一种复合材料自动铺放的工艺路径生成系统技术方案

本发明专利技术公开了一种复合材料自动铺放的工艺路径生成系统，包括资源模块、模型定义模块和路径规划模块；所述资源模块用于系统参数数据的定义；所述模型定义模块将机床和铺丝头通过导入模型进行几何尺寸和结构定义；所述路径规划模块在铺放构件曲面上通过建立数学模型，形成满足结构设计要求的复合材料预浸丝束排布方式，并且控制铺放过程中铺放头运动路径及姿态。本发明专利技术能够实现智能自动铺丝，提高自动铺丝机运行效率、保证铺放质量、节约材料，降低制造成本。制造成本。制造成本。

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料自动铺放的工艺路径生成系统


[0001]本专利技术涉及一种用于复合材料自动铺放的工艺领域的复合材料自动铺放的工艺路径生成系统。

技术介绍

[0002]碳纤维复合材料产品具有比传统材料更优的力学性能，因此在航空航天、新能源汽车、风力发电等领域得到大量应用。复合材料构件的传统制造大多采用手工、缠绕、缝纫等技术，手工铺放具有工作范围小、定位差、铺放效率低、铺放压力控制精度低、铺放厚度和角度无法精确保证、质量不稳定、劳动强度大、人力投入多等不足。
[0003]自动铺丝技术是复合材料自动化加工的一种，自动铺丝方式具有低成本、高效率、高材料利用率，以及生产制造的柔性自动化等特性。与传统的机械加工不同，自动铺放技术采用按设计方向逐层铺叠的增料加工模式。
[0004]自动铺放工艺路径生成系统根据材料铺放工艺特性和构件外形特征，按照构件结构设计要求，依照铺放设备机器结构和工作模式，生成可供专用铺放设备实现复合材料构件成型制造的NC加工代码。在满足设计要求的基础上，应尽可能提高铺放效率、保证铺放质量、节约材料，降低制造成本。
[0005]国内高校如南京航空航天大学、武汉理工大学、浙江大学等团队，对铺放软件中的各个模块，如轨迹规划技术，进行了一定的研究和实验，取得了一定的进展，但目前国内的研究主要以针对某些功能模块进行基于CATIA功能的开发为主，距离形成稳定、可靠、高效的铺放软件还有一定的距离。目前国内仅少数单位拥有自动铺放设备，具有自主知识产权的自动铺放工艺路径生成系统在国内尚属空白。
专利
技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种复合材料自动铺放的工艺路径生成系统，能够实现智能自动铺丝，提高自动铺丝机运行效率、保证铺放质量、节约材料，降低制造成本。
[0007]实现上述目的的一种技术方案是：一种复合材料自动铺放的工艺路径生成系统，包括资源模块、模型定义模块和路径规划模块；
[0008]所述资源模块用于系统参数数据的定义；
[0009]所述模型定义模块将机床和铺丝头通过导入模型进行几何尺寸和结构定义；
[0010]所述路径规划模块在铺放构件曲面上通过建立数学模型，形成满足结构设计要求的复合材料预浸丝束排布方式，并且控制铺放过程中铺放头运动路径及姿态。
[0011]进一步的，所述系统参数数据分为材料参数和设备参数；
[0012]材料参数分为曲面信息数据、装备数据和材料铺放工艺特性数据；
[0013]设备参数数据包括机器的基本参数、动作特性、铺放工艺特性以及机器铺放过程可能出现的调节参数。
[0014]进一步的，所述路径规划模块包括层合板设计模块和单层路径轨迹设计模块，层合板设计模块对自动纤维铺放过程中的铺放角进行控制，单层路径轨迹设计模块根据材料的铺放工艺特性、构件外形曲面特性和机器特性，按照层合板设计的铺放方向、铺叠顺序和铺放层数建立相应的规划算法，生成自动铺放轨迹中心线。
[0015]再进一步的，单层路径轨迹设计模块采用等距偏移法算法进行单层的铺放路径规划，具体方法为先构造出一条初始铺丝参考线，然后以该参考线为基准，在曲面上按照一个满丝束宽度的距离进行等距偏移，生成参考线族进行轨迹规划。
[0016]复合材料自动铺丝工艺路径生成系统以提高铺丝机运行效率、保证铺放质量、节约材料，降低制造成本，具有如下优点：
[0017]1)和传统人工铺设相比，极大地降低了成本，材料浪费率也降低了。人工铺设浪费率超过25％，而用自动铺丝机完成铺设，浪费率小于5％。
[0018]2)本专利技术极大地提高了生产效率，可减少传统人工层铺劳动量40％
