一种基于柔性压辊的自由曲面类零件的预浸带铺放轨迹规划方法

摘要

本发明提供的一种基于柔性压辊的自由曲面类零件的预浸带铺放轨迹规划方法，通过对自由曲面类零件预浸带铺放工艺过程中国铺放路径的合理规划，同时采用柔性压辊进行预浸带的铺贴，可以很好地适应自由曲面类零件的预浸带的铺放，解决了自由曲面类零件预浸带铺放难得问题。同时通过对柔性压辊接触压力值的调整，使得根据不同曲率的自由曲面类零件，预浸带复合材料可以产生不同的柔性压辊与自由曲面芯模之间的接触宽度值，以适应不同宽度预浸带的铺放，还能起到提高自由曲面类零件的预浸带铺放精度以及铺放效率。

权利要求

1.一种基于柔性压辊的自由曲面类零件的预浸带铺放轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，根据自由曲面类零件的预浸带的铺放要求设定预浸带铺放装置中的柔性压辊(5)与自由曲面芯模之间的接触压力值；

第二步，根据第一步设定的接触压力值，测量柔性压辊(5)与自由曲面芯模之间的接触宽度值；

第三步，设定自由曲面类零件的预浸带铺放轨迹的初始路径；

第四步，根据第二步所得的接触宽度值和自由曲面类零件的预浸带铺放轨迹的初始路径，确定下一次铺放路径的偏置距离和偏置方向；

第五步，根据第二步所得的接触宽度值，确定铺放所用预浸带的宽度；

第六步，将预浸带绕在柔性压辊(5)上，并通过预浸带铺放装置依照上述第一步～第五步进行铺放，直到预浸带完全铺贴在自由曲面芯模表面为止；

第七步，重复第一步～第六步，直至满足所要求的铺放层数；

其中，第二步中，接触宽度值的测量方法具体为：将柔性压辊(5)向自由曲面芯模方向靠近，测量柔性压辊(5)与自由曲面芯模之间的实际接触压力值，当测量到的实际接触压力值与第一步中设定接触压力值相等时，停止柔性压辊(5)向自由曲面芯模方向的移动并保持此状态不变，标记柔性压辊(5)与自由曲面芯模接触弧长的两端点位置，再测量接触弧长两端点之间直线段的长度，即为柔性压辊(5)与自由曲面芯模之间的接触宽度值；

第五步中，铺放所用预浸带的宽度等于第四步所得的偏置距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于柔性压辊的自由曲面类零件的预浸带铺放轨迹规划方法，其特征在于：第三步中，自由曲面预浸带铺放轨迹的初始路径具体是以所要铺放的自由曲面芯模的两长边中任一一长边的边界线作为初始路径。

3.根据权利要求1所述的一种基于柔性压辊的自由曲面类零件的预浸带铺放轨迹规划方法，其特征在于：第四步中，偏置方向的确定：偏置方向应垂直于初始路径，且朝向与初始路径相背离的方向；偏置距离的确定：铺放的偏置距离应小于柔性压辊(5)与自由曲面芯模之间的接触宽度值，且每次铺放时的偏置距离应相等。

4.根据权利要求1所述的一种基于柔性压辊的自由曲面类零件的预浸带铺放轨迹规划方法，其特征在于：第六步中，在铺放时要保证柔性压辊(5)的一侧边缘线始终与规划的路径重合，且在每一次铺放时，铺放的偏置距离应保持不变。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于柔性压辊的自由曲面类零件的预浸带铺放轨迹规划方法，其特征在于：所述柔性压辊(5)为具有弹性变形的实心或空心充气式结构。

6.根据权利要求5所述的一种基于柔性压辊的自由曲面类零件的预浸带铺放轨迹规划方法，其特征在于：所述预浸带铺放装置还包括第一压辊支架(1)、压辊衬筒(2)、第二压辊支架(3)和中心轴(4)，其中，压辊衬筒(2)套装在中心轴(4)上，柔性压辊(5)套装在压辊衬筒(2)上，第二压辊支架(3)设置有两个，且其一端固定在中心轴(4)的两端，另一端与第一压辊支架(1)通过固定连接。

7.根据权利要求6所述的一种基于柔性压辊的自由曲面类零件的预浸带铺放轨迹规划方法，其特征在于：压辊衬筒(2)为两端设有卡紧圆盘的空心圆柱结构，卡紧圆盘上固定安装有轴承端盖(7)，轴承端盖(7)与套装在中心轴(4)轴肩上的深沟球轴承(6)连接。

说明书

一种基于柔性压辊的自由曲面类零件的预浸带铺放轨迹规划

方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种复合材料预浸带铺放成型轨迹规划方法，特别是一种基于柔性压辊的自由曲面类零件的预浸带铺放轨迹规划方法。

