韋躍峰，韓振宇，富宏亞，路 華，鄭玉權(quán)

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033)(2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001)

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基于CATIA二次開發(fā)的T形管纖維纏繞研究

韋躍峰1，韓振宇2，富宏亞2，路 華2，鄭玉權(quán)1

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033)(2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001)

本文提出了一種基于CATIA二次開發(fā)的T形管軌跡規(guī)劃方法，首先對過渡區(qū)域的纏繞，之后對主管與支管進(jìn)行纏繞。通過利用測地理論與非測地線理論針對T形管不同區(qū)域設(shè)計(jì)出不同的纏繞線型，完成整體纏繞。通過CATIA建模軟件建立T形管纖維纏繞機(jī)模型，并通過CATIA二次開發(fā)建立運(yùn)動仿真系統(tǒng)，完成了對纖維纏繞可行性的論證。相對于傳統(tǒng)的纏繞方法，此法方法對于其他異形件的纖維纏繞也有借鑒意義。

T形管；CATIA二次開發(fā)；纏繞仿真

1　引 言

纖維纏繞技術(shù)是加工纖維復(fù)合材料制品的重要技術(shù)之一，纏繞理論較為成熟。纖維纏繞制品可以大幅度減輕產(chǎn)品重量，提高結(jié)構(gòu)的抗蝕性能和抗疲勞強(qiáng)度等，提升產(chǎn)品綜合性能[1]。纖維纏繞技術(shù)廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、火箭、飛機(jī)、直升飛機(jī)重要結(jié)構(gòu)部件等航空航天領(lǐng)域，同時(shí)也用來生產(chǎn)運(yùn)輸管道、天然氣瓶、儲氣罐、體育用品等民用產(chǎn)品[2]。目前國內(nèi)大多數(shù)纖維纏繞技術(shù)是針對于軸對稱部件的，對于應(yīng)用空間越來越廣的非軸對稱部件的研究較少。

為了滿足非軸對稱部件的纏繞需求，本文針使用較多的T形管件進(jìn)行了纖維纏繞方面的研究，建立了六自由度專用纏繞機(jī)模型。基于對CATIA軟件的二次開發(fā)，設(shè)計(jì)了專用的纏繞線型，完成了軌跡規(guī)劃、后置處理和運(yùn)動仿真，證明了方法的可行性并為其他異形件的纏繞提供了參考。

2　纏繞軌跡規(guī)劃

2.1T形管的芯模形式

T形管是一種較為復(fù)雜的非軸對稱部件，由主管和支管構(gòu)成，如圖1所示。纏繞軌跡的規(guī)劃直接受到芯模的結(jié)構(gòu)影響，合理的芯模結(jié)構(gòu)不僅便于軌跡規(guī)劃的實(shí)施，也利于提升纏繞部件的質(zhì)量，如圖2所示。常見的T形管由兩個(gè)直徑相等的圓柱相貫而成，相交區(qū)域可以是球形過度或是光滑過度?？紤]到有光滑過度的T形管具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和較低的阻尼特性，本文采用此種T形管進(jìn)行相關(guān)研究。

2.2T形管纏繞線型設(shè)計(jì)

目前使用比較普遍的纏繞方法主要有參數(shù)化與網(wǎng)格化兩種[3]，這兩種方法都是以測地線或非測地線為理論基礎(chǔ)[4-5]。測地線方法使纖維纏繞變得較為簡單并且纏繞最為穩(wěn)定，但纏繞軌跡的固定使得纖維規(guī)劃確受到較大的限制，無法滿足異形件等纏繞需求；非測地線方法需要依據(jù)大量精確參數(shù)方程，雖然計(jì)算復(fù)雜，但是這種方法更具有靈活性，使得規(guī)劃的軌跡更加合理，可以滿足大部分非軸對稱和基本全部軸對稱件的纖維纏繞。

圖1　T形管三維模型

圖2　T形管平面圖

通過利用上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，在軌跡點(diǎn)計(jì)算過程中，同時(shí)采用測地線與非測地線兩種方法進(jìn)行分析，選取其中最優(yōu)解。本文充分利用CATIA軟件強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)建模、分析等功能，同時(shí)使用軟件提供的開發(fā)模塊進(jìn)行二次開發(fā)。通過創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)模塊繪制的T形管芯模，直接以芯模表面為分析對象計(jì)算軌跡點(diǎn)，由于模型已經(jīng)包含了我們所需要的所有信息，因此無需過多復(fù)雜的參數(shù)方程，也不需要對芯模表面進(jìn)行網(wǎng)格化。

