鄭亮昌，徐增豪，周 民

（1. 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2. 上海重型機(jī)床廠，上海 200245）

0 引言

由于復(fù)合材料制造出的構(gòu)件具有質(zhì)量輕、抗疲勞損傷性能好、按所需的強(qiáng)度剛度方向確定纖維取向和吸收雷達(dá)微波等一系列優(yōu)點，受到航空、航天工業(yè)的青睞。作為復(fù)合材料通用制造技術(shù)——復(fù)合材料纖維鋪放，不僅提高生產(chǎn)效率、降低成本，而且易于保證大型復(fù)合材料構(gòu)件的質(zhì)量。該技術(shù)國內(nèi)起步較晚，國外高性能多自由度數(shù)控鋪絲設(shè)備對我國實行限制。我國大飛機(jī)項目已立項，前期規(guī)劃復(fù)合材料用量為15%，隨著技術(shù)的發(fā)展和成熟，復(fù)合材料用量將進(jìn)一步擴(kuò)大，復(fù)合材料自動鋪放設(shè)備的研制迫在眉睫。

圖1 鋪絲機(jī)

1 鋪絲機(jī)機(jī)械系統(tǒng)構(gòu)成

鋪絲機(jī)機(jī)械系統(tǒng)是自動鋪放成型設(shè)備的重要組成部分，其構(gòu)成如圖1所示，該系統(tǒng)包括7個運動軸，主要運動有沿X、Y、Z軸的移動，伸臂上安裝機(jī)械手控制鋪絲頭，該機(jī)械手的運動為繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動。此外主軸箱的回轉(zhuǎn)運動用來控制芯模的轉(zhuǎn)角，芯模裝夾方式與車削工件類似采用一夾一頂。鋪絲機(jī)各軸及運動分配為:X軸——小車前后運動；Y軸——小車上下運動；Z軸——沿床身導(dǎo)軌的左右運動；A軸——旋轉(zhuǎn)軸，繞X軸的旋轉(zhuǎn)運動；B軸——偏航軸，繞Y軸的旋轉(zhuǎn)運動；C軸——俯仰軸，繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運動；C軸——主軸箱的回轉(zhuǎn)，繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運動。

2 鋪絲頭機(jī)械手設(shè)計

2.1 整體方案

圖2 鋪絲頭機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

鋪絲頭機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖2所示，可以實現(xiàn)三個回轉(zhuǎn)運動。為防止鋪絲機(jī)工作時，意外突然斷電，鋪絲頭位置發(fā)生變化，各軸都采用西門子1FT7伺服電機(jī)，且?guī)в袆x車和失電自動保護(hù)。鋪絲頭旋轉(zhuǎn)速度為30r/min，所需驅(qū)動力矩較大，一般伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，應(yīng)降速增扭。其中旋轉(zhuǎn)軸通過伺服電機(jī)驅(qū)動減速機(jī)，最后通過一對齒輪傳動，帶動鋪絲頭旋轉(zhuǎn)±90°；俯仰軸通過伺服電機(jī)驅(qū)動減速機(jī)，其輸出軸直接驅(qū)動C軸，實現(xiàn)鋪絲頭俯仰±30°。采用雙驅(qū)動左右對稱放置，有利于受力平衡，而且可以使結(jié)構(gòu)更緊湊；偏航軸通過伺服電機(jī)及減速機(jī)，最后通過一對齒輪傳動，實現(xiàn)鋪絲頭偏航±90°。

2.2 傳動方案分析

該機(jī)械手選用伺服電機(jī)專用精密行星減速機(jī)。其內(nèi)部齒輪表面經(jīng)過超精密衍磨，齒輪間配合更加優(yōu)化，摩擦阻力和振動更小，傳動效率可達(dá)98%。減速機(jī)為中間傳動環(huán)節(jié)，當(dāng)級數(shù)為3時,最大傳動比可達(dá)為512，完全滿足降速要求。對于高精度減速機(jī)其回程間隙大概為3角分，再加上最后一級齒輪傳動，為保證重復(fù)定位精度，如何減少傳動回差成為一個亟待解決的難題。

影響回差的主要因素有：1）規(guī)定的齒側(cè)間隙與切齒時的進(jìn)刀誤差；理論上一對齒輪在嚙合時應(yīng)該是無側(cè)隙的，實際上為了補(bǔ)償由于制造誤差、安裝誤差及溫度變化而引起的尺寸變化，以防止卡死，同時為了儲存潤滑油等需要，在輪齒非工作表面間必須規(guī)定一定的齒側(cè)間隙，此齒側(cè)間隙必然要引起回差；2）單個齒輪本身的制造誤差；3）傳動中心距誤差；4）軸的彈性變形。

2.3 消除回程誤差原理分析

傳動鏈的空回誤差主要是側(cè)隙引起的。減小空回誤差，可以提高齒輪的制造精度，但要制造沒有誤差的齒輪顯然是不可能的。目前，消除回程間隙的方法主要有：單電機(jī)驅(qū)動齒輪、單電機(jī)驅(qū)動雙齒輪和雙電機(jī)驅(qū)動雙齒輪。

