6自由度自動纖維鋪放成型機設計與研究＊

曹忠亮 林國軍 郭登科 曹清林

（①齊齊哈爾大學機電工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161001；②江蘇理工學院機械工程學院，江蘇 常州 213000）

復合材料作為一種先進材料，具有非常廣闊的發展空間。先進復合材料具有質量輕、比強度高、耐高溫和耐腐蝕等一系列優點，被廣泛應用到航空航天、國防裝備及能源開發等領域，并推動了相關工業領域的快速發展[1]。隨著各個工業領域所需的復合材料構件的大型化、復雜化需求的不斷提升，針對復合材料自動鋪放成型機的研究成為了當下研究的熱點課題[2-3]。復合材料自動鋪放成型機具有自動化程度高和鋪放效率高等諸多優點，其在工業領域的應用極大地提升了產品的質量。但是，受到復合材料纖維絲/帶尺寸及芯模表面的復雜曲率等因素的影響，對于曲率復雜的復合材料構件的制造還存在一定困難[4-5]。研發具有多自由度、自動化系統的復合材料自動鋪放成型機已成為當下亟待解決的問題，這對于提升我國在復合材料制造領域的水平具有重要意義。針對復合材料自動鋪放成型機的研發，國內外相關領域的科研人員在進行不斷地嘗試與創新。國外在上世紀60 年代開始實現了從人工輔助鋪放到自動鋪放的轉型。到了上世紀90年代，歐美發達國家的自動鋪放技術在設備、軟件研發、鋪放工藝及行業標準等方面都得到了快速發展[6-7]。相較國外而言，我國針對自動鋪放成型技術的研究在20 世紀90 年代才開始。我國目前所研發的復合材料自動鋪放成型設備商業化應用比例較低，但是已逐步走向成熟[8-9]。例如：南京航空航天大學、浙江大學、哈爾濱工業大學和西安交通大學等單位是目前研究自動鋪絲技術的主要科研單位。南京航空航天大學自2000 年就開始了自動鋪絲設備的研制及相關技術的研究，并于2005 年完成了國內首臺自動鋪絲原理樣機和CAD/CAM 軟件原型的研制。西安交通大學參與研制的紗架與鋪絲頭一體式鋪絲機，一體式鋪絲頭可適用于龍門式鋪放設備和機器人式鋪絲機，作業時具有穩定性好、工作效率高等優點。哈爾濱工業大學富宏亞教授課題組于2000 年成功研制了六軸聯動數控纏繞機，纏繞機的關鍵技術已經達到該領域的國際水平，這也標志著我國在復合材料纏繞技術領域的研究取得巨大進展[10]。

本文針對鋪放機進行系統的功能分析，根據各個機構的功能需求進行結構設計。機械臂的設計滿足6 自由度鋪放需求，鋪放頭的設計包括剪切夾緊機構設計、重送機構設計、加熱機構設計、壓緊機構設計和導紗系統設計，根據所設計的鋪放設備闡述鋪放頭的工作原理。利用SolidWorks 軟件建立自動纖維鋪放成型機的三維模型，基于自動纖維鋪放成型機的三維模型，用ABAQUS 軟件對自動鋪放頭進行靜力學分析及模態分析，判斷設計方案的合理性。利用SolidWorks motion 對本文設計的6 自由度自動纖維鋪放成型機進行運動學仿真，得到其運動軌跡和鋪放頭與機械臂連接處的速度及加速度變化曲線圖，分析仿真結果，驗證6 自由度纖維鋪放成型機設計的合理性。

1 6 自由度自動纖維鋪放成型機功能分析及結構設計

1.1 自動纖維鋪放成型機的功能分析

本文研究的6 自由度自動纖維鋪放成型機，鋪絲頭和機械臂是分離的，機械臂起承載運動的功能?；谧詣愉伔艡C的功能需要，確定選擇庫卡公司的KR240 R3330 型號工業機器人的技術參數為標準，作為本文6 自由度自動纖維鋪放成型機運動仿真所需試驗數據。圖1 為本文研究6 自由度機械臂的構成形式。表1 所示為KR240 R3330 型號工業機器人的主要參數。

