（南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 210016）

經(jīng)過40多年的不斷發(fā)展與完善，自動鋪帶設(shè)備和技術(shù)在美國和歐洲已經(jīng)成熟，并大規(guī)模應(yīng)用于復(fù)合材料構(gòu)件的制造[1]，如F-22機(jī)翼，C-17水平安定翼面，波音777和空客A340飛機(jī)尾翼、水平和垂直安定面蒙皮，A380的安定面蒙皮和中央翼盒等[2-3]。其中自動鋪帶機(jī)是自動鋪帶成型技術(shù)的關(guān)鍵，它集預(yù)浸帶剪裁、定位、鋪疊、壓實等功能于一體，其鋪帶頭按照一定的運動軌跡，在壓輥的作用下將預(yù)浸帶鋪敷于模具表面[4]。自動鋪帶與其他復(fù)合材料成型工藝相比，具有可有效減少勞動力、廢料率，提高產(chǎn)品質(zhì)量、可重復(fù)率、準(zhǔn)確率和生產(chǎn)效率等方面的優(yōu)點[5]。自動鋪帶可分為“一步法”和“兩步法”兩種工作方式：一步法是指預(yù)浸帶的切割和鋪疊在同一鋪帶頭上完成；兩步法是指預(yù)浸帶切割和鋪疊分開進(jìn)行，即不在同一頭上完成[6]。然而，考慮到預(yù)浸帶的某些邊界形狀難以用一把切刀切割完成以及其鋪放難以實現(xiàn)等因素，為進(jìn)一步提高鋪放過程的自動化程度，減少鋪放過程暫停的可能性，“兩步法”鋪帶方式可有效地解決上述難題。

“兩步法”自動鋪帶技術(shù)最早由美國和日本發(fā)明[7-8]，法國Forest-line公司最先開發(fā)了“兩步法”自動鋪帶設(shè)備。該公司“兩步法”自動鋪帶設(shè)備由ACCESS（Advanced Composite Cassette Edit/Shear System）系統(tǒng)和ATLAS（Automatic Tape Laying System）系統(tǒng)兩部分構(gòu)成[9]。為解決一把切刀無法實現(xiàn)的某些邊界形狀的問題，ACCESS采用雙超聲切刀切割剪裁預(yù)浸帶，實現(xiàn)按照鋪放軌跡對預(yù)浸帶的預(yù)切割和重新復(fù)卷功能；ATLAS實現(xiàn)對切割、復(fù)卷好的預(yù)浸帶的鋪放過程，其“兩步法”鋪帶技術(shù)流程圖如圖1所示。

目前，國內(nèi) “兩步法”鋪帶的研究尚處于起步階段。與“一步法”鋪帶相比，由于“兩步法”采用了“先切后鋪”，下料和鋪放分離的預(yù)浸料成型方式，它所制造的零件嚴(yán)格遵守最佳優(yōu)化設(shè)計方式，不多切也不少切料片；鋪放構(gòu)件中需要局部加強(qiáng)的部分可在主鋪帶工序中同步完成；廢料重量可從重量的10%減少到5%；一臺預(yù)浸帶剪裁下料機(jī)可供多臺鋪帶機(jī)同時使用[10]，生產(chǎn)效率大大提高。“兩步法”鋪帶技術(shù)已成為預(yù)浸帶鋪放成型技術(shù)發(fā)展的重要方向。本文主要針對下料機(jī)雙切刀切割試驗平臺的搭建和基于軌跡文件和模具邊界點文件的切割信息的生成進(jìn)行研究。

圖1 法國Forest-line公司“兩步法”鋪帶技術(shù)流程圖Fig.1 Flow chart of Forest-line two-step automated tape laying

