本發(fā)明涉及一種復合材料預浸帶鋪放成型軌跡規(guī)劃方法，特別是一種基于柔性壓輥的自由曲面類零件的預浸帶鋪放軌跡規(guī)劃方法。

背景技術：

隨著人們逐步加深對復合材料構件優(yōu)越性的認識，特別是在航空航天等高端技術產業(yè)領域較多的應用復合材料，對復雜形狀鋪放成型零件的要求變得日益強烈。先進復合材料的持續(xù)快速發(fā)展，其應用價值也日益顯著。在提高航天產品技術性能方面，復合材料的應用優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在作為輕質化的結構材料，可以在保證零件強度的前提下達到減重、節(jié)能的效果，更體現(xiàn)在作為滿足各種應用需求的先進功能材料，代表了復合材料技術高層次發(fā)展的結構/功能一體化和多項功能一體化等高新技術。目前，我國目前正在大力發(fā)展載人航天、探月計劃、大飛機、四代機、風力發(fā)電等高新科技工程，其中發(fā)動機殼體、噴管，大飛機機翼、機身，風力發(fā)電機葉片等大型不規(guī)則結構件需要復合材料成型工藝實現(xiàn)，這也對復合材料成型工藝與裝備提出了更具挑戰(zhàn)性的需求。因此對自由曲面構件的復合材料鋪放成型工藝技術裝備的研究就顯得極為迫切和重要，對推動現(xiàn)代航天制造技術進步具有重要的現(xiàn)實意義和應用價值。

預浸帶鋪放成型工藝過程可描述為首先將預浸帶在預備機構中完成預浸帶的張緊和預定形狀的切割使之形成平行的預浸帶；再將預浸帶由加熱裝置加熱到所需的工藝溫度后由壓輥將預浸帶照預定的軌跡或路徑以合適的速度鋪貼到芯模表面。而現(xiàn)有的自由曲面類零件在鋪放時，由于壓輥與芯模的剛性接觸使預浸帶不能完全地貼合在芯模表面，同時對鋪放時壓輥的鋪放軌跡沒有合理的規(guī)劃，造成自由曲面預浸帶鋪放質量差甚至無法鋪放的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于柔性壓輥的自由曲面類零件的預浸帶鋪放軌跡規(guī)劃方法，解決了現(xiàn)有的自由曲面類零件在鋪放時，由于壓輥與芯模的剛性接觸使預浸帶不能完全地貼合在芯模表面，同時對鋪放時壓輥的鋪放軌跡沒有合理的規(guī)劃，造成自由曲面預浸帶鋪放質量差甚至無法鋪放的問題。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案具體如下：

本發(fā)明提供的一種基于柔性壓輥的自由曲面類零件的預浸帶鋪放軌跡規(guī)劃方法，包括以下步驟：

第一步，根據自由曲面類零件的預浸帶的鋪放要求設定預浸帶鋪放裝置中的預浸帶鋪放裝置中的柔性壓輥與自由曲面芯模之間的接觸壓力值；

第二步，根據第一步設定的接觸壓力值，測量柔性壓輥與自由曲面芯模之間的接觸寬度值；

第三步，設定自由曲面類零件的預浸帶鋪放軌跡的初始路徑；

第四步，根據第二步所得的接觸寬度值和自由曲面類零件的預浸帶鋪放軌跡的初始路徑，確定下一次鋪放路徑的偏置距離和偏置方向；

第五步，根據第二步所得的接觸寬度值，確定鋪放所用預浸帶的寬度；

第六步，將預浸帶繞在柔性壓輥上，并通過預浸帶鋪放裝置依照上述第一步～第五步進行鋪放，直到預浸帶完全鋪貼在自由曲面芯模表面為止；

第七步，重復第一步～第六步，直至滿足所要求的鋪放層數。

第二步中，接觸寬度值的測量方法具體為：將柔性壓輥向自由曲面芯模方向靠近，測量柔性壓輥與自由曲面芯模之間的實際接觸壓力值，當測量到的實際接觸壓力值與第一步中設定接觸壓力值相等時，停止柔性壓輥向自由曲面芯模方向的移動并保持此狀態(tài)不變，標記柔性壓輥與自由曲面芯模接觸弧長的兩端點位置，再測量接觸弧長兩端點之間直線段的長度，即為柔性壓輥與自由曲面芯模之間的接觸寬度值。

優(yōu)選地，第三步中，自由曲面類零件的預浸帶鋪放軌跡的初始路徑具體是以所要鋪放的自由曲面芯模的兩長邊中任一一長邊的邊界線作為初始路徑。

優(yōu)選地，第四步中，偏置方向的確定：偏置方向應垂直于初始路徑，且朝向與初始路徑相背離的方向；偏置距離的確定：鋪放的偏置距離應小于柔性壓輥與自由曲面芯模之間的接觸寬度值，且每次鋪放時的偏置距離應相等。

