基于CATIA生成数控加工路径的机器人纤维铺放轨迹规划

纤维铺放轨迹规划是纤维铺放成型中控制加工路径的关键步骤,直接影响复合材料构件的成型精度和铺放效率。本文基于成熟的商业化CATIA数控加工编程软件进行纤维铺放轨迹计算,获取待处理的加工路径,利用矢量补充和格式转换算法解决了铺放轨迹信息与FANUC机器人兼容性差的问题;借助插值算法求出了输送点和剪断点,补充了铺放轨迹信息,进而得到了完整的铺放信息,缩短了开发周期。在基于FANUC机器人的铺放装备上对某飞机舱门进行铺放实验,验证了基于CATIA数控加工技术的纤维铺放轨迹生成方法具有可行性,铺放轨迹结束点位置误差及轨迹间距误差都在±0.5mm之内。     

复合材料纤维铺放路径规划与丝数求解

 提出了一种复合材料纤维铺放路径的生成算法。首先探讨了铺放方向的确定，基于由芯模形心线得到的铺放参考线，针对沿0°，45°，90°这3种铺放情况，设计了具体的铺放路径生成算法。在此基础上，建立了纤维丝数与铺放路径间的对应关系，基于铺放路径的等距离线，提出并实现了一种纤维裁剪算法，使得复合材料纤维较为均匀地铺放在芯模表面。基于CATIA CAA，开发了相应软件模块。通过铺放过程的模拟，对本文算法进行了验证。     

先进树脂基复合材料固化过程的铺放缺陷演变规律研究

以纤维皱曲此类典型铺放缺陷为研究对象,研究了预浸料-热压罐工艺过程中复合材料铺放缺陷的演变规律,并对其固化后成形质量及力学性能进行对比分析。研究表明:较短预浸料铺贴及适中的固化压力,有利于提高固化过程中纤维顺应性及试件平整性,可有效弱化纤维皱曲此类铺放缺陷;本实验条件下,70mm复合材料试片在0.4 MPa固化压力下对铺放缺陷的改善效果相对最显著,固化后试片可获得相对较高的力学性能。     

铺放参数对复合材料厚度方向力学行为影响

为了探究铺放工艺参数的变化对复合材料厚度方向力学行为的影响,通过面外拉伸实验分析了铺放压力与铺放温度对复合材料厚度方向面外拉伸强度与拉伸模量的影响,并对不同铺放工艺的试件失效模式进行了分析。试验结果表明,增大铺放压力会减小层间富树脂区厚度,使复合材料面外拉伸强度不断增大,当铺放压力为0.225 MPa时取得实验组最大值,与铺放压力0.075 MPa相较强度提升约13.1%,失效模式由纤维断裂与纤维层剥离的组合转变为纤维断裂;铺放压力的进一步增大会挤压层间树脂,改变树脂富集形态,使面外拉伸强度下降,剥离失效模式再度出现。实验用复合材料的适宜铺放温度为30℃,过高的铺放温度会导致孔隙率的上升,使复合材料的面外拉伸强度严重下降,裂纹扩展失去规律性;与铺放温度25℃相比,铺放温度为45℃时复合材料面外拉伸强度下降达19.2%,失效模式由纤维断裂与纤维层剥离的组合失效转化为单一的纤维层剥离失效。     

应用机器人自动铺丝技术成型卫星反射器面板

采用自动铺丝技术成型卫星反射器面板,通过机器人平台进行自动铺丝试验。根据反射器面板抛物线方程特性,采用等距偏移方法规划铺丝轨迹;通过分析自动铺放过程中铺放压力、铺放覆盖完整性以及铺放平整性对轨迹规划的要求,确定铺放压力为0.2 MPa、铺放丝束为4丝束。同时对机器人连杆机构及参数进行分析,基于CATIA软件DMU模块对铺丝轨迹进行仿真,并在26℃、16 mm/s铺放速度下通过自动铺放试验验证了反射器面板自动铺丝工艺成型的可行性。     

热塑性复合材料纤维铺放技术研究进展

自动纤维铺放技术是飞机复合材料构件自动化成型的关键制造技术之一,其又可细分为自动纤维丝铺放技术和自动纤维带铺放技术。前者适用于平面型或低曲率的曲面型,或者说准平面型复合材料构件的铺层制造;后者综合了自动纤维缠绕与自动纤维带铺放两者的优点,可实现复杂曲面型复合材料构件的铺层制造。     

规则回转体自动铺丝轨迹规划与丝束增减

为满足自动铺丝轨迹的满铺覆性要求，针对现阶段自动铺丝轨迹规划存在的不足，提出了不同的丝束增减算法。首先讨论纤维铺放方向的确定和中心轨迹数量的计算，设计不同铺放方向轨迹的生成算法。然后以丝束重叠系数为重要参数，对于纤维局部堆积和空缺问题提出单侧纤维裁剪算法和双侧纤维裁剪算法，并对裁剪后的重叠区域和间隙区域进行面积求解，使得纤维丝束均匀覆于芯模表面。最后基于CATIA CAA二次开发平台，将上述算法集成到纤维铺放CAD系统中，通过运动仿真系统验证算法的正确性。利用提出的丝束增减算法，实现了间隙/重叠区的均匀分布，尽量降低了富树脂区等相关缺陷的聚集对性能的不良影响。     

