力，為2T；g為重力加速度，為10 m/s2.

伺服電機(jī)通過同步帶驅(qū)動(dòng)絲杠副旋轉(zhuǎn)力矩變?yōu)橹本€推力F，當(dāng)同步帶傳動(dòng)比為i1=1時(shí)直線推力最小。

式中，P為絲杠導(dǎo)程；η為傳動(dòng)效率，同步帶η1＝0.9，絲杠 η2＝ 0.9.

又因?yàn)橥屏Ψ较虿煌朔苿?dòng)部件移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦阻力以及重力的合力不同，所以當(dāng)滑枕向上運(yùn)動(dòng)時(shí)推力向上：

有效推力Fz1=Fmin-f-mg=25 434 N-200 N-20 000 N=23 234 N當(dāng)滑枕向下運(yùn)動(dòng)推力向下：

有效推力Fz2=Fmin-f+mg=25 434 N-200 N+20 000 N=28 234 N

有效推力大于負(fù)載。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)介紹

2.1龍門式復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲設(shè)備中A/C/C12軸回轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)

由于自動(dòng)鋪絲機(jī)是用于形狀復(fù)雜曲面型構(gòu)件的制造，此回轉(zhuǎn)裝置是龍門式自動(dòng)鋪絲設(shè)備中關(guān)鍵部件之一，可實(shí)現(xiàn)鋪絲頭在空間的任意角度旋轉(zhuǎn)姿態(tài)。具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 A/C/C12軸回轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)圖

2.1.1結(jié)構(gòu)形式

1）C軸電機(jī)及減速機(jī)固定在滑枕上，小齒輪安裝在C軸輸出軸上，大齒輪固定在C軸旋轉(zhuǎn)體上。

2）C12軸電機(jī)固定在A軸擺動(dòng)體上，蝸輪與紗架聯(lián)接，紗架和鋪絲頭聯(lián)接。

3）A軸電機(jī)及減速機(jī)固定在C軸旋轉(zhuǎn)體一側(cè)，A軸擺動(dòng)體通過軸承安裝在C軸回轉(zhuǎn)體上。

所設(shè)計(jì)的該回轉(zhuǎn)裝置，其中兩個(gè)小齒輪和大齒輪的嚙合采用齒輪消隙結(jié)構(gòu)，如下圖6所示。

圖6 消隙齒輪機(jī)構(gòu)

小齒輪1和小齒輪2通過螺釘1合并到一起安裝，且兩個(gè)齒輪之間裝有可以周向相對扭轉(zhuǎn)錯(cuò)位的裝置，如圖6中所示松開螺釘1后，調(diào)整螺釘2使得斜面銷1沿斜面銷2實(shí)現(xiàn)周向轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)小齒輪與大齒輪的嚙合齒輪同時(shí)嚙合，嚙合時(shí)兩個(gè)小齒輪中的一個(gè)輪齒與大齒輪的受力面嚙合，而另外一個(gè)小齒輪與大齒輪的背面嚙合，這樣就實(shí)現(xiàn)了在正反轉(zhuǎn)傳動(dòng)中無間隙。

4）液壓夾緊裝置如圖7所示，液壓夾緊裝置在停機(jī)狀態(tài)下，依靠碟簧的彈力始終讓A軸擺動(dòng)體在某一位置保持不動(dòng)，增加了設(shè)備的安全性。

具體結(jié)構(gòu)如圖7所示：扇形夾緊片采用彈性很好的金屬制成，并固定在A軸擺動(dòng)體上。限位塊固定在C軸旋轉(zhuǎn)體上。C軸旋轉(zhuǎn)體上開孔作為液壓油腔，油腔兩端安裝左右法蘭盤，液壓活塞桿安裝在左右法蘭盤上，并能夠左右移動(dòng)。活塞桿上開油孔，可以保證液壓油通過油孔進(jìn)入到油腔中。在活塞桿左部與左法蘭盤之間安裝碟簧。活塞桿右端和扇形夾緊片接近，并有間隙。工作狀態(tài)有兩種形式，一種是液壓油沒有壓力情況下，依靠碟簧的彈力讓活塞桿向右移動(dòng)，從而使活塞桿的右端將扇形夾緊片夾緊到限位塊上，限制了A軸擺動(dòng)體的轉(zhuǎn)動(dòng)。另一種是液壓站工作，提供一定的壓力，液壓油通過活塞桿上的油孔進(jìn)入到液壓油腔中，推動(dòng)活塞桿壓縮碟簧向右移動(dòng)，使得活塞桿右端離開扇形夾緊片，扇形夾緊片在自身的彈力作用下脫離限位塊，A軸擺動(dòng)體即可繞A軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)[4]。