圖1 用于纖維鋪放的機械臂本體

表1 工業機器人KR240 R3330 主要技術參數

鋪放頭主要包含導紗機構、襯紙回收機構、夾緊機構、重送機構、加熱機構、剪切機構和壓緊機構等。與紗架系統外置的鋪放設備不同，在紗架一體式鋪放頭中，復合材料纖維在鋪放頭中完成導紗、剪裁、加熱、加壓、剪切、鋪放和回收襯紙等完整的鋪放動作。由圖2 中可以看出，在進行纖維鋪放作業時，纖維絲束經過鋪放頭中的各個機構到達壓輥處，通過壓緊機構鋪放到芯模表面，并與其緊密貼合。所以，鋪放頭結構的緊湊性、協調性及精準性成為影響鋪放質量的重要因素。

圖2 自動鋪放頭的工作原理示意圖

1.2 自動纖維鋪放頭結構設計

1.2.1 導紗系統結構設計

導紗系統應該以結構緊湊、絲束路徑簡捷、張力控制精準為目標，進行一體化設計。圖3 為導紗系統結構圖。纖維絲束由紗架軸導出后，經過紗架軸附近的導向軸作用，傳遞至與法蘭盤相連的連接板導向槽，纖維絲束通過導向槽進入楔形體內的絲束通道，經過重送機構、夾剪機構和加熱機構，最后到達壓輥處。

圖3 導紗系統結構圖

紗架軸由電機控制，進而控制纖維絲束料卷的放出。導紗系統設定的鋪放速度為10 m/min，鋪放絲束數目為4 束，纖維絲束張力為10～40 N。當設定纖維絲束最大張力為40 N 時，纖維絲束料卷最大半徑為120 mm 時，此時需要電機具有最大轉矩：

為滿足紗架軸機構的放料要求，電機選擇華大邁信的型號為110SG-M06020的伺服電機，其額定轉矩為6 N·m，額定轉速為2 000 r/min。

襯紙回收機構由電機直接控制進行襯紙的主動回收。為保證襯紙順利回收并對鋪放系統的纖維傳導不造成傷害，選擇型號為130LYX02的力矩電機。襯紙回收機構所承受負載來自于纖維絲束與薄膜分離時所產生的拉力，該拉力小于0.5 N。當回收軸半徑由開始的R1=35 mm 達到最大R2=120 mm 時，力矩電機輸出最大扭矩為Tmax=F×R回max=0.06 N·m，力矩電機初始轉速N始=V/2πR1=45 r/min，力矩電機最終轉速N終=V/2πR2=13 r/min。通過計算分析可知該力矩電機本能夠提供穩定的輸出扭矩，并且力矩電機可以在高負載、轉子無法轉動狀態下繼續運行，且不會對電機本身造成損壞。

1.2.2 夾剪機構設計

所設計的夾剪裝置如圖4 所示，包括剪切刀、夾緊塊、連接桿、彈簧和驅動氣缸。夾緊塊和剪切刀為一體裝配成型整體結構，整個夾剪機構僅需要一個驅動氣缸即可實現對兩者的共同控制。

圖4 夾剪裝置結構圖

氣缸是夾剪機構工作的動力源，雙作用氣缸的理論推力由缸徑和工作壓力的大小共同決定。常見的T300 碳纖維/環氧樹脂預浸絲束所需剪切力約為10.6 N，根據需求，初步選擇FESTO的ADN-12-15-A-P-A 型號氣缸，其缸徑D=12 mm，行程L=15 mm。當工作壓力為P=0.6 MPa 時，氣缸的最大理論推力為：

1.2.3 重送機構設計

重送機構中重送軸凸起部分與楔形體上的絲束通道寬度相契合，這樣能夠與重送輪更好地完成重送作業。重送軸位于楔形體內，由伺服電機進行控制，重送輪位于重送軸對側，其伸縮運動由驅動氣缸進行控制，重送輪為從動機構。圖5 為重送裝置結構圖。

圖5 重送裝置結構圖

當重送機構工作時，此時的紗架軸停止轉動，纖維絲束依靠摩擦力的作用向前運動。紗架軸通過伺服電機來實現放卷的張力控制，當伺服電機轉軸從動的情況下其阻力扭矩約為0.037 5 N·m，所以紗架軸所提供的重送阻力為：