優(yōu)選地，第五步中，鋪放所用預浸帶的寬度等于第四步所得的偏置距離。

優(yōu)選地，第六步中，在鋪放時要保證柔性壓輥的一側邊緣線始終與規(guī)劃的路徑重合，且在每一次鋪放時，鋪放的偏置距離應保持不變。

優(yōu)選地，所述柔性壓輥為具有彈性變形的實心或空心充氣式結構。

優(yōu)選地，所述預浸帶鋪放裝置還包括第一壓輥支架、壓輥襯筒、第二壓輥支架和中心軸，其中，壓輥襯筒套裝在中心軸上，柔性壓輥套裝在壓輥襯筒上，第二壓輥支架設置有兩個，且其一端固定在中心軸的兩端，另一端與第一壓輥支架通過固定連接。

優(yōu)選地，壓輥襯筒為兩端設有卡緊圓盤的空心圓柱結構，卡緊圓盤上固定安裝有軸承端蓋，軸承端蓋與套裝在中心軸軸肩上的深溝球軸承連接。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提供的一種基于柔性壓輥的自由曲面類零件的預浸帶鋪放軌跡規(guī)劃方法，通過對自由曲面預浸帶鋪放工藝過程中鋪放路徑的合理規(guī)劃，同時采用柔性壓輥進行預浸帶的鋪貼，可以很好地適應自由曲面類零件的預浸帶鋪放，解決了自由曲面類零件預浸帶鋪放難得問題。同時通過對柔性壓輥接觸壓力值的調整，使得根據不同曲率的自由曲面類零件，可以產生不同的柔性壓輥與自由曲面芯模之間的接觸寬度值，以適應不同寬度預浸帶的鋪放，還能起到提高自由曲面類零件的預浸帶鋪放精度以及鋪放效率。

進一步的，具有彈性變形的柔性壓輥，保證了一定承受力，同時還保證了在力的作用下具有良好的變形能力，適用不同曲率的自由曲面類零件的鋪放成型。

進一步的，通過壓輥襯筒對柔性壓輥進行支撐并卡緊，保證了柔性壓輥在工作時不發(fā)生相對線位移和角位移。

附圖說明

圖1是鋪放裝置結構示意圖；

圖2是鋪放裝置結構爆炸圖；

圖3是中心軸結構示意圖；

圖4是第二壓輥支架結構示意圖；

圖5是壓輥襯筒結構示意圖；

圖6是柔性壓輥結構示意圖；

圖7是接觸寬度值示意圖；

其中，1、第一壓輥支架2、壓輥襯筒3、第二壓輥支架4、中心軸5、柔性壓輥6、深溝球軸承8、軸承端蓋。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。

如圖1、圖2所示，本發(fā)明提供的一種基于柔性壓輥的自由曲面類零件的預浸帶鋪放裝置，包括第一壓輥支架1、壓輥襯筒2、第二壓輥支架3、中心軸4、柔性壓輥5、深溝球軸承6和軸承端蓋7，其中，壓輥襯筒2套裝在中心軸4上，柔性壓輥5套裝在壓輥襯筒2上，在安裝時，要保證柔性壓輥5、壓輥襯筒2和中心軸4的徑向中截面相重合。

同時，深溝球軸承6的一端與中心軸4上的軸肩配合連接，其另一端通過軸承端蓋7壓緊，保證在工作時，深溝球軸承6不發(fā)生軸向移動。

軸蓋端蓋7套裝在中心軸4上，并且通過內六角螺栓固定安裝在壓輥襯筒2的端部。

第二壓輥支架3的一端固定在中心軸4的兩端，另一端與第一壓輥支架1通過內六角螺母固定連接。

如圖3所示，中心軸4的兩端均為平頭圓軸。

如圖4所示，第二壓輥支架3的一端面上開設有與第一壓輥支架1固定連接的螺紋孔，另一端的側面上開設有與中心軸4的平頭圓軸固定的配合孔。

如圖5所示，壓輥襯筒2為兩端設有卡緊圓盤的空心圓柱結構，軸承端蓋7固定安裝在壓輥襯筒2兩端的卡緊圓盤上；同時，壓輥襯筒2的作用是支撐并卡緊柔性壓輥5，保證其工作時不發(fā)生相對線位移和角位移。

如圖6所示，柔性壓輥5可以為實心結構也可以內部為空心充氣結構，當為內部充氣結構時，柔性壓輥5的一側面有充氣孔，整個柔性壓輥的形狀為圓柱狀。柔性壓輥5是由橡膠材料、樹脂材料或塑料等具有良好彈性變形的非金屬材料制備而成，保證能承受一定的壓力，同時在力的作用下具有良好的變形能力；整個柔性壓輥機構在工作時，中心軸4保持靜止不動，壓輥襯筒2、柔性壓輥5、深溝球軸承6和軸承端蓋7共同相對于中心軸4做回轉運動，同時，柔性壓輥5與自由曲面芯模8相接觸。

一種基于柔性壓輥的自由曲面類零件的預浸帶鋪放軌跡規(guī)劃方法，包括以下步驟：

步驟1：根據預浸帶復合材料的成型要求設定預浸帶鋪放裝置中的柔性壓輥5與自由曲面芯模8之間的接觸壓力值,預浸帶復合材料的成型要求主要指預浸帶的層間結合強度、纖維體積含量和孔隙率；

