龍門式復合材料自動鋪絲機研發設計

支 勉，侯玉婷，馬淑春

（保定標正機床有限責任公司，河北 保定071000）

先進復合材料具有高比強度、抗疲勞、耐腐蝕、設計制造一體化的特點，復合材料自動鋪放設備主要由歐美國家生產，西班牙M.TORRES公司，美國CINCINNATI，INGERSOLL，法國 FOREST-LINE 等生產。復合材料構件生產主要有自動纏繞機、自動鋪帶機、自動鋪絲機等制造技術。其中自動鋪絲機主要用于形狀復雜曲面型構件的鋪放制造，如飛機機身、尾錐，以及S型進氣道等復雜構件的整體制造，而該類設備在中國尚屬空白。按照國家科技重大專項“航空復合材料構件自動鋪絲頭設備開發及應用”要求，設計一款龍門式復合材料自動鋪絲設備尤為迫切。

1 龍門式復合材料自動鋪絲機床的結構形式及相關計算

龍門式復合材料自動鋪絲機是國內首臺紗架與鋪絲頭一體式的碳纖維自動鋪絲設備，可滿足成型負曲面最小曲率半徑為150 mm，正曲面最小曲率半徑為20 mm；纖維鋪絲速度0～30 m/min；根據復合材料構件CAD數模生成鋪絲軌跡，具有后置處理、避碰干涉檢驗和離線加工仿真功能。絲束間隙均勻、公差±0.5 mm.

該設備包括機械主體、控制系統、紗架和自動鋪絲頭裝置；工裝夾具裝置由四大部分組成，共有X、Y、Z、A、C、C12、E 七個軸。紗架和鋪絲頭固定在 A、C、C12軸回轉裝置中，機床帶動鋪絲頭完成絲束對芯模的鋪放工作。整個過程可實現七軸的同步聯動，確保鋪絲過程的連續性。整體結構及外形如圖1、圖2所示。

圖1 整機結構圖

圖2 整機外形圖

1.1關于X坐標推力計算

在水平方向移動時，電機所要克服的力包括加速力、摩擦力以及鋪絲力。

設定：

X坐標驅動重量M：12.5 t（整個橫梁移動部件）

空載快速移動速度Vx：30 m/min

最大加速度初步設定為ax：1 m/s2

在水平移動情況下：

Fax=max（加速力）

Ffx= μmg（摩擦力）

Fbx=1 000 N（鋪絲力）

其中μ取0.05

所以總受力：

由于鋪絲是連續工作，故整個過程所承受的最大力是加速時的力。

在機械消隙雙邊驅動應用中，負載由龍門雙邊齒條驅動來平衡，單邊齒條平衡驅動力一般取66%（該值是單邊齒條可以平衡驅動力的最大百分比）。

預載間隙扭矩Tp的百分比Tp%在機械消隙應用中通常取最大負載的100%.

受力分析如下圖3所示。

圖3 受力分析圖

相對于A點，有

Fx1×R+Tp=F切×2R

其中Fx1＝66%Fx

Tp＝66%Fx×100%（Tp是電機所為消除機械間隙所提供的一個扭矩）

所以單邊最大切向力

F切＝（66%Fx+66%Fx×100%）/2=13 200 N

由于Grudel公司生產的m=4斜齒條246 053系列最大承載力為28 394 N.

故安全系數為28 394÷13 200＝2.15，可以滿足使用驅動力要求及安全系數要求。

1.2關于Y坐標推力Fy的計算

y坐標是由伺服電機直接通過聯軸器聯接絲杠驅動移動部件（滑座、滑枕、回轉裝置、紗架和鋪絲頭等）移動。移動部件的導軌副為直線導軌，移動部件的總質量為3 t.

推力通常是在工作進給勻速、電機低轉速的狀態下進行計算，額定扭矩是指在額定轉速下的扭矩。所以電機的輸出扭矩通常取靜扭矩M0=70 N·m

故：

式中，η為效率，取0.9.設絲杠導程為12 mm.

又因為要克服移動部件移動時產生的摩擦阻力，所以有效推力Fy：

Fy=F-m×g×μ

上式中，m為移動部件自身質量，為3 t；μ為移動部件與直線導軌間的摩擦系數，為0.05.

Fy=32 970 N-3 000 kg×9.8 N/kg×0.05=31 500 N

所以Y坐標的推力大約為3.15 t.

1.3關于Z坐標推力Fy的計算

Z軸伺服電機通過同步帶驅動絲杠，帶動移動部件（滑枕、鋪絲頭等）移動。

傳動結構如圖4所示。

圖4 Z軸傳動示意圖

推力通常是在工作進給勻速、電機低轉速的狀態下進行計算，額定扭矩是指在額定轉速下的扭矩。所以電機的輸出扭矩通常取靜扭矩M0=50 N·m.

在豎直運動過程中，因移動部件在垂直于Z軸的方向產生偏移量以及存在幾何偏差，故而形成的扭矩會在導軌上產生摩擦力。

假設最大的摩擦力為重力完全壓在立柱上產生的摩擦力

Fa1=μmg=0.01×2 000 kg×10 g/s2=200 N

μ為摩擦系數，為0.01（該系數的選取考慮重力不可能完全壓到立柱上，摩擦系數選取范圍內的較小值）；m為驅動重力，為2T；g為重力加速度，為10 m/s2.