圖2 預(yù)浸帶切割剪裁系統(tǒng)工作原理Fig.2 Principle of prepreg cutting platform

圖3 不同類型的鋪放邊界Fig.3 Different types of laying boundary

1 雙切刀切割平臺的設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

“兩步法”鋪帶的預(yù)浸帶切割剪裁系統(tǒng)原理及其工作過程如圖2所示。

預(yù)浸帶經(jīng)放帶軸放出，由于預(yù)浸帶兩面分別有隔離膜和背襯紙保護(hù) ，經(jīng)收膜后，雙超聲切刀依據(jù)鋪放軌跡和模具邊界生成的切割文件，對預(yù)浸帶進(jìn)行切割[11]。把多余的廢料剔除后，重新對切割后的預(yù)浸帶覆膜和覆紙后進(jìn)行收卷，以備后續(xù)鋪帶機(jī)直接鋪放使用。

預(yù)浸帶的切割、剪裁采用雙超聲切刀的方式，是保證預(yù)浸帶在不回溯（即放帶軸不回轉(zhuǎn)）的情況下切出帶料邊界有變化的形狀，如圖3所示。

由于帶料沒有回溯，鋪帶的帶料運動是一個單項的連續(xù)過程[12]。圖3邊界1可以通過一把切刀改變一次切割方向?qū)崿F(xiàn)；而邊界2無法在帶料不回溯的情況下用一把切刀完成切割。所以在預(yù)浸帶切割剪裁系統(tǒng)中采用雙切刀切割模式。

1.2 總體設(shè)計

在南京航空航天大學(xué)復(fù)合材料工程自動化技術(shù)研究中心現(xiàn)有預(yù)浸帶分切機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，利用其現(xiàn)有運動軸，在其上進(jìn)行預(yù)浸帶雙刀切割平臺的搭建。

1.2.1 放帶軸和收帶軸的設(shè)計和控制

放帶軸安裝有糾偏控制機(jī)構(gòu)。當(dāng)預(yù)浸帶的傳送偏離預(yù)定送帶軌跡時，糾偏控制機(jī)構(gòu)及時對預(yù)浸帶的傳送作出糾正。寬幅預(yù)浸帶經(jīng)放帶軸送出，在預(yù)浸帶切割平臺上切割后，由收帶軸將其重新收卷。放帶軸和收帶軸需要根據(jù)鋪放的每條軌跡的長短和邊界切割形狀對預(yù)浸帶進(jìn)行精確定位，并保證切割前后的帶料時刻處于張緊狀態(tài)，故采用伺服電機(jī)編碼器精確閉環(huán)控制放帶軸和收帶軸的運動。

1.2.2 收（覆）膜、收（覆）紙軸的設(shè)計和控制

收膜是保證預(yù)浸帶順利的切割，收紙是為切割廢料的剔除提供條件。覆膜和覆紙是為切割和廢料剔除后的預(yù)浸帶提供保護(hù)，為下一步的鋪放提供基礎(chǔ)。為此，收（覆）膜、收（覆）紙4軸均由力矩電機(jī)控制。力矩電機(jī)為上述4軸提供一個與預(yù)浸帶運動方向相反的反向恒定力矩，保證隔離膜和背襯紙在時刻張緊的狀態(tài)下實現(xiàn)自身功能。力矩電機(jī)的輸出力矩由磁粉離合器控制其大小。

