一种增大凹柱面铺放行程的铺丝方法与流程

本发明属于自动铺丝成型技术领域，涉及一种增大凹柱面铺放行程的铺丝方法。

背景技术：

自动铺丝成型技术因其高质量、高效率、适应性强的特点已经被广泛的应用于具有复杂外形的先进复合材料构件的自动化成型过程中。目前自动铺丝成型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。鉴于该技术在航空航天等竣工领域的敏感性和国外的技术封锁，我国在此方面尚处于自主研发的起始阶段，仅是在少数几个科研院所展开相关研究工作。

传统铺放时，机床俯仰轴跟旋转轴会根据曲面曲率自动调整使铺丝头垂直作用在表面。由于铺丝形状复杂，在各种曲面如半柱形凹曲面、圆柱面、椭柱面、竖直面、斜平面等自动铺丝成型过程中往往存在设备限位导致加工行程受限的问题。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明公开了一种增大凹柱面铺放行程的铺丝方法，通过倾角施压有效改变升降轴的行程，扩大设备的加工范围。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种增大凹柱面铺放行程的铺丝方法，包括如下步骤：

步骤1，根据曲面形状设计轨迹；

步骤2，将轨迹转化为机械语言，控制设备运行，运行时设置铺丝头的施压倾角为正值；

步骤3，通过铺丝头将原材料铺放到曲面表面；

步骤4，进行热压罐固化。

进一步的，所述施压倾角通过如下公式控制：

其中，δh为设备升降轴的安全裕量，δh∈(0，zmax－zmin)，zmax为升降轴行程上限，zmin为行程下限，(x，y，z)为压辊铺丝施压点坐标，l为铺丝头长度。

进一步的，δθ通过如下方法计算：

当zmax＞z+l·cosθ时，则当δh增大时，δθ变小，通过f'(δh)＝0，得δh，进而得δθ。

当zmax＜z+l·cosθ时，则当δh增大时，δθ增大，令δh＝0，得δθ。

进一步的，所述施压倾角为8°。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明对于半柱形凹曲面、圆柱面、椭柱面、竖直面、斜平面等曲面采用倾角施压铺放成型，控制压辊在曲面的上施压方向，铺丝头倾角的加入能有效减小升降轴的行程，扩大升降轴的工作余量，增大设备的加工范围，从而在有限的升降轴行程范围内实现更大曲面行程范围的铺丝。在特定的设备加工范围内，采用倾角施压的方式能够最大程度的扩大铺放面积。

附图说明

图1为曲面铺丝模拟图，其中(a)表示在圆形曲面p点铺放时，垂直施压的情况，(b)为扩大铺放面积，将施压倾角改为△θ时的铺丝头状态，施压倾角逆时针为正，顺时针为负。

图2为正负施压倾角对升降轴的影响示意图。

图3为不同施压倾角对升降轴行程的影响示意图。

图4为不同施压倾角在不同施压点对升降轴行程的影响示意图。

图5为固定施压倾角在不同施压点对升降轴的影响示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明提供了一种增大凹柱面铺放行程的铺丝方法，在曲面进行铺丝，包括如下步骤：

步骤1，根据曲面形状设计轨迹

步骤2，将轨迹转化为机械语言，控制设备运行。在本步骤中，对于需要进行铺丝的曲面，采用倾角施压铺放成型。其中曲面包括但不限于以下几种：半柱形凹曲面、圆柱面、椭柱面、竖直面、斜平面。

图1(a)为圆柱曲面中的常规铺放示意图，其中箭头处为铺放位置，为了简便计算，升降轴末端处在圆心位置，末端与铺丝头连接。θ为在该点垂直施压铺放时铺丝头与z轴负方向的夹角，其实质为垂直下压情况下铺丝头与升降轴行成夹角的补角。图1(b)为同一位置铺放时采用本发明提供的铺丝头倾斜一定角度△θ时的铺放姿态，△θ是以垂直下压线为基线标准下的偏离角。

图1(b)中，线段bc的长度为dbc，线段ab长度为dab，则机床升降轴末端高度ac表示为dac。

dbc＝r-rcosθ(1)

dab＝dcos(θ+δθ)(2)

dac＝r-rcosθ+dcos(θ+δθ)(3)

其中d是铺丝头的总长度，r为柱面半径，θ指当前铺放点的在柱面上的周向位置。θ竖直向下为0，向右偏为正，向左偏为负。对比可以发现升降轴末端的高度可以减小r-dac。