在實際工作中，纖維絲束與絲束通道之間存在摩擦，所以實際的重送阻力高于1 N，因此當工作效率為η=2 時，實際重送阻力為2 N。在室溫為23 ℃情況下，碳纖維/環氧樹脂纖維絲束與重送軸之間的摩擦系數為0.28。重送輪作為從動輪在提供壓力的同時，纖維絲束與重送輪之間的靜摩擦力讓其自由轉動。在理想狀態下，定摩擦系數為μ=0.150，所以需要重送輪的驅動氣缸提供的壓力約13.5 N。上文所選用的夾剪機構的氣缸完全符合驅動要求。受鋪放頭空間結構的影響，重送軸電機在滿足2 路絲束重送的要求下，具有緊湊特點的電機成為首選。重送機構選用華大公司生產的60SG-M00630 型號電機，額定轉矩為0.637 N·m，滿足重送需求。

1.2.4 加熱機構設計

纖維絲束被加熱后具有一定的粘性，能夠粘附于芯模構件表面，冷卻后形成復合材料構件。本文選擇紅外線加熱器為加熱源，保護罩為具有五面的長方體結構，在保護加熱燈管不受損害的同時使熱量朝向纖維絲束，使纖維絲束受熱面積集中。如圖6 所示為加熱機構結構圖。

圖6 加熱機構結構圖

1.2.5 壓緊機構設計

纖維鋪放機預實現4 路纖維絲束的同時鋪放，絲束寬度為6.35 mm，壓輥為單個滾輪，同時對所有纖維絲束進行壓實。實際操作中，纖維絲束之間會存在一定間隙，所以設計壓輥的寬度為26 mm，壓輥直徑為60 mm。圖7 為壓緊機構結構圖。纖維絲束由紗架軸導出，通過加熱機構加熱后再由導紗系統傳至芯模表面，此時壓輥在驅動氣缸的作用下把纖維絲束壓實在芯模表面。

圖7 壓緊機構結構圖

設鋪放過程為理想狀態，故芯模的中心與壓實系統在同一直線上，所以壓實系統給芯模的壓力與驅動氣缸所提供的總推力相等，即F推=F壓。本文設定鋪放壓力為100～700 N，在選擇氣缸時需要留有余量，所以氣缸推力F推=1 000 N，本文以4 個氣缸為壓緊機構驅動源，則每個氣缸的推力為250 N。因此選擇型號為MDBL32-100的SMC 氣缸，該氣缸使用壓力P=0.4 MPa，推出時受壓面積S1=804 mm2，回收時受壓面積S2=691 mm2，則推出時理論輸出力Fout=P×S1=321.6 N，回收時理論輸出力Fin=P×S2=276.4 N。通過計算可知，4 個氣缸共同輸出力為Fmax=1 286.4 N，故Fmax＞F推，所以該氣缸滿足要求。

1.2.6 6 自由度自動纖維鋪放成型機整體結構圖

6 自由度自動纖維鋪放成型機主要由機械臂和鋪放頭組成。上文針對鋪放頭中的夾剪、重送、加熱、壓緊等機構分別進行了設計，建立了相應機構的三維模型，圖8 為裝配完成后的自動纖維鋪放頭。圖9 為6 自由度自動纖維鋪放成型機虛擬樣機。

圖8 鋪放頭工作原理圖

圖9 6 自由度自動纖維鋪放成型機虛擬樣機

2 自動纖維鋪放成型機結構有限元分析

2.1 鋪放頭結構靜力學分析

鋪放頭是鋪放成型機中的核心部件，纖維絲束在鋪放頭的作用下與芯模貼合，形成復合材料構件。當鋪放機在工作時，壓緊機構對加熱后的纖維絲束提供100～700 N的鋪放壓力，該壓力作用于鋪放頭壓輥處，其工作情況示意圖如圖10 所示。從圖中可以知道，當鋪放機處于靜態平衡狀態時，鋪放壓力反作用于壓緊機構。

圖10 鋪放頭結構受力示意圖

本節分析了兩種不同工況下鋪放頭的應力、應變情況，分別在鋪放頭壓輥處施加100 N、700 N的鋪放壓力。如圖11 所示為不同鋪放壓力情況下鋪放頭的應力、應變情況。