大多數(shù)線型研究都是針對圓柱部分的，以過度部分為主要研究對象的資料較少。由于過渡部分的特殊性，只依靠主管與支管之間的過渡線實(shí)現(xiàn)完整覆蓋很困難。本文首先針對過渡區(qū)域進(jìn)行線型設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)過渡區(qū)域整體纏繞之后再對主管與支管進(jìn)行纏繞，從而達(dá)到T形管的整體纏繞。

2.3線型初始點(diǎn)的確定

纏繞軌跡可以被分解成若干軌跡，每條軌跡的起始點(diǎn)分別在主管的兩端或同在一端。在線型設(shè)計(jì)時(shí)首先規(guī)定每條軌跡的初始點(diǎn)，為了滿足過渡區(qū)域的纏繞完整性和均勻性，本文初始點(diǎn)按照圖3所示，進(jìn)行設(shè)定。過Z與X軸做平面與芯模相交于曲線AB， Pn點(diǎn)為軌跡線段的初始點(diǎn)，d為初始點(diǎn)間距，θ為初始纏繞角。P1點(diǎn)為支管端面輪廓線與AB的交點(diǎn)，選取此位置既有利于過渡區(qū)的布滿，又便于后期對支管的纏繞。

圖3　纏繞線型初始點(diǎn)

圖4　落紗點(diǎn)的確定

初始點(diǎn)及纏繞角度確定后，按照圖4所示，計(jì)算下一個(gè)落紗點(diǎn)。在芯模S1上取一落紗點(diǎn)Pn，過Pn作曲面在此點(diǎn)處的切平面St，Jf是下一落紗點(diǎn)的基準(zhǔn)向量，由Pn與Pn-1點(diǎn)連線在St上的投影產(chǎn)生。過Pn作曲面S1的法向量n，由芯模內(nèi)指向外部為正方向，指向相反則為負(fù)方向。將Jf繞點(diǎn)Pn沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動一個(gè)角度φ，此時(shí)可以得到一個(gè)新的方向，此方向即是出紗嘴的運(yùn)動方向。在此方向上取Ff點(diǎn)，兩點(diǎn)相距為步長l，將Ff點(diǎn)沿-n的方向投影在曲面上，投影點(diǎn)Pn+1為下一個(gè)落紗點(diǎn)。

在落紗點(diǎn)計(jì)算過程中，需要判斷在Pn+1處是否符合纏繞約束條件，若不符合要求，通過增加或減小φ角進(jìn)行重新計(jì)算。在滿足條件后，我們會獲得下一個(gè)落紗點(diǎn)可調(diào)整的角度范圍，計(jì)算點(diǎn)與上條軌跡在模型外表面投影的最短距離，當(dāng)距離滿足要求時(shí)計(jì)算下一落紗點(diǎn)。若不滿足，則需要更換纏繞線型。反復(fù)進(jìn)行這一過程，便可得到需要的一系列落紗點(diǎn)。將點(diǎn)依次連接便得到一條纏繞軌跡線段，再將所有軌跡線段按照先后順序連接便得到完整的纏繞軌跡。

所有的點(diǎn)的信息以及數(shù)據(jù)都通過CATIA開發(fā)平臺從模型上直接獲取，獲取數(shù)據(jù)方便快捷，極大簡化了計(jì)算過程，同時(shí)更為準(zhǔn)確和直觀。

2.4纏繞線型的確定

通過仿真驗(yàn)證，如圖5所示的4種纏繞線型可以滿足多數(shù)尺寸的此類T形管過渡區(qū)域的完整纏繞。線型1與線型2在支管上進(jìn)行過渡，線型3與線型4在主管兩端進(jìn)行過渡。為了控制線型的均勻性以及節(jié)省纖維材料，當(dāng)線型延伸出工件實(shí)際需要尺寸之外時(shí)，依據(jù)非測地線原理讓線型按統(tǒng)一纏繞角度進(jìn)行規(guī)劃，在最短的軌跡內(nèi)完成線型過渡。