圖7 液壓夾緊裝置

2.1.2回轉(zhuǎn)裝置的運(yùn)動(dòng)原理

1）C軸電機(jī)及減速機(jī)帶動(dòng)小齒輪（2件）和大齒輪旋轉(zhuǎn)，大齒輪帶動(dòng)C軸旋轉(zhuǎn)體、A軸擺動(dòng)體及紗架和鋪絲頭繞C軸旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了鋪絲頭的C軸旋轉(zhuǎn)。如圖 8（b）所示。

2）C12軸電機(jī)通過齒形帶輪和齒形帶帶動(dòng)蝸桿、蝸輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)紗架和鋪絲頭旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了鋪絲頭的C12軸旋轉(zhuǎn)。如圖8（c）所示。

3）A軸電機(jī)及減速機(jī)直接帶動(dòng)A軸擺動(dòng)體轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了紗架和鋪絲頭的v軸旋轉(zhuǎn)。如圖8（d）所示。

圖8 回轉(zhuǎn)裝置的運(yùn)動(dòng)原理圖

2.2紗架和鋪絲頭機(jī)構(gòu)

紗架和鋪絲頭聯(lián)接到一起，解決了鋪絲過程中張力波動(dòng)大、實(shí)時(shí)控制難度大問題，縮短并簡化了紗架中纖維絲束輸送至鋪絲頭的路徑。當(dāng)鋪絲頭需要變角度鋪絲大型復(fù)雜構(gòu)件時(shí)，纖維紗架與鋪絲頭一體化結(jié)構(gòu)保證了纖維帶與鋪絲頭相對位置固定，有效防止了纖維帶由于旋轉(zhuǎn)帶來的扭曲及打捻。

2.2.1紗架

紗架包括收放卷機(jī)構(gòu)和張力控制機(jī)構(gòu)。

1）收放料卷機(jī)構(gòu)

收放卷機(jī)構(gòu)作為纖維輸送的起點(diǎn)，包括放料卷機(jī)構(gòu)和收背襯紙機(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)的可靠性將直接影響纖維鋪放的順利進(jìn)行。工作原理如圖9a）所示。

收背襯紙機(jī)構(gòu)：為了防止預(yù)浸帶在纖維料卷上相互粘接，纖維預(yù)浸帶單面加有單層背襯紙將帶與帶隔離。在纖維輸送過程中，需要將背襯紙從預(yù)浸帶上剝離并收集。

2）張力控制機(jī)構(gòu)

在鋪絲構(gòu)成中每條絲束的路徑不同導(dǎo)致各個(gè)絲束的長短各異，張力控制機(jī)構(gòu)保證了纖維絲束在輸送過程中不脫離輸送機(jī)構(gòu)中的導(dǎo)輪槽。結(jié)構(gòu)如圖9（b）所示：

（續(xù)下圖）

（接上圖）

圖9 收放卷工作原理圖和張力控制原理圖

2.2.2鋪絲頭機(jī)構(gòu)

鋪絲頭機(jī)構(gòu)由壓緊機(jī)構(gòu)、剪切機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、重送機(jī)構(gòu)和加熱機(jī)構(gòu)等組成，如圖10所示。

圖10 鋪絲頭工作狀態(tài)

1）壓緊機(jī)構(gòu)

