6自由度自動纖維鋪放成型機設(shè)計與研究＊

曹忠亮 林國軍 郭登科 曹清林

（①齊齊哈爾大學機電工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161001；②江蘇理工學院機械工程學院，江蘇 常州 213000）

復合材料作為一種先進材料，具有非常廣闊的發(fā)展空間。先進復合材料具有質(zhì)量輕、比強度高、耐高溫和耐腐蝕等一系列優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用到航空航天、國防裝備及能源開發(fā)等領(lǐng)域，并推動了相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展[1]。隨著各個工業(yè)領(lǐng)域所需的復合材料構(gòu)件的大型化、復雜化需求的不斷提升，針對復合材料自動鋪放成型機的研究成為了當下研究的熱點課題[2-3]。復合材料自動鋪放成型機具有自動化程度高和鋪放效率高等諸多優(yōu)點，其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用極大地提升了產(chǎn)品的質(zhì)量。但是，受到復合材料纖維絲/帶尺寸及芯模表面的復雜曲率等因素的影響，對于曲率復雜的復合材料構(gòu)件的制造還存在一定困難[4-5]。研發(fā)具有多自由度、自動化系統(tǒng)的復合材料自動鋪放成型機已成為當下亟待解決的問題，這對于提升我國在復合材料制造領(lǐng)域的水平具有重要意義。針對復合材料自動鋪放成型機的研發(fā)，國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的科研人員在進行不斷地嘗試與創(chuàng)新。國外在上世紀60 年代開始實現(xiàn)了從人工輔助鋪放到自動鋪放的轉(zhuǎn)型。到了上世紀90年代，歐美發(fā)達國家的自動鋪放技術(shù)在設(shè)備、軟件研發(fā)、鋪放工藝及行業(yè)標準等方面都得到了快速發(fā)展[6-7]。相較國外而言，我國針對自動鋪放成型技術(shù)的研究在20 世紀90 年代才開始。我國目前所研發(fā)的復合材料自動鋪放成型設(shè)備商業(yè)化應(yīng)用比例較低，但是已逐步走向成熟[8-9]。例如：南京航空航天大學、浙江大學、哈爾濱工業(yè)大學和西安交通大學等單位是目前研究自動鋪絲技術(shù)的主要科研單位。南京航空航天大學自2000 年就開始了自動鋪絲設(shè)備的研制及相關(guān)技術(shù)的研究，并于2005 年完成了國內(nèi)首臺自動鋪絲原理樣機和CAD/CAM 軟件原型的研制。西安交通大學參與研制的紗架與鋪絲頭一體式鋪絲機，一體式鋪絲頭可適用于龍門式鋪放設(shè)備和機器人式鋪絲機，作業(yè)時具有穩(wěn)定性好、工作效率高等優(yōu)點。哈爾濱工業(yè)大學富宏亞教授課題組于2000 年成功研制了六軸聯(lián)動數(shù)控纏繞機，纏繞機的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)達到該領(lǐng)域的國際水平，這也標志著我國在復合材料纏繞技術(shù)領(lǐng)域的研究取得巨大進展[10]。

本文針對鋪放機進行系統(tǒng)的功能分析，根據(jù)各個機構(gòu)的功能需求進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。機械臂的設(shè)計滿足6 自由度鋪放需求，鋪放頭的設(shè)計包括剪切夾緊機構(gòu)設(shè)計、重送機構(gòu)設(shè)計、加熱機構(gòu)設(shè)計、壓緊機構(gòu)設(shè)計和導紗系統(tǒng)設(shè)計，根據(jù)所設(shè)計的鋪放設(shè)備闡述鋪放頭的工作原理。利用SolidWorks 軟件建立自動纖維鋪放成型機的三維模型，基于自動纖維鋪放成型機的三維模型，用ABAQUS 軟件對自動鋪放頭進行靜力學分析及模態(tài)分析，判斷設(shè)計方案的合理性。利用SolidWorks motion 對本文設(shè)計的6 自由度自動纖維鋪放成型機進行運動學仿真，得到其運動軌跡和鋪放頭與機械臂連接處的速度及加速度變化曲線圖，分析仿真結(jié)果，驗證6 自由度纖維鋪放成型機設(shè)計的合理性。

