面向碳纤维复合材料成型的模块化铺丝头机构设计理论与方法研究

For the development of higher performance and integration of composite materials forming equipment, this project is aimed to develop the theory of mechanism design for modular fiber placement head based on its characteristics of multiple degrees of freedom, multiple drives, complex constraints and strong coupling. The project is planning to put forward the principles of function decomposition and coordination of all sub-mechanisms and pay attention to research the innovation design of these sub-mechanisms and the corresponding coupling method. Based on the analysis of the movement trajectory of carbon fiber bundles, an integrated optimization method will be proposed by applying the principle of Multidisciplinary Design Optimization. In order to improve the accuracy of dynamic tension, a novel flexible mechanism for tension compensation with intelligent control methods will be developed based on the research of the coupling function between the movement of carbon fiber bundles and the flexible mechanical system. In addition, some fundamental problems for the application of modular fiber placement head are investigated, and a novel prototype will be developed to verify our analysis and design theory proposed. The achievement of the project can provide a theoretic guide for innovation design of fiber placement forming equipment and enrich the theory of mechanisms as well as promote its development and application.

铺丝机是高性能复合材料成型的集成化关键装备，其核心技术部件是铺丝头机构，具有自由度多、驱动多、约束复杂和强耦合等特性。因此，其设计具有非常大的难度。本项目拟紧密结合工程应用背景，对模块化铺丝头机构开展设计理论和方法研究：首先深入分析其功能分解和各实现机构协调工作机理，进而进行构型综合研究并提出基于复杂约束处理的多机构耦合设计方法。为解决铺丝头机构优化中的多参变量强耦合问题，拟在对纤维束传送路径进行深入分析的基础上，提出基于多学科优化思想的集成优化方法。开展纤维束运动与机构系统的耦合作用对张力的影响机理研究，探索采用柔性张力主动补偿机构与智能控制方法相结合的方式实现纤维束铺放张力的精细控制。研制一种模块化铺丝头原理样机，对所提出的理论和方法进行实验验证。项目成果可为我国复合材料铺放成型设备的机构创新设计提供理论指导，同时对于丰富机构学理论、推动机构学的发展和应用具有重要的科学价值和意义。

高性能铺丝机器人是是航空航天等军事和民用重要领域内复合材料结构件制造的关键装备，其核心设备是模块化铺丝头机构，具有自由度多、驱动多、约束复杂和强耦合等特性。本项目首先基于铺放工艺从机构学角度进行了纤维束铺放功能分解及协调动作序列研究，揭示了各功能模块之间的耦合特征及协调动作规律；总结了铺丝头机构各功能模块间几何、运动和力约束耦合特征，分析了功能需求与实现机构基本运动型式间的映射关系，提出了基于复杂约束处理的模块化铺丝头机构构型创新及耦合设计方法；总结了单纤维束传输路径及各功能模块间约束关系，根据构型设计中多纤维束功能实现机构的工作空间和耦合规律，建立了模块化铺丝头整体机构布局优化模型，提出了其系统层优化模型和子系统层优化模型的建立和求解方法。进而基于多学科优化思想提出了具有普遍适用性的复杂约束条件下系统布局优化设计方法，实例优化结果证明应用该方法可有效提高模块化铺丝头机构的集成度；建立了模块化铺丝头各功能机构的动力学模型，结合纤维束物理特性、成型构件物理参数等因素研究了机构系统与纤维束运动的耦合作用及其对纤维束张力的影响规律，提出了纤维束张力的精确控制策略及模块化控制系统设计方法；设计了一种8丝束模块化铺丝头原理样机，并进行了虚拟样机仿真分析和实验测试，验证了所提出理论和方法的正确性和有效性。所提出的铺丝头机构设计方法可为我国复合材料铺放成型设备的机构创新设计提供重要的指导；理论研究成果对于丰富机构学理论、推动机构学的发展和应用具有重要的科学价值。依托本项目研究成果，发表和录用高水平学术论文12篇，其中SCI检索7篇，EI检索4篇。参加国内外高水平学术会议3次。申请国家发明专利13项，已授权10项，转化1项。