一种后倾触发的自动铺丝辅助压实装置及方法

本发明属于复合材料自动铺丝成型，具体涉及一种后倾触发的自动铺丝辅助压实装置及方法。

背景技术：

1、自动铺丝是复合材料自动化成型的重要技术之一。在自动铺丝过程中，铺丝头将多根预浸丝束输送至主压辊下方，主压辊在铺丝设备运动以及铺放压力作用下，将丝束连续压贴至模具表面或已铺层表面。对于平面或者曲率变化较缓的铺放区域，主压辊通常能够与铺放表面形成相对稳定的接触区域，并对丝束施加连续的压实力，从而完成丝束的铺放和压实。

2、对于c型梁、l型构件、折边构件以及其他具有棱边、圆角或较大曲率变化区域的复合材料构件，铺放路径通常需要由第一铺放面经过曲率过渡区域进入第二铺放面。当主压辊经过上述曲率过渡区域时，主压辊与工件表面之间的接触形态随局部曲率变化而发生改变。受主压辊宽度、弹性变形能力以及工件局部曲率的影响，主压辊的部分辊面可能无法充分贴合工件表面，导致铺放丝束受力不均，进而容易出现局部压实不足、翘起或者贴合不良等问题。若通过增大主压辊加载力的方式提高局部压实程度，还可能造成丝束侧移、树脂过度挤出或者纤维扰动，影响铺层质量。

3、为改善棱边及曲率变化区域的压实质量，现有技术中提出了在主压辊之外设置辅助压辊，并在主压辊完成铺放后利用辅助压辊对已铺放丝束再次进行压实的方案。例如，授权公告号为cn102700151b的中国发明专利公开了一种自动铺设预浸丝的方法和设备，在主压辊完成相邻表面之间的铺放后，通过气缸主动驱动辅助压辊对延伸至第二表面的预浸丝进行压实。该类辅助压实方式能够在一定程度上改善局部区域的压实状态，但辅助压辊需要配置独立的主动驱动机构，并需要根据主压辊的位置及铺放过程控制辅助压辊的伸出、回退以及加载时机，增加了辅助压实机构及其控制过程的复杂程度。

4、同时，对于包含曲率过渡区域的铺放路径，辅助压辊的介入时机还需要与主压辊经过曲率过渡区域的过程相匹配。若辅助压辊过早接触工件或者已铺放丝束，辅助压辊产生的附加接触和压实力可能对主压辊经过曲率过渡区域时的正常铺放过程产生影响；若为了使辅助压辊进入工作位置而改变原有铺放轨迹的位置坐标，则还可能改变主压辊原有的运动轨迹和丝束铺放位置。因此，如何在不干扰主压辊通过曲率过渡区域的前提下，使辅助压辊在主压辊完成该区域铺放后再对第二铺放面靠近棱边的区域实施二次压实，是复杂曲率构件自动铺丝过程中需要解决的问题。

5、此外，在辅助压辊实施二次压实的过程中，铺层厚度变化、工件表面误差以及铺丝设备定位误差均可能造成辅助压辊实际接触位置及压入量发生变化。如果辅助压辊采用刚性定位或者完全依赖主动执行机构调整工作位置，则需要对辅助压辊位置和压实力进行相应控制，不利于简化辅助压实机构，并增加了已有自动铺丝设备进行辅助压实改造时的实施难度。

6、因此，有必要提供一种自动铺丝辅助压实装置及方法，在不依赖辅助压辊独立主动伸出的情况下，使辅助压辊在主压辊通过曲率过渡区域后进入工作状态，对已铺放丝束实施延后二次压实，并能够在保持原铺放轨迹位置和路径运动方向的基础上实现辅助压实过程，从而改善棱边、曲率突变区域或大曲率过渡区域的局部压实质量。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种后倾触发的自动铺丝辅助压实装置及方法，用于解决现有自动铺丝过程中主压辊经过棱边、曲率突变区域或大曲率过渡区域时容易出现丝束局部压实不足、翘起或贴合不良，而现有辅助压实方式又依赖辅助压辊独立主动驱动、辅助压辊介入时机不易与主压辊通过曲率过渡区域的过程协调，并可能因改变原铺放轨迹位置而影响主压辊正常铺放及丝束铺放位置的技术问题。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种后倾触发的自动铺丝辅助压实装置，包括铺丝头主体和设置于所述铺丝头主体下部的主压辊，其特征在于：

4、所述铺丝头主体在所述主压辊沿铺放方向的后方设置有辅助压辊机构，所述辅助压辊机构包括辅助压辊和被动弹性加载组件，所述辅助压辊通过所述被动弹性加载组件与所述铺丝头主体连接，并能够相对于所述铺丝头主体沿接近或远离工件表面的方向弹性浮动；

