纤维带铺放运动机构的设计与仿真
|
摘要
树脂基复合材料，由于其较高的比强度、比模量，抗疲劳、耐腐蚀、成形工艺性好以及可设计性强等特点，已经成为航空航天领域应用最多的结构材料之一。
复合材料纤维铺放成型技术是自动铺丝束成型技术和自动窄带铺放成型技术的统称，是在已有缠绕和自动铺放基础上发展起来的一种全自动制造技术。纤维铺放成型设备由机身，旋转芯模和多自由度的铺放头系统构成，其中铺放头安装在机身上。按结构所确定的铺层方向和铺层厚度，用多自由度的铺放头将多组纤维预浸纱束/窄带自动铺放在旋转的芯模表面，铺放过程中同时加热软化预浸纱束/窄带，压实形成制品型面。
本文设计了一个纤维带铺放机构(机身部分)，铺放机构上各个运动轴都在微机控制下协同运动。龙门架需要四轴耦合驱动以实现平面制品的铺放。纤维带卷被装在铺放头上，而铺放头装在龙门架上，通过移动龙门架可以把铺放头置于模具的上方进行铺放。因此，实现龙门架沿四个方向的耦合运动是本文设计的内容之一。同时，本文将所设计的纤维带铺放机构在Pro/Engineer中建立三维模型，并且对此机构的运动进行仿真，以及对部分组件进行了结构分析和优化设计。
Due to epoxy composite's high specific strength and stiffness, high specific modulus, excellent fatigue and resistance to corrosion, they were successfully introduced and widely used in the aerospace.
The technology of Fiber Placement includes automatic fibers placing technology and automatic tape placing technology. It has been developed on the basis of the hand laying and filament winding process. It is a mechanical and automatic molding technology. Fiber placement machine is consisted of rack, model and placement head. We install the placement head on the rack of the machine. According to the layer direction and thickness which is determined by the construction, placement machine place the fibers or tape on the surface of the model which is revolving. In the process of placement, the fibers or tape can be heated. And then they can be pressed on the surface.
This paper designs a fiber placement machine whose axis movements are CNC. In order to place plane, the rack should be drived in four directions. The tape is installed on the placement head that is placed on the rack. We can move the rack to place. How to make the rack to work in the four directions is the key of this paper. In this paper we set up the 3D model of the filament placement machine's parts and realize the part of parameter design and assemble. Additionally, we analysis and optimize the key parts of the machine based on Pro/Mechanica and simulate the place process based on the model we designed by Pro/Engineer.
复合材料纤维铺放成型技术是自动铺丝束成型技术和自动窄带铺放成型技术的统称，是在已有缠绕和自动铺放基础上发展起来的一种全自动制造技术。纤维铺放成型设备由机身，旋转芯模和多自由度的铺放头系统构成，其中铺放头安装在机身上。按结构所确定的铺层方向和铺层厚度，用多自由度的铺放头将多组纤维预浸纱束/窄带自动铺放在旋转的芯模表面，铺放过程中同时加热软化预浸纱束/窄带，压实形成制品型面。
本文设计了一个纤维带铺放机构(机身部分)，铺放机构上各个运动轴都在微机控制下协同运动。龙门架需要四轴耦合驱动以实现平面制品的铺放。纤维带卷被装在铺放头上，而铺放头装在龙门架上，通过移动龙门架可以把铺放头置于模具的上方进行铺放。因此，实现龙门架沿四个方向的耦合运动是本文设计的内容之一。同时，本文将所设计的纤维带铺放机构在Pro/Engineer中建立三维模型，并且对此机构的运动进行仿真，以及对部分组件进行了结构分析和优化设计。
Due to epoxy composite's high specific strength and stiffness, high specific modulus, excellent fatigue and resistance to corrosion, they were successfully introduced and widely used in the aerospace.
The technology of Fiber Placement includes automatic fibers placing technology and automatic tape placing technology. It has been developed on the basis of the hand laying and filament winding process. It is a mechanical and automatic molding technology. Fiber placement machine is consisted of rack, model and placement head. We install the placement head on the rack of the machine. According to the layer direction and thickness which is determined by the construction, placement machine place the fibers or tape on the surface of the model which is revolving. In the process of placement, the fibers or tape can be heated. And then they can be pressed on the surface.
This paper designs a fiber placement machine whose axis movements are CNC. In order to place plane, the rack should be drived in four directions. The tape is installed on the placement head that is placed on the rack. We can move the rack to place. How to make the rack to work in the four directions is the key of this paper. In this paper we set up the 3D model of the filament placement machine's parts and realize the part of parameter design and assemble. Additionally, we analysis and optimize the key parts of the machine based on Pro/Mechanica and simulate the place process based on the model we designed by Pro/Engineer.