2.3.1 單電機(jī)驅(qū)動齒輪

如圖3所示，采用伺服電機(jī)帶動減速機(jī)，減速后，再通過減速機(jī)輸出齒輪帶動主軸大齒輪轉(zhuǎn)動；同時，通過同步數(shù)據(jù)傳遞系統(tǒng)反饋主軸轉(zhuǎn)動數(shù)據(jù)，對電機(jī)輸出轉(zhuǎn)角進(jìn)行修正，以形成閉環(huán)負(fù)反饋，但是由于主要靠阻尼系統(tǒng)、控制系統(tǒng)補(bǔ)償來消除傳動鏈誤差和齒輪側(cè)隙，精度較低，故一般應(yīng)用在對回轉(zhuǎn)精度和重復(fù)定位精度要求不高的場合。

圖3 單電機(jī)驅(qū)動齒輪消隙原理圖

2.3.2 單電機(jī)驅(qū)動雙齒輪

圖4 單電機(jī)驅(qū)動雙齒輪消隙原理圖

如圖4所示，采用伺服電機(jī)驅(qū)動兩條傳動鏈的方式，經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)后，兩條傳動鏈的小齒輪分別和輸出軸大齒輪的兩個相反的嚙合面嚙合(在傳動系統(tǒng)裝調(diào)時實現(xiàn))。在系統(tǒng)裝配調(diào)整好后，輸出軸大齒輪的兩個相反的嚙合面時刻都有小齒輪對應(yīng)齒面與之相嚙合，因此大齒輪不能來回擺動，這就基本上消除了齒輪間隙所引起的空程誤差，提高了系統(tǒng)的傳動精度。由于這種消除齒輪間隙的方法主要是消除了傳動鏈的末級空程誤差，沒有消除傳動鏈的前級空程誤差，只能滿足中等傳動精度要求。

2.3.3 雙電機(jī)驅(qū)動雙齒輪

如圖5所示,采用兩個伺服電機(jī)帶動兩個相同減速機(jī)，經(jīng)減速后，兩條傳動鏈的小齒輪分別和輸出軸大齒輪嚙合面嚙合。其控制如圖6所示，M1，M2分別為電機(jī)1、2的輸出力矩。電機(jī)的輸出力矩和電樞電流成正比，所以控制電機(jī)力矩，實際上就是控制電機(jī)電流。對每個電機(jī)，輸入的電流指令是基本電流給定信號和差速反饋信號線性疊加之后的復(fù)合信號。當(dāng)電流為零時，由于預(yù)置偏置電流(力矩)的作用，兩伺服電機(jī)輸出力矩大小相等，方向相反，稱為偏置力矩。在該偏置力矩作用下，兩小齒輪齒面分別貼向大齒輪兩個相反齒面，因此大齒輪不能在齒隙內(nèi)來回游動。當(dāng)兩個

圖5 雙電機(jī)驅(qū)動雙齒輪消隙原理圖

圖6 雙電機(jī)驅(qū)動雙齒輪驅(qū)動力矩關(guān)系曲線

電機(jī)的給定電流同時同向增加，到達(dá)一定值以上，其中被反向偏置的一個伺服電機(jī)力矩方向變成和另一個伺服電機(jī)相同時，兩小齒輪貼向大齒輪的同一方向的嚙合面，共同拖動負(fù)載。需反向時，兩電機(jī)的力矩也按此特性變化。一個電機(jī)還在原轉(zhuǎn)動方向時，另一個電機(jī)提早改變力矩方向，使小齒輪貼向大齒輪的另一方向的嚙合面。此后，兩電機(jī)再回到零偏置力矩情況，這時提早反向的電機(jī)拖動負(fù)載向反向轉(zhuǎn)。由于兩小齒輪不是同時離開大齒輪的嚙合面，因而就沒有齒隙。該消除齒輪間隙的方法為電消隙，適用于高精度，重載荷場合。

該機(jī)械手執(zhí)行部分為鋪絲頭，為保證復(fù)合材料鋪放精度，偏航軸應(yīng)具有較高重復(fù)定位精度，而且該軸所需驅(qū)動扭矩大，故偏航軸傳動采用第三種方式——雙伺服電機(jī)雙齒輪傳動。

3 結(jié)論

生產(chǎn)用大型鋪絲機(jī)研制，我國尚處于起步階段，本文僅就鋪絲頭機(jī)械手做了分析，提出了一種鋪絲頭機(jī)械手設(shè)計方案。對于走絲及控制，還需深入研究。

[1] 肖軍,李勇,李建龍.自動鋪放技術(shù)在大型飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù),2008,1.

[2] 富宏亞,邵忠喜.七自由度纖維鋪絲樣機(jī)研制[J].航空制造技術(shù).2010,17.

[3] 徐峰,李慶祥.精密機(jī)械設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[4] 賴天華.高精度伺服傳動系統(tǒng)的設(shè)計與實踐——雙電機(jī)驅(qū)動的伺服傳動系統(tǒng)的設(shè)計與探討[J].電子機(jī)械工程,1996:4-5.

[5] Richard Moon,Koksiong Lim.Current Progress on Integrated Design and Analysis Tools for Fiber Steered Composites.American Institute of Aeronautics and Astronautics.2002:1-3.

[6] 林勝.自動鋪帶機(jī)/鋪絲機(jī)(ATL/AFP)－現(xiàn)代大型飛機(jī)制造的關(guān)鍵設(shè)備(上),(中),(下)[J].VMEM,4-7.