复合材料铺丝机器人的控制和算法的研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 8 4 1.43MB 65 页 15积分
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摘 要
复合材料自动铺丝技术是上个世纪发展最为迅速的一种先进复合材料自动成
型技术，其主要通过铺丝头末端的压辊将加热软化的复合材料纤维丝束压实在旋
转的芯模表面而制成的复合材料零件。自动铺丝技术具有效率高、成本低、自动
化程度高、灵活等优点。
铺丝机器人是复合材料自动铺丝的自动化设备，目前铺丝机器人在欧美国家
已经非常成熟，在我国尚处于起步阶段。本论文对铺丝机器人的研究主要包括以
下几个方面：
（1）对铺丝机器人进行需求分析，并对其头部进行功能定义，画出其每个功
能模块的原理图。
（2）对铺丝机器人六自由度机械臂进行轨迹规划算法的研究，首先利用 D-H
方法对每个关节建立坐标系，根据每个关节与每个关节的位置关系求出其位置矩
阵，然后根据铺丝头末端的位置通过求解逆运动学方程计算出每个关节角度的变
换量，最后在有限的已知铺丝头位置间插值，使之成为一条平滑的路径。
（3）对芯模表面的铺丝路径的规划，首先对管状芯模进行轴向离散，对轴心
点进行三次多项式插值求出其中心线方程；然后通过几何关系求得其芯模表面的
参数方程，同时根据铺丝线路与轴线所成的角度关系，求得相应的铺丝路径方程；
最后在 MATLAB 中对该路径方程进行验证。
（4）对铺丝机器人的控制部分的设计。铺丝机器人的控制部分包括：1、六
自由度机械臂的伺服控制，其主要是通过对 TMS320F2812进行编程控制伺服电机，
使其转动达到由轨迹规划得到的关节角度的变化量。2、铺丝头内部的电气控制，
主要设计了气缸电磁阀的驱动电路，实现了 DSP 对电磁阀、伺服电机的正确控制。
同时完成了下位机 DSP 的串口通信代码的编写。
关键词：复合材料 自动铺丝 机器人 轨迹规划 铺丝路径
ABSTRACT
Automatic Fiber Placement is an advanced Automatic Molding technique in
composite material, which is also the most rapid development technique in last century.
The composite material parts was manufactured mainly through compaction roll which
fixed in the end of the fiber placement head delivers the certain press placing the heated
and soft composite fiber on the surface of rotational core. Automatic Fiber Placement
has so many advantages such as high efficiency, low cost, high automatic degree,
flexibility.
Fiber placement robot is the automated equipment of the composite material
Automatic Fiber Placement, technique of this robot is very mature in European and
American countries, but it is still in the beginning stage in our country today. The fiber
placement robot was researched in this paper and the contents are listed as follows:
(1)Requirements of the fiber placement robot were analyzed, function of the head
was defined and principle diagrams of each function module were drawn.
(2) Trajectory planning of the 6-DOF manipulator was researched. First, coordinate
systems were established for each joint with the D-H method, Position matrix was
found through position relationship between the each joint, and then angle variables of
the each joint were got according to the position of the placement robot head by means
of the inverse kinematic equation. At last, interpolate some points between the limited
known position, make the trajectory become smooth.
(3) Trajectory planning of the fiber placement on the surface of the core was
researched. First, discrete core was achieved according to the axial direction, the center
line equation was found through three polynomial interpolation, and then parameter
equation about the surface of the core was found through the geometry relationship, the
equation of fiber placement trajectory was found at the same time by means of the angle
relationship between the fiber placement trajectory and axis of the core. At last, this
equation of fiber placement trajectory was validated in MATLAB.
(4)The control part of the fiber placement robot wars designed. The control parts of
the fiber placement include two parts. One is servo control of the 6-DOF manipulator, it
mainly through programming in TMS320F2812 to control the servo motor, make the
motor rotation to reach the angle value which is got from the trajectory planning. The
other is electrical control inside the head of fiber placement robot, Driving circuit of
cylinder’s battery valve was design, realized battery valve and servo motor was
controlled by DSP correctly, the serial interface communicational code of slave DSP
was achieved at the same time.