航空发动机复合材料叶片曲面可铺性研究

根据转子叶片的曲面特性和服役环境,开展了复合材料叶片曲面可铺性分析研究,提出了一种基于预浸料纤维变形及纤维铺放方向双约束的复杂曲面复合材料构件可铺性分析方法,该方法既满足了复合材料构件曲面铺放工艺性要求,同时又满足构件结构承载要求。基于CATIA Automation技术在Visual Basic 6.0平台上开发了相应软件模块,利用叶片模型仿真验证了该算法。     

基于非等距偏置的纤维铺放路径规划算法

复合材料由于其高比强度、高比刚度、耐烧蚀、抗侵蚀等一系列优点,广泛地应用于航空、航天、汽车等领域。纤维铺放是实现复合材料成型的主要方法之一,同时也是近年来发展最快、最有效的先进制造技术。为实现构件(特别是复杂结构件)的成型制造,必须将材料精确地铺放到芯模表面。针对上述问题,根据微分几何理论提出了一种面向复杂曲面的路径规划算法。在确定压辊位置和方向的前提下,利用平面-曲面求交构造初始路径,并通过非等距偏置以获得覆盖整个芯模的全部路径。该方法所生成的压辊路径,不仅可使纤维完全贴合到芯模表面,还包含了铺放系统所需的丝数信息,理论上实现了构件的精确铺放成型。通过在MATLAB中进行路径仿真,验证了所提纤维铺放路径规划算法的正确性与有效性。     

复合材料构件设计、分析、制造一体化

给出了复合材料构件一体化研制环境基本要素和一体化研制流程,并对几项关键技术进行了探讨。复合材料构件数字化定义包括几何建模和材料结构建模,总结了建模过程和数据的组成。根据当前复合材料构件分析无法基于最终真实纤维路径进行的现状,总结了接口数据的内容和组织,探讨了通过纤维路径数据到有限元网格的自动映射实现材料铺放数据的自动传递。研究了设计到自动下料系统和激光投影系统的接口数据和集成方式。     

复合材料自动铺丝路径生成技术研究

基于自主研制的七自由度铺丝机,研究具有芯模的封闭构件自动铺丝路径规划技术,设计了通用的铺丝路径生成算法,可生成任意角度的铺丝路径。     

冗余铺丝机械手自运动流形分析及优化

针对传统位姿分离式铺丝机械手灵活性不足的特点,为了提高航空复合材料铺丝过程的灵活性和避障碍能力,提出一种位姿耦合式冗余铺丝机械手自运动流形的新算法。由于冗余铺丝机械手各关节之间的强耦合性增加了逆解的求解难度,该算法将冗余铺丝机械手的关节逆解分解为已知的Paden-Kahan旋量子问题以及由位置关节组成的特殊旋量子问题,并针对特殊旋量子问题进行求解得到冗余铺丝机械手全部逆解,这样相对于位姿分离式解法有效提高了冗余铺丝机械手逆解的求解效率以及求解直观性。由于冗余铺丝机械手的逆解呈现出流形的结构,所以根据冗余铺丝机械手自运动流形的多维特性,将冗余铺丝机械手的自运动流形分别映射到位置关节空间和姿态关节空间得到其三维仿真曲线。由于冗余铺丝机械手逆解流形中的优化流形在实际控制中更具应用价值,所以在铺丝机械手末端执行器沿芯模轨迹运动速度平稳的前提下为了使机械手各关节速度变化最小,提出以冗余铺丝机械手关节速度组成的约束泛函为目标得到相应的运动学优化流形,并为后续的最优控制奠定了基础。最后以某型号飞机S形进气道为例验证了所提方法的可行性。     

圆筒状构件的多层铺丝路径生成算法

提出一种将空间曲线投影在芯模曲面上生成铺丝路径的方法以用于成型圆筒状复合材料构件.首先,在芯模外侧创建与铺丝路径相对应的特定曲线,然后将曲线按特定方向投影在指定的偏置曲面上,形成初始路径.为了使路径轨迹覆盖整个曲面,给出路径在曲面上的等距偏移方法.另外,对路径偏移中出现的缝隙给出了填补方法,并使偏移后的路径轨迹延伸至曲...     

