趙金鑫　孫彩霞　李初曄

(北京航空制造工程研究所，北京 100024)

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大型復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶機(jī)(ATL)收、放料機(jī)構(gòu)研究及設(shè)計(jì)*

趙金鑫孫彩霞李初曄

(北京航空制造工程研究所，北京 100024)

隨著復(fù)合材料構(gòu)件在航空工業(yè)的廣泛應(yīng)用，自動(dòng)鋪帶設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。收、放料機(jī)構(gòu)作為大型復(fù)合材料鋪帶機(jī)關(guān)鍵功能部件鋪帶頭的重要組成部分不僅影響鋪帶效率，還對(duì)鋪帶質(zhì)量有重要影響。通過對(duì)收放料工序特點(diǎn)的分析，設(shè)計(jì)了一套適用于鋪帶機(jī)的收放料機(jī)構(gòu)，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

自動(dòng)鋪帶機(jī)；收放料機(jī)構(gòu)；氣脹軸；力矩電動(dòng)機(jī)

復(fù)合材料(composites)構(gòu)件以其高比強(qiáng)度、高比模量、良好抗疲勞性、抗腐蝕性等一系列優(yōu)點(diǎn)在航空工業(yè)領(lǐng)域得到越來越廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的人工鋪放已難以滿足實(shí)際鋪放設(shè)計(jì)需要，為提高復(fù)合材料構(gòu)件鋪放質(zhì)量、可靠性和生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品報(bào)廢率和輔助材料消耗，自動(dòng)鋪帶機(jī)(ATL)設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。

ATL機(jī)床多采用開放式高架橋式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)布局與用于金屬切削加工的橋式數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)布局有些相似的地方。其末端執(zhí)行元件主要區(qū)別在于數(shù)控銑床上用于切削工件的主軸由ATL機(jī)床最關(guān)鍵的功能部件——鋪帶頭所替換。收放料機(jī)構(gòu)作為鋪帶頭上的關(guān)鍵部件，需要實(shí)現(xiàn)放料(包括料卷的裝夾和帶料的釋放)和收料(襯紙回收)功能，上述功能不僅影響鋪帶效率，還對(duì)鋪帶質(zhì)量有重要影響。

1　收放料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1鋪帶機(jī)工作過程介紹

鋪帶前，先要將預(yù)浸帶裁剪成一定的寬帶，并卷繞成卷。由于預(yù)浸帶有一定的粘性，為防止帶料粘接在一起，需在預(yù)浸帶料的表面敷一層襯紙，文中所講的收料即是指對(duì)襯紙的回收。

鋪帶機(jī)的工作流程如圖2所示，將預(yù)浸帶料卷安裝到放料機(jī)構(gòu)上，預(yù)浸帶經(jīng)過檢測機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向送進(jìn)機(jī)構(gòu)、剝離機(jī)構(gòu)、切割機(jī)構(gòu)、最后送到預(yù)浸帶碾壓機(jī)構(gòu)，然后設(shè)備按照編制的鋪帶程序自動(dòng)進(jìn)行鋪帶。襯紙經(jīng)剝離機(jī)構(gòu)，通過收料機(jī)構(gòu)進(jìn)行料卷回收。圖中虛線部分為收放料機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)的功能。

1.2收放料特點(diǎn)分析

在鋪帶過程中，放料輪和收料輪的半徑不斷變化，這將導(dǎo)致預(yù)浸帶輸送系統(tǒng)各部分的摩擦阻力和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也不斷變化，從而使預(yù)浸帶料的表面張力發(fā)生變化。而張力的變化對(duì)鋪帶有重大影響。鋪放過程中，如果帶料張力過小，會(huì)出現(xiàn)預(yù)浸帶松弛，影響切割和鋪帶的尺寸穩(wěn)定性；若帶料張力過大，容易出現(xiàn)背襯紙剝離甚至撕裂現(xiàn)象，影響鋪帶機(jī)正常工作。而在收料過程中，除需要施加給預(yù)回收襯紙一個(gè)與傳動(dòng)方向相同的張力外，張力大小的控制對(duì)鋪帶的影響與放料時(shí)相同。所以，在鋪帶過程中，保證預(yù)浸帶有一定的張力是很重要的，即能避免一系列因應(yīng)力波動(dòng)造成的層間應(yīng)力,以滿足鋪放成品的承載和抗疲勞要求，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，還能夠保證鋪帶過程的順利進(jìn)行。收放料機(jī)構(gòu)受力原理如圖3。

由旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)方程：

M=Jε

式中：M為轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ε為角加速度。

對(duì)于質(zhì)量密度ρ、內(nèi)徑R1、外徑R2、長度H的均質(zhì)圓柱，關(guān)于中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

對(duì)于放帶輪，當(dāng)帶輪無帶料時(shí)，初始轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jf0；對(duì)于收帶輪，當(dāng)帶輪無帶料時(shí)，初始轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Js0。

假設(shè)鋪放過程中某一刻，放帶輪內(nèi)徑Rf1，外徑Rf2，長度Hf，帶料密度ρf；收帶輪內(nèi)徑Rs1，外徑Rs2，長度Hs，襯紙密度ρs，此時(shí)兩輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算分別為：

放帶輪：

收帶輪：

則：

Mf=Jfεf

Ms=Jsεs

放帶輪的張力：

Ff=Mf/Rf2=Jfεf/Rf2

收帶輪的張力：

Fs=Ms/Rs2=Jsεs/Rs2

要使收放過程中張力達(dá)到平衡，則：Ff=Fs

導(dǎo)出：

從上式得出，隨著鋪帶的進(jìn)行，為保證張力恒定，需要控制放帶輪的速度逐漸加大，而收帶輪的速度逐漸減小。

1.3氣脹軸的選取

為保證料卷與安裝軸不發(fā)生“打滑”現(xiàn)象，本設(shè)計(jì)采用了一種氣囊式脹軸。此氣脹軸不僅能保證料卷與脹軸的相對(duì)位置不發(fā)生變化，還能實(shí)現(xiàn)不同寬度的預(yù)浸帶料卷的安裝。其結(jié)構(gòu)如圖4。

首先，將料卷2裝在脹軸1上，將壓縮空氣充入氣囊3，氣囊膨脹，壓縮復(fù)位彈簧4，推動(dòng)脹鍵5沿徑向外移頂緊料卷2內(nèi)壁，依靠摩擦力使料卷2與脹軸1 同步轉(zhuǎn)動(dòng)，傳遞扭矩。當(dāng)需要更換料卷時(shí)，將氣囊3中的空氣放出，復(fù)位彈簧4釋放壓力，使脹鍵5回復(fù)到原來位置，即可進(jìn)行料卷的更換。

1.4驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選取

以往的設(shè)計(jì)，不論是普通機(jī)床還是數(shù)控機(jī)床，從動(dòng)力源(電動(dòng)機(jī))到執(zhí)行部件，往往要經(jīng)過一系列的皮帶、齒輪箱等中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，如圖5a，這些環(huán)節(jié)會(huì)帶來一系列的問題，如：造成很大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；當(dāng)工作部件在起動(dòng)、加減速、反向和停車時(shí)，這些機(jī)械元件產(chǎn)生的彈性變形、摩擦磨損和反向間隙等，會(huì)使工作部件出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的滯后現(xiàn)象及其他許多非線性誤差，影響了設(shè)備對(duì)運(yùn)動(dòng)指令的快速反應(yīng)。為有效解決上述問題，應(yīng)盡可能減少動(dòng)力源與工作部件之間的傳動(dòng)環(huán)節(jié)，最好使電動(dòng)機(jī)和工作部件合二為一，即實(shí)現(xiàn)所謂的“零傳動(dòng)” 。