步驟2：根據步驟1設定的接觸壓力值，測量在該接觸壓力作用下柔性壓輥5與自由曲面芯模8之間的接觸寬度值；

具體的測量方法：將柔性壓輥5向自由曲面芯模8方向靠近，通過設置在自由曲面芯模8上的壓力傳感器測量柔性壓輥5與自由曲面芯模8之間的實際接觸壓力值，當測量到的實際接觸壓力值與步驟1中設定的接觸壓力值相等時，停止柔性壓輥5向自由曲面芯模8方向的移動并保持此狀態(tài)不變，用顏色筆標記柔性壓輥5與自由曲面芯模8接觸弧長的兩端點位置，如圖7所示，再用游標卡尺測量接觸弧長兩端點之間直線段的長度，即為柔性壓輥與自由曲面芯模8之間的接觸寬度值。

步驟3：設定自由曲面類零件的預浸帶鋪放軌跡的初始路徑，具體方法：以所要鋪放的自由曲面芯模的兩長邊中任一一長邊的邊界線作為初始路徑。

步驟4：根據步驟2所確定的柔性壓輥5與自由曲面芯模8的接觸寬度值和自由曲面類零件的預浸帶鋪放軌跡的初始路徑，確定下一次鋪放路徑的偏置距離和偏置方向。

其中，偏置方向的確定：偏置方向應垂直于初始路徑，且朝向與初始路徑相背離的方向；

偏置距離的確定：鋪放的偏置距離應小于柔性壓輥5與自由曲面芯模8之間的接觸寬度值，且每次鋪放時的偏置距離應相等；

步驟5：根據柔性壓輥5與自由曲面芯模8之間的接觸寬度值確定鋪放所用預浸帶的寬度：所選擇預浸帶的寬度應等于步驟4所設定的偏置距離。

步驟6：將預浸帶繞在柔性壓輥5上，并通過預浸帶鋪放裝置依照上第一步～第五步進行鋪放，在鋪放時要保證柔性壓輥5的邊緣線始終與規(guī)劃的路徑重合，且每一次鋪放時，鋪放的偏置距離應保持不變；直到預浸帶完全鋪貼在自由曲面芯模表面為止。

步驟7：重復第一步～第六步，直至滿足所要求的鋪放層數。

有益效果：

本發(fā)明通過對自由曲面類零件的預浸帶鋪放工藝過程中鋪放路徑的合理規(guī)劃，采用柔性壓輥進行預浸帶的鋪貼，可以很好地適應自由曲面類零件的預浸帶鋪放，解決了自由曲面類零件預浸帶鋪放難得問題。同時通過對柔性壓輥和自由曲面芯模之間的接觸壓力值的調整，可以產生不同的壓輥與芯模接觸寬度，以適應不同寬度預浸帶的鋪放，還能起到提高自由曲面類零件預浸帶鋪放精度以及鋪放效率。

實施例

步驟1：首先設定柔性壓輥與自由曲面芯模之間的接觸壓力值為100n，柔性壓輥充氣壓力設定為1mpa；當柔性壓輥內的充氣壓力越大，在同樣的接觸壓力條件時，柔性壓輥與自由曲面芯模的接觸寬度就??；

步驟2：根據步驟1設定的柔性壓輥接觸壓力值，測量接觸壓力作用下柔性壓輥與自由曲面芯模之間的接觸寬度。

具體的測量方法為將柔性壓輥向自由曲面芯模方向靠近，通過壓力傳感器測量柔性壓輥與自由曲面芯模之間的接觸壓力值，當接觸壓力值與設定的柔性壓輥接觸壓力值相等時，停止柔性壓輥的向芯模方向的移動并保持此狀態(tài)不變，用顏色筆標記柔性壓輥與自由曲面芯模接觸弧長的兩端點位置，再用游標卡尺測量接觸弧長兩端點之間直線段的長度，即為柔性壓輥與自由曲面芯模之間的接觸寬度值。最終得到柔性壓輥5與自由曲面芯模8之間的接觸寬度值22.5mm。

步驟3：確定自由曲面類零件的預浸帶鋪放軌跡的初始路徑：以自由曲面芯模左長邊界線作為初始路徑。

步驟4：根據步驟2所確定的柔性壓輥5與自由曲面芯模8的接觸寬度值，確定下一條鋪放路徑與初始路徑的偏置距離和偏置方向。

偏置方向為與左長邊界線垂直向右的方向，偏置距離為20mm。

步驟5：將柔性壓輥從初始路徑的起點開始沿著初始路徑進行鋪放，在鋪放時要保證柔性壓輥的一側邊緣線始終與規(guī)劃的路徑重合。

步驟6：根據柔性壓輥與自由曲面芯模8之間的接觸寬度值確定鋪放所用預浸帶的寬度：選擇預浸帶的寬度為20mm。

步驟7：將預浸帶繞在柔性壓輥5上，依照上述步驟1～步驟6進行鋪放，直到預浸帶完全鋪貼在自由曲面芯模表面為止。

步驟8：重復步驟1～步驟:7，直至滿足所要求的鋪放層數。