【摘要】：本文以復(fù)合材料機(jī)器人平臺(tái)自動(dòng)鋪放為工程背景,為滿足高效鋪放的應(yīng)用需求,針對(duì)類(lèi)轉(zhuǎn)體構(gòu)件的雙工位協(xié)作鋪絲方案及后置處理算法的設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究。分析了離線編程下協(xié)作鋪絲機(jī)器人平臺(tái)的軌跡分配及縱向進(jìn)給的適應(yīng)配合;并且實(shí)現(xiàn)了多個(gè)附加軸與機(jī)器人平臺(tái)的聯(lián)動(dòng)功能,為開(kāi)發(fā)協(xié)作鋪放雙工位工作站的離線編程系統(tǒng)奠定了理論基礎(chǔ)。主要研究工作如下:首先提出了模具整體軌跡的雙頭鋪放分配方案。分析了機(jī)器人自動(dòng)鋪絲平臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成,詳細(xì)分析了六軸工業(yè)機(jī)器人的有效工作空間,以此進(jìn)行雙機(jī)器人系統(tǒng)布局分析并確定了旋轉(zhuǎn)主軸位置。以機(jī)器人平臺(tái)可達(dá)空間作為約束條件,通過(guò)夾角控制對(duì)鋪絲軌跡進(jìn)行配對(duì)。得到完整模具的軌跡分配方案后,將CAD軟件生成的鋪放模具信息轉(zhuǎn)化成機(jī)器人角度的加工文件。其次以縱向進(jìn)給步長(zhǎng)為約束完成兩條軌跡鋪放速率的協(xié)調(diào),從而實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)鋪絲機(jī)器人作業(yè)的時(shí)間同步效果。然后研究機(jī)器人執(zhí)行程序求解所需要的末端坐標(biāo)系位姿計(jì)算方法,并簡(jiǎn)單介紹KUKA機(jī)器人執(zhí)行程序的輸出格式。再次針對(duì)附加擴(kuò)展軸的后置處理,分別設(shè)計(jì)擴(kuò)展平移底座和旋轉(zhuǎn)主軸的多重處理算法。針對(duì)導(dǎo)軌滑臺(tái)的平移后處理,本文確定以手軸交點(diǎn)為參考因子的連續(xù)式定位逆解算法相對(duì)加工效率更高,更具有實(shí)用性。而后研究以旋轉(zhuǎn)主軸為主動(dòng)軸,兩側(cè)機(jī)器人做配合運(yùn)動(dòng)的協(xié)作法以及以凹面鋪放機(jī)器人鋪放姿態(tài)為主要優(yōu)化因素的主從法�？紤]到鋪放平臺(tái)的普適性,確定以手軸交點(diǎn)為參考因子的協(xié)作法作為本文的主軸后處理算法。最后對(duì)主軸的后置處理算法進(jìn)行優(yōu)化處理,以消除主軸旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)�；谔摂M仿真環(huán)境下,在雙工位仿真系統(tǒng)中對(duì)工程中常見(jiàn)的復(fù)合材料鋪層進(jìn)行仿真,驗(yàn)證后置處理算法的可行性。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TB33
【圖文】：

力結(jié)構(gòu)和次承力結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，其纖維體積含量通常大于 50%[1-3]。ACM 具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗疲勞、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是其性能具有可設(shè)計(jì)性、可實(shí)現(xiàn)整體化成型，不僅可以明顯降低零部件和連接件的數(shù)量，同時(shí)也使整個(gè)結(jié)構(gòu)更加可靠[4-6]�；谏鲜鰞�(yōu)良特性，先進(jìn)復(fù)合材料從起先應(yīng)用于航空航天高端范圍到而今已經(jīng)被應(yīng)用到了交通、體育等日常領(lǐng)域[7-13]。先進(jìn)復(fù)合材料在飛行器上的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入成熟應(yīng)用期，航空構(gòu)件中先進(jìn)復(fù)合材料的用量已成為判斷其先進(jìn)性的關(guān)鍵性因素[10,12]。標(biāo)志著目前飛機(jī)制造先進(jìn)水平的 B787 和 A350XWB 的材料組成如圖 1. 1 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，二者的復(fù)合材料用量已經(jīng)分別達(dá)到了其結(jié)構(gòu)重量的50%和 52%。復(fù)合材料的成本來(lái)源主要包括設(shè)計(jì)成本、材料成本和加工成本三部分，其中加工成本占到總成本的 70%~80%[14,15]，因此低成本制備技術(shù)和制備技術(shù)的優(yōu)化是目前復(fù)合材料的研究重點(diǎn)。美國(guó)制定并實(shí)施了許多低成本復(fù)合材料研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃，這些計(jì)劃的主要目的都是降低復(fù)合材料的加工成本并提高生產(chǎn)效率[16]。目前已經(jīng)常用的復(fù)材加工技術(shù)包括自動(dòng)鋪放、纏繞、拉擠、縫合、編織等，其中復(fù)合材料低成本制造技術(shù)的自動(dòng)化和數(shù)字化成為研究重點(diǎn)，該技術(shù)可以有效降低復(fù)材生產(chǎn)的成本[17]。近年來(lái)，自動(dòng)鋪放技術(shù)逐漸得到大力發(fā)展與應(yīng)用，其中自動(dòng)鋪絲技術(shù)（AFP）可以實(shí)現(xiàn)預(yù)浸料的變寬度鋪放[18]與變角度鋪放（Fiber Steering），可以用于鋪放曲率變化較大的復(fù)雜構(gòu)件。

