（长春设备工艺研究所超精密加工技术研究室 吉林 长春 130012）
摘要：为满足复杂曲面纤维缠绕的要求，基于纤维缠绕基本原理知识、测地线缠绕算法的解算以及纤维缠绕工艺参数的分析，本文将以不同导丝头轨迹约束条件确定出纱点轨迹，采用MATLAB 软件对仿锤体缠绕模型进行缠绕线型及轨迹计算，分析各轴运动因素，对缠绕轨迹的影响。建立的仿锤体芯模的数学模型，实现节机器人缠绕轨迹规划与仿真。
关键词：测地线缠绕算法；MATLAB 软件；纺锤体；轨迹规划与仿真
0 引言
随着材料工业发展，复合材料壳体在国民经济建设中的应用领域和市场不断扩大。复合材料壳体具有质量轻、强度高、耐腐蚀、耐疲劳、易加工、易维护且电绝缘性能好等优点，已在石油天然气输送、船舶、海洋钻井平台、电力传输、压力储罐等领域获得广泛应用。目前国内已具备多轴数控纤维缠绕研制能力，但机器人辅助缠绕被大多数西方国家列为对我国禁运的物资，技术封锁；具有自主版权的CAM/CAD软件很少，功能不够完善。本文通将采用MATLAB 软件对仿锤体缠绕模型进行缠绕线型及轨迹计算，分析各轴运动、切点顺序、主轴转速等因素对缠绕轨迹的影响。
按需求确定的缠绕工艺及线型加工，关节机器人各运动机构的运动形式可有许多种，不同运动形式对于缠绕平台运行时的稳定性有很大影响，是设计加工工艺时必须要考虑的问题。对于缠绕工艺来说，丝嘴绕工件运动的包络形式、采用测地线或非测地线缠绕、悬纱度等参数对缠绕平台的运动学特性具有影响。
1包络缠绕运动轨迹分析
缠绕时，丝嘴绕工件运动，其轨迹线形成相对工件的包络线。根据包络线的形状可分为开放圆柱包络、封闭圆柱包络、完全轮廓包络和恒定自由纤维长度形式。各种形式下关节机器人各轴运动进行规划后，利用Matlab 对各轴运动轨迹进行规划仿真，得到运动特性曲线。
开放圆柱包络形式在末端换向时运动特性曲线出现锯齿，这是因为工件两端的变线型区经运动关系转换后使末端须通过换向来改变角度。完全轮廓包络形式在中段行进过程中十分平稳，但在换向区存在震颤和抖动问题，这是由于行进中纤维与工件存在一个小于90°的夹角，这个夹角使得自由纤维长度并非丝嘴与工件表面的最短距离，因此换向时必须先继续向前行进一小段距离致使纤维由于松脱而失去张力。
2 定长缠绕运动轨迹分析
由定长缠绕算法可知，模型进行仿真时，当将纤维进行一个完整的缠绕时，芯轴沿自身转动较快，而当缠绕圆柱段时，芯轴转动较慢，且速度成非线性变化。
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定长缠绕士当小车速度恒定的时候，芯轴在缠绕圆柱段时为匀速转动，而在缠绕锥形段的时候从大口径端到小口径端，芯轴旋转的速度为变加速。嘴在圆柱段的运动轨迹为一条直线，并且速度恒定。总体来看，变化效果越大时，小车路径就越大，同样的速度运动时，完成缠绕所用的时间也就越长，产品的生产效率就比较低，各个运动轴的运动曲线也越抖动，这就容易造成纤维在缠绕的过程中不能保持张力恒定。
3测地线缠绕运动轨迹分析
测地线缠绕除由工件形状决定以外，还取决于成型时工作站是否能够稳定运行。对于一些复杂复材壳体芯模，不同形段缠绕角度不同，角度的改变影响末端的轨迹。测地线（螺旋缠绕）虽然具有线型稳定不易滑纱的优点，但并非适用于所有复材壳体芯模。
应对采用测地线（螺旋缠绕）和非测地线缠绕的各轴运动特性进行分析在螺旋缠绕时，小车运动曲线没有明显的锯齿或突变，曲线连续没有畸点，小车运动较平顺，不易发生抖动或震颤，相比之下非测地线缠绕在小车换向时（曲线顶端峰值处）有明显畸点，会使小车换向时发生抖动。在螺旋缠绕时，丝嘴运动曲线有个别锯齿，但丝嘴本身重量并不大，因此即使有速度突变也可以接受；而在非测地线缠绕时，丝嘴换向运动曲线斜率较大，并且斜率有突变，说明加速度较大，有发生抖动的现象。伸臂在螺旋缠绕时也出现了突变如图3所示，螺旋缠绕方式相对更好。需要进一步优化，消除突变。
4 结束语
本文分析包络缠绕轨迹、定长缠绕轨迹以及测地线缠绕三种缠绕运动轨迹，通过MATLAB软件进行了缠绕线型及轨迹的计算，分析了各轴运动对缠绕轨迹的影响，给出了三种缠绕运动轨迹关系和数据分析，为满足复杂复合曲面缠绕和纤维缠绕设备进行缠绕试验研究及工程化应用具有重要意义。
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论文作者:修冬、孙丽群、李雷、孙利忠
论文发表刊物:《科技新时代》2019年8期
论文发表时间:2019/10/12
标签：轨迹论文; 地线论文; 包络论文; 纤维论文; 工件论文; 曲线论文; 圆柱论文; 《科技新时代》2019年8期论文;