伺服電機通過同步帶驅動絲杠副旋轉力矩變為直線推力F，當同步帶傳動比為i1=1時直線推力最小。

式中，P為絲杠導程；η為傳動效率，同步帶η1＝0.9，絲杠 η2＝ 0.9.

又因為推力方向不同，所要克服移動部件移動時產生的摩擦阻力以及重力的合力不同，所以當滑枕向上運動時推力向上：

有效推力Fz1=Fmin-f-mg=25 434 N-200 N-20 000 N=23 234 N當滑枕向下運動推力向下：

有效推力Fz2=Fmin-f+mg=25 434 N-200 N+20 000 N=28 234 N

有效推力大于負載。

2 關鍵結構介紹

2.1龍門式復合材料自動鋪絲設備中A/C/C12軸回轉裝置結構

由于自動鋪絲機是用于形狀復雜曲面型構件的制造，此回轉裝置是龍門式自動鋪絲設備中關鍵部件之一，可實現鋪絲頭在空間的任意角度旋轉姿態。具體結構如圖5所示。

圖5 A/C/C12軸回轉裝置結構圖

2.1.1結構形式

1）C軸電機及減速機固定在滑枕上，小齒輪安裝在C軸輸出軸上，大齒輪固定在C軸旋轉體上。

2）C12軸電機固定在A軸擺動體上，蝸輪與紗架聯接，紗架和鋪絲頭聯接。

3）A軸電機及減速機固定在C軸旋轉體一側，A軸擺動體通過軸承安裝在C軸回轉體上。

所設計的該回轉裝置，其中兩個小齒輪和大齒輪的嚙合采用齒輪消隙結構，如下圖6所示。

圖6 消隙齒輪機構

小齒輪1和小齒輪2通過螺釘1合并到一起安裝，且兩個齒輪之間裝有可以周向相對扭轉錯位的裝置，如圖6中所示松開螺釘1后，調整螺釘2使得斜面銷1沿斜面銷2實現周向轉動。兩個小齒輪與大齒輪的嚙合齒輪同時嚙合，嚙合時兩個小齒輪中的一個輪齒與大齒輪的受力面嚙合，而另外一個小齒輪與大齒輪的背面嚙合，這樣就實現了在正反轉傳動中無間隙。

4）液壓夾緊裝置如圖7所示，液壓夾緊裝置在停機狀態下，依靠碟簧的彈力始終讓A軸擺動體在某一位置保持不動，增加了設備的安全性。

具體結構如圖7所示：扇形夾緊片采用彈性很好的金屬制成，并固定在A軸擺動體上。限位塊固定在C軸旋轉體上。C軸旋轉體上開孔作為液壓油腔，油腔兩端安裝左右法蘭盤，液壓活塞桿安裝在左右法蘭盤上，并能夠左右移動。活塞桿上開油孔，可以保證液壓油通過油孔進入到油腔中。在活塞桿左部與左法蘭盤之間安裝碟簧。活塞桿右端和扇形夾緊片接近，并有間隙。工作狀態有兩種形式，一種是液壓油沒有壓力情況下，依靠碟簧的彈力讓活塞桿向右移動，從而使活塞桿的右端將扇形夾緊片夾緊到限位塊上，限制了A軸擺動體的轉動。另一種是液壓站工作，提供一定的壓力，液壓油通過活塞桿上的油孔進入到液壓油腔中，推動活塞桿壓縮碟簧向右移動，使得活塞桿右端離開扇形夾緊片，扇形夾緊片在自身的彈力作用下脫離限位塊，A軸擺動體即可繞A軸自由轉動[4]。

圖7 液壓夾緊裝置

2.1.2回轉裝置的運動原理

1）C軸電機及減速機帶動小齒輪（2件）和大齒輪旋轉，大齒輪帶動C軸旋轉體、A軸擺動體及紗架和鋪絲頭繞C軸旋轉，從而實現了鋪絲頭的C軸旋轉。如圖 8（b）所示。

2）C12軸電機通過齒形帶輪和齒形帶帶動蝸桿、蝸輪旋轉，從而帶動紗架和鋪絲頭旋轉，實現了鋪絲頭的C12軸旋轉。如圖8（c）所示。

3）A軸電機及減速機直接帶動A軸擺動體轉動，從而實現了紗架和鋪絲頭的v軸旋轉。如圖8（d）所示。

圖8 回轉裝置的運動原理圖

2.2紗架和鋪絲頭機構

紗架和鋪絲頭聯接到一起，解決了鋪絲過程中張力波動大、實時控制難度大問題，縮短并簡化了紗架中纖維絲束輸送至鋪絲頭的路徑。當鋪絲頭需要變角度鋪絲大型復雜構件時，纖維紗架與鋪絲頭一體化結構保證了纖維帶與鋪絲頭相對位置固定，有效防止了纖維帶由于旋轉帶來的扭曲及打捻。