1.2.3 雙切刀切割平臺的設(shè)計和控制

為滿足預(yù)浸帶切割要求，預(yù)浸帶雙切刀切割試驗平臺設(shè)計原理圖如圖4所示。

圖4 雙切刀切割試驗平臺原理Fig.4 Principle of cutting platform with double cutters

雙刀切割平臺主要由6個部分構(gòu)成，其中1為切刀安裝板和切割平臺，2為滾珠絲杠導(dǎo)軌和滑塊，3為切刀進(jìn)給電機(jī)，4為切刀下壓氣缸，5為切刀旋轉(zhuǎn)電機(jī)，6為超聲切刀。預(yù)浸帶的切割在平臺上進(jìn)行；切刀的進(jìn)給電機(jī)驅(qū)動絲杠的轉(zhuǎn)動，驅(qū)動安裝在絲杠導(dǎo)軌滑塊上的切刀運動，其運動方向V始終與預(yù)浸帶傳送方向U垂直。切刀下壓氣缸通過氣路的通斷實現(xiàn)切割時切刀的壓下動作和切割完畢時切刀的抬起動作。氣缸的運動行程由旋轉(zhuǎn)微分頭控制調(diào)節(jié)，由于預(yù)浸料厚度為0.125mm，微分頭最小刻度0.01mm，即定位精度0.01mm，保證在不傷害背襯紙的前提下切斷預(yù)浸帶。旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過皮帶輪實現(xiàn)切刀沿軸向轉(zhuǎn)動以滿足切割角度的變化，以保證切割預(yù)浸帶時，切刀刀刃方向始終沿切割方向。超聲切刀是利用超聲換能器，將電能信號轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動信號，通過變幅桿放大機(jī)械振動的位移或速度，給變幅桿前端的切刀頭附加機(jī)械能，利用附加機(jī)械能作用切斷纖維[13]。

超聲切刀的直線進(jìn)給和軸向轉(zhuǎn)動均由步進(jìn)電機(jī)控制運動，精確定位切刀的進(jìn)給量和旋轉(zhuǎn)角度以保證切割的準(zhǔn)確性。雙切刀平臺存在兩個進(jìn)給電機(jī)、兩個旋轉(zhuǎn)電機(jī)。為此，切割如圖3中所示，不與預(yù)浸帶傳送方向垂直的預(yù)浸帶邊界時，旋轉(zhuǎn)電機(jī)將切刀旋轉(zhuǎn)到切割角度后，由放帶軸放料和切刀進(jìn)給軸的差補(bǔ)運動實現(xiàn)。

1.3 雙切刀切割平臺的搭建

根據(jù)上述的原理和思路，現(xiàn)將雙刀切割平臺搭建如圖5所示，進(jìn)行雙刀切割典型邊界試驗。

2 切刀運動軌跡規(guī)劃算法

根據(jù)現(xiàn)有基于AutoCAD環(huán)境，南京航空航天大學(xué)自主開發(fā)的具有代碼生成和自動鋪帶仿真的自動編程軟件[14]，生成鋪放軌跡文件和邊界點文件。

軌跡文件中存放的是所鋪放軌跡點的身份信息。包含軌跡編號，該軌跡編號上的全部軌跡點，所有軌跡點位于寬度為w的預(yù)浸帶的中點，即w/2處，軌跡點編號從0開始；還包括所有軌跡點的笛卡爾坐標(biāo)X、Y、Z的值，以及該點法向量笛卡爾坐標(biāo)X、Y、Z的值。

邊界點文件中存放的是模具邊界的信息。將模具邊界以一定間距離散成點，從鋪放起點開始，以順時針排列的方式，將這些點的笛卡爾坐標(biāo)X、Y、Z的值存儲到邊界文件。

圖5 雙刀切割試驗平臺Fig.5 Cutting platform with double cutters

采用“兩步法”鋪帶，對于預(yù)浸帶切割系統(tǒng)，需要對軌跡文件和邊界點文件進(jìn)行后處理，加入切刀運動的控制信息，生成機(jī)床運動的NC代碼?，F(xiàn)討論切刀運動控制信息的生成。

