大型復(fù)合材料自動鋪帶機(ATL)收、放料機構(gòu)研究及設(shè)計*

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)合材料自動鋪帶機(ATL)收、放料機構(gòu)研究及設(shè)計*

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，自動鋪帶設(shè)備應(yīng)運而生。收、放料機構(gòu)作為大型復(fù)合材料鋪帶機關(guān)鍵功能部件鋪帶頭的重要組成部分不僅影響鋪帶效率，還對鋪帶質(zhì)量有重要影響。通過對收放料工序特點的分析，設(shè)計了一套適用于鋪帶機的收放料機構(gòu)，并在實際應(yīng)用中取得了良好的效果。

自動鋪帶機；收放料機構(gòu)；氣脹軸；力矩電動機

復(fù)合材料(composites)構(gòu)件以其高比強度、高比模量、良好抗疲勞性、抗腐蝕性等一系列優(yōu)點在航空工業(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際鋪放設(shè)計需要，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)品報廢率和輔助材料消耗，自動鋪帶機(ATL)設(shè)備應(yīng)運而生。

ATL機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機床最關(guān)鍵的功能部件——鋪帶頭所替換。收放料機構(gòu)作為鋪帶頭上的關(guān)鍵部件，需要實現(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，還對鋪帶質(zhì)量有重要影響。

1　收放料機構(gòu)的設(shè)計

1.1鋪帶機工作過程介紹

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襯紙的回收。

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

1.2收放料特點分析

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。而張力的變化對鋪帶有重大影響。鋪放過程中，如果帶料張力過小，會出現(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)回收襯紙一個與傳動方向相同的張力外，張力大小的控制對鋪帶的影響與放料時相同。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行。收放料機構(gòu)受力原理如圖3。

由旋轉(zhuǎn)動力學(xué)方程：

M=Jε

式中：M為轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動慣量；ε為角加速度。

對于質(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)動慣量為：

對于放帶輪，當(dāng)帶輪無帶料時，初始轉(zhuǎn)動慣量為Jf0；對于收帶輪，當(dāng)帶輪無帶料時，初始轉(zhuǎn)動慣量為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，此時兩輪的轉(zhuǎn)動慣量的計算分別為：

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到平衡，則：Ff=Fs

導(dǎo)出：

從上式得出，隨著鋪帶的進行，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位置不發(fā)生變化，還能實現(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，傳遞扭矩。當(dāng)需要更換料卷時，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，即可進行料卷的更換。

1.4驅(qū)動電動機的選取

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

就力矩電動機本身的特點來看，力矩電動機可以不經(jīng)過齒輪減速而直接帶動負載，如圖5b。反應(yīng)速度快，機械特性的線性度好，能在很低的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行，在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下能產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波動小。因此，這種電動機特別適用于對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“電動機+減速器”方案，由于傳動副的制造及裝配誤差等原因，使整個系統(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。而采用力矩電動機驅(qū)動，從根本上消除了機械傳動副本身的傳動誤差，同時避免了對電動機和負載進行慣性匹配的麻煩，使定位精度得以大幅提高；而且傳動副的減少，還從根本上提高了機床的精度保持性。另外，零部件數(shù)目的減少不僅使得機器的總體尺寸減小，結(jié)構(gòu)更加緊湊，從根本上提高了機器的可靠性。

基于上述分析，設(shè)計了一套將力矩電動機與氣脹軸相結(jié)合的收放料機構(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，通過力矩電動機3帶動氣脹軸旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)鋪帶機的收、放料功能。

2　結(jié)語

通過對鋪帶機收放料工序特點的分析、研究，設(shè)計了一種用力矩電動機驅(qū)動氣脹軸的鋪帶機收放料機構(gòu)。此設(shè)計目前已成功應(yīng)用于某型號大型復(fù)合材料自動鋪帶機關(guān)鍵功能部件鋪帶頭上。實際生產(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。其實際鋪帶效果如圖7。

實踐證明：此套機構(gòu)實現(xiàn)了動力源與工作件之間的“零傳動”，使設(shè)備結(jié)構(gòu)更加緊湊，而且運行穩(wěn)定，對其他相似設(shè)備具有一定的應(yīng)用借鑒價值。

[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.

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[3]李會榮，譚博. 基于氣脹軸原理的機械脹軸結(jié)構(gòu)改進[J].機械科學(xué)與技術(shù)，2011(3)：472.

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[5]徐灝.新編機械設(shè)計手冊：上冊[M].北京：機械工業(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)

160624