复合材料纤维铺放自动编程技术研究

纤维铺放是近年来发展最快、最有效的复合材料构件成形技术之一。结合所研制的纤维铺放设备,研究复合材料纤维铺放自动编程技术。在已知芯模曲面和纤维铺放路径的基础上,运用机器人学原理建立了纤维铺放机构各杆件坐标系,设计了空间机构运动学逆问题的简化求解算法,针对纤维铺放路径上的每个控制点,得到纤维铺放机构各运动关节位置和姿态。根据传动机构的组成,计算出各驱动步进电机的转角,从而生成纤维铺放机运动控制指令代码。基于CATIA开发平台CAA,开发了复合材料纤维铺放仿真软件模块。     

船用封闭曲面铺放成型过程中的断纱控制轨迹规划算法

自动铺放技术作为一种先进的复合材料成型技术,广泛适用于加工形状复杂的复合材料构件。本研究以压辊压实量、角度偏差以及曲率半径作为评价指标,通过对不同轨迹规划算法进行对比,选取适用于船用封闭曲面的轨迹规划算法。以重叠因子为约束条件对轨迹进行满覆性分析,提出一套适用于复杂曲面的增减纱算法,实现重叠与间隙的均匀分布。基于船用封闭曲面结构提出分区轨迹优化算法,降低了断纱数量。最后在封闭曲面上进行仿真与实验分析,验证算法的正确性。     

干纤维自动铺放-液体成型技术进展研究

相较于传统预浸料预制体需要热压罐固化,干纤维自动铺放结合液体成型技术可以实现非热压罐制造复合材料,从而降低制造成本、缩短制造周期。本研究针对干纤维自动铺放-液体成型技术,从干纤维铺放材料、干纤维自动铺放设备以及干纤维自动铺放工艺技术进展三个方面进行概述,并对其未来在船舶领域的应用进行展望。     

热塑性纤维铺放构件的层间剪切强度及孔隙率

热塑性纤维(AS4/PEEK,熔点温度343℃)铺放采用的是原位固化工艺技术,铺放成型后热塑性纤维铺放构件层间性能直接影响构件的力学性能.本工作根据均匀试验法原理设计并进行铺放试验,得到构件的剪切强度和孔隙率,分析铺放工艺参数对铺放构件的层间剪切强度和孔隙率的影响规律,采用SEM对构件的断面层间进行观测,同时优化热塑性纤维铺放构件的剪切强度和孔隙率.结果表明:在铺放试件性能检测数据的基础上,随着加热温度和铺放压力的升高和增大,层间剪切强度也增大,而随着铺放速度的加快,层间剪切强度反之降低;孔隙率与铺放速度及加热温度呈正相关,随铺放压力的增大而降低.当铺放速度为6.00 mm/s、加热温度为699.35℃、铺放压力为539.94 N时,预测构件层间剪切强度最高为52.15 MPa;当铺放速度为6.00 mm/s、加热温度为630.04℃、铺放压力为530.00 N时,预测构件孔隙率最小为1.98％,最后试验测试得到的结果与预测结果基本一致.本工作的研究结果在我国制造业领域中热塑性纤维的应用方面具有一定的实用价值.     

热塑性复合材料自动纤维铺放装备技术

基于热塑性复合材料(TPC)自动纤维铺放(AFP)原位固结技术,开展热塑性复合材料AFP装备技术研究,分析AFP平台的功能需求,提出平台总体规划方案,设计开发热塑性复合材料自动铺丝头,并提出预浸纱张力控制方案、精确送纱及温度闭环控制方案。在此基础上,设计AFP系统可行性验证实验,证明方案的可行性和平台的实用价值。结果表明:本实验平台针对热塑性复合材料铺放特点,优化张力与铺放速度匹配,实现预浸纱动态恒张力铺放,确保成型构件质量;实验平台调控铺放速度与送纱协调,实现精确定位,保障成型构件尺寸;建立了铺放速度与加热功率、热流分布关系,实现高精度温度场分布控制。虽AFP成型构件的力学性能比热模压成型构件的力学性能低约20%,但为热塑性复合材料AFP装备技术的广泛应用奠定了基础。     

七自由度四丝束纤维铺放机及数控系统的开发

为了实现纤维丝束的自动铺放,研制了七自由度四丝束铺放样机。该设备采用卧式总体布局,铺放头包括丝束夹紧、重送、切断、施压、加热、导向等模块。铺放设备的结构形式为七自由度冗余机构,采用位姿分离法,将机构的七个自由度化简为6+1的非冗余机构的形式,利用简化的运动学逆解方法解决了其运动学逆解问题。数控系统采用当前主流的IPC+运动控制卡的开放式结构形式,运动代码采用标准的G代码形式,并利用运动控制卡的PLC功能,以M代码的形式实现了铺放头的丝束控制动作,实现了铺放机控制代码的标准化。最后通过机床的铺放运动试验,证明了文中阐述方法的正确性和可行性。     

