七坐标数控纤维铺放设备的控制系统及铺放头的研制

论文摘要

纤维增强塑料是复合材料的一种,用它制作的构件具有重量轻、防腐蚀、抗疲劳损伤性能好、机械加工少和吸收雷达微波等优点,广泛应用于航空航天等重要领域。数控纤维铺放技术是在纤维缠绕技术基础上发展起来的树脂基复合材料自动化成型制造技术。纤维铺放设备由计算机控制系统的控制,按照设定的轨迹完成芯模表面上的纤维铺放任务。它可以实现连续变角度铺放,并可成形凹曲面,且纤维带宽可变化。它更适用于制造含有凹曲面的不对称回转体,具有沟槽、加强筋的壳体等外形相对复杂的纤维增强制品,目前国内在这一领域的研究工作刚刚起步。按纤维铺放路经的要求,本课题所研究的七坐标铺放设备由3个直线运动坐标,4个转动坐标和纤维铺放头组成。对数控实验室原有六坐标缠绕机进行技术改造,保留其原有X,Y,Z,3个直线和主轴C轴坐标,重新设计具有3个转动坐标的手腕机构。手腕一端与机床的伸臂坐标连接,另一端连接铺放头,实现对末端执行机构-铺放头位姿的控制。原有的机床,手腕机构和铺放头组成七坐标数控铺放设备。铺放头是铺放设备的核心部分,用于将纤维铺放到芯模表面。其结构复杂,内部应具有夹紧,重送,剪切和施压等功能模块,四个模块按要求顺序布置,相互独立,通过增加模块可以扩展纤维纱束路数。各个模块要完成的动作由气动与伺服电机实现。铺放设备控制系统采用IPC+UMAC+PLC方案,构成开放式七坐标铺放设备数控系统。IPC机负责如数控程序编辑、状态监测等任务,UMAC运动控制器负责机床的运动轨迹控制,PLC完成机床的逻辑控制功能。该系统应用软件基于Windows XP操作平台,使用VC6.0程序开发。数控系统软件设计采用模块化的设计思想,通过UMAC的PComm32动态链接库,开发了信息提示,手动操作和程序自动运行三个功能模块,系统的人机界面操作简单,维护方便。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪 论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 复合材料的发展和应用
• 1.1.2 纤维铺放技术简介
• 1.2 纤维铺放技术应用
• 1.3 纤维铺放技术的发展方向
• 1.4 国内纤维铺放技术发展现状
• 1.5 课题研究的目的和意义
• 1.6 课题研究的主要内容
• 第2章 纤维铺放头的设计与分析
• 2.1 纤维铺放头工作原理
• 2.2 纤维铺放头的组成
• 2.3 纤维铺放头的设计
• 2.3.1 总体方案设计
• 2.3.2 夹紧装置的设计
• 2.3.3 重送装置的设计
• 2.3.4 剪切装置的设计
• 2.3.5 施压装置的设计
• 2.4 铺放头的结构设计与分析
• 2.4.1 重送装置的设计与分析
• 2.4.2 剪切装置的设计与分析
• 2.4.3 夹紧装置的设计与分析
• 2.4.4 施压机构设计与分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 三自由度手腕机构的设计
• 3.1 铺放设备自由度的确定
• 3.2 手腕部件的工作原理
• 3.3 手腕运动范围的确定
• 3.4 手腕的设计方案
• 3.4.1 传动方案一
• 3.4.2 传动方案二
• 3.5 伺服电机的确定
• 3.5.1 转动惯量的计算
• 3.5.2 伺服电机的选择
• 3.6 铺放设备机械系统构成
• 3.7 本章小结
• 第4章 纤维铺放设备控制系统组成
• 4.1 铺放设备控制系统研究
• 4.2 铺放设备控制系统的硬件组成
• 4.2.1 IPC+UMAC数控系统
• 4.2.2 铺放设备数控系统框图
• 4.2.3 铺放设备PLC控制
• 4.2.4 铺放头功能PLC的确定
• 4.2.5 铺放头控制系统的气动回路
• 4.3 本章小结
• 第5章 纤维铺放设备控制系统的软件开发
• 5.1 铺放设备软件总体结构
• 5.1.1 铺放设备人机界面的建立
• 5.1.2 功能模块开发
• 5.1.3 铺放头控制系统PLC程序流程
• 5.2 控制系统的实验研究
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