1 6 自由度自動纖維鋪放成型機功能分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 自動纖維鋪放成型機的功能分析

本文研究的6 自由度自動纖維鋪放成型機，鋪絲頭和機械臂是分離的，機械臂起承載運動的功能。基于自動鋪放機的功能需要，確定選擇庫卡公司的KR240 R3330 型號工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)為標準，作為本文6 自由度自動纖維鋪放成型機運動仿真所需試驗數(shù)據(jù)。圖1 為本文研究6 自由度機械臂的構(gòu)成形式。表1 所示為KR240 R3330 型號工業(yè)機器人的主要參數(shù)。

圖1 用于纖維鋪放的機械臂本體

表1 工業(yè)機器人KR240 R3330 主要技術(shù)參數(shù)

鋪放頭主要包含導紗機構(gòu)、襯紙回收機構(gòu)、夾緊機構(gòu)、重送機構(gòu)、加熱機構(gòu)、剪切機構(gòu)和壓緊機構(gòu)等。與紗架系統(tǒng)外置的鋪放設(shè)備不同，在紗架一體式鋪放頭中，復合材料纖維在鋪放頭中完成導紗、剪裁、加熱、加壓、剪切、鋪放和回收襯紙等完整的鋪放動作。由圖2 中可以看出，在進行纖維鋪放作業(yè)時，纖維絲束經(jīng)過鋪放頭中的各個機構(gòu)到達壓輥處，通過壓緊機構(gòu)鋪放到芯模表面，并與其緊密貼合。所以，鋪放頭結(jié)構(gòu)的緊湊性、協(xié)調(diào)性及精準性成為影響鋪放質(zhì)量的重要因素。

圖2 自動鋪放頭的工作原理示意圖

1.2 自動纖維鋪放頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 導紗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

導紗系統(tǒng)應(yīng)該以結(jié)構(gòu)緊湊、絲束路徑簡捷、張力控制精準為目標，進行一體化設(shè)計。圖3 為導紗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。纖維絲束由紗架軸導出后，經(jīng)過紗架軸附近的導向軸作用，傳遞至與法蘭盤相連的連接板導向槽，纖維絲束通過導向槽進入楔形體內(nèi)的絲束通道，經(jīng)過重送機構(gòu)、夾剪機構(gòu)和加熱機構(gòu)，最后到達壓輥處。

圖3 導紗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

紗架軸由電機控制，進而控制纖維絲束料卷的放出。導紗系統(tǒng)設(shè)定的鋪放速度為10 m/min，鋪放絲束數(shù)目為4 束，纖維絲束張力為10～40 N。當設(shè)定纖維絲束最大張力為40 N 時，纖維絲束料卷最大半徑為120 mm 時，此時需要電機具有最大轉(zhuǎn)矩：

為滿足紗架軸機構(gòu)的放料要求，電機選擇華大邁信的型號為110SG-M06020的伺服電機，其額定轉(zhuǎn)矩為6 N·m，額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min。

襯紙回收機構(gòu)由電機直接控制進行襯紙的主動回收。為保證襯紙順利回收并對鋪放系統(tǒng)的纖維傳導不造成傷害，選擇型號為130LYX02的力矩電機。襯紙回收機構(gòu)所承受負載來自于纖維絲束與薄膜分離時所產(chǎn)生的拉力，該拉力小于0.5 N。當回收軸半徑由開始的R1=35 mm 達到最大R2=120 mm 時，力矩電機輸出最大扭矩為Tmax=F×R回max=0.06 N·m，力矩電機初始轉(zhuǎn)速N始=V/2πR1=45 r/min，力矩電機最終轉(zhuǎn)速N終=V/2πR2=13 r/min。通過計算分析可知該力矩電機本能夠提供穩(wěn)定的輸出扭矩，并且力矩電機可以在高負載、轉(zhuǎn)子無法轉(zhuǎn)動狀態(tài)下繼續(xù)運行，且不會對電機本身造成損壞。