基于凸规划的机械臂轨迹规划方法

研究了快速求解具有时间约束的机械臂轨迹规划问题,提出了一种基于凸规划的轨迹规划方法。该方法针对机械臂轨迹规划中动力学约束非线性强、时间约束不易处理的问题,首先通过变量替换,将非线性约束转化为线性约束,然后添加新的约束,将原始非凸优化问题转化为凸规划问题,在此基础上,将其写作二阶锥规划（SOCP）形式,使用SeDuMi等优化工具包近似实时求解。该方法具有以下优点：计算高效,凸规划问题能够在多项式时间内得到求解;算法全局稳定,能收敛到全局最优解,不需要提供优化初值;可扩展性强,工业机器人的多种约束以及性能指标如加速度平滑约束、功率等均可扩充。仿真实验表明,与现有方法相比,该方法能够有效提高轨迹规划的效率,机器人的轨迹规划可以近似实时求解。     

工业机器人轨迹规划研究

随着智能制造产业的迅速发展,工业机器人得到广泛应用,其中轨迹规划是工业机器人运动控制的前提,轨迹规划的好、坏影响着机器人运动的平稳性、作业的跟踪定位精度、机械臂的使用寿命以及生产的质量和效率。结合实践工作,该文从关节空间轨迹规划和笛卡尔空间轨迹规划2个方面对机器人轨迹规划方法进行了总结,可为后期工业机器人运动控制提供参考。     

纤维铺放压紧力及预浸带加热温度对复合材料力学性能的影响

采用三因素四水平正交实验与单因素实验相结合, 通过力学性能测试及SEM和光学显微镜微观形貌观察研究了复合材料铺放过程中压紧力、 预浸带加热温度及芯模温度对复合材料力学性能的影响。实验结果表明: 压紧力与加热温度对层间剪切强度(ILSS)影响很大, 而芯模温度影响较小; 当压紧力为600 N、 预浸带加热温度为30℃、 芯模温度为18℃时, 复合材料综合力学性能达到最佳。微观形貌观察结果表明: 随着压紧力和预浸带加热温度升高, 纤维与树脂接触充分, 树脂与纤维分布均匀性较好, 层间富树脂区的厚度较小, ILSS逐渐增加; 但当预浸温度上升到40℃以后, 压紧力作用导致树脂与纤维的分布均匀性变差, 层间富树脂区的厚度较大, 从而导致ILSS下降。     

自动铺丝过程中预浸料的侧向弯曲

根据自动铺丝过程中预浸料的受力特点,建立预浸料的侧向弯曲变形模型。利用最小势能原理、瑞利-利兹法以及相关的复合材料力学理论,推导出预浸料侧向屈曲半径公式。研究自动铺丝温度、压力、速度、黏附力等主要工艺参数对侧向弯曲性能的影响,并用自动铺丝机铺放不同半径的预浸料圆弧进行验证。结果表明:随着温度增大、压力和速度减小,预浸料的侧向弯曲性能提高;增加预浸料黏附力可显著提高其侧向弯曲性能,符合理论分析结果。     

机器人滚动路径规划的算法与仿真研究

借鉴预测控制滚动优化原理，研究了未知环境中移动机器人路径规划问题。文中提出的基于滚动窗口的移动机器人路径规划方法充分利用机器人实时测得的局部环境信息，以滚动方式进行在线规划。大量仿真结果表明，滚动规划使机器人对动态环境具有很好的适应性，但由于缺乏全局环境信息，在有些复杂情况下不能保证规划的顾利实施，需要进一步增加环境约束和对已探知信息的记忆。     

热塑性复合材料自动铺放过程中温度场研究

自动铺放成型技术可以实现热塑性复合材料逐层"原位固结",在加工制造大型零部件、提高生产率、降低制造成本方面具有巨大的潜力。由于温度历程对复合材料构件成型质量有较大影响,本工作通过ANSYS软件模拟热源随铺放头移动、铺放过程中预浸料不断被铺叠到底层预浸料上,获得复合材料铺层的温度场分布情况。同时构建基于WinCC flexible的温度场在线测量系统,对铺层温度进行在线采集和存储。实验结果表明,在铺放成型过程中,每一层预浸料的温度曲线出现多个峰值,且随着热气温度的升高,每层峰值温度逐渐增加,热气温度越高,铺层间峰值温度差越大,热电偶测量结果与仿真结果相差越小。通过对实验结果中的峰值温度与有限元模拟结果进行对比,证明了有限元仿真模型的正确性。研究结果表明,随着铺放速率的加快,每层峰值温度逐渐降低,为满足成型要求,当热风枪出口处热气温度最高为600℃时,最大铺放速率为1.2m/min。     