引文
[1] 陈余岳等，玻璃钢／复合材料风力机叶片的开发，上海：玻璃钢，2007．02
[2] 汤佩钊，复合材料及其应用技术，重庆：重庆大学出版社，1998
[3] 赵渠森，先进复合材料手册，机械工业出版社，2003
[4] 刘雄亚，复合材料新进展，化学工业出版社，2007．01
[5] 车剑飞，黄洁雯，杨娟，复合材料及其工程应用，北京：机械工业出版社，2006
[6] Woods; Harlan L, Method of manufacturing composites, June 27,1995
[7] MALLICK P K, NEWMAN S. Composite materials technology[M]. New York :Hanser Publishers,1990
[8] 毛天祥，复合材料的现状与发展：第十一届全国复合材料学术会议论文集，合肥：中国科学技术大学出版社，2000
[9] 苏玉堂等，纤维缠绕复合材料结构制造技术，中国玻璃钢工业协会，2003．4
[10] 谢霞，纤维缠绕技术的发展及研究现状，天津工业大学学报，2004．6
[11] STRONG A BRENT. High performance and engineering thermoplastic composites[M]. Basel: Technomic, 1993.
[12] Grant C G. Fiber placement process utilization with worldwide aerospace industry. SAMPEJ, 2000,36(4):7～12
[13] Klein, Allen J. Automated Tape Laying. Advanced Composites,Jan/Feb.1989:44～52
[14] Barr, Roy L. Bi-directional fiber placement head. Nov.9, 1999
[15] Shupe,Keith G.Fiber placement delivery system with modular cut/add actuators.March 1,1994
[16] Johnson, John A. Band fiber forming and placement delivery head. Dec.16,1997
[17] Barr, Roy L.Bi-directional fiber placement head.Nov,9,1999
[18] Vaniglia. Fiber placement head.U.S.Patent,5110395,1992-05-05
[19] 傅祥志，机械原理，武汉；华中理工大学出版社，2000
[20] 张淑会，机械零件设计中形位公差的确定研究，成都：计量与测试技术，2007．09
[21] 邹慧君，机械原理课程设计手册，北京：高等教育出版社，1998
[22] 马雪洁等，工程机械的绿色设计与制造，焦作大学学报，2007．04
[23] 牟致忠，朱文予，机械可靠性设计，北京：机械工业出版社，1993
[24] 于传浩，吴耀楚，王志辉，FRP铺放技术的机构分析，武汉化工学院学报，2003．25(2)：54~56
[25] 胡俊 吴鹏 吴耀楚，缠绕线型及传动系统的计算机辅助设计，玻璃钢／复合材料，2003年第一期
[26] 田会方等，4-D微机控制FRP球形容器FW线型生成及运动控制方程，武汉工业大学学报，第19卷第3期
[27] 吴宏伟，缠绕机吐纱点运动分析，玻璃钢／复合材料，2003．4
[28] 韩小军，纤维缠绕机缠绕精度的影响因素，国外建材科技，2001．2
[29] 田会方，基于Pro／E的纤维缠绕的三维动态仿真，湖北工业大学学报，2005．3
[30] 田会方等，纤维缠绕机生产工艺过程的三维动画设计，武汉工业大学学报，第20卷 第4期
[31] 董兴辉等．装配仿真关键技术的研究和实现．计算机应用，2000．20：198-199
[32] 何满才，三维造型设计—Pro／ENGINEER Wildfire中文版实例详解[M]，北京：人民邮电出版社，2005．
[33] 刘海芳．Pro／ENGINEER环境下的实体造型装配设计[J]．机械设计与制造，2004，(2)：27-28．
[34] 魏跃远，王文瑞．Pro／Engineer Wildfire 2.0实体建模范例全程表现[M]，北京：科学出版社，2005．
[35] 冯忠绪．仿真设计与模型实验[M]．西安：陕西科学技术出版社，1997．
[36] 张超，张益华．Pro／E二次开发技术在齿轮三维参数化设计中的应用[J]．南京工业职业技术学院学报，2004，4(1)：22-24．
[37] 张继春等，Pro／ENGINEERWildfire结构分析，北京：机械工业出版社，2004
[38] 方建军等，机械动态仿真与工程分析-Pro／ENGINEER Wildfire工程应用，北京：化学工业出版社，2004
[39] 祝凌云，李斌．Pro／ENGINEER运动仿真和有限元分析，北京：人民邮电出版社，2004
[40] 段敏等．应用Pro／ENGINEER实现机构的动态仿真设计，辽宁工学院学报，2004．24(3)：26~27
[41] 二代龙震工作室．Pro／Mechanism／MECHANICA Wildfire2.0机构／运动／结构／热力分析，北京：电子工业出版社，2006，262~487
[42] 刘海芳。基于Pro／E的渐开线齿轮参数化设计机械设计与制造，2004．1
[43] 林清安．Pro／E零件组合，北京：北京大学出版社，2000．
[44] 韩玉龙，Pro／Engineer wildfire组件设计与运动仿真专业教程清华大学出版社，2004
[45] 林清安．Pro／E零件设计一高级篇(上、下)，北京：北京大学出版社，2000．
[2] 汤佩钊，复合材料及其应用技术，重庆：重庆大学出版社，1998
[3] 赵渠森，先进复合材料手册，机械工业出版社，2003
[4] 刘雄亚，复合材料新进展，化学工业出版社，2007．01
[5] 车剑飞，黄洁雯，杨娟，复合材料及其工程应用，北京：机械工业出版社，2006
[6] Woods; Harlan L, Method of manufacturing composites, June 27,1995
[7] MALLICK P K, NEWMAN S. Composite materials technology[M]. New York :Hanser Publishers,1990
[8] 毛天祥，复合材料的现状与发展：第十一届全国复合材料学术会议论文集，合肥：中国科学技术大学出版社，2000
[9] 苏玉堂等，纤维缠绕复合材料结构制造技术，中国玻璃钢工业协会，2003．4
[10] 谢霞，纤维缠绕技术的发展及研究现状，天津工业大学学报，2004．6
[11] STRONG A BRENT. High performance and engineering thermoplastic composites[M]. Basel: Technomic, 1993.