圖5　纏繞線型

3　軌跡后置處理

3.1纏繞設(shè)備建模

傳統(tǒng)的纏繞機(jī)多采用懸臂式結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整懸臂的長度來改變出紗嘴位置。當(dāng)纏繞的部件較小時(shí)，懸臂較短，因此懸臂變形對纏繞質(zhì)量影響較??；當(dāng)纏繞的部件較大時(shí)，懸臂較長，此時(shí)在自身重力及纖維張力的作用下懸臂結(jié)構(gòu)變形較大，對纏繞精度產(chǎn)生較大影響。采用龍門式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以降低機(jī)床結(jié)構(gòu)變形，提高纏繞質(zhì)量。采用龍門式結(jié)構(gòu)可以有效的降低出紗嘴與芯模之間的干涉問題，便于出紗嘴位置的調(diào)整，運(yùn)動靈活性較大。

為了避免纖維材料多次旋轉(zhuǎn)對纏繞質(zhì)量產(chǎn)生影響，采用了兩軸回轉(zhuǎn)工作臺來調(diào)節(jié)芯模的姿態(tài)。主管與支管都是采用連續(xù)的回轉(zhuǎn)纏繞方式，避免了傳統(tǒng)擺動式纏繞所帶來的弊端，便于較大尺寸T形管的纏繞。針對上述所述，本文建立了T形管專用纏繞機(jī)模型，如圖6所示。纏繞機(jī)共有6個(gè)自由度：A、B、C 為3個(gè)移動副，D、E、F為3個(gè)轉(zhuǎn)動副。H代表的是纖維張力系統(tǒng)。

本文結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是針對干法纏繞，在進(jìn)行纖維纏繞時(shí)，通過調(diào)節(jié)A、B、C、D這4個(gè)運(yùn)動副，可以改變出紗嘴的位置；調(diào)節(jié)E、F這2個(gè)運(yùn)動副，可以改變芯模的姿態(tài)。通過兩者的協(xié)調(diào)配合，完成纖維纏繞運(yùn)動。

圖6　纏繞機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3.2數(shù)據(jù)后置處理

根據(jù)纏繞機(jī)結(jié)構(gòu)建立機(jī)床空間坐標(biāo)系，如圖7所示。首先建立纏繞機(jī)床基座坐標(biāo)系{O0}，將機(jī)床基座起始點(diǎn)規(guī)定為原點(diǎn)，令基坐標(biāo)系Z0軸、Y0軸、X0軸分別平行于纏繞機(jī)床的Z軸、Y軸、X軸，軸線之間的相互關(guān)系滿足右手定則。

圖7　機(jī)床空間坐標(biāo)系

連桿i坐標(biāo)系各軸的確定方法：Z軸Zi與關(guān)節(jié)軸i共線或是與連桿i的運(yùn)動方向平行，指向如空間坐標(biāo)所示；X軸Xi與連桿i和連桿i+1的公垂線重合，方向有關(guān)節(jié)i指向關(guān)節(jié)i+1；Y軸Yi由右手定則來確定。坐標(biāo)系i的原點(diǎn)Oi取在軸線Zi和Xi的交點(diǎn)上，若軸線Zi與Zi+1平行時(shí)，將坐標(biāo)原點(diǎn)取在di=0處，其中di為兩相鄰連桿之間的偏置。{O1}、{O2}、{O3}為三個(gè)移動坐標(biāo)系， {O4}、{O5}、{O6}為三個(gè)轉(zhuǎn)動坐標(biāo)系。因?yàn)檗D(zhuǎn)臺Z軸與T形管Z軸垂直相交，因此O5與O6重合，同理O3與O4重合。

根據(jù)纏繞機(jī)床設(shè)定的坐標(biāo)系，將相應(yīng)的連桿參數(shù)按照如下要求進(jìn)行定義：ai-1是從Zi-1到Zi沿Xi-1的測量距離；αi-1是從Zi-1到Zi繞軸Xi-1旋轉(zhuǎn)的角度；di是從Xi-1到Xi沿Zi的測量距離；θi為從Xi-1軸到Xi軸需要繞Zi軸旋轉(zhuǎn)的角度。

如圖8所示，L為T形管上一段纏繞軌跡，P1為軌跡上一個(gè)落紗點(diǎn)，Pn是對應(yīng)的出紗點(diǎn)，P1Pn長度為懸紗長。將P1Pn分別繞Y軸、X軸轉(zhuǎn)動，通過空間幾何變換，使線段P1Pn的方向向量垂直于絕對坐標(biāo)系的XOY平面。

