碳纖維預(yù)浸帶切割剪裁平臺(tái)系統(tǒng)研究*

（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(guò)40多年的不斷發(fā)展與完善，自動(dòng)鋪帶設(shè)備和技術(shù)在美國(guó)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(dòng)鋪帶機(jī)是自動(dòng)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(shí)等功能于一體，其鋪帶頭按照一定的運(yùn)動(dòng)軌跡，在壓輥的作用下將預(yù)浸帶鋪敷于模具表面[4]。自動(dòng)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(dòng)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(diǎn)[5]。自動(dòng)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(kāi)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(shí)現(xiàn)等因素，為進(jìn)一步提高鋪放過(guò)程的自動(dòng)化程度，減少鋪放過(guò)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(dòng)鋪帶技術(shù)最早由美國(guó)和日本發(fā)明[7-8]，法國(guó)Forest-line公司最先開(kāi)發(fā)了“兩步法”自動(dòng)鋪帶設(shè)備。該公司“兩步法”自動(dòng)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(wú)法實(shí)現(xiàn)的某些邊界形狀的問(wèn)題，ACCESS采用雙超聲切刀切割剪裁預(yù)浸帶，實(shí)現(xiàn)按照鋪放軌跡對(duì)預(yù)浸帶的預(yù)切割和重新復(fù)卷功能；ATLAS實(shí)現(xiàn)對(duì)切割、復(fù)卷好的預(yù)浸帶的鋪放過(guò)程，其“兩步法”鋪帶技術(shù)流程圖如圖1所示。

目前，國(guó)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(jì)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(tái)預(yù)浸帶剪裁下料機(jī)可供多臺(tái)鋪帶機(jī)同時(shí)使用[10]，生產(chǎn)效率大大提高?！皟刹椒ā变亷Ъ夹g(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(duì)下料機(jī)雙切刀切割試驗(yàn)平臺(tái)的搭建和基于軌跡文件和模具邊界點(diǎn)文件的切割信息的生成進(jìn)行研究。

圖1 法國(guó)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(lèi)型的鋪放邊界Fig.3 Different types of laying boundary

1 雙切刀切割平臺(tái)的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)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(guò)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(duì)預(yù)浸帶進(jìn)行切割[11]。把多余的廢料剔除后，重新對(duì)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(méi)有回溯，鋪帶的帶料運(yùn)動(dòng)是一個(gè)單項(xiàng)的連續(xù)過(guò)程[12]。圖3邊界1可以通過(guò)一把切刀改變一次切割方向?qū)崿F(xiàn)；而邊界2無(wú)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(jì)

在南京航空航天大學(xué)復(fù)合材料工程自動(dòng)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(yùn)動(dòng)軸，在其上進(jìn)行預(yù)浸帶雙刀切割平臺(tái)的搭建。

1.2.1 放帶軸和收帶軸的設(shè)計(jì)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(shí)，糾偏控制機(jī)構(gòu)及時(shí)對(duì)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(tái)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(zhǎng)短和邊界切割形狀對(duì)預(yù)浸帶進(jìn)行精確定位，并保證切割前后的帶料時(shí)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(yùn)動(dòng)。

1.2.2 收（覆）膜、收（覆）紙軸的設(shè)計(jì)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(gè)與預(yù)浸帶運(yùn)動(dòng)方向相反的反向恒定力矩，保證隔離膜和背襯紙?jiān)跁r(shí)刻張緊的狀態(tài)下實(shí)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(tái)的設(shè)計(jì)和控制

為滿(mǎn)足預(yù)浸帶切割要求，預(yù)浸帶雙切刀切割試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。

圖4 雙切刀切割試驗(yàn)平臺(tái)原理Fig.4 Principle of cutting platform with double cutters

雙刀切割平臺(tái)主要由6個(gè)部分構(gòu)成，其中1為切刀安裝板和切割平臺(tái)，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(tái)上進(jìn)行；切刀的進(jìn)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)安裝在絲杠導(dǎo)軌滑塊上的切刀運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)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(guò)氣路的通斷實(shí)現(xiàn)切割時(shí)切刀的壓下動(dòng)作和切割完畢時(shí)切刀的抬起動(dòng)作。氣缸的運(yùn)動(dòng)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(guò)皮帶輪實(shí)現(xiàn)切刀沿軸向轉(zhuǎn)動(dòng)以滿(mǎn)足切割角度的變化，以保證切割預(yù)浸帶時(shí)，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(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)變幅桿放大機(jī)械振動(dòng)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(dòng)均由步進(jìn)電機(jī)控制運(yùn)動(dòng)，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(tái)存在兩個(gè)進(jìn)給電機(jī)、兩個(gè)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(shí)，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(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

1.3 雙切刀切割平臺(tái)的搭建

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

2 切刀運(yùn)動(dòng)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(kāi)發(fā)的具有代碼生成和自動(dòng)鋪帶仿真的自動(dòng)編程軟件[14]，生成鋪放軌跡文件和邊界點(diǎn)文件。

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

邊界點(diǎn)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(diǎn)，從鋪放起點(diǎn)開(kāi)始，以順時(shí)針排列的方式，將這些點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)X、Y、Z的值存儲(chǔ)到邊界文件。