‑
90％。
[0019]3)产品质量稳定，保证组合部位精密度。
附图说明
[0020]图1为投影法生成初始路径图；
[0021]图2为等距偏移法获取的轨迹点集图；
[0022]图3为向量旋转法示意图。
具体实施方式
[0023]为了能更好地对本专利技术的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例进行详细地说明：
[0024]本专利技术的一种复合材料自动铺放的工艺路径生成系统，其目标是按照构件设计要求，根据材料工艺特性，利用自动铺放装备完成复合材料的构件设计。系统处理对象是图形和数据，输出结果也同样是数据。其具体包括资源模块、模型定义模块和路径规划模块。
[0025]资源模块用于系统参数数据的定义。所述系统参数数据分为材料参数和设备参数。
[0026]材料参数分为曲面信息数据、装备数据和材料铺放工艺特性数据。曲面信息数据如曲面的数学信息、构件设计数据如铺放角度、铺层设计、间隙容差、性能容差等。装备数据如机器参数。材料铺放工艺特性数据如纤维宽度、丝数、带宽、铺放中允许变形量等四个主要数据流。
[0027]设备参数数据包括机器的基本参数、动作特性(M变量的定义)、铺放工艺特性(如机器加热时间与铺放速度的关系等)以及机器铺放过程可能出现的调节参数(如如在铺放状态与未铺放状态，预浸带从切刀到压辊距离的变化量)。
[0028]模型定义模块将机床和铺丝头通过导入模型进行几何尺寸和结构定义。曲面信息数据输入可采用的技术途径包括两种：
[0029]通过交互界面输入特性参数，由系统调用图形接口完成建模。其优点是由于自行开发，算法简单。在后期轨迹规划时可充分利用数学手段，内存占用低，运算速度快。
[0030]利用通用CAD软件完成曲面信息的建模工作。通过读取通用曲面文件格式，并在后
期对数据进行重构，在算法上以数值迭代计算为主，通用性强，但效率低。目前的专用CAD软件都支持该方式，在图形设计环境下生成标准格式的曲面文件，由于用户界面标准统一，充分利用了通用图形设计软件的稳定性和强大功能。
[0031]该模块中的铺放曲面信息数据面型和边界通过导入曲面和曲线进行定义，其中导入的曲面文件格式支持STL，边界曲线支持格式XML、STEP、IGES、DXF。
[0032]路径规划模块在铺放构件曲面上通过建立数学模型，形成满足结构设计要求的复合材料预浸丝束排布方式，并且控制铺放过程中铺放头运动路径及姿态。这是实现铺放工艺的核心，也是自动铺放CAM软件等后续步骤的前提。复合材料铺层设计，是结构设计的基础，也是铺丝成型构件中特有的工作内容。铺层设计的优劣在很大程度上影响着最终产品性能的成败。
[0033]所述路径规划模块包括层合板设计模块和单层路径轨迹设计模块。层合板设计模块对自动纤维铺放过程中的铺放角进行控制。定角度铺层是层合板设计常用的方式之一。在自动纤维铺放过程中，铺放角是指铺层上某点处，丝束方向与某固定轴线所成的角度，比如铺放角定义为丝束方向与x轴的夹角，其取值范围为
±
90
°
。在实际设计中，考虑拉力、压力及剪切力的影响，铺放角通常选取0
°
、90
°
、
±
45
°本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合材料自动铺放的工艺路径生成系统，其特征在于，包括资源模块、模型定义模块和路径规划模块；所述资源模块用于系统参数数据的定义；所述模型定义模块将机床和铺丝头通过导入模型进行几何尺寸和结构定义；所述路径规划模块在铺放构件曲面上通过建立数学模型，形成满足结构设计要求的复合材料预浸丝束排布方式，并且控制铺放过程中铺放头运动路径及姿态。2.根据权利要求1所述的一种复合材料自动铺放的工艺路径生成系统，其特征在于，所述系统参数数据分为材料参数和设备参数；材料参数分为曲面信息数据、装备数据和材料铺放工艺特性数据；设备参数数据包括机器的基本参数、动作特性、铺放工艺特性以及机器铺放过程可能出现的调节参数。3.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：王少波，陈金成，程松，王庆瑜，吴寅臣，
申请(专利权)人：上海电气集团自动化工程有限公司，
类型：发明
国别省市：