2.2.1紗架

紗架包括收放卷機構和張力控制機構。

1）收放料卷機構

收放卷機構作為纖維輸送的起點，包括放料卷機構和收背襯紙機構，此機構的可靠性將直接影響纖維鋪放的順利進行。工作原理如圖9a）所示。

收背襯紙機構：為了防止預浸帶在纖維料卷上相互粘接，纖維預浸帶單面加有單層背襯紙將帶與帶隔離。在纖維輸送過程中，需要將背襯紙從預浸帶上剝離并收集。

2）張力控制機構

在鋪絲構成中每條絲束的路徑不同導致各個絲束的長短各異，張力控制機構保證了纖維絲束在輸送過程中不脫離輸送機構中的導輪槽。結構如圖9（b）所示：

（續下圖）

（接上圖）

圖9 收放卷工作原理圖和張力控制原理圖

2.2.2鋪絲頭機構

鋪絲頭機構由壓緊機構、剪切機構、輸送機構、夾持機構、重送機構和加熱機構等組成，如圖10所示。

圖10 鋪絲頭工作狀態

1）壓緊機構

壓緊機構主要由氣缸、連接架、稱重傳感器和壓輥組成。兩個氣缸固定在鋪絲頭支架上，連接架聯接氣缸活塞和壓輥，氣缸通過連接架將輸出的壓力傳遞給壓輥，壓輥將壓力作用到芯模上。壓輥的兩端安裝壓緊力檢測元件，用來檢測壓緊力的大小。

2）剪切機構

剪切機構是鋪絲頭中的重要功能部件之一，在纖維鋪放過程中，根據鋪絲工藝的要求，鋪絲頭可切斷任何一根纖維絲束。該動作由剪切機構通過控制系統指令自動完成。

同時為了保證剪斷之后的纖維帶便于后續的重送，要求斷面平整無毛刺。

3）輸送機構

為了減小輸送力及張力波動，每束纖維帶輸送時用多個滾動導輪規劃其輸送軌跡。導輪內部安裝軸承保證其轉動靈活，導輪材料用聚四氟乙烯，防止纖維帶粘接和磨損。導輪上開有凹槽，凹槽對輸送中的纖維起到限位作用。

4）夾持機構

夾持機構是實現纖維鋪絲順利進行的重要功能機構，在不停機剪切情況下，保證在剪切機構沒有工作前，纖維帶已被夾持，阻止纖維帶由于存在張力而在剪斷后出現回縮，防止后續纖維重送的失敗或降低重送精度。但是在重送時松開夾持機構。

5）重送機構

重送機構保證了鋪絲的連續性，是很關鍵的功能部件。此功能是在剪切完成后，松開夾持機構，啟動重送機構。

6）加熱機構

在鋪絲過程中，為了提高預浸帶層與層之間的粘結程度，防止出現脫層或粘接不牢，需要將已鋪絲層上表面加熱以增加樹脂的粘性。加熱機構就是為該過程提供熱源并根據工藝需要實時調整加熱溫度的裝置。

3 工裝夾具裝置

用來鋪絲的芯摸是按照飛機的零部件制作完成的，在自動鋪絲機鋪絲過程中，要將芯模安裝在一個可以驅動芯模繞E軸轉動的裝置。夾具裝置由轉臺、輔助支撐、后支撐及后支撐絲杠裝置組成，芯模放于該裝置中，手搖后支撐絲杠裝置，將芯模的前端送到轉臺內夾緊，轉臺驅動電機帶動轉臺及芯模繞E軸轉動。

4 龍門式復合材料自動鋪絲設備控制設計

系統選用西門子840DSL作為系統的控制核心，其接收來自CADCAM系統的軌跡運動指令，利用通道技術實現鋪絲頭的多軸聯動插補與鋪絲輔助運動的無縫集成與通訊。對于工藝過程的控制，包括張力、溫度的控制系統，施壓、夾緊等輔助動作，則由SIMATIC S7-300 PLC實現集成與控制。另外，SIMATIC S7-300 PLC還要實現自動鋪絲過程中的安全監控、安全防護等安全集成功能。最終用戶可通過連接在數字總線上HMI、控制面板、手持單元等實現自動鋪絲頭設備的人工操作與干預。

5 結束語

通過分析該設備平行軸的推力大小，驗證機構設計合理性。同時對關鍵結構、關鍵技術進行了介紹，為以后該類設備研發提供有力參考。

參考文獻：

[1]林 勝.自動鋪帶機、鋪絲機（ATL/AFP）-現代大型飛機制造的關鍵設備[J].相關產業，2009（3）：78-83.

[2]程光仁，施祖康，張超鵬.滾珠螺旋傳動設計基礎[M].北京：機械工業出版社，1987.

[3]支 勉，鄺連杰，滕桂君.一種擺動體回轉液壓夾緊機構.中國：0277237.3[P].2017-11-10.

[4]程 志，張 翔.基于西門子840D系統龍門軸同步控制技術應用[J].自動化與儀器儀表，2012，164（6）：103-104，108.