將規(guī)劃好的軌跡點(diǎn)投影在T形管坐標(biāo)系XOZ平面上，如圖9所示。下面以T形管繞 Y軸轉(zhuǎn)動為例，進(jìn)行相關(guān)運(yùn)動說明。將線段P1Pn繞Y軸轉(zhuǎn)動，使投影在XOZ平面上的線段轉(zhuǎn)到P11Pn1的位置，平行于Z軸，可以計(jì)算出轉(zhuǎn)動角度θ3。按照相同的方法計(jì)算下一軌跡點(diǎn)，這樣就獲得了連續(xù)變化的轉(zhuǎn)動角度。

圖8　落紗點(diǎn)位姿變化

圖9　轉(zhuǎn)動角度計(jì)算

(1)

(2)

由龍門結(jié)構(gòu)推導(dǎo)出紗嘴位姿：

(3)

(4)

(5)

到此我們已經(jīng)求得了3個(gè)移動自由度需要的控制變量值d1、d2、d3。通過式1與式3中的第2列求取3個(gè)轉(zhuǎn)動自由度，求解公式如下：

(6)

進(jìn)一步計(jì)算結(jié)果為：

(7)

通過上式計(jì)算，每個(gè)轉(zhuǎn)角可以解出兩個(gè)數(shù)值，根據(jù)纏繞軌跡的纏繞方向來確定需要的解。經(jīng)過計(jì)算使出紗嘴的運(yùn)動方向與所求落紗點(diǎn)的方向向量方向相同，這樣就保證了纖維按照落紗點(diǎn)準(zhǔn)確的纏繞在T形管上。

4　纏繞仿真分析

基于上述纏繞理論及計(jì)算結(jié)果，在Visual C++ 2005開發(fā)平臺上，利用CAA工具對CATIA進(jìn)行二次開發(fā)[6-7]。實(shí)現(xiàn)了T形管的纏繞軌跡的自動規(guī)劃，對軌跡數(shù)據(jù)的后置處理，模擬T形管的纏繞過稱，如圖10所示。通過運(yùn)動仿真可以更加直觀地模擬纖維的纏繞過程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的問題，避免在實(shí)際纏繞時(shí)出現(xiàn)類似問題。采用此方法設(shè)計(jì)的纏繞線型纏繞結(jié)果如圖11所示，此時(shí)未對主管與支管進(jìn)行環(huán)繞纏繞。

圖10　纏繞仿真過程

圖11　纏繞仿真結(jié)果

5　結(jié) 語

本文通過CATIA軟件二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了T形管纖維纏繞的整體過程，包括前期的軌跡規(guī)劃，中期的軌跡后置處理以及后期的纏繞運(yùn)動仿真。

針對具體尺寸的T形管進(jìn)行了實(shí)際纏繞仿真驗(yàn)證，證明了纏繞理論的可行性與準(zhǔn)確性。此種研究方法同樣適用于其他結(jié)構(gòu)件的纏繞研究應(yīng)用，相比傳統(tǒng)方法可以更加有效地進(jìn)行纏繞線性規(guī)劃。由于前期軌跡規(guī)劃以過渡區(qū)域?yàn)橹?，因此后期要對主管與支管再次纏繞，導(dǎo)致局部的纖維層較厚，需要進(jìn)一步的解決。

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The Study on Planning Method for T Tube Based on Secondary Development of CATIA

WEI Yuefeng1,HAN Zhenyu2,FU Hongya2,LU Hua2,ZHENG Yuquan1

(1.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，the Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China)(2.Harbin Institute of Technology，Harbin 150001 )

This paper studies a new kind of trajectory planning method for the T tube winding by the secondary development of CATIA，first achieve coverage of the transition region then manage the main tube and branch tube.We design several winding patterns for the complete surface coverage based on the geodesic theory and the non-geodesic theory.A specialized filament winding machine was built with CATIA software .The correctness of the theory was proven by the simulation system developed by the secondary development of CATIA software.

T tube;secondary development of CATIA; motion simulation

2015-09-10)

韋躍峰(1989-)，男，吉林人，碩士，研究實(shí)習(xí)員。研究方向：從事光譜儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及復(fù)合材料力學(xué)性能測試方面研究。E-mail：wyflovezpp@126.com.

韓振宇(1978-)，男，山東淄博人，博士，副教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：纖維纏繞、自動鋪放。E-mail:hanzy@hit.edu.cn.