碳纤维自动铺丝机三维运动仿真软件*

2021-10-13徐志明陈金成

上海电气技术 2021年3期

徐志明陈金成程松陈忠

上海电气集团自动化工程有限公司上海 200233

1 研究背景

碳纤维复合材料产品具有比传统材料更优秀的力学性能,自动铺丝技术是复合材料自动化加工技术的一种。自动铺丝方式由于具有低成本、高效率、高材料利用率,以及生产制造柔性自动化等特性,在航空航天、新能源汽车、风力发电等领域逐步得到推广应用。

运动仿真技术是自动铺丝成型计算机辅助设计与制造系统的重要组成部分,能够提高产品研发速度,降低开发成本,避免运动干涉,减少设计错误。与金属切削方式不同,自动铺丝技术通过对复合材料预浸丝束的自动铺放来实现复合材料构件的增材制造[1],其工艺受到较多因素影响,因而不能直接采用传统计算机辅助设计和制造软件实现数控加工路径生成及运动仿真。目前,主要有两种途径解决自动铺丝路径规划和运动仿真问题。一种是基于通用计算机辅助设计软件系统进行二次开发,如现有的CATFiber、FiberSIM等软件,依赖于CATIA软件系统环境,通过调用CATIA软件的应用程序接口模块,组合、修改、新增实现自动铺放所需的功能[2]。另一种是独立开发的软件系统,如ACES软件,提供了转换接口,实现通用计算机辅助设计和制造软件文件的导入。

在国外,自动铺丝技术经过几十年的发展,已经趋向成熟,各家铺丝机供应商研发了各自的路径规划和运动仿真软件,但缺乏系统可配置性,仅适用于厂家自身有限的设备型号[3]。在国内,哈尔滨工业大学团队基于CATIA软件进行二次开发,南京航空航天大学团队基于OpenGL技术,完成了路径规划和铺放仿真等功能模块[4],但同样有局限性。基于以上情况,行业内要求自动铺丝机产品配套路径规划和运动仿真软件,以满足市场对产品使用功能的要求。

笔者利用SolidWorks软件的二次开发功能,开发了碳纤维自动铺丝机三维运动仿真软件,并应用于天线反射面板产品的铺放。

2 天线面板模型

天线面板大都采用蜂窝夹层加背筋结构,这种结构中,轻质的蜂窝芯材和背筋将高强度碳纤维复合材料面板隔开,增大结构惯性矩、从而提高刚度,有利于保证反射面的型面精度,并减轻质量[4]。综合考虑反射面强度、刚度等要求,天线面板的蒙皮采用T700级环氧树脂碳纤维预浸料,含胶量为33%,单层厚度为0.125 mm,预浸料分切成宽度为6.4 mm的纤维带。天线的背筋采用T300级碳纤维材料,呈井字形布置。天线面板结构如图1所示。

图1 天线面板结构

天线面板母线抛物线方程为:

z=-x2/6 400,x∈[0,1 000]

(1)

天线面板母线抛物线绕Z轴旋转一周,得到抛物面模型,方程为:

z=-(x2+y2)/6 400,x,y∈[0,1 000]

(2)

3 自动铺丝路径规划

自动铺丝路径规划指对复合材料零件结构进行几何形状、铺层方向设计,满足成形精度要求,合理规划铺放轨迹、轨迹点丝束数量、纤维重叠、间隙面积等铺放信息。铺放路径规划的合理与否直接影响最终成形构件的质量。规划时,确定铺放计算基准。以此基准为前提,在铺放曲面内计算满足铺放角要求的轨迹点,同时计算轨迹点位置的铺放信息。将得到的轨迹点拟合为曲线,将曲线裁剪或者延伸到曲面边界位置,得到铺放轨迹曲线。

自动铺丝路径规划算法有固定纤维角法、等距偏移法、固定螺旋路径法等。采用固定纤维角法,每条路径中心线保持设定纤维角,不出现转向现象。采用等距偏移法,第一路径使用固定纤维角铺放,其它连续路径等距铺放在前一条路径旁边。等距偏移法的优点是不存在间隙,铺层不需要增删丝束,由此能获取较快的铺放速度。采用固定螺旋路径法,在工件表面单独路径盘旋铺放,仅适合闭合曲线铺放,如锥体、管道等。固定螺旋路径法具有较快的自动铺丝速度。

笔者采用等距偏移法规划,以固定参考线为基准,定距离偏移轨迹点对天线面板进行网格化,得到铺丝路径的插值点集,点集之间通过线性拟合。如图2所示,取x=0为平面I,平面I与抛物面的交线为CI。沿X轴以交线CⅠ为固定参考线,基于一定的偏移距离d得到一系列偏移曲线。