1.2.2 夾剪機構(gòu)設(shè)計

所設(shè)計的夾剪裝置如圖4 所示，包括剪切刀、夾緊塊、連接桿、彈簧和驅(qū)動氣缸。夾緊塊和剪切刀為一體裝配成型整體結(jié)構(gòu)，整個夾剪機構(gòu)僅需要一個驅(qū)動氣缸即可實現(xiàn)對兩者的共同控制。

圖4 夾剪裝置結(jié)構(gòu)圖

氣缸是夾剪機構(gòu)工作的動力源，雙作用氣缸的理論推力由缸徑和工作壓力的大小共同決定。常見的T300 碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸絲束所需剪切力約為10.6 N，根據(jù)需求，初步選擇FESTO的ADN-12-15-A-P-A 型號氣缸，其缸徑D=12 mm，行程L=15 mm。當工作壓力為P=0.6 MPa 時，氣缸的最大理論推力為：

1.2.3 重送機構(gòu)設(shè)計

重送機構(gòu)中重送軸凸起部分與楔形體上的絲束通道寬度相契合，這樣能夠與重送輪更好地完成重送作業(yè)。重送軸位于楔形體內(nèi)，由伺服電機進行控制，重送輪位于重送軸對側(cè)，其伸縮運動由驅(qū)動氣缸進行控制，重送輪為從動機構(gòu)。圖5 為重送裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖5 重送裝置結(jié)構(gòu)圖

當重送機構(gòu)工作時，此時的紗架軸停止轉(zhuǎn)動，纖維絲束依靠摩擦力的作用向前運動。紗架軸通過伺服電機來實現(xiàn)放卷的張力控制，當伺服電機轉(zhuǎn)軸從動的情況下其阻力扭矩約為0.037 5 N·m，所以紗架軸所提供的重送阻力為：

在實際工作中，纖維絲束與絲束通道之間存在摩擦，所以實際的重送阻力高于1 N，因此當工作效率為η=2 時，實際重送阻力為2 N。在室溫為23 ℃情況下，碳纖維/環(huán)氧樹脂纖維絲束與重送軸之間的摩擦系數(shù)為0.28。重送輪作為從動輪在提供壓力的同時，纖維絲束與重送輪之間的靜摩擦力讓其自由轉(zhuǎn)動。在理想狀態(tài)下，定摩擦系數(shù)為μ=0.150，所以需要重送輪的驅(qū)動氣缸提供的壓力約13.5 N。上文所選用的夾剪機構(gòu)的氣缸完全符合驅(qū)動要求。受鋪放頭空間結(jié)構(gòu)的影響，重送軸電機在滿足2 路絲束重送的要求下，具有緊湊特點的電機成為首選。重送機構(gòu)選用華大公司生產(chǎn)的60SG-M00630 型號電機，額定轉(zhuǎn)矩為0.637 N·m，滿足重送需求。

1.2.4 加熱機構(gòu)設(shè)計

纖維絲束被加熱后具有一定的粘性，能夠粘附于芯模構(gòu)件表面，冷卻后形成復合材料構(gòu)件。本文選擇紅外線加熱器為加熱源，保護罩為具有五面的長方體結(jié)構(gòu)，在保護加熱燈管不受損害的同時使熱量朝向纖維絲束，使纖維絲束受熱面積集中。如圖6 所示為加熱機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。

圖6 加熱機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

1.2.5 壓緊機構(gòu)設(shè)計

纖維鋪放機預實現(xiàn)4 路纖維絲束的同時鋪放，絲束寬度為6.35 mm，壓輥為單個滾輪，同時對所有纖維絲束進行壓實。實際操作中，纖維絲束之間會存在一定間隙，所以設(shè)計壓輥的寬度為26 mm，壓輥直徑為60 mm。圖7 為壓緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。纖維絲束由紗架軸導出，通過加熱機構(gòu)加熱后再由導紗系統(tǒng)傳至芯模表面，此時壓輥在驅(qū)動氣缸的作用下把纖維絲束壓實在芯模表面。

