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8 复合材料 自动铺丝轨迹规划 2014年3月 复合材料 自动铺丝轨迹规划 尹纪龙，沈景凤，章志东 (上海理工大学机械工程学院，上海 200093) 摘要：本文针对复合材料回转体类构件，提出了回转体构件 自动铺丝轨迹规划算法。应用管道的数学模型，建立了基于 三次样条插值的自动铺丝轨迹规划模型。首先探讨了通过三次样条插值对芯模中心线方程的求取，进而建立芯模参数曲面方 程，最后提出适用于回转体类构件的铺丝路径生成算法。应用本文的研究成果，在MATLAB中完成实例验证。结论表明，该算 法生成的铺丝轨迹能够满足实际铺丝的工艺要求和工程需要。 关键词：复合材料；自动铺丝；轨迹规划；三次样条插值 中图分类号：TB332 文献标识码 ：A 文章编号：1003—0999(2014)03—0008—05 1 引 言 45。、9O。铺丝方向，即铺丝的方向不用其他的角度统 自动铺丝技术是近代科技时代中快速成长起来 一 采用此四种角度。 的自动成型技术之一，它主要是将复合材料纤维预 根据国内外 自动铺丝路径设计技术的分析，本 浸丝束按照一定的铺丝方向在芯模表面铺放，并通 文提出了通过三次样条插值对芯模的轴线选取继而 过加热纤维丝束使其软化，最后通过压辊将其压紧 建立芯模参数曲面方程，提出了适用于回转类构件 在芯模表面成型，最后形成复合材料构建。进入 2l 的自动铺丝轨迹规划。 世纪后，随着控制系统的数字化，铺丝技术得到迅猛 地发展，而CAD／CAM技术的应用使得 自动铺丝机 2 铺丝路径规划 越来越趋向于智能化。 2．1 三次样条插值对芯模 中心线的求取 自动铺丝技术的核心问题是铺丝路径设计，也 本文通过对芯模进行切片离散继而通过三次样 是研究 自动铺丝技术的难点。铺丝路径也就是复合 条插值求得其中心线，如图1所示，是非规则轴线曲 材料纤维束在芯模表面排列的方向、顺序，是设计者 面，其中心线无法用一个固定的公式可以表达。 在铺丝之前必须指定好的。目前，国内外对铺丝路 径的研究主要有以下几种：美国著名高校弗吉尼亚 理工大学教授C．waldha~在其科研论文中提出了平 移参考丝束轨迹，此种方法对于曲面结构简单的芯 模来说路径规划比较简单，步骤少，但是对于一些曲 图1 管道 曲面 面构型比较复杂的芯模，其路径规划的算法有待于 修正；南京航空航天大学在对铺丝路径研究上面也 颇有贡献，党旭丹老师提出了一种新的关于基于测 地线的平行等距轨迹规划算法而生成的复合材料铺 丝路径，但是在该算法中运用到高阶微分方程，计算 量非常繁琐；Shirinzadeh在其科研论文中提出了基 图2 离散后的管道曲面 于平截线、等距铺丝路径规划方法，此种方法适合去 曲率面较小的曲面，对于一些曲面复杂如螺旋形状 首先，对图1中的轴线进行切片离散，现在以最 则很难用此种方法构造初始的路径；南京航空航天 大丝束的宽度为间隙，在曲面的轴向线上作一系列 大学的周焱等利用几何插值的方法提出了用0。、± 点，然后过该点作垂直于该点切向量方向的曲面，这 收稿 日期：2013-06—19 作者简介：尹纪龙 (1987-)，男，硕士研究生，主要从事复合材料 自动铺丝CAD／CAM技术研究。 FP,_P／CM | lo 2014年第 3期 玻 璃 钢 ／复 合 材 料 9 样上图中