圖5 雙刀切割試驗(yàn)平臺(tái)Fig.5 Cutting platform with double cutters

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

2.1 切刀運(yùn)動(dòng)的軌跡算法

2.1.1 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

現(xiàn)有的自動(dòng)鋪帶軌跡規(guī)劃軟件CAD模塊生成的軌跡文件和邊界點(diǎn)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(yùn)算帶來(lái)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(diǎn)的局部坐標(biāo)系上來(lái)。工件坐標(biāo)左乘一個(gè)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?yàn)閹Я系倪\(yùn)動(dòng)方向，V的方向?yàn)榇怪庇赨的切刀進(jìn)給方向，W的方向?yàn)榈姆较?，如圖6所示。

2.1.2 關(guān)鍵切割點(diǎn)

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

“Edge0”和“Edge1”之間所夾的所有邊界點(diǎn)都是關(guān)鍵切割點(diǎn)。同理，軌跡n的終止點(diǎn)“Trajend”與模具邊界的交點(diǎn)“Edge0'”和“Edge1'”也通過(guò)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(diǎn)信息之后，可通過(guò)判斷“Edge0”（Edge0'）到“Edge1”（Edge1'）中間所有相鄰邊界點(diǎn)沿帶料運(yùn)動(dòng)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(jì)，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(kāi)始，“Edge0”到1點(diǎn)沿帶料運(yùn)動(dòng)方向U坐標(biāo)增大，計(jì)UEdge01為正；同理U12為正，沒(méi)變化，故變化次數(shù)計(jì)0。U23、U3Edge1均為正，變化次數(shù)均計(jì)為0。由此得到某條軌跡邊界點(diǎn)U坐標(biāo)差值累計(jì)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(diǎn)信息的植入

分別把用切刀1和切刀2切割的切割點(diǎn)的坐標(biāo)信息加入到軌跡編號(hào)n的軌跡文件的最后，這些切割關(guān)鍵點(diǎn)信息不僅包含了點(diǎn)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(dòng)作信息，為下一步的切割提供基礎(chǔ)。

2.2 機(jī)床運(yùn)動(dòng)代碼的生成

植入切割信息的軌跡文件經(jīng)現(xiàn)有的自動(dòng)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(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)已設(shè)計(jì)好的雙刀切割試驗(yàn)平臺(tái)（圖5），完成實(shí)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(yàn)，探究雙刀切割試驗(yàn)平臺(tái)存在的問(wèn)題。

3.1 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)以滿(mǎn)足最終的預(yù)浸帶切割剪裁系統(tǒng)要求為背景，對(duì)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(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

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

3.2 雙刀切割試驗(yàn)與分析

3.2.1 雙刀切割試驗(yàn)

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

切刀1相對(duì)于切刀2更靠近放帶軸，故切割“＞”形邊界時(shí)，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(yùn)動(dòng)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(diǎn)不同于“＞”形邊界?！埃肌毙芜吔绲膬砂亚械兜那懈钇瘘c(diǎn)分別是圖9（b）中所示的點(diǎn)1和點(diǎn)3 。切刀1在放帶軸持續(xù)放帶下，由點(diǎn)1下壓切割至點(diǎn)2后抬起，切刀2從點(diǎn)3處下壓切割至點(diǎn)2結(jié)束。

3.2.2 試驗(yàn)誤差分析

為保證試驗(yàn)順利進(jìn)行以及對(duì)可能存在的問(wèn)題的探究，本試驗(yàn)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(yàn)平臺(tái)在對(duì)預(yù)浸帶切割過(guò)程中，定位精度等一系列的因素，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生瑕疵等問(wèn)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(guò)程中，帶料半徑逐漸減小，單位時(shí)間內(nèi)放出來(lái)的帶料長(zhǎng)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(huì)超過(guò)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(guò)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(shí)，出現(xiàn)兩把刀切割起點(diǎn)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(shí)，出現(xiàn)雙切刀切割終點(diǎn)不重合的現(xiàn)象。這種誤差的消除，可通過(guò)多次試驗(yàn)，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(jì)雙刀切割試驗(yàn)平臺(tái)，根據(jù)自動(dòng)鋪帶CAD技術(shù)，對(duì)鋪放軌跡文件進(jìn)行后處理，植入雙刀切割信息。試驗(yàn)探究典型邊界雙刀切割存在的問(wèn)題并進(jìn)行誤差分析。

試驗(yàn)結(jié)果表明，雙刀切割試驗(yàn)平臺(tái)在放帶軸不回溯的前提下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)典型 “＞”和“＜”形邊界的切割。運(yùn)動(dòng)軸定位不準(zhǔn)確的問(wèn)題通過(guò)優(yōu)化電機(jī)控制參數(shù)設(shè)置改善。該試驗(yàn)平臺(tái)為預(yù)浸帶切割剪裁系統(tǒng)整體的開(kāi)發(fā)提供了基礎(chǔ)，促進(jìn)了“兩步法”自動(dòng)鋪帶技術(shù)的發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

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