复合材料自动铺丝计算机辅助设计软件的设计与应用_程松.pdf

，（）上海电气技术收稿时间：第一作者简介：程松（），男，硕士，高级工程师，主要从事机电一体化控制技术研究工作复合材料自动铺丝计算机辅助设计软件的设计与应用程松徐志明陈金成上海电气集团自动化工程有限公司上海 摘要：根据需求，设计了平坦曲面复合材料自动铺丝计算机辅助设计软件。根据应用对象的特点，对这一软件进行模块划分，对软件的核心模块路径规划模块进行功能定义，分析常用的等距偏移方法原理。通过对天线反射面板的应用，验证了这一软件功能的有效性。关键词：复合材料；铺丝；计算机辅助设计；应用中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：，：；研究背景目前，计算机辅助设计与制造技术应用于各种工业过程。与传统机械加工不同，自动铺放技术采用按设计方向逐层铺叠的增料加工模式，自动铺放相关的计算机辅助设计与制造软件与普通切削加工领域的也截然不同。自动铺放计算机辅助设计与制造软件基于材料铺放工艺特性和构件外形特征，根据构件结构设计要求，按照铺放设备机器结构和工作模式，生成可供专用铺放设备实现复合材料构件成型制造的数控加工代码。在满足设计要求的基础上，应当尽可能提高铺放效率，保证铺放质量，节约材料，降低制造成本。自动铺丝计算机辅助设计软件是复合材料加工领域特有的，自动铺丝计算机辅助设计是复合材料构件制造的关键技术之一。目前，在国际上较为出名的自动铺放计算机辅助设计软件包括 公司 、西门子公司 ，已成熟应用于航空航天、汽车、新能源等领域复合材料的设计、分析、生产过程中。南京航空航天大学、武汉理工大学、浙江大学等国内高校团队对铺放软件中的各个模块，如轨迹规划等，进行了研究和试验，取得了一定的进展，实现了许多功能。但是，目前国内的研究主要以针对某些功能模块进行基于 软件的功能开发为主，与形成稳定、可靠、高效的铺放软件还有一定差距。当前，国内仅有少数单位拥有自动铺放设备，具有自主知识产权的自动铺放计算机辅助设计软件在国内尚属空白。笔者对复合材料自动铺放计算机辅助设计软件进行功能模块划分，对其中的轨迹规划模块等距平移功能进行分析，设计了复合材料自动铺丝计算机辅助设计软件。以天线反射面板的自动铺丝为应用背景，进行工件分层和路径规划研究，由此验证软件的使用效果。软件资源模块复合材料自动铺丝计算机辅助设计软件的设计上海电气技术 ，（）目的是按照构件设计要求，根据材料工艺特性，利用自动铺放装备完成复合材料的构件设计。软件应当根据装备和工艺要求、模块化设计原则进行设计，可以满足不同装备和工艺要求。软件的处理对象是图形和数据，输出结果也同样是数据。软件的资源模块用于计算机辅助设计参数的定义，分为材料参数和设备参数。材料参数可以分为曲面信息数据、构件设计数据、装备数据、材料铺放工艺特性数据等四个主要数据流。曲面信息数据包括曲面的数学信息等，构件设计数据包括铺放角度、铺层设计、间隙容差、性能容差等，装备数据包括机器参数等，材料铺放工艺特性数据包括纤维宽度、丝数、带宽、铺放中允许变形量等。设备参数包括机器的基本参数、动作特性、铺放工艺特性，以及铺放过程中可能出现的调节参数。例如，机器加热时间与铺放速度的关系等属于铺放工艺特性，在铺放状态与未铺放状态，预浸带从切刀到压辊距离的变化量属于机器铺放过程中可能出现的调节参数。软件模型定义模块在软件的模型定义模块中，机床和铺丝头通过导入模型进行几何尺寸和结构定义，曲面信息数据输入可以采用的技术途径有两种。第一，通过交互界面输入特性参数，由软件调用图形接口完成建模。优点是自行开发，算法简单，在后期轨迹规划时可以充分利用数学手段，内存占用少，运算速度快。第二，利用通用计算机铺放设计制造软件完成曲面信息的建模工作，通过读取通用格式曲面文件，在后期对数据进行重构，算法上以数值迭代计算为主，通用性强，但效率低。