背景技术

[0002] 随着人们逐步加深对复合材料构件优越性的认识，特别是在航空航天等高端技术产业领域较多的应用复合材料，对复杂形状铺放成型零件的要求变得日益强烈。先进复合材料的持续快速发展，其应用价值也日益显著。在提高航天产品技术性能方面，复合材料的应用优势不仅体现在作为轻质化的结构材料，可以在保证零件强度的前提下达到减重、节能的效果，更体现在作为满足各种应用需求的先进功能材料，代表了复合材料技术高层次发展的结构/功能一体化和多项功能一体化等高新技术。目前，我国目前正在大力发展载人航天、探月计划、大飞机、四代机、风力发电等高新科技工程，其中发动机壳体、喷管，大飞机机翼、机身，风力发电机叶片等大型不规则结构件需要复合材料成型工艺实现，这也对复合材料成型工艺与装备提出了更具挑战性的需求。因此对自由曲面构件的复合材料铺放成型工艺技术装备的研究就显得极为迫切和重要，对推动现代航天制造技术进步具有重要的现实意义和应用价值。

[0003] 预浸带铺放成型工艺过程可描述为首先将预浸带在预备机构中完成预浸带的张紧和预定形状的切割使之形成平行的预浸带；再将预浸带由加热装置加热到所需的工艺温度后由压辊将预浸带照预定的轨迹或路径以合适的速度铺贴到芯模表面。而现有的自由曲面类零件在铺放时，由于压辊与芯模的刚性接触使预浸带不能完全地贴合在芯模表面，同时对铺放时压辊的铺放轨迹没有合理的规划，造成自由曲面预浸带铺放质量差甚至无法铺放的问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种基于柔性压辊的自由曲面类零件的预浸带铺放轨迹规划方法，解决了现有的自由曲面类零件在铺放时，由于压辊与芯模的刚性接触使预浸带不能完全地贴合在芯模表面，同时对铺放时压辊的铺放轨迹没有合理的规划，造成自由曲面预浸带铺放质量差甚至无法铺放的问题。

[0005] 为了达到上述目的，本发明采用的技术方案具体如下：

[0006] 本发明提供的一种基于柔性压辊的自由曲面类零件的预浸带铺放轨迹规划方法，包括以下步骤：

[0007] 第一步，根据自由曲面类零件的预浸带的铺放要求设定预浸带铺放装置中的预浸带铺放装置中的柔性压辊与自由曲面芯模之间的接触压力值；

[0008] 第二步，根据第一步设定的接触压力值，测量柔性压辊与自由曲面芯模之间的接触宽度值；

[0009] 第三步，设定自由曲面类零件的预浸带铺放轨迹的初始路径；

[0010] 第四步，根据第二步所得的接触宽度值和自由曲面类零件的预浸带铺放轨迹的初始路径，确定下一次铺放路径的偏置距离和偏置方向；

[0011] 第五步，根据第二步所得的接触宽度值，确定铺放所用预浸带的宽度；

[0012] 第六步，将预浸带绕在柔性压辊上，并通过预浸带铺放装置依照上述第一步～第五步进行铺放，直到预浸带完全铺贴在自由曲面芯模表面为止；

[0013] 第七步，重复第一步～第六步，直至满足所要求的铺放层数。

[0014] 第二步中，接触宽度值的测量方法具体为：将柔性压辊向自由曲面芯模方向靠近，测量柔性压辊与自由曲面芯模之间的实际接触压力值，当测量到的实际接触压力值与第一步中设定接触压力值相等时，停止柔性压辊向自由曲面芯模方向的移动并保持此状态不变，标记柔性压辊与自由曲面芯模接触弧长的两端点位置，再测量接触弧长两端点之间直线段的长度，即为柔性压辊与自由曲面芯模之间的接触宽度值。

[0015] 优选地，第三步中，自由曲面类零件的预浸带铺放轨迹的初始路径具体是以所要铺放的自由曲面芯模的两长边中任一一长边的边界线作为初始路径。

[0016] 优选地，第四步中，偏置方向的确定：偏置方向应垂直于初始路径，且朝向与初始路径相背离的方向；偏置距离的确定：铺放的偏置距离应小于柔性压辊与自由曲面芯模之间的接触宽度值，且每次铺放时的偏置距离应相等。

[0017] 优选地，第五步中，铺放所用预浸带的宽度等于第四步所得的偏置距离。

[0018] 优选地，第六步中，在铺放时要保证柔性压辊的一侧边缘线始终与规划的路径重合，且在每一次铺放时，铺放的偏置距离应保持不变。

[0019] 优选地，所述柔性压辊为具有弹性变形的实心或空心充气式结构。

[0020] 优选地，所述预浸带铺放装置还包括第一压辊支架、压辊衬筒、第二压辊支架和中心轴，其中，压辊衬筒套装在中心轴上，柔性压辊套装在压辊衬筒上，第二压辊支架设置有两个，且其一端固定在中心轴的两端，另一端与第一压辊支架通过固定连接。