Key Words: Composite Material, Automatic Fiber Placement, Robot,
Trajectory Planning, Trajectory of The Fiber Placement
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .................................................... 1
§1.1 复合材料简介及其特点 .................................... 1
§1.2 自动成型技术的发展 ...................................... 1
§1.2.1 复合材料缠绕技术 ................................... 2
§1.2.2 复合材料自动铺带技术 ............................... 3
§1.3 自动铺丝技术的现状与发展方向 ............................ 4
§1.3.1 自动铺丝技术的铺放流程 ............................. 4
§1.3.2 自动铺丝技术的国内外现状 ........................... 5
§1.4 本文的主要工作及主要关键技术 ............................ 7
第二章 铺丝机器人的需求及头部功能定义 ........................... 9
§2.1 铺丝机器人的需求分析 .................................... 9
§2.1.1 工作目标 ........................................... 9
§2.1.2 铺丝机器人的结构需求 ............................... 9
§2.1.3 铺丝机器人的总体需求 .............................. 10
§2.1.4 铺丝机器人的工作原理 .............................. 11
§2.2 铺丝机器人的头部功能定义 ............................... 12
§2.2.1 压紧机构 .......................................... 12
§2.2.2 重送机构 .......................................... 13
§2.2.3 剪断机构 .......................................... 14
§2.2.4 导向块结构 ........................................ 15
§2.2.5 铺丝头部总体原理布局图 ............................ 16
§2.3 本章小结 ............................................... 17
第三章 铺丝路径的轨迹规划 ...................................... 18
§3.1 铺丝路径的研究 ......................................... 18
§3.2 铺丝准则 ............................................... 19
§3.2.1 铺层规划准则 ...................................... 19
§3.2.2 铺丝路径规划准则 .................................. 20
§3.3 铺丝路径规划 ........................................... 21
§3.3.1 三次样条插值对芯模中心的求取 ...................... 21
§3.3.2 芯模参数曲面的建立 ................................ 24
§3.3.3 芯模表面线路的实现 ................................ 26
§3.4 MATLAB 验证............................................. 27
§3.4.1 MATLAB 简介 ........................................ 27
§3.4.2 铺丝路径算法的验证 ................................ 28
§3.5 本章小结 ............................................... 30
第四章 六自由度机械臂的轨迹规划 ................................ 31
§4.1 机械臂轨迹规划的关键技术 ............................... 31
§4.2 机器人运动学的理论知识 ................................. 31
§4.2.1 齐次变换矩阵 ...................................... 31
§4.2.2 刚体的坐标变换 .................................... 32
§4.3 机器人坐标系的建立和逆运动学方程求解.................... 33
§4.3.1 机械臂关节杆系的建立 .............................. 33
§4.3.2 机械臂的正运动学分析 .............................. 34
§4.3.3 机械臂的逆运动学分析 .............................. 36
§4.4 轨迹规划算法的实现 ..................................... 37
§4.4.1 三次多项式插补 .................................... 37
§4.4.2 轨迹规划结果分析 .................................. 41
§4.5 本章小结 ............................................... 44
第五章 铺丝机器人的控制部分设计 ................................ 45
§5.1 铺丝机器人控制系统的研究 ............................... 45
§5.2 铺丝机器人控制部分整体框架结构 ......................... 46
§5.3 机械臂伺服控制 ......................................... 47
§5.3.1 TMS320F2812 简介 ................................... 47
§5.3.2 直流伺服电机控制原理 .............................. 48
§5.3.3 TMS320F2812 的伺服控制 ............................. 49
§5.4 铺丝头内部电气控制 ...................................... 52
§5.4.1 铺丝头内部控制方案 ................................ 52
§5.4.2 铺丝头内部控制方案的具体实施 ........................ 52
§5.5 本章小结 ............................................... 54
第六章 总结与展望 .............................................. 55
§6.1 论文总结 ............................................... 55
§6.2 课题展望 ............................................... 56
参考文献 ....................................................... 57
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得的成果 ................ 60
致谢 ........................................................... 61
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 复合材料简介及其特点
材料在人类社会的发展过程中起着不可磨灭的作用，古代的兵器，工具无一
不是使用各种材料制成的。进入 20 世纪以后由于科技的发展，电子、航空、原子
弹氢弹等各种领域的突飞猛进，其对材料的要求也变的日趋严格，此时仅靠钢铁
等已经无法满足社会发展的需要了。而复合材料的出现正好解决了其中的危机，
复合材料[1, 2] (Composite materials)，顾名思义是由两种或两种以上不同性质的材料，
通过物理或化学的方法，在宏观和微观上组成具有新性能的材料。由于组成复合
材料的多种材料在物理和化学性能不尽相同，所以彼此之间能够扬长补短，产生
协同效应，使得最终制造出的复合材料零件要比各个组成的材料在其综合性能上
更强，从而满足其零件在不同场合的要求[3]。
纤维复合材料是一种高强度与低密度型的新型复合材料，用它制造出来的构
建具有高强度、耐腐蚀、抗高温等一系列优点，之因为如此，近年来用纤维复合
材料被广泛的应用在航天等高科技领域[4,5]。
本论文主要研究的碳纤维复合材料[6]，其内部主要组成元素便是碳，其碳含量
达到 90%以上，由于碳元素有非常好的性能，常用于增强整个工件的性能。除此
之外碳元素比一般的块状元素具有更多的优势。碳纤维还具有的优势有：耐高温
特性、抗疲劳特性、减震特性、耐腐蚀特性、导电性能以及优异的成型工艺。因
此碳纤维在自动成型技术中占据了非常大的比重[7]。
§1.2 自动成型技术的发展
自动铺丝技术[8~12]是近代科技时代中快速成长起来的自动成型技术之一，自动
铺丝技术主要是将复合材料纤维预浸丝束按照一定的铺丝方向在芯模表面铺放，
并通过加热纤维丝束使其软化，最后通过压辊将其压紧在芯模表面成型，最后形
成的复合材料构建[5]。
自动铺丝技术是目前非常先进的自动成型技术，它使用多组预浸丝束同时铺
放，同时它能够根据芯模表面的形状，随时的增加和减少预浸丝束的根数。
自动铺丝技术是由复合材料缠绕技术和自动铺带技术发展而来的。
摘要：

摘要复合材料自动铺丝技术是上个世纪发展最为迅速的一种先进复合材料自动成型技术，其主要通过铺丝头末端的压辊将加热软化的复合材料纤维丝束压实在旋转的芯模表面而制成的复合材料零件。自动铺丝技术具有效率高、成本低、自动化程度高、灵活等优点。铺丝机器人是复合材料自动铺丝的自动化设备，目前铺丝机器人在欧美国家已经非常成熟，在我国尚处于起步阶段。本论文对铺丝机器人的研究主要包括以下几个方面：（1）对铺丝机器人进行需求分析，并对其头部进行功能定义，画出其每个功能模块的原理图。（2）对铺丝机器人六自由度机械臂进行轨迹规划算法的研究，首先利用D-H方法对每个关节建立坐标系，根据每个关节与每个关节的位置关系求出其位...

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