淺談仿形技術(shù)在復(fù)合材料鋪放機(jī)中的可行性應(yīng)用

楊瑞慶，楊曉煒，霍巖

(1.哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱150006)(2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱150001)

淺談仿形技術(shù)在復(fù)合材料鋪放機(jī)中的可行性應(yīng)用

楊瑞慶1，楊曉煒2，霍巖1

(1.哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱150006)(2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱150001)

復(fù)合材料鋪放機(jī)對(duì)各向運(yùn)動(dòng)需要精確的位置要求，目前的鋪放設(shè)備全部采用伺服控制。對(duì)應(yīng)一種產(chǎn)品就要一套控制程序，如遇復(fù)雜的空間曲面，程序的編輯就變得更加繁瑣。所以，要想辦法簡(jiǎn)化這一工作。本文就是結(jié)合仿形技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制復(fù)合材料鋪放設(shè)備結(jié)構(gòu)及控制特點(diǎn)探討仿形技術(shù)應(yīng)用在復(fù)合材料鋪放設(shè)備簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)的可行性。

仿形；鋪放；基準(zhǔn)靠模；可編程控器

1 引言

隨著航空、航天等相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸料鋪放設(shè)備已逐漸嶄露頭角、越來(lái)越得到人們的重視。目前，在發(fā)達(dá)的西方國(guó)家鋪放設(shè)備已日趨成熟、應(yīng)用在生產(chǎn)當(dāng)中，而在我國(guó)，鋪放技術(shù)還處在起步階段，發(fā)展比較緩慢。其中一個(gè)關(guān)鍵原因是軟件尤其是復(fù)雜空間曲面的控制軟件設(shè)計(jì)還存在著一定的困難。那么有何辦法能使其簡(jiǎn)化?以往，在機(jī)械加工中遇到不規(guī)則曲面時(shí)常常采用仿形加工，大大簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝、降低了生產(chǎn)成本。仿形加工技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)及仿形系統(tǒng)本身固有的特性，啟發(fā)我們考慮將其應(yīng)用于鋪放設(shè)備之中以簡(jiǎn)化控制程序的設(shè)計(jì)。

2 仿形系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)及控制方式

2.1 仿形系統(tǒng)的工作原理(圖1)

仿形系統(tǒng)的工作原理是:探頭沿X軸方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在Z軸方向隨著基準(zhǔn)模具曲面的法向位移發(fā)出相關(guān)的可控信號(hào)(機(jī)械或電信號(hào))，通過(guò)系統(tǒng)控制加工頭走出與基準(zhǔn)模具曲面一樣的軌跡，一條曲線(xiàn)走完后，沿Y軸方向行走一個(gè)步距，掃描下一條曲線(xiàn)，直至完成整個(gè)曲面。探頭的移動(dòng)可以是隨動(dòng)也可數(shù)控(由PLC或NC系統(tǒng)控制)，精度則取決于探頭的步進(jìn)幅度和中間環(huán)節(jié)元件的靈敏度。

圖1 空間曲面示意圖

2.2 仿形系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

一套完整的仿形系統(tǒng)主要有下面幾部分組成(圖2)。

圖2 仿形系統(tǒng)方塊圖

靠模:具有所需曲面的基準(zhǔn)模具或直接是工件表面

掃模單元:包括探頭和信號(hào)發(fā)生器。探頭在力作用下緊貼于靠模表面，并隨曲面的變化在曲面法線(xiàn)方向上運(yùn)動(dòng)。探頭可以是滾輪或萬(wàn)象球(用于簡(jiǎn)單控制)，也可以是紅外光電單元(用于高級(jí)控制)。

控制單元:能夠?qū)⑻筋^的機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)或電信號(hào)。通常采用的為電位器、壓力傳感器、液壓電比例轉(zhuǎn)換器、PLC、CNC等控制單元。

驅(qū)動(dòng)單元:將控制單元所采得的信號(hào)再次轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)。通常為變頻調(diào)速電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、液壓或氣動(dòng)電比例閥。

執(zhí)行單元:即加工頭、通常為結(jié)構(gòu)構(gòu)件、氣缸或液壓缸。

檢測(cè)反饋單元:將執(zhí)行單元運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電信號(hào)變化與控制單元的電信號(hào)設(shè)定值進(jìn)行比較。通常為編碼器、電比例閥等。

2.3 仿形系統(tǒng)的控制

仿形系統(tǒng)的控制主要分為兩種:隨動(dòng)和數(shù)控。反饋檢測(cè)分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)。

隨動(dòng)開(kāi)環(huán)控制在實(shí)際應(yīng)用中就是執(zhí)行單元直接隨探頭機(jī)械聯(lián)動(dòng)，結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為機(jī)械構(gòu)件、液壓或氣動(dòng)動(dòng)力直接傳遞。控制單元最為簡(jiǎn)單、直觀。目標(biāo)精度受中間環(huán)節(jié)的間隙、運(yùn)動(dòng)慣性影響比較大。

隨動(dòng)閉環(huán)控制就是將執(zhí)行元件的位移產(chǎn)生的電信號(hào)與探頭位移產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行比較，利用其差值通過(guò)控制器最終確定執(zhí)行元件的移動(dòng)量。這控制單元比較簡(jiǎn)單。精度受元件的靈敏度影響比較大。