圖7 壓緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

設(shè)鋪放過程為理想狀態(tài)，故芯模的中心與壓實系統(tǒng)在同一直線上，所以壓實系統(tǒng)給芯模的壓力與驅(qū)動氣缸所提供的總推力相等，即F推=F壓。本文設(shè)定鋪放壓力為100～700 N，在選擇氣缸時需要留有余量，所以氣缸推力F推=1 000 N，本文以4 個氣缸為壓緊機構(gòu)驅(qū)動源，則每個氣缸的推力為250 N。因此選擇型號為MDBL32-100的SMC 氣缸，該氣缸使用壓力P=0.4 MPa，推出時受壓面積S1=804 mm2，回收時受壓面積S2=691 mm2，則推出時理論輸出力Fout=P×S1=321.6 N，回收時理論輸出力Fin=P×S2=276.4 N。通過計算可知，4 個氣缸共同輸出力為Fmax=1 286.4 N，故Fmax＞F推，所以該氣缸滿足要求。

1.2.6 6 自由度自動纖維鋪放成型機整體結(jié)構(gòu)圖

6 自由度自動纖維鋪放成型機主要由機械臂和鋪放頭組成。上文針對鋪放頭中的夾剪、重送、加熱、壓緊等機構(gòu)分別進行了設(shè)計，建立了相應(yīng)機構(gòu)的三維模型，圖8 為裝配完成后的自動纖維鋪放頭。圖9 為6 自由度自動纖維鋪放成型機虛擬樣機。

圖8 鋪放頭工作原理圖

圖9 6 自由度自動纖維鋪放成型機虛擬樣機

2 自動纖維鋪放成型機結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 鋪放頭結(jié)構(gòu)靜力學分析

鋪放頭是鋪放成型機中的核心部件，纖維絲束在鋪放頭的作用下與芯模貼合，形成復合材料構(gòu)件。當鋪放機在工作時，壓緊機構(gòu)對加熱后的纖維絲束提供100～700 N的鋪放壓力，該壓力作用于鋪放頭壓輥處，其工作情況示意圖如圖10 所示。從圖中可以知道，當鋪放機處于靜態(tài)平衡狀態(tài)時，鋪放壓力反作用于壓緊機構(gòu)。

圖10 鋪放頭結(jié)構(gòu)受力示意圖

本節(jié)分析了兩種不同工況下鋪放頭的應(yīng)力、應(yīng)變情況，分別在鋪放頭壓輥處施加100 N、700 N的鋪放壓力。如圖11 所示為不同鋪放壓力情況下鋪放頭的應(yīng)力、應(yīng)變情況。

圖11 不同鋪放壓力情況下鋪放頭的應(yīng)力、應(yīng)變情況

對鋪放頭靜力分析的結(jié)果表明，鋪放頭受到700 N的壓力時，鋪放頭壓輥處所承受的應(yīng)力、應(yīng)變最大。根據(jù)2024 合金材料的屈服極限和強度極限可知，兩種工況下的鋪放頭所受的最大應(yīng)力均小于材料的屈服極限。因此，鋪放作業(yè)的精度可以得到保證。

2.2 鋪放頭結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

本節(jié)利用ABAQUS 軟件對鋪放頭結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，得到了鋪放頭的前四階固有頻率（如表2所示）及模態(tài)振型圖（如圖12 所示），為鋪放頭動力學仿真奠定了基礎(chǔ)。

表2 鋪放頭前四階固有頻率

從表2和圖12 中可以看出，鋪放頭的固有頻率及振型隨著各階振型的變化而不斷變化。鋪放頭裝配體的最大振幅主要集中于鋪放頭壓輥處，主要承受來自鋪放作業(yè)時的外部激振力頻率。因此在不改變鋪放頭自身結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，需要考慮避免鋪放頭內(nèi)部電機激振頻率及外部激振力的激振頻率，從而延長鋪放頭的使用壽命。

