浅谈仿形技术在复合材料铺放机中的可行性应用

杨瑞庆，杨晓炜，霍岩

(1.哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨150006)(2.哈尔滨工业大学，哈尔滨150001)

浅谈仿形技术在复合材料铺放机中的可行性应用

杨瑞庆1，杨晓炜2，霍岩1

(1.哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨150006)(2.哈尔滨工业大学，哈尔滨150001)

复合材料铺放机对各向运动需要精确的位置要求，目前的铺放设备全部采用伺服控制。对应一种产品就要一套控制程序，如遇复杂的空间曲面，程序的编辑就变得更加繁琐。所以，要想办法简化这一工作。本文就是结合仿形技术、计算机控制复合材料铺放设备结构及控制特点探讨仿形技术应用在复合材料铺放设备简化程序设计的可行性。

仿形；铺放；基准靠模；可编程控器

1 引言

随着航空、航天等相关技术的飞速发展，碳纤维复合材料预浸料铺放设备已逐渐崭露头角、越来越得到人们的重视。目前，在发达的西方国家铺放设备已日趋成熟、应用在生产当中，而在我国，铺放技术还处在起步阶段，发展比较缓慢。其中一个关键原因是软件尤其是复杂空间曲面的控制软件设计还存在着一定的困难。那么有何办法能使其简化?以往，在机械加工中遇到不规则曲面时常常采用仿形加工，大大简化了生产工艺、降低了生产成本。仿形加工技术的经验及仿形系统本身固有的特性，启发我们考虑将其应用于铺放设备之中以简化控制程序的设计。

2 仿形系统的工作原理、结构及控制方式

2.1 仿形系统的工作原理(图1)

仿形系统的工作原理是:探头沿X轴方向运动，同时在Z轴方向随着基准模具曲面的法向位移发出相关的可控信号(机械或电信号)，通过系统控制加工头走出与基准模具曲面一样的轨迹，一条曲线走完后，沿Y轴方向行走一个步距，扫描下一条曲线，直至完成整个曲面。探头的移动可以是随动也可数控(由PLC或NC系统控制)，精度则取决于探头的步进幅度和中间环节元件的灵敏度。

图1 空间曲面示意图

2.2 仿形系统的结构

一套完整的仿形系统主要有下面几部分组成(图2)。

图2 仿形系统方块图

靠模:具有所需曲面的基准模具或直接是工件表面

扫模单元:包括探头和信号发生器。探头在力作用下紧贴于靠模表面，并随曲面的变化在曲面法线方向上运动。探头可以是滚轮或万象球(用于简单控制)，也可以是红外光电单元(用于高级控制)。

控制单元:能够将探头的机械运动转换为机械运动或电信号。通常采用的为电位器、压力传感器、液压电比例转换器、PLC、CNC等控制单元。

驱动单元:将控制单元所采得的信号再次转换为机械运动。通常为变频调速电机、步进电机、伺服电机、液压或气动电比例阀。

执行单元:即加工头、通常为结构构件、气缸或液压缸。

检测反馈单元:将执行单元运动产生的电信号变化与控制单元的电信号设定值进行比较。通常为编码器、电比例阀等。

2.3 仿形系统的控制

仿形系统的控制主要分为两种:随动和数控。反馈检测分为开环和闭环。

随动开环控制在实际应用中就是执行单元直接随探头机械联动，结构上表现为机械构件、液压或气动动力直接传递。控制单元最为简单、直观。目标精度受中间环节的间隙、运动惯性影响比较大。

随动闭环控制就是将执行元件的位移产生的电信号与探头位移产生的电信号进行比较，利用其差值通过控制器最终确定执行元件的移动量。这控制单元比较简单。精度受元件的灵敏度影响比较大。

以上两种控制方式均不需繁杂的程序设计。因而，要比计算机控制伺服系统要简单和廉价。

数控开环控制在实际应用中就是将探头移动采得的数字信号经控制单元传输给执行单元。精度受元件的灵敏度、探头的步进幅度等因素影响。

数控闭环控制在实际应用中就是将执行单元实际移动产生的数字信号反馈给控制单元进行比较修正。精度受传感器等元件的灵敏度影响。

数控仿形系统相对复杂造价也相对较高，精度也相对较高。

3 铺放机工作原理和控制

铺放机的机头工作时就是将预浸带一条接一条铺在工件表面上，直至预浸带布满整个表面。现有的国外铺放机都采用全伺服控制，即要实现一个空间曲面的铺放动作，就必须要在多个方向产生位移或转动。它的每一方向运动由伺服电机经中间精密传动环节驱动，要有相应的程序支持。这些程序就是对一系列空间点的坐标进行描述(点越多，行走轨迹越准确)，用差补理论及相应的语言设计出相应的行走程序。曲面不同，程序也不同。

4 仿形技术应用于铺放机中的可行性分析

从铺放机工作原理和控制的叙述中知道，要想给出一个空间曲面上一系列点坐标，就必须要首先根据铺放头行走路径进行详细的数学计算。对于规则的曲面，各点计算相应简单，而对于复杂的曲面来说，就非常复杂。而且，这样计算出的点坐标也往往是近似值，与实际曲面产生偏差。无疑，这会对程序设计工作带来麻烦，且容易出错也不易修改。另外，铺放机工作头的行走轨迹根据需要往往是不规则的，跳跃式的，这都会增加编程的困难。

由于铺放机工作头行走方式与仿形加工中探头行走方式相同，都是在力作用下压紧曲面表面。那么，能不能根据仿形技术的特点，将其应用于铺放机中以简化程序设计呢?

计算机控制技术发展到今天，数据采集技术已不再是难题。例如:图1中所示的曲面。全伺服控制情况下，要在X向、Y向、Z向计算出大量的点坐标。而采用仿形技术结合数据采集技术后，则只需给出X向、Y向的步距，Z向坐标则由光电探头在靠模上运动自行给出，且连续不断的将这些坐标值输送给控制系统控制加工头的轨迹输出，如将探头装置直接应用到铺放头上，那么铺放头就会随着曲面而连续运动，更趋于精确。这样就会大大简化控制程序的设计。

5 结语

综合以上分析，将仿形加工技术与数控、计算机控制数据采集技术结合起来共同应用于铺放机中是可行的，会简化工作程序，减少工作量。

［1］仇学青.模具制造工艺学［M］.北京:机械工业出版社，2014.

［2］刘克.基于机器人和PLC技术的自由曲面抛光控制分析［J］.制造业自动化，2011，33(8):11-13.

Researching the Feasibility Application of Profile Modeling Technology in the FRP Composite Material Laying Equipment

YANG Ruiqing1，YANG Xiaowei2，HUO Yan1
(1.Harbin FRP Institute，Harbin 150036)(2.Harbin Institute of Technology，Harbin 150001)

The FRP composite material laying equipment need precise position in all moving，now all the laying equipments are sevocontrolled.To one product need a set of control procedure，if the surface is complicated，the edition of controll procedure is very difficult.So need us find out a method to make it simply.The article will discuss the feasibility of the profile modeling technology use in composite material laying equipment.

the profile modeling technology；the FRP composite material laying；the base model；the plc

2016-04-03)

杨瑞庆(1963-)，男，山东人，本科，高级工程师。研究方向:复合材料设备。E-mail:yrq811123@ 163.com.