以上兩種控制方式均不需繁雜的程序設(shè)計(jì)。因而，要比計(jì)算機(jī)控制伺服系統(tǒng)要簡(jiǎn)單和廉價(jià)。

數(shù)控開(kāi)環(huán)控制在實(shí)際應(yīng)用中就是將探頭移動(dòng)采得的數(shù)字信號(hào)經(jīng)控制單元傳輸給執(zhí)行單元。精度受元件的靈敏度、探頭的步進(jìn)幅度等因素影響。

數(shù)控閉環(huán)控制在實(shí)際應(yīng)用中就是將執(zhí)行單元實(shí)際移動(dòng)產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)反饋給控制單元進(jìn)行比較修正。精度受傳感器等元件的靈敏度影響。

數(shù)控仿形系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜造價(jià)也相對(duì)較高，精度也相對(duì)較高。

3 鋪放機(jī)工作原理和控制

鋪放機(jī)的機(jī)頭工作時(shí)就是將預(yù)浸帶一條接一條鋪在工件表面上，直至預(yù)浸帶布滿(mǎn)整個(gè)表面。現(xiàn)有的國(guó)外鋪放機(jī)都采用全伺服控制，即要實(shí)現(xiàn)一個(gè)空間曲面的鋪放動(dòng)作，就必須要在多個(gè)方向產(chǎn)生位移或轉(zhuǎn)動(dòng)。它的每一方向運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)經(jīng)中間精密傳動(dòng)環(huán)節(jié)驅(qū)動(dòng)，要有相應(yīng)的程序支持。這些程序就是對(duì)一系列空間點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行描述(點(diǎn)越多，行走軌跡越準(zhǔn)確)，用差補(bǔ)理論及相應(yīng)的語(yǔ)言設(shè)計(jì)出相應(yīng)的行走程序。曲面不同，程序也不同。

4 仿形技術(shù)應(yīng)用于鋪放機(jī)中的可行性分析

從鋪放機(jī)工作原理和控制的敘述中知道，要想給出一個(gè)空間曲面上一系列點(diǎn)坐標(biāo)，就必須要首先根據(jù)鋪放頭行走路徑進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)學(xué)計(jì)算。對(duì)于規(guī)則的曲面，各點(diǎn)計(jì)算相應(yīng)簡(jiǎn)單，而對(duì)于復(fù)雜的曲面來(lái)說(shuō)，就非常復(fù)雜。而且，這樣計(jì)算出的點(diǎn)坐標(biāo)也往往是近似值，與實(shí)際曲面產(chǎn)生偏差。無(wú)疑，這會(huì)對(duì)程序設(shè)計(jì)工作帶來(lái)麻煩，且容易出錯(cuò)也不易修改。另外，鋪放機(jī)工作頭的行走軌跡根據(jù)需要往往是不規(guī)則的，跳躍式的，這都會(huì)增加編程的困難。

由于鋪放機(jī)工作頭行走方式與仿形加工中探頭行走方式相同，都是在力作用下壓緊曲面表面。那么，能不能根據(jù)仿形技術(shù)的特點(diǎn)，將其應(yīng)用于鋪放機(jī)中以簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)呢?

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)發(fā)展到今天，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已不再是難題。例如:圖1中所示的曲面。全伺服控制情況下，要在X向、Y向、Z向計(jì)算出大量的點(diǎn)坐標(biāo)。而采用仿形技術(shù)結(jié)合數(shù)據(jù)采集技術(shù)后，則只需給出X向、Y向的步距，Z向坐標(biāo)則由光電探頭在靠模上運(yùn)動(dòng)自行給出，且連續(xù)不斷的將這些坐標(biāo)值輸送給控制系統(tǒng)控制加工頭的軌跡輸出，如將探頭裝置直接應(yīng)用到鋪放頭上，那么鋪放頭就會(huì)隨著曲面而連續(xù)運(yùn)動(dòng)，更趨于精確。這樣就會(huì)大大簡(jiǎn)化控制程序的設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜合以上分析，將仿形加工技術(shù)與數(shù)控、計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集技術(shù)結(jié)合起來(lái)共同應(yīng)用于鋪放機(jī)中是可行的，會(huì)簡(jiǎn)化工作程序，減少工作量。

［1］仇學(xué)青.模具制造工藝學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

［2］劉克.基于機(jī)器人和PLC技術(shù)的自由曲面拋光控制分析［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2011，33(8):11-13.

Researching the Feasibility Application of Profile Modeling Technology in the FRP Composite Material Laying Equipment

YANG Ruiqing1，YANG Xiaowei2，HUO Yan1
(1.Harbin FRP Institute，Harbin 150036)(2.Harbin Institute of Technology，Harbin 150001)

The FRP composite material laying equipment need precise position in all moving，now all the laying equipments are sevocontrolled.To one product need a set of control procedure，if the surface is complicated，the edition of controll procedure is very difficult.So need us find out a method to make it simply.The article will discuss the feasibility of the profile modeling technology use in composite material laying equipment.

the profile modeling technology；the FRP composite material laying；the base model；the plc

2016-04-03)

楊瑞慶(1963-)，男，山東人，本科，高級(jí)工程師。研究方向:復(fù)合材料設(shè)備。E-mail:yrq811123@ 163.com.