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6自由度自动纤维铺放成型机设计与研究

曹忠亮 林国军 郭登科 曹清林

曹忠亮, 林国军, 郭登科, 曹清林. 6自由度自动纤维铺放成型机设计与研究[J]. 制造技术与机床, 2022, (4): 75-81. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2022.04.011
引用本文: 曹忠亮, 林国军, 郭登科, 曹清林. 6自由度自动纤维铺放成型机设计与研究[J]. 制造技术与机床, 2022, (4): 75-81. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2022.04.011
CAO Zhongliang, LIN Guojun, GUO Dengke, CAO Qinglin. Design and research of 6-DOF automatic fiber laying machine[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2022, (4): 75-81. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2022.04.011
Citation: CAO Zhongliang, LIN Guojun, GUO Dengke, CAO Qinglin. Design and research of 6-DOF automatic fiber laying machine[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2022, (4): 75-81. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2022.04.011

6自由度自动纤维铺放成型机设计与研究

doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2022.04.011
基金项目: 国家自然科学基金项目(51705266)
详细信息
    作者简介:

    曹忠亮,男,1983年生,博士,副教授,硕士研究生导师,研究方向为航空复合材料铺放成型工艺、层合板力学性能、汽车发动机动力传动系统动力学性能、智能控制等。已发表论文20篇,其中SCI、EI检索论文6篇。E-mail:caoliang-8302@163.com

    通讯作者:

    曹忠亮,男,1983年生,博士,副教授,硕士研究生导师,研究方向为航空复合材料铺放成型工艺、层合板力学性能、汽车发动机动力传动系统动力学性能、智能控制等。已发表论文20篇,其中SCI、EI检索论文6篇。E-mail:caoliang-8302@163.com

  • 中图分类号: TH122

Design and research of 6-DOF automatic fiber laying machine

  • 摘要: 针对复合材料自动铺放设备进行设计及研究,基于自动铺放成型设备运行原理,利用SolidWorks软件建立纤维铺放成型机各个部件的三维模型。以6自由度纤维丝铺放成型虚拟样机关键零部件为研究对象,利用ABAQUS软件进行静力学分析及模态分析,得到了关键零部件的仿真结果。通过分析关键零部件的仿真数据,验证铺放成型机的结构能够满足铺放设备作业时所需的强度、刚度及稳定性等要求。建立了铺放成型虚拟样机仿真模型,得到了芯模及铺放头与机械臂连接处的速度及加速度变化规律,通过分析铺放速度及加速度变化范围,验证了6自由度纤维铺放成型虚拟样机设计的合理性。

     

  • 图  1  用于纤维铺放的机械臂本体

    图  2  自动铺放头的工作原理示意图

    图  3  导纱系统结构图

    1—纱架轴机构;2—纤维丝束;3—衬纸回收机构;4—变向辊;5—压辊;6—丝束通;7—护板;8—楔形体;9—支撑架;10—连接板;11—导向槽;12—法兰盘。

    图  4  夹剪装置结构图

    1—楔形体;2—丝束通道;3—夹紧块;4—剪切刀;5—弹簧;6—气缸推杆;7—驱动气缸。

    Figure  4.  Clamping device structure diagram

    图  5  重送装置结构图

    1—重送轴;2—电机;3—楔形体;4—轴承;5—纤维丝束;6—重送轮;7—重送轮架;8—驱动气缸。

    图  6  加热机构结构图

    1—保护罩;2—加热灯管。

    图  7  压紧机构结构图

    1—纱架轴机构;2—纤维丝束;3—变相辊;4—压辊;5—支撑架;6—楔形体;7—连接板;8—驱动气缸;9—法兰盘。

    图  8  铺放头工作原理图

    1—纱架盘;2—纤维纱架筒;3—压紧驱动气缸;4—收纱马达;5—纤维纱架马达;6—连接板;7—导向槽;8—楔形体;9—楔形体导向槽;10—重送轴;11—丝束通道;12—加热机构;13—压辊;14—滚轮;15—重送电机;16—重送驱动气缸; 17—重送轮;18—重送机构;19—夹剪机构;20—夹剪驱动气缸;21—剪切刀;22—夹紧块;23—护板;24—收纱架;25—剪切槽。

    图  9  6自由度自动纤维铺放成型机虚拟样机

    图  10  铺放头结构受力示意图

    图  11  不同铺放压力情况下铺放头的应力、应变情况

    图  12  铺放头模态振型图

    图  13  虚拟样机运动仿真装配图

    图  14  芯模表面的铺放轨迹

    图  15  铺放头与机械臂连接处运动状况

    表  1  工业机器人KR240 R3330主要技术参数

    控制轴数6自重/kg2 415
    有效载荷/kg280 安装位置地板
    总负荷/kg330 环境温度/℃10 bis + 55
    最远可达距离/mm3 076 位置重复度/mm±0.08
    每个轴的运动参数运动范围运动速度
    轴1±185°156°/s
    轴2+35°/−155°156°/s
    轴3+154°/−130°156°/s
    轴4±350°330°/s
    轴5±130°330°/s
    轴6±350°615°/s
    下载: 导出CSV

    表  2  铺放头前四阶固有频率

    阶次1234
    频率/Hz272.08294.31368.91390.86
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2021-08-02
  • 录用日期:  2022-02-28

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