就力矩電動(dòng)機(jī)本身的特點(diǎn)來看，力矩電動(dòng)機(jī)可以不經(jīng)過齒輪減速而直接帶動(dòng)負(fù)載，如圖5b。反應(yīng)速度快，機(jī)械特性的線性度好，能在很低的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行，在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下能產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波動(dòng)小。因此，這種電動(dòng)機(jī)特別適用于對(duì)位置和速度的控制精度要求較高的系統(tǒng)中。

在精度控制方面，傳統(tǒng)的“電動(dòng)機(jī)+減速器”方案，由于傳動(dòng)副的制造及裝配誤差等原因，使整個(gè)系統(tǒng)的定位誤差、速度誤差控制以及調(diào)諧困難成為不可避免的問題。而采用力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，從根本上消除了機(jī)械傳動(dòng)副本身的傳動(dòng)誤差，同時(shí)避免了對(duì)電動(dòng)機(jī)和負(fù)載進(jìn)行慣性匹配的麻煩，使定位精度得以大幅提高；而且傳動(dòng)副的減少，還從根本上提高了機(jī)床的精度保持性。另外，零部件數(shù)目的減少不僅使得機(jī)器的總體尺寸減小，結(jié)構(gòu)更加緊湊，從根本上提高了機(jī)器的可靠性。

基于上述分析，設(shè)計(jì)了一套將力矩電動(dòng)機(jī)與氣脹軸相結(jié)合的收放料機(jī)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖6。

首先，將預(yù)浸帶料卷裝在氣脹軸4上，然后將壓縮空氣充入氣脹軸內(nèi)腔，推動(dòng)脹鍵沿徑向外移頂緊料卷，從而將預(yù)浸帶料卷固定在氣脹軸上。最后，通過力矩電動(dòng)機(jī)3帶動(dòng)氣脹軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)鋪帶機(jī)的收、放料功能。

2　結(jié)語

通過對(duì)鋪帶機(jī)收放料工序特點(diǎn)的分析、研究，設(shè)計(jì)了一種用力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)氣脹軸的鋪帶機(jī)收放料機(jī)構(gòu)。此設(shè)計(jì)目前已成功應(yīng)用于某型號(hào)大型復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶機(jī)關(guān)鍵功能部件鋪帶頭上。實(shí)際生產(chǎn)中，其鋪放出來的產(chǎn)品，無論是質(zhì)量還是外觀都得到了用戶的肯定。其實(shí)際鋪帶效果如圖7。

實(shí)踐證明：此套機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力源與工作件之間的“零傳動(dòng)”，使設(shè)備結(jié)構(gòu)更加緊湊，而且運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)其他相似設(shè)備具有一定的應(yīng)用借鑒價(jià)值。

[1]梁憲珠，孫占紅，張鋮，等. 航空預(yù)浸料-熱壓罐工藝復(fù)合材料技術(shù)應(yīng)用概況[J].航空制造技術(shù)，2011(20)：26-30.

[2]張磊，劉春時(shí)，李焱，等.力矩電機(jī)在雙擺頭中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程師，2011(1)：112-113.

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[5]徐灝.新編機(jī)械設(shè)計(jì)手冊：上冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

(編輯李靜)

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Design and research of retractile material mechanism of large composite automated tape laying machine

ZHAO Jinxin，SUN Caixia，LI Chuye

(AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute ,Beijing 100024,CHN)

With the widely application of composite materials in the aerospace industry, automated tape laying equipment emerged. Retractle material mechanism is an important step in large composite automated tape laying machine,not only affects the tape laying efficiency ,also has an important influence on tape laying quality. Through the analysis of the characteristics of retractale material step,design a set of retractile material mechanism suitable for tape laying machine, and achieved a good effect in practical application.

tape laying; the characteristics of the retractile material; air-automatic shaft；torque motor

TH122

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.008

2016-01-19)

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