5、所述辅助压辊的中心轴线相对于所述主压辊的中心轴线沿铺放方向的后方且沿远离工件表面的方向偏置；

6、当所述铺丝头主体处于常规铺放姿态时，所述辅助压辊与工件表面之间具有预设间隙；当所述铺丝头主体绕平行于所述主压辊的中心轴线的姿态轴沿使所述辅助压辊接近工件表面的方向后倾时，所述辅助压辊接触已铺放丝束，并使所述被动弹性加载组件产生弹性变形，以对所述已铺放丝束实施二次压实。

7、进一步的，所述辅助压辊的中心轴线相对于所述主压辊的中心轴线沿铺放方向后方的投影间距为150~165mm，沿远离工件表面方向的高度偏置为15~35mm；

8、所述主压辊和所述辅助压辊的直径分别为50~70mm。

9、进一步的，所述辅助压辊机构还包括安装组件、辅助压辊支撑组件和辅助压辊连接轴，所述辅助压辊通过所述辅助压辊连接轴可转动地安装于所述辅助压辊支撑组件；

10、所述被动弹性加载组件包括分别设置于所述辅助压辊轴向两端的第一气弹簧和第二气弹簧，所述第一气弹簧和第二气弹簧的一端分别与所述安装组件连接，另一端分别与所述辅助压辊支撑组件连接，并在所述辅助压辊接触已铺放丝束后被动压缩。

11、进一步的，所述安装组件设置有角度调节结构和锁定结构，所述角度调节结构用于调节所述辅助压辊机构相对于所述铺丝头主体的预安装倾角，所述锁定结构用于锁定所述预安装倾角；

12、所述预安装倾角使所述铺丝头主体处于目标后倾工作姿态时，所述第一气弹簧和第二气弹簧的轴向伸缩方向具有朝向目标铺放面的法向分量。

13、进一步的，所述安装组件还设置有机械限位结构，所述机械限位结构通过限制所述辅助压辊相对于所述铺丝头主体的最大位移，限制所述第一气弹簧和第二气弹簧的最大压缩量。

14、本发明的另一技术方案是，一种后倾触发的自动铺丝辅助压实方法，使用设置有主压辊和位于所述主压辊沿铺放方向后方的辅助压辊的铺丝头，所述辅助压辊通过被动弹性加载组件相对于所述铺丝头弹性浮动，包括以下步骤：

15、获取待铺放构件的铺放路径，将所述铺放路径划分为依次相连的第一铺放区域、曲率过渡区域和第二铺放区域，所述第一铺放区域和所述第二铺放区域分别位于第一铺放面和第二铺放面；

16、在所述主压辊位于所述第一铺放区域和所述曲率过渡区域时，保持所述铺丝头的常规铺放姿态；

17、在所述主压辊完全经过所述曲率过渡区域并进入所述第二铺放区域后，保持所述铺放路径的轨迹位置坐标和路径运动方向参数不变，并修改所述铺丝头的姿态参数，使所述铺丝头绕平行于所述主压辊中心轴线的姿态轴沿使所述辅助压辊接近所述第二铺放面的方向后倾，以使所述辅助压辊接触所述主压辊已铺放的丝束；

18、通过所述辅助压辊使所述被动弹性加载组件产生弹性变形，对所述已铺放的丝束实施二次压实；

19、完成所述第二铺放面靠近棱边区域的二次压实后，使所述铺丝头恢复至所述常规铺放姿态。

20、进一步的，在所述第二铺放区域设置后倾姿态过渡区和恢复姿态过渡区，使所述铺丝头的后倾角在所述后倾姿态过渡区内由零连续增加至目标后倾角，在二次压实区域保持所述目标后倾角，并在完成二次压实后，使所述后倾角在所述恢复姿态过渡区内由所述目标后倾角连续减小至零。

21、进一步的，根据所述辅助压辊相对于所述主压辊沿铺放方向后方的投影间距、沿远离工件表面方向的高度偏置、所述辅助压辊相对于目标铺放面的初始间隙以及所述铺丝头的后倾角，确定所述辅助压辊相对于所述目标铺放面的等效压入量。

22、进一步的，对路径运动方向向量相对于铺丝头原始姿态向量进行正交化，将正交化后的路径运动方向向量作为姿态计算基准；

23、根据所述正交化后的路径运动方向向量、所述铺丝头原始姿态向量和对应路径点的后倾角确定修改后的铺丝头姿态向量，并将所述修改后的铺丝头姿态向量写入所述铺放路径；

24、其中，所述正交化后的路径运动方向向量作为姿态计算的中间量，不写回所述铺放路径的路径运动方向参数。

25、进一步的，预先建立所述辅助压辊的等效压入量与二次压实力之间的标定关系，在所述标定关系的有效区间内，根据目标二次压实力确定目标压入量，并根据所述目标压入量确定目标后倾角。