自动铺丝最小间隙路径规划与复合材料锥壳结构制造

自动铺丝技术（AFP）是提高复合材料构件制造效率和降低其制造成本的关键技术和重要手段。铺放轨迹的设计是控制自动铺丝工艺质量的关键。对于复杂的结构形式，合理的铺丝路径对保证可制造性及铺贴质量至关重要。本文针对简化后的后机身锥壳特征结构，研究了基于固定角法、测地线法和变角度法的自动铺丝轨迹算法设计，解决了铺放复杂曲面满覆盖问题；总结对比获得了不同铺丝轨迹方法的特点和适用范围。以保证工艺性并满足结构设计铺层方向为原则，选用了带宽为6.35 mm的自动铺丝预浸料完成工艺验证件制造，并通过有限元分析评估了自动铺丝轨迹算法的合理性。结果表明：该结构宜采用测地线法铺放0°方向铺层以减少褶皱；采用固定角法铺放90°方向铺层能够保证连续铺放；采用结合预浸窄带侧弯试验结果的变角度轨迹规划方法铺放此锥类构件±45°方向铺层能够保持最小间隙。铺丝间隙使锥壳结构单层等效模量下降约30%，整体强度下降约10%。因而在结构优化设计时需考虑自动铺丝工艺对安全裕度影响的因素。     

Multi-objective optimization of frequency and damping of vertical stabilizer skin structure placed with variable-angle tows

The vibration characteristics of composite vertical stabilizer skin structures play a critical role in damping effects designed for overcoming the air disturbances experienced by aircraft structural components during flight. The first-order fundamental frequencies and their corresponding damping characteristics of the vertical stabilizer skin structure tow-steered by automatic fiber placement technique were optimized with the parameterized trajectories and plies as design variables. Firstly, the vibration and damping numerical models were derived based on Kirchhoff laminate theory, the Rayleigh-Ritz method, and the Strain Energy Method. Then the optimization model was developed by adopting the self-adaptive Differential Evolution Multi-objective optimization algorithm and incorporating the solution method of Pareto Front. The constraints of this optimization model considered the experimentally obtained minimum turning radius of prepregs tow-steered in automatic fiber placement process obtained from experimental tests. Finally, the comparison of numerical simulation results was conducted for the optimized trajectories and the conventional straight trajectories under various boundary conditions, and the numerical results were partially validated through damping and frequency tests. The results indicate the vibration characteristics of the composite vertical stabilizer skin structure can be enhanced to a large extent by optimizing fiber trajectories, and the enhancement percentage is affected by the boundary conditions of the actual structure.     

漂浮基空间机器人捕获卫星过程动力学模拟及捕获后混合体运动的RBF神经网络控制

 讨论了漂浮基空间机器人在轨捕获目标卫星过程的碰撞动力学建模,以及捕获操作结束后空间机器人与卫星混合体的稳定控制问题。首先采用多刚体动力学建模方法并结合空间机器人捕获目标卫星过程中的碰撞动力学特性,建立了漂浮基空间机器人在轨捕获漂浮卫星过程的动力学模型,并在此基础上计算出完成捕获操作后空间机器人与目标卫星混合体关节的运动速度。然后针对卫星及空间机器人系统惯性参数均是未知的复杂情况,应用上述模型、神经网络控制理论和Lyapunov稳定性理论,设计了空间机器人与卫星混合体在捕获过程碰撞冲击影响下稳定运动的高斯径向基函数神经网络控制方案,以达到对捕获卫星的有效控制。此外,高斯径向基函数神经网络控制方案具有不需要测量和反馈载体位置、移动速度与加速度的显著优点。系统数值仿真证实了上述控制方案的有效性。     

基于遗传算法的多机器人系统集中协调式路径规划

根据多机器人系统无碰撞运动的需要,对其工作空间进行了分解,确定了机器人运行路线上的各个可能路径点,从而得到了规划空间的多路径点链接图描述。基于这种对规划空间的链接图建模描述,开发了一种混合遗传算法用于寻找多个机器人的无碰撞协调运动路线。仿真结果表明,这种方法可有效地解决复杂规划空间下的多机器人路径规划问题。     

管道曲面构件自动铺丝路径规划

提出了一种基于管道曲面广义螺旋线的铺丝路径生成算法,把芯模曲面的铺丝路径规划问题转化为求解该曲面上的广义螺旋线。利用管道曲面广义螺旋线算法,通过求解初值问题的一阶常微分方程组就可得到精确的位于芯模面上的铺丝路径。该算法具体计算可以利用功能强大的计算软件Matlab中的ODE45函数,该函数是基于自适应的4-5阶龙格-库塔算法,因而可构造具有相对误差以及绝对误差的控制机制的铺丝路径。经过算例验证,该算法操作简单,精度能够满足铺丝技术工艺要求。     

复合材料风扇叶片铺层设计方法研究

为了设计航空发动机复合材料风扇叶片,根据相关准则,系统建立了复合材料风扇叶片的铺层结构设计流程,针对某自行设计的风扇叶片,完成了叶片的几何模型检测、体积填充铺层设计、铺层纤维方向的确定、铺层的分组与顺序调整,以及铺层的结构检查与可制造性检查。对铺层顺序调整前后沿叶高及弦长方向的铺层过渡进行了对比分析,完成了铺层的可制造性检查与改进。结果表明:铺层结构满足现有复合材料铺层设计准则要求,铺层的递减过渡合理,可制造性良好。