[0021] 优选地，压辊衬筒为两端设有卡紧圆盘的空心圆柱结构，卡紧圆盘上固定安装有轴承端盖，轴承端盖与套装在中心轴轴肩上的深沟球轴承连接。

[0022] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0023] 本发明提供的一种基于柔性压辊的自由曲面类零件的预浸带铺放轨迹规划方法，通过对自由曲面预浸带铺放工艺过程中铺放路径的合理规划，同时采用柔性压辊进行预浸带的铺贴，可以很好地适应自由曲面类零件的预浸带铺放，解决了自由曲面类零件预浸带铺放难得问题。同时通过对柔性压辊接触压力值的调整，使得根据不同曲率的自由曲面类零件，可以产生不同的柔性压辊与自由曲面芯模之间的接触宽度值，以适应不同宽度预浸带的铺放，还能起到提高自由曲面类零件的预浸带铺放精度以及铺放效率。

[0024] 进一步的，具有弹性变形的柔性压辊，保证了一定承受力，同时还保证了在力的作用下具有良好的变形能力，适用不同曲率的自由曲面类零件的铺放成型。

[0025] 进一步的，通过压辊衬筒对柔性压辊进行支撑并卡紧，保证了柔性压辊在工作时不发生相对线位移和角位移。

附图说明

[0026] 图1是铺放装置结构示意图；

[0027] 图2是铺放装置结构爆炸图；

[0028] 图3是中心轴结构示意图；

[0029] 图4是第二压辊支架结构示意图；

[0030] 图5是压辊衬筒结构示意图；

[0031] 图6是柔性压辊结构示意图；

[0032] 图7是接触宽度值示意图；

[0033] 其中，1、第一压辊支架 2、压辊衬筒 3、第二压辊支架 4、中心轴 5、柔性压辊 6、深沟球轴承 8、轴承端盖。

具体实施方式

[0034] 下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

[0035] 如图1、图2所示，本发明提供的一种基于柔性压辊的自由曲面类零件的预浸带铺放装置，包括第一压辊支架1、压辊衬筒2、第二压辊支架3、中心轴4、柔性压辊5、深沟球轴承6和轴承端盖7，其中，压辊衬筒2套装在中心轴4上，柔性压辊5套装在压辊衬筒2上，在安装时，要保证柔性压辊5、压辊衬筒2和中心轴4的径向中截面相重合。

[0036] 同时，深沟球轴承6的一端与中心轴4上的轴肩配合连接，其另一端通过轴承端盖7压紧，保证在工作时，深沟球轴承6不发生轴向移动。

[0037] 轴盖端盖7套装在中心轴4上，并且通过内六角螺栓固定安装在压辊衬筒2的端部。

[0038] 第二压辊支架3的一端固定在中心轴4的两端，另一端与第一压辊支架1通过内六角螺母固定连接。

[0039] 如图3所示，中心轴4的两端均为平头圆轴。

[0040] 如图4所示，第二压辊支架3的一端面上开设有与第一压辊支架1固定连接的螺纹孔，另一端的侧面上开设有与中心轴4的平头圆轴固定的配合孔。

[0041] 如图5所示，压辊衬筒2为两端设有卡紧圆盘的空心圆柱结构，轴承端盖7固定安装在压辊衬筒2两端的卡紧圆盘上；同时，压辊衬筒2的作用是支撑并卡紧柔性压辊5，保证其工作时不发生相对线位移和角位移。

[0042] 如图6所示，柔性压辊5可以为实心结构也可以内部为空心充气结构，当为内部充气结构时，柔性压辊5的一侧面有充气孔，整个柔性压辊的形状为圆柱状。柔性压辊5是由橡胶材料、树脂材料或塑料等具有良好弹性变形的非金属材料制备而成，保证能承受一定的压力，同时在力的作用下具有良好的变形能力；整个柔性压辊机构在工作时，中心轴4保持静止不动，压辊衬筒2、柔性压辊5、深沟球轴承6和轴承端盖7共同相对于中心轴4做回转运动，同时，柔性压辊5与自由曲面芯模8相接触。

[0043] 一种基于柔性压辊的自由曲面类零件的预浸带铺放轨迹规划方法，包括以下步骤：

[0044] 步骤1：根据预浸带复合材料的成型要求设定预浸带铺放装置中的柔性压辊5与自由曲面芯模8之间的接触压力值,预浸带复合材料的成型要求主要指预浸带的层间结合强度、纤维体积含量和孔隙率；

