复合材料纤维铺放成型技术是在缠绕基础上发展起来的一种全自动制造技术。自动铺带采用数控技术实现预浸带剪裁、定位、铺叠、辊压，取代手工铺叠，质量好，效率高。铺放成型设备主要由芯模和多自由度的铺放头系统构成，通过计算机协调、控制成型过程。目前，复合材料铺放成型技术在国外研究较多^[1~9]，国内研究缠绕技术较多^[10~14]，对铺放技术研究我国尚属空白，但在积极探索之中^[15~18]。国内复杂的铺放制品基本上以手工铺层为主，其生产效率低、铺层质量不稳定、材料利用率低、制造周期长，难以实现复杂的结构设计要求，制约了我国航空构件制造技术的发展和水平的提高。本文针对大梁带铺放工艺的特点，设计了大梁带复合材料铺放系统及其运动仿真。
1 大梁带铺放工艺
    大梁带是直升机主旋翼的大梁，大梁带铺放工艺如图1所示。大梁带铺放就是在控制系统的指令下把铺放头移动到指定的空间位置，使铺放头在一定角度内转动，控制铺放头按设定的轨迹运动，保证铺放头的压紧辊能够始终与芯模的接触面保持垂直。按照各层预浸带的铺放工艺，从内层开始直至外层一层层铺放，直至铺成所需的形状。图1中4为大梁带铺放芯模，1、2、3分别为在芯模上依次铺放的三层预浸带。由于大梁带的铺放特性，其复合材料铺放模式为立式铺放模式。

               
2 铺放设备总体设计
    根据铺放工艺要求，由于大梁带芯模较长而宽度较窄，为缩小铺放设备总体尺寸，增加铺放设备刚度，需将大梁带铺放设备设计为龙门式结构。由多轴龙门式机械臂完成预浸料坐标控制，预浸带在压辊的作用下沿设定轨迹铺叠到模具表面。图2为在Pro/Engineer中建立的纤维铺放机整机的实体模型。它的整体由两部分构成，分别为铺放主机部分（包括铺放头）和芯模部分。它的底座直接安放在地面上，从而使得垂直高度减到小。把纵向直线传动单元、横向滑动支架、旋转台和料盘等都设计在上面，其整体高度不会过高，结构紧凑。为了实现铺放机可以将铺放头移动到任意指定位置的功能，本铺放机设计有2个直线运动轴X、Y和一个旋转轴Z。芯模放置在水平的工作台上。在大梁带铺放过程中，铺放头通过以上的X、Y、Z向的耦合运动，通过控制系统，在伺服电机的驱动下，按既定轨迹运动，把预浸带铺放到芯模之上。 [-page-]

                
3 铺放机直线运动机构设计
    铺放机芯模框架的较短两侧面分别用螺栓装有两根支撑柱，它的较长两侧面焊有若干个高度很矮的支撑柱，在芯模框架较长两侧的上方分别装有一根Y向直线传动导轨1，如图3所示。每根直线传动导轨的尾部都安装有伺服电机，每个直线传动导轨上面各装有两个滑块，以滑块为依托在Y向直线传动导轨上面横跨安装着移动平台4。在伺服电机的驱动下，移动平台可沿Y向导轨往返运动，同时通过控制伺服电机的转速可实现控制移动平台沿Y轴方向移动的速度。