2.1 切刀運動的軌跡算法

2.1.1 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

現(xiàn)有的自動鋪帶軌跡規(guī)劃軟件CAD模塊生成的軌跡文件和邊界點文件都是建立在工件坐標(biāo)系之上的，這樣的坐標(biāo)信息給切刀軌跡規(guī)劃的運算帶來了困難。故需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，把工件坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到鋪放軌跡點的局部坐標(biāo)系上來。工件坐標(biāo)左乘一個轉(zhuǎn)換矩陣得到局部坐標(biāo)：式中，[XYZ]T經(jīng)旋轉(zhuǎn)矩陣Q3×3旋轉(zhuǎn)，平移矩陣 [αxαyαz]T平移變換后，得到矩陣[UVW]T。X、Y、Z為笛卡爾坐標(biāo)，U、V、W為局部坐標(biāo)，其中U的方向為帶料的運動方向，V的方向為垂直于U的切刀進(jìn)給方向，W的方向為的方向，如圖6所示。

2.1.2 關(guān)鍵切割點

經(jīng)點離散后的模具邊界必定存在與軌跡n起始點“Trajstart”、最近的邊界點“pnear”，如圖7所示。從與“pnear”相鄰的邊界點開始依次向鋪放軌跡做投影“pneary”，直到找到第一個大于半帶寬w/2的邊界點“pstart”和“pend”為止，計算得到距“Trajstart”半帶寬w/2的帶料邊緣切割點“Edge0”和“Edge1”。

“Edge0”和“Edge1”之間所夾的所有邊界點都是關(guān)鍵切割點。同理，軌跡n的終止點“Trajend”與模具邊界的交點“Edge0'”和“Edge1'”也通過上述方法獲得。

2.1.3 切刀分配

圖6 局部坐標(biāo)示意圖Fig.6 Sketch of local coordinate

在得到軌跡n的關(guān)鍵切割點信息之后，可通過判斷“Edge0”（Edge0'）到“Edge1”（Edge1'）中間所有相鄰邊界點沿帶料運動方向U坐標(biāo)差值變化次數(shù)，即由正變負(fù)或由負(fù)變正記1次，不變化不計，由此確定切割w寬的預(yù)浸帶的切刀分配方式。如圖8所示的示意邊界，從“Edge0”開始，“Edge0”到1點沿帶料運動方向U坐標(biāo)增大，計UEdge01為正；同理U12為正，沒變化，故變化次數(shù)計0。U23、U3Edge1均為正，變化次數(shù)均計為0。由此得到某條軌跡邊界點U坐標(biāo)差值累計變化次數(shù)，根據(jù)表1所示的切刀分配方式進(jìn)行切割。

2.1.4 切割點信息的植入

分別把用切刀1和切刀2切割的切割點的坐標(biāo)信息加入到軌跡編號n的軌跡文件的最后，這些切割關(guān)鍵點信息不僅包含了點的坐標(biāo)信息，還包括切刀旋轉(zhuǎn)角度、進(jìn)給量和抬起、壓下動作信息，為下一步的切割提供基礎(chǔ)。

2.2 機(jī)床運動代碼的生成

植入切割信息的軌跡文件經(jīng)現(xiàn)有的自動鋪帶CAM模塊，生成雙刀切割的機(jī)床NC代碼。

圖7 鋪放軌跡與模具邊界示意圖Fig.7 Sketch of laying trajectory and mould boundary

圖8 軌跡邊界示意圖Fig.8 Boundary diagram of the trajectory

表1 雙切刀分配方式

3 試驗驗證

根據(jù)已設(shè)計好的雙刀切割試驗平臺（圖5），完成實物和控制系統(tǒng)的搭建后，進(jìn)行預(yù)浸帶的雙刀切割試驗，探究雙刀切割試驗平臺存在的問題。

3.1 試驗條件

本試驗以滿足最終的預(yù)浸帶切割剪裁系統(tǒng)要求為背景，對典型的切割方向改變一次的邊界形狀，在放帶軸不回溯情況下進(jìn)行雙刀切割試驗，并對試驗結(jié)果進(jìn)行分析。

根據(jù)對“一步法”鋪帶研究的基礎(chǔ)，試驗中預(yù)浸帶超聲切割切刀振動頻率采用40kHz，試驗材料采用的是T300碳纖維增強(qiáng)型樹脂基復(fù)合材料，其含膠量為33%。