26、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

27、一种后倾触发的自动铺丝辅助压实装置，将辅助压辊设置在主压辊后方，并使其相对于主压辊同时具有向后的水平偏置和远离工件表面的高度偏置，使辅助压辊在正常铺放时与工件保持间隙，不参与主压辊的正常压实；需要二次压实时，通过铺丝头整体后倾使辅助压辊靠近并接触已铺放丝束。利用铺丝头自身姿态变化完成辅助压辊工作状态的切换，不需要再设置用于辅助压辊主动伸出的独立执行机构。辅助压辊接触丝束后，由被动弹性加载组件发生弹性变形形成压实力，既能够完成局部二次压实，又保留一定柔顺性，更适合棱边和曲率变化区域的铺放。

28、进一步的，限定辅助压辊与主压辊之间的投影间距、高度偏置以及两个压辊的直径范围。上述参数共同决定铺丝头后倾时辅助压辊向工件表面的几何靠近量，也影响辅助压辊何时开始接触工件。通过对两压辊相对位置及尺寸进行限定，使辅助压辊在常规姿态下保持非工作状态，并在铺丝头后倾后获得满足二次压实需要的接近位移。

29、进一步的，在辅助压辊轴向两端分别设置第一气弹簧和第二气弹簧，并通过辅助压辊支撑组件对辅助压辊进行支承。两端分别加载可以使辅助压辊受力较为均衡，辅助压辊接触丝束后，两根气弹簧随压辊位移被动压缩，使辅助压辊能够在一定范围内浮动。使辅助压辊对铺层厚度变化、工件表面误差以及铺丝设备定位误差具有一定适应能力，避免采用完全刚性的压实方式。

30、进一步的，设置角度调节结构和锁定结构，用于预先调整并固定辅助压辊机构相对于铺丝头主体的安装倾角，使铺丝头达到目标后倾姿态时，两根气弹簧的伸缩方向具有朝向目标铺放面的法向分量。根据具体铺丝头结构和目标工作姿态调整辅助压辊机构的安装状态，使气弹簧产生的弹性作用能够有效传递到目标铺放面，有利于辅助压辊稳定实施二次压实。

31、进一步的，通过机械限位结构限制辅助压辊的最大位移，同时限制两根气弹簧的最大压缩量。给辅助压辊的浮动范围设置机械边界，避免在后倾角较大或局部几何误差较大时辅助压辊产生过大位移，并防止气弹簧超过允许的压缩范围，使辅助压辊机构的工作位置保持在设计允许范围内。

32、一种后倾触发的自动铺丝辅助压实方法，规定主压辊在第一铺放区域和曲率过渡区域内保持常规铺放姿态，只有在主压辊完全经过曲率过渡区域并进入第二铺放区域后才使铺丝头后倾，由辅助压辊对已经铺放的丝束进行二次压实。避免辅助压辊过早接触工件而影响主压辊通过曲率过渡区域。同时，后倾过程中保持轨迹位置坐标和路径运动方向参数不变，仅调整铺丝头姿态，可以在原有铺放轨迹基础上增加局部二次压实过程，减少对原始铺放路径的改动。

33、进一步的，在进入二次压实和退出二次压实时分别设置姿态过渡区，使铺丝头后倾角逐渐增加和逐渐恢复，而不是直接从零后倾角切换到目标后倾角。避免铺丝头姿态发生突然变化，使辅助压辊逐步进入和退出压实状态，减少姿态突变给机器人运动及压辊接触过程带来的冲击，使二次压实过程更加连续。

34、进一步的，利用辅助压辊相对于主压辊的投影间距、高度偏置、初始间隙以及铺丝头后倾角计算辅助压辊的等效压入量。把铺丝头后倾多少与辅助压辊实际压入多少建立明确的几何关系，使姿态角能够进一步用于确定辅助压辊的压入程度。

35、进一步的，在修改铺丝头姿态前，对路径运动方向向量相对于原始姿态向量进行正交化，并将正交化结果仅作为姿态计算的中间量，考虑到离散路径和数值舍入可能造成两个向量不完全正交，通过正交化可以获得较稳定的姿态计算基准；同时不改变原路径运动方向参数，只写回新的姿态向量，保持原有铺放轨迹和路径方向不变，仅完成所需要的后倾姿态调整。

36、进一步的，预先建立辅助压辊等效压入量与二次压实力之间的标定关系，根据目标二次压实力先得到目标压入量，再由目标压入量确定目标后倾角。将辅助压实所需要的压力要求转换为可执行的铺丝头姿态参数，在标定关系有效区间内，通过调整后倾角改变辅助压辊压入程度和二次压实力，使目标后倾角的确定有明确依据。

37、综上所述，本发明利用铺丝头整体后倾触发后置辅助压辊接触丝束，无需设置辅助压辊独立主动伸出机构，并通过被动弹性加载实现柔顺二次压实；主压辊通过曲率过渡区域后再启动辅助压实，可减少相互干扰，同时可在保持原铺放轨迹和路径方向不变的情况下调整压实力。

38、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。