圖11 不同鋪放壓力情況下鋪放頭的應力、應變情況

對鋪放頭靜力分析的結果表明，鋪放頭受到700 N的壓力時，鋪放頭壓輥處所承受的應力、應變最大。根據2024 合金材料的屈服極限和強度極限可知，兩種工況下的鋪放頭所受的最大應力均小于材料的屈服極限。因此，鋪放作業的精度可以得到保證。

2.2 鋪放頭結構模態分析

本節利用ABAQUS 軟件對鋪放頭結構進行模態分析，得到了鋪放頭的前四階固有頻率（如表2所示）及模態振型圖（如圖12 所示），為鋪放頭動力學仿真奠定了基礎。

表2 鋪放頭前四階固有頻率

從表2和圖12 中可以看出，鋪放頭的固有頻率及振型隨著各階振型的變化而不斷變化。鋪放頭裝配體的最大振幅主要集中于鋪放頭壓輥處，主要承受來自鋪放作業時的外部激振力頻率。因此在不改變鋪放頭自身結構參數的情況下，需要考慮避免鋪放頭內部電機激振頻率及外部激振力的激振頻率，從而延長鋪放頭的使用壽命。

圖12 鋪放頭模態振型圖

3 自動纖維鋪放成型機運動仿真分析

基于SolidWorks Motion 對所設計的纖維鋪放成型機進行運動仿真分析。首先，對纖維鋪放成型機進行建模。其次，對各個零件之間的連接方式進行設置，并賦予虛擬樣機中各個零件材料及外觀。最后，對仿真結果進行后處理，繪制曲線圖和輸出運動仿真裝配圖。為了實現自動纖維鋪放成型機的鋪放動作，在鋪放機壓輥處添加了線性驅動，在芯模上添加旋轉驅動。虛擬樣機運動仿真圖如圖13 所示。

圖13 虛擬樣機運動仿真裝配圖

在Motion 中提交作業，計算完成之后，得到了鋪放作業時壓輥在芯模構件表面所行走的軌跡，如圖14 所示。

圖14 芯模表面的鋪放軌跡

6 自由度自動纖維鋪放成型機各個部分及零件無干涉狀況下，以鋪放作業時機械臂與鋪放頭連接處作為研究對象，得到其角位移、角速度及角加速度曲線圖，如圖15 所示。觀察其曲線的變化規律，能夠看出在一定參數下芯模的基本運動數據。

由圖15 可以看出，纖維鋪放成型機的運動分為兩個階段，即加速階段和減速階段。當t=7.5 s 時，鋪放機處于芯模中間位置時，角位移為0°，以中間位置為中線，左右角位移均為12°，所以鋪放機完成一次纖維鋪放作業走過的角度為24°，小于機械臂最大旋轉角度，符合鋪放要求。另外，根據其角速度變化曲線可知，當t=7.5 s 時，鋪放頭移動速度最快，速度值為13°/s。同時，加速度值最小。

圖15 鋪放頭與機械臂連接處運動狀況

通過對鋪放頭與機械臂連接處的速度和加速度的結果分析可知，機械臂帶動鋪放頭在一條水平線上做變速運動，由此可以掌握鋪放機實際工作中機械臂及鋪放頭速度變化規律，為其在鋪放作業時的初始位置和終止位置的姿態設計提供依據。另外，根據鋪放頭轉動的快慢可以調節鋪放頭內各個機構之間控制參數的設置提供依據，從而可以更高質量地完成鋪放作業。

4 結語

（1）對6 自由度自動纖維鋪放成型機進行了設計。基于復合材料自動鋪放成型機運行原理，提出了6 自由度纖維鋪放成型機虛擬樣機的設計方案，利用SolidWorks 軟件建立了其虛擬樣機參數化模型，并對其結構的組成及工作原理進行了分析。

（2）基于所設計的6 自由度自動纖維鋪放成型機進行有限元仿真分析。利用ABAQUS 軟件對鋪放頭進行有限元分析，得出了其最大形變范圍及所承受的最大應力，還有其模態振型，驗證了所設計結構的穩定性及可靠性，滿足了設計要求。

（3）基于所設計的6 自由度自動纖維鋪放成型機進行運動學仿真分析。利用SolidWorks Motion軟件對其進行剛體運動學仿真分析，通過對機構的參數化設定，得到其運動規律曲線，分析其仿真結果，表明了所設計的6 自由度復合材料自動鋪放成型機的合理性。