目前专用计算机辅助设计软件都支持这一方式，在图形设计环境中生成标准格式曲面文件，用户界面标准统一，能够充分利用通用图形设计软件的稳定性和强大功能。模型定义模块中的铺放曲面信息数据面型和边界通过导入曲面和曲线来进行定义，导入的曲面文件格式主要支持 ，曲线文件支持格式有、。软件路径规划模块软件的路径规划模块通过在铺放构件曲面上建立数学模型，形成满足结构设计要求的复合材料预浸丝束排布方式，并且可以控制铺放过程中铺丝头的运动路径和姿态。这是实现铺放工艺的核心，也是设计自动铺放计算机辅助制造软件等后续步骤的前提。复合材料铺层设计是结构设计的基础，同时是铺丝成型构件特有的工作内容。铺层设计的优劣会在很大程度上影响最终产品的性能。路径规划模块包含层合板设计和单层路径轨迹设计功能。复合材料构件由层合板组成，单层铺放是结构基础。层合板设计定角度铺层是层合板设计常用的方式之一。在自动纤维铺放过程中，铺放角指铺层上某点处丝束方向与某固定轴线所成的角度，取值范围为 。常见定角度铺层如图所示，铺放角定义为丝束方向与轴的夹角。在实际设计中，考虑拉力、压力、剪切力的影响，铺放角通常选取、等。将一定数量的单向板沿轴方向叠加，就形成了复合材料层合板，属于对称结构层合板，可描述为。图常见定角度铺层 单层路径轨迹设计单层路径规划根据材料铺放工艺特性、构件外形曲面特性、机器特性，按照层合板设计的铺放方向、铺叠顺序、铺放层数建立相应的规划算法，生成自动铺放轨迹中心线。等距偏移法是单层铺放路径规划的常用方法。采用等距偏移法，先构造一条初始铺丝参考路径，然后以该参考路径为基准，在曲面上基于一个满丝束宽度的距离进行等距偏移，生成参考路径族进行路径规划。等距偏移法如图所示。等距偏移法的技术关键在于如何构造满足结构和工艺要求的初 ，（）上海电气技术始参考路径，采取何种有效的曲面等距偏移曲线的算法。构造初始参考路径的主要方法有基准参考曲线法、初始方向曲面映射法、测地线法、特征平面与曲面交线法、构件主应力方向曲线法等。曲面等距偏移曲线的算法主要包括投影法、网格法、测地线数值法等。图等距偏移法等距偏移法算法简单，不需要进行增减丝束判定，路径规划模块采用这一方法进行单层铺放路径规划。曲面文件格式当前，在工程中占主导地位的几款大型计算机辅助设计软件，如 、等，都擅长自由曲面造型，并且这些软件都能够将自由曲面转换为由多个三角面片组合成的网格曲面，以 格式文件输出。格式三角网格曲面存在以下拓扑关系：（）每个顶点至少由三条边线相交得到，即每个顶点位置至少存在三个相邻的三角片；（）每条边线为两个三角片的公共边，即与每一条边线相关的是两个相邻三角片；（）每个三角片以三条边线与三个三角片相邻。参考路径投影对于外形比较平坦，起伏较小的工件，可以用定向投影的方法得到初始参考路径。将指定的曲线按设定方向投影至模具曲面，得到的曲线作为参考路径。投影生成初始路径如图所示。将曲线（）沿向量向曲面反向投影后的曲线为（），（）即为铺放层的参考路径。当（）是一条具有明确方向的直线时，通过定向投影，可以生成、等常规方向的路径，非常适用于平坦型开曲面构件的铺丝路径生成。对于常用的、等铺放角，工作时压辊在曲面上沿着直线前进，具有明确的方向性特点，对于常图投影生成初始路径用铺放角条件下的基准路径生成而言，是非常适用的。（）曲线沿向量方向在 格式曲面的投影具体步骤如下：（）格式曲面数据检验，格式曲面数据结构中的法向与向量的夹角小于某一数值，如 ，确保曲面为平坦型；（）格式曲面数据结构沿向量旋转，使向量竖直，形成新的 格式曲面数据结构；（）分析新的三角数据结构，记录、的最小值、最大值，形成一个矩形区域，也就是新三角曲面在 平面上的投影区域包络矩形；将这一矩形分为若干区域，例如个数组，用于存放链表的指针；格式曲面数据结构如图所示；图 格式曲面数据结构（）对（）曲线进行点细分，取、值，判断处于数组的具体区域，对该区域内的所有数据结构进行计算，判断点是否在三角形元素内，如果在，根据三点定义平面的性质，生成值；（）对于所有的细分点进行上述过程，即可形成投影参考路径点集。