典型自动铺放系统的机构改进及CAM技术研究

论文摘要

自动铺放技术是复合材料成型自动化的典型代表,其集机电装备技术、CAD/CAM软件技术和材料工艺技术于一体。目前,满足各种需求的自动铺放设备层出不穷,为提高其加工质量和实现其多功能化,自动铺放机构及相关技术仍在不断的优化与改进之中。本文基于南京航空航天大学自主研制的典型5轴自动铺带与7轴自动铺丝系统,针对铺放中存在的问题以及工艺技术方面的不足,对自动铺带与铺丝设备结构进行了改进,并对改进机构的CAM软件后置处理问题进行了深入的研究。1.基于典型龙门式5轴自动铺带机,从铺放工艺过程、成型压力控制以及对现有问题的应对策略等方面进行了分析,提出了能适应双曲面等特殊曲率曲面铺放要求的机构改进方案,并进行了新方案的可行性分析。2.基于典型的7轴自动铺丝机,对其送纱特点以及铺放过程中回纱引起的纤维磨损问题进行了分析,为满足预浸纱输送的平稳性与机械手臂的柔性要求,从转动关节实现位置目标的角度出发,提出了含冗余自由度的铺丝机构改进方案,并论证了改进方案的可行性及优势。3.对改进后的自动铺带（不含冗余度）与自动铺丝（含单冗余度）机构进行了逆运动学分析,并基于D-H法求取逆解。根据改进后的自动铺丝机属于具有特殊结构的冗余度机器人这一特点,提出对机构进行部分运用D-H方法的求解方案,并找出约束条件求取了逆运动学解。4.针对自动铺带边界处理与自动铺丝纱束裁剪的一些关键问题进行了相应的控制策略研究,并进行了运动控制信息与带（或纱）裁剪信息的编制,以及两种信息的合并与优化。5.根据改进机构的逆运动学解信息以及生成的控制信息,分别对自动铺带和自动铺丝进行了仿真系统的开发及结果分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 复合材料及其低成本制造技术
• 1.2 复合材料自动铺放技术
• 1.2.1 自动铺带技术
• 1.2.2 自动铺丝技术
• 1.3 冗余度机器人在自动铺放领域的应用
• 1.4 课题的研究意义与主要内容
• 1.4.1 课题的研究意义
• 1.4.2 课题的主要内容
• 第二章 典型自动铺放设备的机构改进方案
• 2.1 引言
• 2.2 典型自动铺带机构的改进
• 2.2.1 自动铺带工艺特点与机构特征
• 2.2.2 存在问题及现有对策
• 2.2.3 机构改进方案
• 2.2.4 方案的可行性分析
• 2.3 典型自动铺丝机构的改进
• 2.3.1 自动铺丝工艺特点与机构特征
• 2.3.2 存在问题
• 2.3.3 改进方案的提出
• 2.3.4 可行性分析与论证
• 2.4 本章小结
• 第三章 机构改进后的铺放机器人逆运动学求解
• 3.1 引言
• 3.2 理论基础
• 3.2.1 刚体的位姿描述
• 3.2.2 齐次变换矩阵及建立方法
• 3.2.3 D-H 方法
• 3.3 非冗余度机构的逆运动学求解
• 3.3.1 坐标系的建立
• 3.3.2 坐标系变换
• 3.3.3 逆运动学问题的求解
• 3.4 含冗余度机构的逆运动学求解
• 3.4.1 冗余度机构的逆解求解思想
• 3.4.2 坐标系的建立
• 3.4.3 坐标系的变换与逆运动学问题的求解
• 3.5 本章小结
• 第四章 自动铺放控制信息的优化与生成
• 4.1 引言
• 4.2 自动铺带边界处理研究
• 4.2.1 预浸带的输送与切割模式
• 4.2.2 自动铺带带形切割规划
• 4.2.3 带输送与切割控制指令
• 4.3 铺丝纱束裁剪控制问题
• 4.3.1 纱束裁剪控制策略
• 4.3.2 纱束裁剪逻辑控制指令
• 4.4 软件实现与控制信息的输出
• 4.4.1 双向铺放的实现
• 4.4.2 控制信息的输出
• 4.5 本章小结
• 第五章 仿真系统的设计与实现
• 5.1 引言
• 5.2 仿真系统总体结构及实现
• 5.2.1 软件总体框架
• 5.2.2 开发环境及其初始化
• 5.2.3 铺放系统的建模
• 5.3 铺放仿真关键模块的实现方法
• 5.3.1 轨迹点文本的读取
• 5.3.2 铺带边界的处理
• 5.4 仿真结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 论文总结
• 6.1 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文