            
    同理，在移动平台4上安装有一根X向直线传动导轨5。在X向导轨5安装有滑块6，通过齿型带轮、齿型带拖动滑块6沿X向运动。滑块下方安装有铺放头3,有一个涡轮-蜗杆实现了铺放头的旋转运动，铺放头运动关系与铺放机的运动耦合,即利用铺放机Y向直线传动单元、X向直线传动单元及自身旋转运动，实现其对芯模的铺放。
4 铺放头
    铺放头是预浸带铺放加工的关键机构。为了使铺放头能够在芯模上实现准确的定位，保证在铺放时铺放头的压紧辊能够始终与芯模的接触面保持垂直，还需要1个转动轴Z。铺放头旋转运动是靠一组蜗轮蜗杆副来实现的，蜗轮与铺放头相连接，蜗杆的尾部安装有伺服电机，在伺服电机的驱动下，蜗杆转动进而带动蜗轮旋转，从而完成铺放头的旋转。
    在铺放系统包含的运动中，铺放头机构对连续的预浸胶纤维带实现引出、导向、定位、施压、剪切、夹紧等运动。图4所示为在Pro/Engineer中建立的铺放头实体结构模型。通过铺放头连接机构10与铺放设备的导轨向连，预浸料安装在料盘7上，料盘连接一个磁粉制动器8，磁粉制动器和张力传感器6配合可有效实现对预浸带张力的控制。预浸料上的PE保护膜通过收PE膜装置3回收，预浸料脱PE膜后经过铺放头内4个导向辊到达铺放轮2，铺放轮2的作用是把预浸胶带压紧在芯模上，其后的压力传感器1可灵敏感觉到压辊在铺放过程中对预浸胶带实施的压紧力的大小，及时反馈给控制系统并通过控制系统实现对压辊的控制以调整压紧力的大小，具体动作是由一个低摩擦气缸和滑轨、滑块来配合完成的。编码器9根据导辊的转动进而记录下铺放过程中使用了多少预浸带。在铺放头上支板4和下支板5之间有一个用气缸控制的切断刀11(图中未显示)。大梁带铺放头内部机构实现了三个主要功能：①实现了对预浸胶纤维带的剪切／夹紧；②实现了对预浸胶纤维带的输送；③实现了对预浸胶纤维带的张紧力的控制以及PE膜的回收。 [-page-]

               
5 大梁带铺放机的运动仿真
    在Pro/E中运用Pro/Mechanism的操作流程如下：①以连接方式建立欲分析的机构组装；②不足相关的运动配合条件；③设定初始位置；④加入驱动条件；⑤设定分析条件并仿真；⑥播放分析结果。然后在装配模型中添加相关的运动副及旋转副。在本设计中，X轴直线运动的往复运动由电机驱动齿型带轮、齿型带完成。铺放头Z轴的旋转采用涡轮蜗杆副来模拟。添加完各个运动副和旋转副后，设定仿真运动的初始位置，然后进行伺服电机的添加及电机运动方程的设定，伺服电机是铺放机的仿真关键所在。只有电机运动方程设定准确，运动轴之间的运动耦合准确，才能使铺放头的压紧辊压实在芯模的表面。在铺放头和芯模表面之间采集芯模外形轨迹来模拟铺放运动。完成上面的步骤后就可以建立运动仿真任务并运行仿真，建立分析任务，设定运行时间，添加相关的伺服电机就可进行仿真运行。大梁带铺放设备在铺放过程中，铺放头必须始终沿着铺放表面法线方向。图5所示为铺放头在铺放过程中的不同位置。通过运动仿真可使原来在二维图纸上难以表达和设计的运动变得非常直观和易于修改，并且能够大大简化机构的设计开发过程，缩短开发周期，减少开发费用，同时提高产品质量。在Pro/Engineer中，运动仿真的结果不但可以动画的形式表现出来，还可以以参数的形式输出，从而可以获知零件之间是否干涉，干涉的体积有多大等。根据运动仿真结果对所设计的零件进行修改，直到不产生干涉为止。

             
6 结论
    (1)根据大梁带铺放工艺进行铺放设备总体设计，确定铺放机各组件的结构设计，然后在Pro/Engi-neer中对其各个机构进行实体建模，并装配成整机；
    (2)采用Pro/E提供的模块实现大梁带铺放机内部机构运动学分析和运动仿真。可以获知零件之间是否干涉和检验运动是否正确；
    (3)铺放技术和设备在我国目前尚属空白，欧美等发达又对禁运这种高新技术设备。本文结合某企业实际需要，在资料缺乏的情况下，设计了一台大梁带铺放机，实际加工装配工作正在进行之中，对于我国先进复合材料制造技术以及我国航空事业的发展具有重要意义。
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