一种圆锥大角度自动铺丝的编程算法
【技术领域】
[0001] 本发明属于复合材料自动铺放技术领域，涉及一种圆锥大角度自动铺丝的编程算 法。
【背景技术】
[0002] 自动铺放技术作为高性能复合材料复杂构件的主流制造技术，已经成为大型航空 航天飞行器的标配制造技术，广泛应用于国外大型飞机制造公司。复合材料锥壳广泛应用 于航空航天领域，如飞机尾椎、机身过渡段等；此外，复合材料锥壳在民用领域应用也日益 广泛，如大型发电机的玻璃钢护环、砼搅拌运输车的搅拌筒等。
[0003] 现有技术当中对回转类构件多采用纤维缠绕的方式进行成型加工，但由于缠绕成 型对模具的施压方式属于柔性施压，纤维张力在回转体截面直径改变时难以控制，从而影 响制品的工艺性能。本发明对圆锥环向成型采用自动铺丝技术，铺放头压辊对模具的施压 方式属于刚性施压，可随着回转体截面直径的改变适时调整施压方向，保证了铺放制品的 质量。
[0004] 自动铺丝技术中所采用的复合材料铺层成型方式会直接影响到最终复合材料构 件的各项性能及铺放过程的复杂程度。目前实际生产中，对锥壳构件最为常用的是采用固 定角度铺放方式制造〇°铺层、±45°铺层和90°铺层。由于严格的90°铺层无法保证纤 维的连续性，因此，一般采用近90°铺层设计完成锥壳等回转体构件的环向铺放。但是，近 90°固定角铺层轨迹设计存在增减纱的问题。本发明根据圆锥螺旋角与螺距的数学关系 进行自动铺丝编程的算法，通过适时调整铺放角，避开了增减纱处理，减小了轨迹规划的难 度，提高了编程效率。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种圆锥大角度自动铺 丝的编程算法，根据圆锥几何特征进行编程，通过适时调整铺放角，避开了增减纱处理，具 有编程简单、效率高的特点。
[0006] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0007] 一种圆锥大角度自动铺丝的编程算法，包括以下过程：
[0008] 1)数控铺放设备的压辊位于旋转轴A的轴线上，与主轴U位于同一水平面内，并垂 直于圆锥数模的水平母线；根据圆锥半锥角调整铺放设备，使压辊位于圆锥一端并垂直于 圆锥水平母线；
[0009] 2)调整所述设备的横移轴X和进给轴Y，所述压辊末端对准圆锥端面轮廓线； [0010] 3)根据铺放角和螺距的关系，求出压辊在圆锥端面处的铺放角，并调整旋转轴A 至该角度；所述铺放角包括圆锥螺线的螺旋角，及圆锥螺线与圆锥轴线的夹角；根据铺放 角调整铺放设备，使压辊沿着圆锥端面处螺旋线的切线方向前进；
[0011] 4)铺丝机构在横移轴X上沿圆锥轴线方向每次步进的长度为X，进给轴Y在垂直 于圆锥轴线方向上每次步进的长度为X tana，每步进一次，对应的主轴u的旋转角度为：
上；其中，a为圆锥半锥角，S为螺距；
[0012] 当压辊沿圆锥母线方向步进S时，步进的次！=是横移轴每 步进一次，对应的主轴旋转角度〃 =$;
N
[0013] 5)计算每步进一次，所述旋转轴A的旋转角度，即铺放角的变化值；
[0014] 6)对铺放角的变化值进行计算机语言编程，输出铺丝机构每步进一次，对应的各 轴的运动量。
[0015] 进一步的，在本发明中，所述步骤3)中，所述铺放角为圆锥螺线的螺旋角，根据圆 锥螺旋角和螺距的关系，求出压辊在圆锥端面处的螺旋角0，并调整旋转轴A至该角度；所 述关系n
[0016]
[0017] 其中，a为圆锥半锥角，S为螺距，d为圆锥上任一点处截面圆的直径。螺距S可 由选用预浸丝的宽度和数量确定。
[0018] 进一步的，在本发明中，所述步骤5)中，所述铺放角为螺旋角0，变化值A 0为：
[0019]
[0020] 其中，a为圆锥半锥角，S为螺距，d为圆锥上任一点处截面圆的直径，Ad = _2x tan a 〇
[0021] 进一步的，在本发明中，所述步骤5)中，所述铺放角为螺旋角e，变化值A 0为：
[0022]
[0023] 其中，00 ,分别是圆锥大端的螺旋角和圆锥小端的螺旋角，L为圆锥的长度。 由于实际工程应用中一般用圆台代替圆锥进行铺放，因此，本文所述圆锥与圆台意义一致， 圆锥大端和圆锥小端分别对应圆台的大端和小端，下同。此种算法是在交小时可选 取的计算方法，在铺放精度允许的条件下，可选取上述方法求取△ 0以简化计算。
[0024] 进一步的，在本发明中，所述设备的断纱点根据压辊沿圆锥轴线的运动轨迹从末 端往回至设定长度进行选取。其中，断纱点是保证连续复合材料预浸纱恰好铺覆至圆锥端 面的切纱位置；设定长度按照复合材料预浸纱在圆锥面上的铺覆长度进行选取，具体值由 铺丝头切刀到压辊末端的距离决定。
[0025] 进一步的，在本发明中，所述设备的断纱根据压辊运动到圆锥的设定位置时通过 数控机床的操作界面手动操作。其中，断纱位置按照复合材料预浸纱在圆锥面上的铺覆长 度进行选取，具体值由铺丝头切刀到压辊末端的距离决定。
[0026] 进一步的，在本发明中，步骤6)中铺丝机构每步进一次，对应的各轴的运动量均 为相对值或均为绝对值。
[0027] 进一步的，在本发明中，所述设备还包括偏航轴C、俯仰轴B和升降轴Z中的一种或 多种的组合，其中，升降轴Z与横移轴X和进给轴Y两两垂直，构成空间三维坐标系；偏航轴 C、俯仰轴B和旋转轴A的回转中心交于空间一点。
[0028] 有益效果：本发明提供的圆锥大角度自动铺丝的编程算法，根据圆锥的几何特征 进行编程，可根据选用的预浸丝的宽度和丝数确定螺距，计算起始铺放角；设置铺丝机构每 次步进的长度，提高铺放效率；中途无需送断纱处理，编程方法简单、高效。很好地解决了现 有技术对圆锥大角度铺丝轨迹规划的问题。
【附图说明】
[0029] 图1为圆锥数模示意图；
[0030] 图2为龙门式数控铺放设备模型；
[0031] 图3为卧式数控铺放设备模型。
【具体实施方式】
[0032] 图1为圆锥数模示意图，下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0033] 实施例1
[0034] 如图2所示为一种由龙门式7轴联动数控铺放设备和圆锥模具组成。
[0035] (1)转动B轴至水平位置，调整升降轴Z，使B轴轴线与模具主轴处于同一水平面 内；同时，根据圆锥半锥角调整旋转轴C，使压辊垂直于圆锥水平母线；调整平动轴X和Y， 使压辊对准圆锥大端面轮廓线。
[0036] (2)根据圆锥螺旋角和螺距之间的关系式，计算出压辊在锥壳大端面处的螺旋角
^并调整A轴至该角度，其中，a是圆锥半锥角，R是圆锥大端 截面圆半径。
[0037] (3)设置X轴每次步进的长度x(x< 0)，计算出Y轴每次步进的长度xtan