在p点进行铺放时，采用如图1(a)所示的垂直施压的方法升降轴末端在坐标原点处。采用图1(b)所示的倾角施压的方法在p点进行铺放时，升降轴末端的位置为a处。同样的铺放位置可以有效减小升降轴的行程。因此在相同铺放高度铺放时采用倾角施压的方法可以有效的减小升降轴的上升高度(行程)，扩大加工范围，在设备可达到的范围内实现最大的铺放面积。这可以增大升降轴的余量，在设备运行时保证设备不超出行程范围。

图2为倾角分别为0/3/-3/8/-8度(我们定义△θ绕环上p点逆时针旋转为正，顺时针旋转为负，与半径方向重合为0)的升降轴行程影响变化曲线，说明施压倾角保持△θ为正值时，在相同的铺放高度时可以减小升降轴行程。图2重在分析倾角正负变化对装备行程的影响，本发明说明施压倾角△θ为正值时，由于铺丝头的变化使升降轴上升，在相同高度铺放时有利于减小升降轴行程，扩大加工范围，因此可以增大升降轴的余量，在设备运行时保证设备不超出行程范围。

图3至图5基于倾角为正继续探索倾角改变对装备行程的影响。

进一步探索施压倾角为正时，对升降轴行程的影响，如图3给出施压倾角分别为0/2/4/6/8度时，铺放不同位置的半圆曲面的升降轴行程影响变化曲线，说明施压倾角△θ为正值时，倾角越大，在一定的铺放高度下升降轴行程减小。在同一铺放位置，施压倾角越大，升降轴行程量减少越大。施压倾角为8°时，升降轴的在50°施压点的高度和在最底部施压点的高度相当，控制升降轴最大行程的效果明显。

基于铺丝装备的一般情况，本例仅分析了0-8度倾角对升降行程的影响情况，本发明方法并不限制在0-8度倾角范围内，只要设备允许，只需公式计算边界条件即可扩展至更大倾角范围。

在同一铺放位置，施压倾角越大，升降轴行程量减少越大。施压倾角为8°时，升降轴的在50°施压点的高度和在最底部施压点的高度相当，控制升降轴最大行程的效果明显。

图4为施压倾角在铺放不同位置时升降轴增大高度的曲线。铺放位置分别为圆柱周向0、10、20、30、40、50度时，可以发现随着铺放位置的增加，采用倾角施压时升降轴行程的减小越大。以施压倾角为8°为例，其升降轴行程与施压点位置的关系如图5所示，随着铺放位置的增加，升降轴的减小量逐渐下降。其原因在于在施压倾角为8°时，升降轴的减小为：

δd＝[r-rcosθ+dcos(θ+8)]-[r-rcosθ+dcos(θ+0)](4)

δd＝-0.14dsinθ-0.01dcosθ(5)

由于正弦值起主导作用，因此随着铺放位置的增加升降轴高度变化幅度逐渐放缓。

在固定施压倾角情况下，相对于模具最低点位置，随着铺放位置逐渐升高，升降轴行程减少量越大。

很显然，铺丝头倾角的加入能有效减小升降轴的行程，扩大升降轴的工作余量，增大设备的加工范围。因此在特定的设备加工范围内，采用倾角施压的方式能够最大程度的扩大铺放面积。铺丝头臂长确定的情况下，倾角越大，升降轴行程余量越大。倾角也需根据设备的情况而定，主要有以下两方面的限制：一、设备的机械结构是否允许较大的倾角，需要确保送丝机构与工装表面不干涉；二、设备的刚度是否允许较大倾角，铺丝施压力有时达到1000n或者更大，倾角越大，沿轨迹方向上的侧向扭矩也就越大，对机械结构和转动轴都会带来更大负载。

为了在采用倾角施压的基础上提升安全性，我们根据以下方法计算△θ的上限，设设备升降轴的安全裕量为δh，δh∈(0，zmax－zmin)，升降轴行程上限为zmax，行程下限为zmin，假设图1(b)中压辊铺丝施压点坐标为(x，y，z)，其中y轴垂直于x、z两轴，铺丝头长度为l，则有如下公式：

l·cos(θ+δθ)+z＝zmax-δh

可得：

当zmax＞z+l·cosθ时，则当δh增大时，δθ变小，通过f'(δh)＝0，得δh，进而得δθ。

当zmax＜z+l·cosθ时，则当δh增大时，δθ增大，令δh＝0，得δθ。

步骤3，将预浸丝束(原材料)铺放到曲面表面。

步骤4，进行热压罐固化。

由以上过程可知，倾角的加入或改变能够有效减小升降轴的行程，扩大设备的加工范围，倾角越大加工范围也会更大。反过来，在保证加工行程的情况下，尽量减小施压倾角，以减小设备的机械载荷和转动轴电机载荷。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。