【摘 要】
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纤维铺放设备是实现复合材料铺层自动化成型、提高铺层质量的重要基础,而纤维铺放CAM（Computer Aided Manufacturing）技术能显著提高自动铺放工艺的效率。本文针对航天领域的星载复合材料天线反射面板的制造需求,将围绕机器人多丝束铺丝头、自动铺丝CAM软件展开研究,旨在实现复合材料天线反射面铺层的工艺自动化。本文在工业机器人平台的基础上,设计了适用于热塑、热固多种材料的四丝束纤维
【基金项目】
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中国空间技术研究院某厂自主研发项目；
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纤维铺放设备是实现复合材料铺层自动化成型、提高铺层质量的重要基础,而纤维铺放CAM（Computer Aided Manufacturing）技术能显著提高自动铺放工艺的效率。本文针对航天领域的星载复合材料天线反射面板的制造需求,将围绕机器人多丝束铺丝头、自动铺丝CAM软件展开研究,旨在实现复合材料天线反射面铺层的工艺自动化。本文在工业机器人平台的基础上,设计了适用于热塑、热固多种材料的四丝束纤维铺放头。其中机械部分主要包括集成式纱架、预浸带输送剪切及施压装置、加热及冷却装置,设计完成的铺放头总重量小于80kg,最短铺放距离压缩到了130mm以内。电气控制部分将铺放头逻辑控制、张力控制在集成到下位机中;通过设计辅助功能指令实现机器人数控系统与铺放头控制系统的同步。随后对铺放头进行了装配和铺放试验,结果表明该设备的精度和可靠性满足铺放要求。在铺放路径生成算法方面,根据现有的定角度、等距偏置理论基础,设计了适用于CAD曲面的路径生成算法。通过分析开源CAD内核Open CASCADE中对曲面模型的表达方式和数据结构,设计了适用于拼接曲面片CAD模型的定角度路径和等距偏置路径生成算法,并解决了跨面片路径生成问题;利用路径两侧的测地线离散点数据,计算出纤维路径的特征点;在已生成的路径和关键点的基础上,对机器人铺放设备进行坐标计算,设计并生成了完整轨迹。在上述铺丝轨迹生成算法的基础上,采用C++语言基于Qt框架和Open CASCADE开发了独立于商业三维软件且自主可控的纤维铺放CAM软件。通过离屏渲染和缓冲区数据读取的方法,实现了模型的拾取和交互,提高了CAM软件的可操作性和路径生成效率;利用Open GL实现纤维带的显示、路径角度偏差的云图显示;并编写相关着色器,利用图形学和图像处理的方法实现了厚度云图的显示。最后设计了抛物面的正交对称铺层,并在软件中生成了轨迹和加工程序,利用所研制的铺放装置进行了实验。得到的铺层厚度相对均匀,纤维的裁剪、重送边界整齐,满足自动铺放工艺要求。
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