3.2 雙刀切割試驗與分析

3.2.1 雙刀切割試驗

在搭建好的雙刀切割平臺上，針對典型的切割方向改變一次的邊界形狀進(jìn)行切割試驗，試驗結(jié)果如圖9所示。

切刀1相對于切刀2更靠近放帶軸，故切割“＞”形邊界時，切刀1旋轉(zhuǎn)到一定角度后，在圖9（a）所示的圓圈處壓下，與放帶軸差補(bǔ)運動切割“”形邊界。切刀1切割結(jié)束后抬起，放帶軸將預(yù)浸帶向前送至切刀2處，切刀2旋轉(zhuǎn)到一定角度后，同樣也在圖9（a）所示的圓圈處先壓下，與放帶軸差補(bǔ)完成“/”形邊界的切割。

“＜”形邊界的切割起點不同于“＞”形邊界?！埃肌毙芜吔绲膬砂亚械兜那懈钇瘘c分別是圖9（b）中所示的點1和點3 。切刀1在放帶軸持續(xù)放帶下，由點1下壓切割至點2后抬起，切刀2從點3處下壓切割至點2結(jié)束。

3.2.2 試驗誤差分析

為保證試驗順利進(jìn)行以及對可能存在的問題的探究，本試驗送帶速度U為500mm/s，雙切刀切割速度V均為10mm/s。預(yù)浸帶的雙刀切割試驗平臺在對預(yù)浸帶切割過程中，定位精度等一系列的因素，導(dǎo)致試驗結(jié)果產(chǎn)生瑕疵等問題。如圖10（a）所示的送帶軸精度誤差，由于送帶速度U由電機(jī)轉(zhuǎn)速與帶料半徑的乘積決定。在放料過程中，帶料半徑逐漸減小，單位時間內(nèi)放出來的帶料長度逐漸增加，故出現(xiàn)切刀1在完成切割后，送帶U放出的帶料會超過切刀2所在位置的情況。圖10（b）所示的切刀橫向進(jìn)給精度誤差，是由于電機(jī)參數(shù)不精確、絲杠導(dǎo)軌不精準(zhǔn)以及帶料傳輸過程中的偏移等綜合因素影響導(dǎo)致的。這兩種誤差均可導(dǎo)致在切割“＞”形邊界時，出現(xiàn)兩把刀切割起點不重合的現(xiàn)象。

圖9 典型邊界的切割Fig.9 Cutting of typical boundaries

圖10 定位誤差下的切割效果Fig.10 Cutting effect with positioning error

由于送帶軸精度誤差和切刀進(jìn)給軸精度誤差的存在，同樣也在切割“＜”形邊界時，出現(xiàn)雙切刀切割終點不重合的現(xiàn)象。這種誤差的消除，可通過多次試驗，調(diào)整電機(jī)控制參數(shù)設(shè)置將誤差控制在合理范圍內(nèi)，從而達(dá)到理想的切割效果。

4 結(jié)論

基于“兩步法”鋪帶預(yù)浸帶切割剪裁系統(tǒng)的要求，研究雙刀切割技術(shù)，設(shè)計雙刀切割試驗平臺，根據(jù)自動鋪帶CAD技術(shù)，對鋪放軌跡文件進(jìn)行后處理，植入雙刀切割信息。試驗探究典型邊界雙刀切割存在的問題并進(jìn)行誤差分析。

試驗結(jié)果表明，雙刀切割試驗平臺在放帶軸不回溯的前提下，可實現(xiàn)對典型 “＞”和“＜”形邊界的切割。運動軸定位不準(zhǔn)確的問題通過優(yōu)化電機(jī)控制參數(shù)設(shè)置改善。該試驗平臺為預(yù)浸帶切割剪裁系統(tǒng)整體的開發(fā)提供了基礎(chǔ)，促進(jìn)了“兩步法”自動鋪帶技術(shù)的發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

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