壓緊機(jī)構(gòu)主要由氣缸、連接架、稱重傳感器和壓輥組成。兩個(gè)氣缸固定在鋪絲頭支架上，連接架聯(lián)接氣缸活塞和壓輥，氣缸通過連接架將輸出的壓力傳遞給壓輥，壓輥將壓力作用到芯模上。壓輥的兩端安裝壓緊力檢測元件，用來檢測壓緊力的大小。

2）剪切機(jī)構(gòu)

剪切機(jī)構(gòu)是鋪絲頭中的重要功能部件之一，在纖維鋪放過程中，根據(jù)鋪絲工藝的要求，鋪絲頭可切斷任何一根纖維絲束。該動(dòng)作由剪切機(jī)構(gòu)通過控制系統(tǒng)指令自動(dòng)完成。

同時(shí)為了保證剪斷之后的纖維帶便于后續(xù)的重送，要求斷面平整無毛刺。

3）輸送機(jī)構(gòu)

為了減小輸送力及張力波動(dòng)，每束纖維帶輸送時(shí)用多個(gè)滾動(dòng)導(dǎo)輪規(guī)劃其輸送軌跡。導(dǎo)輪內(nèi)部安裝軸承保證其轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，導(dǎo)輪材料用聚四氟乙烯，防止纖維帶粘接和磨損。導(dǎo)輪上開有凹槽，凹槽對輸送中的纖維起到限位作用。

4）夾持機(jī)構(gòu)

夾持機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)纖維鋪絲順利進(jìn)行的重要功能機(jī)構(gòu)，在不停機(jī)剪切情況下，保證在剪切機(jī)構(gòu)沒有工作前，纖維帶已被夾持，阻止纖維帶由于存在張力而在剪斷后出現(xiàn)回縮，防止后續(xù)纖維重送的失敗或降低重送精度。但是在重送時(shí)松開夾持機(jī)構(gòu)。

5）重送機(jī)構(gòu)

重送機(jī)構(gòu)保證了鋪絲的連續(xù)性，是很關(guān)鍵的功能部件。此功能是在剪切完成后，松開夾持機(jī)構(gòu)，啟動(dòng)重送機(jī)構(gòu)。

6）加熱機(jī)構(gòu)

在鋪絲過程中，為了提高預(yù)浸帶層與層之間的粘結(jié)程度，防止出現(xiàn)脫層或粘接不牢，需要將已鋪絲層上表面加熱以增加樹脂的粘性。加熱機(jī)構(gòu)就是為該過程提供熱源并根據(jù)工藝需要實(shí)時(shí)調(diào)整加熱溫度的裝置。

3 工裝夾具裝置

用來鋪絲的芯摸是按照飛機(jī)的零部件制作完成的，在自動(dòng)鋪絲機(jī)鋪絲過程中，要將芯模安裝在一個(gè)可以驅(qū)動(dòng)芯模繞E軸轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。夾具裝置由轉(zhuǎn)臺、輔助支撐、后支撐及后支撐絲杠裝置組成，芯模放于該裝置中，手搖后支撐絲杠裝置，將芯模的前端送到轉(zhuǎn)臺內(nèi)夾緊，轉(zhuǎn)臺驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺及芯模繞E軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 龍門式復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲設(shè)備控制設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用西門子840DSL作為系統(tǒng)的控制核心，其接收來自CADCAM系統(tǒng)的軌跡運(yùn)動(dòng)指令，利用通道技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋪絲頭的多軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)與鋪絲輔助運(yùn)動(dòng)的無縫集成與通訊。對于工藝過程的控制，包括張力、溫度的控制系統(tǒng)，施壓、夾緊等輔助動(dòng)作，則由SIMATIC S7-300 PLC實(shí)現(xiàn)集成與控制。另外，SIMATIC S7-300 PLC還要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鋪絲過程中的安全監(jiān)控、安全防護(hù)等安全集成功能。最終用戶可通過連接在數(shù)字總線上HMI、控制面板、手持單元等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鋪絲頭設(shè)備的人工操作與干預(yù)。

5 結(jié)束語

通過分析該設(shè)備平行軸的推力大小，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性。同時(shí)對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹，為以后該類設(shè)備研發(fā)提供有力參考。

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