[发明专利]纤维自动铺放系统以及其铺放轨迹的规划方法

说明书

本发明公开了一种纤维自动铺放系统，包括纤维自动铺放装置、与纤维自动铺放装置对应设置的模具承载装置以及控制子系统，所述控制子系统包括用于对纤维自动铺放装置进行控制的压辊压力‑铺放轨迹混合控制模块和铺放张力‑速度解耦控制模块以及对模具承载装置的温度进行控制的温度模糊自适应控制模块；本发明还提供了上述的纤维自动铺放装置的铺放轨迹的规划方法。本发明可实现铺放工艺参数的精密控制，从而提高铺放质量，本发明的铺放轨迹能够使协作机械臂避开奇异位姿，同时改善协作机械臂关节受力情况，避免干涉，提高运动效率和安全性。

技术领域

本发明涉及复合材料铺放的技术领域。更具体地说，本发明涉及一种纤维自动铺放系统以及其铺放轨迹的规划方法。

背景技术

碳纤维复合材料具有比强度大、比模量高、抗疲劳和耐化学腐蚀等优良性能，被广泛的应用在航空航天，汽车船舶和体育器材等领域。自动铺放技术是实现复合材料成型的重要方法之一。根据纤维增强复合材料形态，自动铺放技术可分为自动铺带与自动铺丝两类。自动铺丝技术综合了自动铺带和纤维缠绕技术的优点，铺丝头把缠绕技术中多条预浸丝束独立输送和自动铺带技术的压实、切割、重送功能结合在一起，由铺丝头将多根预浸丝束在铺放压辊下集束成为一条宽度可变的预浸带后铺放在模具表面，并压实成型。自动铺丝设备包括自动铺丝头和控制其运动的机床或多自由度机械臂。随着工业机器人技术不断成熟和铺丝设备应用场合多样化的发展，以工业机器人作为运动平台，并与自动铺丝头组合的自动铺丝设备应运而生。

目前国内外对自动铺放系统及其控制方面研究较多，机器人式自动铺丝机的设计主要集中在可以完成自动铺丝的铺放要求，少有铺放压力/位置混合控制研究，也未研究参数耦合(如：张力-速度耦合)对控制效果的影响。综上所述，考虑实际作业过程中外界扰动、负载变化等未知因素以及张力-速度对纤维自动铺放系统的控制影响，对实现异形件的纤维铺放加工具有重要意义。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提供一种纤维自动铺放系统，该自动铺放设备考虑了实际作业过程中负载变化等外界扰动，以及张力-速度耦合等的影响进行微调节，提高了纤维的铺放质量。

本发明采用如下的技术方案来实现的：

一种纤维自动铺放系统，包括纤维自动铺放装置、与纤维自动铺放装置对应设置的模具承载装置以及控制子系统，所述控制子系统包括用于对纤维自动铺放装置进行控制的压辊压力-铺放轨迹混合控制模块和铺放张力-速度解耦控制模块以及对模具承载装置的温度进行控制的温度模糊自适应控制模块。

进一步地，所述纤维自动铺放装置包括协作机械臂以及设置在协作机械臂上且用于铺放纤维的铺放头。

进一步地，所述模具承载装置包括多自由度运动平台以及设置在所述多自由度运动平台上的智能温控模具，所述智能温控模具中设置有加热装置。

进一步地，所述压辊压力-铺放轨迹混合控制模块包括位置干扰观测器、位置滑模控制器、压力干扰观测器以及力控制器；

所述压辊压力-铺放轨迹混合控制模块设置为：获取纤维自动铺放装置各轴的实时角度反馈q_e，再经正运动学解算后得到实时位置p_e，将实时位置p_e输入到位置干扰观测器得到位置干扰估计值d_p,est，再对得到的实时位置p_e进行计算得到位置误差Δx_d，将位置误差Δx_d输入滑模控制器得到位置输出信号x_p；

获取纤维自动铺放装置各轴的力反馈经滤波后的压力值F_e，对该压力值F_e进行计算后得到压力误差ΔF_d，将压力误差ΔF_d输入到力控制器得到压力输出信号x_f，同时将压力值F_e输入到压力干扰观测器得到压力干扰估计值d_f,est；