[12] Grant C G. Fiber placement process utilization with worldwide aerospace industry. SAMPEJ, 2000,36(4):7～12
[13] Klein, Allen J. Automated Tape Laying. Advanced Composites,Jan/Feb.1989:44～52
[14] Barr, Roy L. Bi-directional fiber placement head. Nov.9, 1999
[15] Shupe,Keith G.Fiber placement delivery system with modular cut/add actuators.March 1,1994
[16] Johnson, John A. Band fiber forming and placement delivery head. Dec.16,1997
[17] Barr, Roy L.Bi-directional fiber placement head.Nov,9,1999
[18] Vaniglia. Fiber placement head.U.S.Patent,5110395,1992-05-05
[19] 傅祥志，机械原理，武汉；华中理工大学出版社，2000
[20] 张淑会，机械零件设计中形位公差的确定研究，成都：计量与测试技术，2007．09
[21] 邹慧君，机械原理课程设计手册，北京：高等教育出版社，1998
[22] 马雪洁等，工程机械的绿色设计与制造，焦作大学学报，2007．04
[23] 牟致忠，朱文予，机械可靠性设计，北京：机械工业出版社，1993
[24] 于传浩，吴耀楚，王志辉，FRP铺放技术的机构分析，武汉化工学院学报，2003．25(2)：54~56
[25] 胡俊 吴鹏 吴耀楚，缠绕线型及传动系统的计算机辅助设计，玻璃钢／复合材料，2003年第一期
[26] 田会方等，4-D微机控制FRP球形容器FW线型生成及运动控制方程，武汉工业大学学报，第19卷第3期
[27] 吴宏伟，缠绕机吐纱点运动分析，玻璃钢／复合材料，2003．4
[28] 韩小军，纤维缠绕机缠绕精度的影响因素，国外建材科技，2001．2
[29] 田会方，基于Pro／E的纤维缠绕的三维动态仿真，湖北工业大学学报，2005．3
[30] 田会方等，纤维缠绕机生产工艺过程的三维动画设计，武汉工业大学学报，第20卷 第4期
[31] 董兴辉等．装配仿真关键技术的研究和实现．计算机应用，2000．20：198-199
[32] 何满才，三维造型设计—Pro／ENGINEER Wildfire中文版实例详解[M]，北京：人民邮电出版社，2005．
[33] 刘海芳．Pro／ENGINEER环境下的实体造型装配设计[J]．机械设计与制造，2004，(2)：27-28．
[34] 魏跃远，王文瑞．Pro／Engineer Wildfire 2.0实体建模范例全程表现[M]，北京：科学出版社，2005．
[35] 冯忠绪．仿真设计与模型实验[M]．西安：陕西科学技术出版社，1997．
[36] 张超，张益华．Pro／E二次开发技术在齿轮三维参数化设计中的应用[J]．南京工业职业技术学院学报，2004，4(1)：22-24．
[37] 张继春等，Pro／ENGINEERWildfire结构分析，北京：机械工业出版社，2004
[38] 方建军等，机械动态仿真与工程分析-Pro／ENGINEER Wildfire工程应用，北京：化学工业出版社，2004
[39] 祝凌云，李斌．Pro／ENGINEER运动仿真和有限元分析，北京：人民邮电出版社，2004
[40] 段敏等．应用Pro／ENGINEER实现机构的动态仿真设计，辽宁工学院学报，2004．24(3)：26~27
[41] 二代龙震工作室．Pro／Mechanism／MECHANICA Wildfire2.0机构／运动／结构／热力分析，北京：电子工业出版社，2006，262~487
[42] 刘海芳。基于Pro／E的渐开线齿轮参数化设计机械设计与制造，2004．1
[43] 林清安．Pro／E零件组合，北京：北京大学出版社，2000．
[44] 韩玉龙，Pro／Engineer wildfire组件设计与运动仿真专业教程清华大学出版社，2004
[45] 林清安．Pro／E零件设计一高级篇(上、下)，北京：北京大学出版社，2000．