[发明专利]一种正高斯曲面正交标架铺丝成型轨迹规划设计方法

说明书

本发明提供了一种正高斯曲面正交标架铺丝成型轨迹规划设计方法，用于复合材料自动铺丝。本发明方法包括：读取用于铺放的模具数据模型，确定模具表面与铺层的参数信息；选取铺丝参考坐标轴和起始边界位置；基于微分几何曲面正交标架原理生成每层铺层的固定角度的铺放轨迹；根据模具表面的曲率分布，确定轨迹良好可铺放性的纤维变宽度铺放范围；将铺放轨迹生成机器人控制语言，操控机器人进行铺放工作。本发明方法能在生产制造前得到最佳轨迹优化方案，尽可能避免了翘曲变形等铺放加工问题的出现，确保了纤维自动铺丝的精确性，并能够将轨迹转化为机器人代码指挥加工操作，满足多种规格的纤维丝束和不同规格的铺丝头进行轨迹规划设计。

技术领域

本发明涉及复合材料自动铺丝技术领域，涉及自动铺丝成型过程中的路径规划，具体涉及一种碳纤维复合材料正高斯曲面正交标架轨迹规划设计方法。

背景技术

自动铺丝技术是根据美国固体火箭发动机的制造需求提出的一种成型制造方法，现已广泛商业化。铺丝技术采用多束宽度更小的纤维束，能完成更加复杂曲面的复合材料结构件的制造。该技术为高性能复合材料轻质结构的低成本快速制造提供了技术支撑，使复杂的轻质结构形式得以制造，拓展了轻质结构的结构形式，进一步扩大了复合材料轻质结构的应用范围。

在自动铺丝过程中，根据芯模所设计的铺设材料、铺设路径和方向，将数根预浸丝经过压辊下集为丝带，铺放在芯模表面，铺放过程中加热软化预浸丝带并压实定型，整个过程由计算机控制和协调完成。自动铺丝技术既可以铺可展曲面也可以铺回转曲面，还可以铺放复杂的双曲率构件，并具有在铺层时切割丝束和增加丝束的功能，可以满足对铺层进行剪裁以适应局部加厚、铺层递降和开口铺层的需要。自动铺丝技术的铺层规划结合铺丝路径规划设计方案，路径规划是对控制铺丝头在加工过程中走向的轨迹算法进行设计。铺丝路径的生成应根据曲面构件的几何形状、受力状况及强度要求等，规划、设计整个构件的纤维铺放路径。一般来说，首先铺放的称为初始路径，也称为基准路径或参考路径，然后其余路径以之为参照进行密化以形成一个铺层的路径设计。

目前，自动铺丝路径规划算法多为针对回转体等特殊结构或是将自由曲面微分成多个平面进行近似求解。回转体的铺丝路径规划算法，受到实际构件模具的表面复杂几何特征的影响，很难应用于实际工程。采用平面近似曲面求解的算法，在平面近似曲面过程中多个平面误差的积累，在铺丝路径的后半部分容易产生铺放质量降低或者产品失效的情况。为抵消曲面误差问题，现有铺放方案往往采用沿零曲率测地线方向进行铺放，而曲面零曲率方向与铺层工艺设计方向往往不一致，导致铺层设计方向难以实现铺放加工或者铺放加工过程存在较多的间隙，产品性能无法满足设计要求的问题。因此,需要一种具备能够普适铺层的设计方案和机器人可铺放性加工的轨迹规划技术。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种正高斯曲面正交标架铺丝成型轨迹规划设计方法，并基于此方法开发了一种铺丝机器人曲面轨迹规划设计软件。采用本发明方法能够实现当前数字模型自由曲面表面的轨迹规划方案和代码生成。

本发明的正高斯曲面正交标架铺丝成型轨迹规划设计方法，包括以下步骤：

S1:读取实际用于铺放的模具的数据模型，确定铺放模具表面与铺层的参数信息；

其中，根据设计的铺层方案确定复合材料铺层的参数信息，包括铺层设计顺序及每一层铺层的固定角度信息；

S2:选取铺丝参考坐标轴和起始边界位置；

其中，根据模具表面确定实际铺放区域的曲面边界，在边界上任意选取一个点，作为铺放初始路径的起始点；

S3:基于微分几何曲面正交标架原理生成该层铺层的铺放轨迹；

首先，基于起始点的曲面法向量和由铺层角度选取的方向向量r_v，建立自由曲面的正交曲面标架，将起始点的曲面法向量和方向向量r_v构成的截面与曲面截取的曲线作为初始轨迹；其次，以初始轨迹为基准，平行移动丝束宽度铺丝下一条轨迹，直到铺满整个曲面；