图2 等距偏移法示意图

图2中,参考曲线CⅠ与橡胶压辊的接触点为P点,P点的法平面为N,法平面N与抛物面的交线为空间曲线D,P′为空间曲线D上距离P点偏移长度为d的点。如此,一系列的P′点集构成了偏移曲线CⅡ,再以同样的偏移方式,得到其它偏移曲线。

(3)

式(3)可改写为:

(4)

由式(4)可知,空间曲线D的切向量为:

(5)

e3为空间曲线D的切向单位向量,则有:

e3=T/|T|

(6)

(7)

向量旋转如图3所示。方向单位向量p为e3绕e1旋转β角所得,P′点是向量p对应直线与抛物面的交点,有:

p=Rot(e1,β)e3

(8)

图3 向量旋转

由此,可以得到P′点的坐标值。

碳纤维复合材料是一种各向异性材料,沿纤维轴方向和垂直于纤维轴方向的电磁热力学性能都有明显差别。这样的各向异性可通过合适的铺层方向及层数来满足强度、刚度和其它特殊要求,为结构的优化设计提供了巨大的设计空间,这是传统各向同性金属材料所无法比拟的。由于碳纤维复合材料轴向和径向的热膨胀系数相差较大,因此只有采用准各向同性对称铺层,利用高模量纤维轴向热膨胀系数为负值,来抵消径向较大的热膨胀系数,使各向热膨胀系数接近于零,以保证天线在高低温变化时保持稳定的型面精度。

在碳纤维铺层设计中,尽量减少纤维断口和搭接,同时保证纤维铺放有序,重点保证铺层的对称性,以减小翘曲变形,提高天线部件的精度。由于碳纤维复合材料严重的各向异性,在平面内会产生特殊的拉剪耦合效应,因此除了采用0°、90°正交铺层外,采用±45°铺层设计,使纤维方向在分层的平面内均匀分布。

4 铺丝机模型

SolidWorks是集计算机辅助设计、工程、制造于一体的软件,广泛应用于机械行业。SolidWorks软件提供多种二次开发接口,给用户的二次开发带来了方便[5]。笔者采用SolidWorks软件的二次开发功能完成碳纤维自动铺丝机三维运动仿真软件的开发。

自动铺丝机模型如图4所示。自动铺丝机可以持续对预浸丝束进行输送、精确定位、准确铺层、压实、准确切断、重启再输送等。自动铺丝机具有六轴联动能力,能实现各种复杂曲面的铺放。在铺放丝束时,坐标轴可保证铺丝头垂直于工件表面。

图4 自动铺丝机模型

自动铺丝机由下部工作台传动结构和上部铺丝头传动结构组成。下部工作台放置铺放模具,传动结构由X、B、C三轴组成。上部实现铺丝头的位姿控制,传动结构由Y、Z、A三轴组成。

5 模型部件位姿控制

为了实现自动铺丝机的运动仿真,自动铺丝机各组成部件的位姿需要根据指令调整。SolidWorks软件具备二次开发功能,提供从建模、装配到运动控制的应用程序接口函数。用户通过调用底层指令,可以建立自定义运动仿真模块。SolidWorks软件的应用程序接口函数通过组件对象模型方式实现和用户程序的互动,当SolidWorks软件启动时,自动检测和加载由组件对象模型技术生成的动态链接库插件[6]。

笔者基于Visual Studio软件开发动态链接库插件,嵌入SolidWorks软件,实现运动仿真。

在SolidWorks软件的装配体环境中,设置一个全局坐标系。对于每个部件,同样设置局部坐标系。局部坐标系位于全局坐标系中,通过变换局部坐标系的位置和姿态,可以实现部件位置和姿态的调整。在SolidWorks软件中,这一功能通过坐标系变换矩阵实现[6]。坐标系变换矩阵为四阶矩阵,具体为:

坐标系变换矩阵中有16个元素。a～i组成三阶旋转矩阵,定义局部坐标系的姿态。j、k、l组成位置矩阵,定义局部坐标系的原点位置。m定义比例因子。n、o、p未使用,为0。坐标系变换矩阵与部件坐标数据是右乘关系,由此部件坐标数据可以转换为全局坐标数据。

获取模型指针典型代码如下:

CComPtriSwApp;

CComPtriSwModel;

iSwApp->get_IActiveDoc2(&iSwModel);

CComBSTR title;//返回模型名称

iSwModel->GetTitle(&title);

//获取各个部件的指针

CComPtriConfiguration;

iSwModel->IGetActiveConfiguration(&iConfiguration);

CComPtriComponent;

iConfiguration->GetRootComponent3(True,&iComponent);

int CompCount;//返回部件数量

iComponent->IGetChildrenCount(&CompCount);