热塑性复合材料纤维铺放工艺的研究进展

热塑性复合材料由于其良好的可焊接性、可循环利用性、抗化学腐蚀性,特别是短时间内就可加工成型等特点,在未来航空航天构件制造领域有着广阔的应用前景.纤维铺放过程中涉及一系列的物理现象,涵盖传热学、热力学、结晶动力学,牛顿流体力学等学科及这些学科的交叉领域.本文以上述学科的相关知识为理论依据,对纤维铺放工艺中的加热工艺,冷却工艺,铺层间强度,纤维铺放压力和残余热应力五方面内容,通过分析其理论模型的建立和求解方法,介绍和讨论了纤维铺放过程中与最终产品质量相关的基体材料结晶度、铺层间紧密接触程度、铺层间熔合度等关键问题及其中涉及的铺放温度、铺放速率、铺放压力等主要工艺参数.同时,本文还总结了国外的研究成     

基于烟花混合蚁群的移动机器人路径规划研究

目的 以应用于包装车间的移动机器人的路径规划作为研究对象,解决蚁群算法收敛速度慢、寻找到的路径不优等缺陷。方法 引入改进烟花和蚁群融合的方法进行搜索,首先建立移动机器人的栅格地图,其次采用改进烟花算法进行路径粗搜索,将得到的路径作为信息素增量,再运用蚁群细搜索求解。结果 文中方法与传统方法相比,收敛速度得到提高,并寻找到了更优的路径。结论 通过采用融合算法,弥补了烟花寻优的不足,加快了蚁群的收敛,可以对2种算法互相取长补短。     

基于遗传算法的码垛机器人路径规划应用

目的为了改进传统遗传算法在码垛机器人路径规划中可能出现的局部陷阱和过早收敛问题,以及机器人的能耗和路线平滑性问题,提出一种改进的遗传算法机器人路径规划方法。方法针对传统遗传算法存在的问题,分别对种群初始化、适应度函数、选择算子、交叉算子、变异算子的算法和方式进行调整和改进,对优秀算法进行融合。针对基本遗传算法主要着重于路径最短,从而忽视了机器人的能耗及路径平滑性等问题,设计一种综合考虑距离和转弯次数控制的适应度函数,最后将改进的算法应用于码垛机器人的路径规划中。结果仿真结果表明,相较于基本遗传算法,提出的算法搜索到的路径质量更高,不仅距离更短,同时转弯次数远远小于其他算法,路径更为平滑,验证了该算法的有效性。结论基于该算法的码垛机器人路径在兼顾距离最优的同时,路线更加平滑。由于减少了转向次数,机器人的能耗更低,同时仿真结果表明,该算法的实时性也较好。     

Path Planning Based on Ply Orientation Information for Automatic Fiber Placement on Mesh Surface

This article introduces an investigation of path planning with ply orientation information for automatic fiber placement (AFP) on open-contoured mesh surface. The new method makes use of the ply orientation information generated by loading characteristics on surface, divides the surface into several zones according to the ply orientation information and then designs different fiber paths in different zones. This article also gives new idea of up-layer design in order to make up for defects between parts and improve product’s strength.     

Novel Algorithm for Mobile Robot Path Planning in Constrained Environment

This paper presents a development of a novel path planning algorithm, called Generalized Laser simulator (GLS), for solving the mobile robot path planning problem in a two-dimensional map with the presence of constraints. This approach gives the possibility to find the path for a wheel mobile robot considering some constraints during the robot movement in both known and unknown environments. The feasible path is determined between the start and goal positions by generating wave of points in all direction towards the goal point with adhering to constraints. In simulation, the proposed method has been tested in several working environments with different degrees of complexity. The results demonstrated that the proposed method is able to generate efficiently an optimal collision-free path. Moreover, the performance of the proposed method was compared with the A-star and laser simulator (LS) algorithms in terms of path length, computational time and path smoothness. The results revealed that the proposed method has shortest path length, less computational time and the best smooth path. As an average, GLS is faster than A* and LS by 7.8 and 5.5 times, respectively and presents a path shorter than A* and LS by 1.2 and 1.5 times. In order to verify the performance of the developed method in dealing with constraints, an experimental study was carried out using a Wheeled Mobile Robot (WMR) platform in labs and roads. The experimental work investigates a complete autonomous WMR path planning in the lab and road environments using a live video streaming. Local maps were built using data from a live video streaming with real-time image processing to detect segments of the analogous-road in lab or real-road environments. The study shows that the proposed method is able to generate shortest path and best smooth trajectory from start to goal points in comparison with laser simulator.     

动态二叉树表示环境的A*算法及其在足球机器人路径规划中的实现

提出采用二叉树表示二维空间的方法，对全局路径规划和局部路径规划进行综合考察，设计移动机器人在复杂环境下对动态障碍物进行避障的A算法，在足够机器人系统中进行仿真，将二叉树动态地表示球场的机器人与目标对角线的矩型环境，使搜索范围随搜索进程动态地减少，实现了路径规划的整体优化。