圖12 鋪放頭模態(tài)振型圖

3 自動纖維鋪放成型機運動仿真分析

基于SolidWorks Motion 對所設(shè)計的纖維鋪放成型機進行運動仿真分析。首先，對纖維鋪放成型機進行建模。其次，對各個零件之間的連接方式進行設(shè)置，并賦予虛擬樣機中各個零件材料及外觀。最后，對仿真結(jié)果進行后處理，繪制曲線圖和輸出運動仿真裝配圖。為了實現(xiàn)自動纖維鋪放成型機的鋪放動作，在鋪放機壓輥處添加了線性驅(qū)動，在芯模上添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。虛擬樣機運動仿真圖如圖13 所示。

圖13 虛擬樣機運動仿真裝配圖

在Motion 中提交作業(yè)，計算完成之后，得到了鋪放作業(yè)時壓輥在芯模構(gòu)件表面所行走的軌跡，如圖14 所示。

圖14 芯模表面的鋪放軌跡

6 自由度自動纖維鋪放成型機各個部分及零件無干涉狀況下，以鋪放作業(yè)時機械臂與鋪放頭連接處作為研究對象，得到其角位移、角速度及角加速度曲線圖，如圖15 所示。觀察其曲線的變化規(guī)律，能夠看出在一定參數(shù)下芯模的基本運動數(shù)據(jù)。

由圖15 可以看出，纖維鋪放成型機的運動分為兩個階段，即加速階段和減速階段。當t=7.5 s 時，鋪放機處于芯模中間位置時，角位移為0°，以中間位置為中線，左右角位移均為12°，所以鋪放機完成一次纖維鋪放作業(yè)走過的角度為24°，小于機械臂最大旋轉(zhuǎn)角度，符合鋪放要求。另外，根據(jù)其角速度變化曲線可知，當t=7.5 s 時，鋪放頭移動速度最快，速度值為13°/s。同時，加速度值最小。

圖15 鋪放頭與機械臂連接處運動狀況

通過對鋪放頭與機械臂連接處的速度和加速度的結(jié)果分析可知，機械臂帶動鋪放頭在一條水平線上做變速運動，由此可以掌握鋪放機實際工作中機械臂及鋪放頭速度變化規(guī)律，為其在鋪放作業(yè)時的初始位置和終止位置的姿態(tài)設(shè)計提供依據(jù)。另外，根據(jù)鋪放頭轉(zhuǎn)動的快慢可以調(diào)節(jié)鋪放頭內(nèi)各個機構(gòu)之間控制參數(shù)的設(shè)置提供依據(jù)，從而可以更高質(zhì)量地完成鋪放作業(yè)。

4 結(jié)語

（1）對6 自由度自動纖維鋪放成型機進行了設(shè)計。基于復合材料自動鋪放成型機運行原理，提出了6 自由度纖維鋪放成型機虛擬樣機的設(shè)計方案，利用SolidWorks 軟件建立了其虛擬樣機參數(shù)化模型，并對其結(jié)構(gòu)的組成及工作原理進行了分析。

（2）基于所設(shè)計的6 自由度自動纖維鋪放成型機進行有限元仿真分析。利用ABAQUS 軟件對鋪放頭進行有限元分析，得出了其最大形變范圍及所承受的最大應(yīng)力，還有其模態(tài)振型，驗證了所設(shè)計結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及可靠性，滿足了設(shè)計要求。

（3）基于所設(shè)計的6 自由度自動纖維鋪放成型機進行運動學仿真分析。利用SolidWorks Motion軟件對其進行剛體運動學仿真分析，通過對機構(gòu)的參數(shù)化設(shè)定，得到其運動規(guī)律曲線，分析其仿真結(jié)果，表明了所設(shè)計的6 自由度復合材料自動鋪放成型機的合理性。