VARIANT vChildComp;//返回部件数组

iComponent->GetChildren(&vChildComp);

SAFEARRAY*safeComp;

safeComp=V_ARRAY(&vChildComp);

LPDISPATCH*safeArrayComp;

SafeArrayAccessData(safeComp,(void**)&safeArrayComp);

CComQIPtrpChildComp;//获取指定部件的指针

for(int i=0;i

{

pChildComp=safeArrayComp[i];

CComBSTRcomName;//获取当前部件的名称

pChildComp->get_Name(&comName);

CStringstr_ChildName(comName);

//根据部件名称赋值给各部件指针变量

……

}

部件位姿调整典型代码如下:

CComQIPtrpX_Comp;

CComPtriSwMathTran;

double mathTransArray[16];

//调整X轴位置

pX_Comp->get_Transform2(&iSwMathTran);

iSwMathTran->get_IArrayData(mathTransArray);

mathTransArray[9]=mathTransArray[9]+incrementX;

mathTransArray[10]=mathTransArray[10];

mathTransArray[11]=mathTransArray[11];

iSwMathTran->put_IArrayData(mathTransArray);

pX_Comp->put_Transform2(iSwMathTran);

//调整Y、Z、A、B、C等轴的位姿

……

6 后置处理算法

根据路径规划算法,获取铺放点集的坐标,明确铺丝头接触点的目标位置。由于机械传动设备的结构各异,控制轴数和几何尺寸互不相同,因此必须有针对性地将接触点集信息转换为设备各控制轴的运动指令,称为后置处理。

自动铺丝机传动链如图5所示。自动铺丝机由上下两部分组成,传动系统分为两个轴系,一个为上部铺丝头侧的Y、Z、A轴,另一个为下部工作台侧的X、B、C轴。根据铺放工艺要求,在铺放过程中,铺丝头的中心轴与铺放曲面的法向保持重合,铺丝头的正向与规划路径的切向保持重合。

图5 自动铺丝机传动链

众所周至,任意结构件具有空间六个自由度[7]。铺丝头相对于工作台具有三个正交线性轴、三个正交旋转轴共六个空间自由度定位能力,可以从空间任意位姿接近并执行铺放动作。自动铺丝机参考坐标系如图6所示。在铺丝头坐标系中,当铺放路径执行到P点时,铺丝头坐标系的X轴、Z轴与路径上P点的切向和法向保持一致。

图6 自动铺丝机参考坐标系

工作台坐标系原点位于抛物面模具顶点。假设初始状态下铺丝头坐标系与工作台坐标系重合,P点是工作台上任意点,P点的切向和法向向量分别为e1、e2。满足P点的铺放工艺要求,需要自动铺丝机六个自由度的联合定位[8]。其中,A、B、C旋转轴用于工作台上模具和铺丝头姿态调整,X、Y、Z线性轴用于模具上P点与铺丝头坐标原点重合。在理想模型下,线性轴不影响旋转轴的定位。所以,可先考虑A、B、C旋转轴的定位。由于上部铺丝头只有一个A旋转轴,即铺丝头只能绕X轴摆动,因此根据上述工艺要求,工作台模具上P点切向和法向向量e1、e2都在YOZ平行平面上,X轴上没有分量。

设工作台的B轴、C轴分别旋转β角和γ角,由于C轴附加在B轴上,跟随B轴旋转,因此C轴的旋转矩阵采用右乘法[9-10]。此时,向量e′1和向量e′2相对于初始工作台坐标系的表达式为:

(9)

由此可得:

β=arctan[(e1ysinγ-e1xcosγ)/e1z]

(10)

于是有:

α=arctan(e2y/e2z)

(11)

由于旋转半径的存在,除C轴外,A轴、B轴的旋转会引起铺丝头与模具的接触点位置偏移。设初始坐标系下,铺丝头上接触点位置为T(0,0,-L1),该点的新坐标为:

Rot(x,α)T′=(0,L1sinα,-L1cosα)

(12)

对于模具上的P点,设旋转轴与模具顶点之间的B轴旋转半径为L2,该点的新坐标为:

(13)

由式(12)、式(13)可获取铺丝头与模具上各自接触点由于旋转而产生的位置偏移量,即X、Y、Z三个线性轴的位置补偿值。

7 软件应用

针对自动铺丝机结构特点,应用等距路径偏移法及其后置处理算法,开发碳纤维自动铺丝机三维运动仿真软件。仿真软件的流程如图7所示。其中,在路径规则定义阶段,不仅定义了轨迹路径点集的位置坐标,而且定义了对应的切向向量和法向向量。自动铺丝机在点集中各点间的位姿帧切换通过定时器OnTimer()函数实现[11]。