[0045] 步骤2：根据步骤1设定的接触压力值，测量在该接触压力作用下柔性压辊5与自由曲面芯模8之间的接触宽度值；

[0046] 具体的测量方法：将柔性压辊5向自由曲面芯模8方向靠近，通过设置在自由曲面芯模8上的压力传感器测量柔性压辊5与自由曲面芯模8之间的实际接触压力值，当测量到的实际接触压力值与步骤1中设定的接触压力值相等时，停止柔性压辊5向自由曲面芯模8方向的移动并保持此状态不变，用颜色笔标记柔性压辊5与自由曲面芯模8接触弧长的两端点位置，如图7所示，再用游标卡尺测量接触弧长两端点之间直线段的长度，即为柔性压辊与自由曲面芯模8之间的接触宽度值。

[0047] 步骤3：设定自由曲面类零件的预浸带铺放轨迹的初始路径，具体方法：以所要铺放的自由曲面芯模的两长边中任一一长边的边界线作为初始路径。

[0048] 步骤4：根据步骤2所确定的柔性压辊5与自由曲面芯模8的接触宽度值和自由曲面类零件的预浸带铺放轨迹的初始路径，确定下一次铺放路径的偏置距离和偏置方向。

[0049] 其中，偏置方向的确定：偏置方向应垂直于初始路径，且朝向与初始路径相背离的方向；

[0050] 偏置距离的确定：铺放的偏置距离应小于柔性压辊5与自由曲面芯模8之间的接触宽度值，且每次铺放时的偏置距离应相等；

[0051] 步骤5：根据柔性压辊5与自由曲面芯模8之间的接触宽度值确定铺放所用预浸带的宽度：所选择预浸带的宽度应等于步骤4所设定的偏置距离。

[0052] 步骤6：将预浸带绕在柔性压辊5上，并通过预浸带铺放装置依照上第一步～第五步进行铺放，在铺放时要保证柔性压辊5的边缘线始终与规划的路径重合，且每一次铺放时，铺放的偏置距离应保持不变；直到预浸带完全铺贴在自由曲面芯模表面为止。

[0053] 步骤7：重复第一步～第六步，直至满足所要求的铺放层数。

[0054] 有益效果：

[0055] 本发明通过对自由曲面类零件的预浸带铺放工艺过程中铺放路径的合理规划，采用柔性压辊进行预浸带的铺贴，可以很好地适应自由曲面类零件的预浸带铺放，解决了自由曲面类零件预浸带铺放难得问题。同时通过对柔性压辊和自由曲面芯模之间的接触压力值的调整，可以产生不同的压辊与芯模接触宽度，以适应不同宽度预浸带的铺放，还能起到提高自由曲面类零件预浸带铺放精度以及铺放效率。

[0056] 实施例

[0057] 步骤1：首先设定柔性压辊与自由曲面芯模之间的接触压力值为100N，柔性压辊充气压力设定为1MPa；当柔性压辊内的充气压力越大，在同样的接触压力条件时，柔性压辊与自由曲面芯模的接触宽度就小；

[0058] 步骤2：根据步骤1设定的柔性压辊接触压力值，测量接触压力作用下柔性压辊与自由曲面芯模之间的接触宽度。

[0059] 具体的测量方法为将柔性压辊向自由曲面芯模方向靠近，通过压力传感器测量柔性压辊与自由曲面芯模之间的接触压力值，当接触压力值与设定的柔性压辊接触压力值相等时，停止柔性压辊的向芯模方向的移动并保持此状态不变，用颜色笔标记柔性压辊与自由曲面芯模接触弧长的两端点位置，再用游标卡尺测量接触弧长两端点之间直线段的长度，即为柔性压辊与自由曲面芯模之间的接触宽度值。最终得到柔性压辊5与自由曲面芯模8之间的接触宽度值22.5mm。

[0060] 步骤3：确定自由曲面类零件的预浸带铺放轨迹的初始路径：以自由曲面芯模左长边界线作为初始路径。

[0061] 步骤4：根据步骤2所确定的柔性压辊5与自由曲面芯模8的接触宽度值，确定下一条铺放路径与初始路径的偏置距离和偏置方向。

[0062] 偏置方向为与左长边界线垂直向右的方向，偏置距离为20mm。

[0063] 步骤5：将柔性压辊从初始路径的起点开始沿着初始路径进行铺放，在铺放时要保证柔性压辊的一侧边缘线始终与规划的路径重合。

[0064] 步骤6：根据柔性压辊与自由曲面芯模8之间的接触宽度值确定铺放所用预浸带的宽度：选择预浸带的宽度为20mm。

[0065] 步骤7：将预浸带绕在柔性压辊5上，依照上述步骤1～步骤6进行铺放，直到预浸带完全铺贴在自由曲面芯模表面为止。

[0066] 步骤8：重复步骤1～步骤:7，直至满足所要求的铺放层数。