類(lèi)回轉(zhuǎn)體構(gòu)件雙頭鋪絲后處理技術(shù)研究采用較窄的預(yù)浸帶對(duì)小曲率壁板如機(jī)翼蒙皮、大尺寸機(jī)身壁板等部件進(jìn)來(lái)看，鋪帶設(shè)備分為龍門(mén)式和臥式兩種，分別用于鋪放不同曲率的構(gòu)件板和翼面類(lèi)構(gòu)件的鋪放成型，臥式主要用于大曲率構(gòu)件及回轉(zhuǎn)體構(gòu)件鋪[21]。相對(duì)于自動(dòng)鋪絲和手糊成型，自動(dòng)鋪帶的成型效率最高，但應(yīng)用范限制[22]。絲技術(shù)綜合了自動(dòng)鋪帶和纖維纏繞技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，鋪絲頭將多根預(yù)浸窄帶在芯模表面，加熱軟化預(yù)浸紗并壓實(shí)定型。自動(dòng)鋪絲工藝可以根據(jù)實(shí)際預(yù)浸窄帶的根數(shù)，更加適合于具有不規(guī)則外形和邊界的大尺寸制件的成自動(dòng)鋪絲成型技術(shù)的研究起步較早，并且已經(jīng)成功將該項(xiàng)技術(shù)推廣到工. 2 自動(dòng)鋪絲成型技術(shù)典型應(yīng)用所示的是機(jī)身、翼身融合體、S 進(jìn)氣道、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

(a) Coriolis 機(jī)器人鋪絲設(shè)備 (b) ADC 公司 AFP/ATL -0510圖 1. 3 各公司自動(dòng)鋪絲機(jī)器人實(shí)物圖國(guó)內(nèi)面向該工藝的研究較國(guó)外晚近 20 年，作為國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展鋪絲機(jī)相關(guān)技術(shù)探索的南京空航天大學(xué)，接連成功研發(fā)出了 16、24 絲束臥式鋪絲機(jī)和 8 絲束鋪絲機(jī)器人，并對(duì)傳紗路徑預(yù)浸料分切以及鋪絲路徑規(guī)劃算法進(jìn)行了深入研究和優(yōu)化，與應(yīng)用單位合作完成對(duì)多種驗(yàn)證的工藝性探索[23-25]，并且將自動(dòng)鋪絲技術(shù)向工程應(yīng)用方面進(jìn)行推廣，與多家單位進(jìn)行合作完了飛機(jī)翼梁、S 進(jìn)氣道和飛機(jī)尾錐壁板等的試制，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)鋪絲技術(shù)的工程應(yīng)用。1.2 多機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制1.2.1 多機(jī)器人加工中心的國(guó)內(nèi)外研究情況在早期機(jī)器人技術(shù)研究中，研究人員致力于在單機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)解決方案、結(jié)構(gòu)特和控制方案等方面開(kāi)展研究。隨著關(guān)于機(jī)器人相關(guān)交叉技術(shù)研究的越發(fā)深入，目前單機(jī)器人加工性能以及控制技術(shù)得到了極大提高，尤其是魯棒性和可靠性的提升，使得單機(jī)器人系統(tǒng)經(jīng)能夠獨(dú)立的完成一些簡(jiǎn)單的加工任務(wù)。但是在執(zhí)行實(shí)際生產(chǎn)中可能需要并發(fā)進(jìn)行、相對(duì)較復(fù)雜的任務(wù)時(shí)，單個(gè)機(jī)器人的工業(yè)應(yīng)用往往顯得力不從心[26]。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2799216