节点存放新 格式曲面数据，除顶点和法向量数据外，在尾部存有指向下一个数据的指针，以形成数据链表。数组存放区域的首地址。遍历新的 格式曲面数据结构时，填充至上述链表中，并更新数组。等距偏移等距偏移法采用第一条路径作为参考路径，其它连续路径等距铺放在前一条路径旁边。这种方法上海电气技术 ，（）的优点是不存在间隙，铺层不需要增删丝束，能够获得较快的铺放速度。等距偏移法获取路径点集如图所示。参考曲线上与橡胶压辊的接触点为任一点，该点的法平面为，与抛物面的交线为空间曲线，为该空间曲线上距离点弧长为的点。由此，一系列点构成偏移曲线。再以同样的偏移方式，得到偏移曲线，并依次类推。图等距偏移法获取路径点集假设参考曲线的点集为，那么从任意点（，）线性拟合的方向向量为?，当足够大时，近似与曲面相切。设单位向量为（，），则根据法平面的点法式公式，有：（）（）（）（）直线参数方程为：（）在式（）中，当取值为增量数值 、.、时，可以得到直线的十个点，运用前述参考路径投影法，将这十个点垂直投影到曲面上，得到曲面上的十个点。由于曲面平坦，曲线曲率变化较小，因此这十个点近似认为处于圆弧上。采用最小二乘法进行圆弧拟合，设圆心为（，），半径为，令，则圆的曲线方程为：（）求出参数、，即可以得到圆心及半径，为，为，为。根据最小二乘法进行圆弧拟合，设：（）（）（）（）（）（）（）可得：（）（）（）（）即可求得圆心（，）和半径。此时，可以采用近似圆弧法，认为曲线为圆弧，通过偏移弧长得到偏移点位置。向量旋转如图所示，近似为圆弧，有：（）图向量旋转由图可知，向量?为由?绕旋转角得到，即：?（，）?（）对根据新的三角数据结构投影，得到。应用实例天线反射面板是航空航天工业领域中复合材料应用的常用构件之一。铺放试验采用 环氧树脂、宽度为 的预浸料，模具尺寸为 ，铺层结构为 ，共八层。铺放轨迹如图所示。，（）上海电气技术图铺放轨迹各铺放角的丝束路径轨迹完整而顺直，丝束间距均匀。设置报警阈值 为，为，经过运算检验，未产生报警情况，表明丝束的间隙和重叠满足要求。设置侧向扭转阈值 为，经过运算检验，未产生报警情况，表明丝束未发生明显的侧向扭曲。以上检验情况表明生成的铺放路径效果较好，丝束能够均匀覆盖在芯模表面，满足工艺设计要求和工程需要。结束语针对复合材料的自动铺放需求，设计了复合材料自动铺丝计算机辅助设计软件。这一软件的等距偏移方法设计思路正确，适用于平坦曲面的铺放。后续将对这一软件进行改进，增加对应的计算机辅助制造软件，以实现完整的计算机辅助设计制造软件功能。参 考 文 献包建文高效低成本复合材料及其制造技术北京：国防工业出版社，董晓阳，刘永佼，潘江，等应用机器人自动铺丝技术成型卫星反射器面板宇航材料工艺，（）：克雷格机器人学导论（原书第版）贠超，王伟，译北京：机械工业出版社，许都，秦衡峰，周后明基于三角网格曲面映射的数控高速加工刀轨规划计算机集成制造系统，（）：崔洺瑞，安鲁陵，卫炜，等一种复杂曲面延拓方法机械制造与自动化，（）：刘辉强，安鲁陵 一种基于边界信息的曲面延拓方法机械制造与自动化，（）：孔斌，顾杰斐，陈普会，等变刚度复合材料结构的设计、制造与分析复 合 材料学报，（）：郭娟，林勇 自动铺丝机器人运动学逆解的求解算法机电工程，（）：陈维恒微分几何初步北京：北京大学出版社，许斌，安鲁陵，肖军，等自动铺丝机运动控制信息的生成与仿真制造业自动化，（）：，梁海英基于案例的 程序设计北京：清华大学出版社，（编辑：尔东）