毕业设计立项报告--林高松.doc

基于项目学习的毕业设计项目立项报告项目名称：数控多坐标纤维铺放机结构设计院 （系） 机电学院 专 业 机械设计制造及其自动化 学 生 林高松 学 号 1080810427 班 号 0808104 指导教师 路华 填写日期 2011.12.26 哈尔滨工业大学机电工程学院2011年11月说 明一、立项报告应包括下列主要内容：1立项依据（研究意义、国内外研究现状并附主要参考文献）；2研究内容、研究目标及拟解决的关键问题；3拟采取的研究方案及可行性分析；4项目的特色与创新；5进度安排及预期成果；6研究基础与工作条件；7项目组成员简介；8项目经费预算。二、报告需用A4纸双面打印，左侧装订，由指导教师填写意见、签字后，统一交所在院（系）保存，以备检查。三、报告的电子版均需交由各单位教学主任存档，由各班班长统一收集、上交，不单独受理。四、此说明页不得删除。指导教师评语： 指导教师签字： 检查日期： 1.立项依据1.1研究意义为提升我国复合材料制造技术水平，纤维铺放和缠绕技术作为复合材料数字化生产线的重要组成部分，已经列入我国的“飞机制造业数字化工程”指南。目前，我国大飞机项目已经立项，并明确为大型客机和大型军用运输机，前期规划复合材料用量为15%，随着技术的成熟和发展复合材料用量将进一步扩大。而纤维铺放和缠绕技术是解决飞机复合材料零件制造的关键，因此有必要开着自动铺放设备的研究工作，为大型飞机复合材料零件的制造奠定基础。纤维铺放技术只有美、法、西班牙等少数几个西方国家掌握技术的核心，而西方国家对于高性能多自由度数控铺放设备对我国实行禁运。因此，我国有关部门应制定长期发展规划，有计划、有组织、系统地开展纤维铺放缠绕技术的研究工作，在借鉴国外研究成果的基础上，根据我国的实际国情，研制出具有自主知识产权的技术装备和材料体系。尤其是七自由度纤维铺放系统及其相关技术的研究，对于提高我国高性能复合材料产品的制造水平、增强我国航空航天及国防事业的综合实力具有重大意义。1.2国内外研究现状（1） 国外研究现状目前，纤维铺放技术在以美国为代表的西方国家已经开始了装备技术、材料技术和CAD/CAM软件技术的研究，并得到了应用。最早开始研制纤维铺放技术的有Boeing公司、Cincinnati Milacron公司和Hercules公司等，20世纪70年代开始设备设计、工艺与材料研制等诸项工作。20世纪80年代初，Boeing公司的机械工程师Quentin Wood提出了AVSD铺放头（Automated Variable Strained Dispensing Head）设想，解决了纤维束压实、切断和重送的问题。1985年Hercules公司研制出了第一台原理样机。1989年Cincinnati Milacron公司设计出其第一台纤维铺放系统并于1990年投入使用。1995年Ingersoll公司也研制出其第一台铺放机。随着自动铺放技术的不断发展控制系统从模拟控制升级到全数字控制。20世纪90年代还开发了专用的CAD/CAM软件与硬件配套，使其功能日臻完善。设备制造商和飞机部件制造商也不断开发出自动铺放新技术，包括双向铺放头技术、丝束重定向控制技术、张力控制技术、预浸丝束整形技术、Fiber Steer技术、柔性压辊技术、热塑性自动铺放技术、超声固接成型技术和CAD/CAM软件技术等。目前铺丝机的单丝剪切、夹紧和重送等动作均可在计算机协调控制下完成，所使用的纤维束主要是由12K预浸长纤维组成，标准宽度有3.2mm、6.4mm、12.7mm三种。铺丝宽度调节靠裁剪纤维束的根数完成，由32根纤维丝集束组成的丝束宽度可达300mm。铺丝张力约为1至3N，铺放精度可达到0.005mm。目前国际上主要的铺丝机生产商有美国Cincinnati machine、Ingersoll公司，欧洲的Automated Dyna Micro、M.Torres等。 在铺丝成型结构设计和分析方面，堪萨斯大学开发了复合材料分析与设计系统Steered Composite Analysis and Design System SCADS)。该系统集复合材料结构设计和分析于一体，将手工铺放和自动铺放有机结合，可根据复合材料零件实际工况优化纤维铺放路径。SCADS的开发侧重于2个方面：一方面侧重于轨迹规划，并在被铺放曲面上仿真纤维路径；另一方面是纤维路径与现有的复合材料分析软件的整合。SCADS系统中的纤维铺放分析环境（FPA）具有在丝束级别上分析纤维性能的能力包括纤维方向和曲面曲率分析丝束缝隙和重叠的分析，以及对有限元网格节点的自动几何解析。 （2） 国内研究现状国内对纤维铺丝技术的研究开展时间不长、起步基点较低，还没有定型产品设备在生产中得到应用。南京航空航天大学在2000年获得总装备部“航空支撑”和国家科技部“863”资助，与上海万格复合材料技术有限公司合作完成国内第一台八丝束纤维铺放原理样机，开发了基于CATIA的自动铺放的CAD/CAM软件原型，初步形成了纤维铺放及装备技术体系1,2,3。在铺放的软件方面：（1）通过对构件模型的有限元分析，获得构件的内部应力分布，根据主应力的大小和方向合理规划若干纤维铺放基准轨迹；（2）提出而来基于等距线、等分点原理的两种轨迹计算方法，通过对基准铺放轨迹进行均匀密化，实现了整个构件曲面的铺放轨迹规划；（3）讨论了丝带宽厚和铺放精度的控制策略，给出了铺放头压辊中心轨迹的计算方法，以满足纤维铺放机械手的控制需求。武汉理工大学与北京航天工艺研究所和西安复合材料研究所等单位合作开展自动铺放研究，对圆锥体进行了铺放机理的研究并进行了计算机仿真。从原理上设计了一台纤维铺放机，能够实现四路丝束铺放，每路丝束可单独控制丝束切断或丝束重新输送4,5。哈尔滨工业大学开发了纤维铺放轨迹规划设计与仿真软件，深入研究了基于机械手臂末端运动轨迹和基于机械手臂末端施压方向的2种机床后置处理算法，提出了新的铺放轨迹规划方法和优化方法，实现了铺放软件的前期规划、设计工作。完成了七自由度四丝束纤维铺丝机的设计及调试工作，并进行了铺放试验。在铺放过程中，设备及数控系统工作稳定、可靠，运动位置准确，具有工程实用价值9,10。 2. 研究内容、研究目标及拟解决的关键问题2.1 研究内容 三自由度手腕部件结构设计：（1）三自由度手腕部件结构方案论证、总体设计；（2）各部运动部件参数设计、计算设计、伺服电机选择等；（3）三自由度手腕机构装配图与零件图设计；（4）撰写设计说明书。2.2 研究目标在预定的时间内完成三自由度手腕部件的结构设计，合理选择伺服电机。使手腕在手臂和铺放头之间可靠合理的连接。2.3 拟解决的关键问题（1）三自由度手腕部件的三个旋转（转动、偏摆、俯仰）的旋转角度的合理确定；（2）根据设计参数，合理选择驱动手腕绕X、Y、Z旋转的伺服电机；（3）根据设计参数，设计电机与转轴之间的减速机构。3. 拟采取的研究方案及可行性分析 由于手臂的三个移动关节属于正交结构，机构简单，只对手臂的三自由度手腕的传动设计方案进行研究。手腕是手臂和铺放头的连接件，起到支撑铺放头和调整铺放头姿态的作用8，所以要求手腕能够实现空间三个直线坐标轴X、Y、Z的旋转运动，分别称为转动、俯仰、偏摆，同时手腕要满足如下设计要求：结构紧凑、重量轻；动作灵活、平稳，定位精度高；强度高、刚度高；与手臂和铺放头的连接结构合理；传感器和驱动装置布局、安装合理等。针对以上要求，三自由度手腕的拟采取的设计方案如图1所示，机构的传动原理为：电机D1带动减速器G1,通过一对圆柱齿轮的啮合传动，实现铺放头的转动动作，即绕A轴转动；电机D2带动减速器G2，通过一对锥齿轮的啮合传动实现铺放头的俯仰动作，即绕B轴转动；偏摆部分布置在机构末端，B轴固定在叉架L上，电机D3、减速器G3固定于齿轮箱体M上，电机转动时通过减速器和一对同步带传送机构，带动箱体M绕C轴转动，实现铺放头的偏摆动作。如图1 手腕机构传动方案 4. 项目的特色与创新 该种手腕机构的设计方案结构简单，体积小，充分利用机床伸臂侧面空间。转动轴电机布置在伸臂右侧，缩小了手腕机构的体积。俯仰轴布置在第二级，缩短了转矩半径，减小了转矩。A、B、C轴的回转轴线交于一点O，手腕机构属于球型手腕，位置和姿态解耦，便于逆运动学分析。由于偏摆部分的电机D3会随着齿轮箱一起转动，考虑到电气连接，为了避免绕线，要限制其转动范围，或者规范电气连接方式。5. 进度安排及预期成果5.1进度安排（1）2011.122012.01 查阅国内外相关文献，了解项目背景和发展现状，根 据要求初步拟定方案，准备立项报告和开题答辩；（2）2011.012011.02 根据初步拟定的项目方案，完成相关知识的储备和软 件的学习，主要包括复合材料学，力学，机械结构设 计等知识的复习；（3）2011.032011.04 根据进一步的了解，进一步完善方案，并根据方案进 行手腕机构的总体设计和各部运动部件参数设计计 算、伺服电机选择等；（4）2011.052011.06 完成三自由度手腕的结构装配图与零件图设计；（5）2011.062011.07 完成张力器的结构的进一步优化，整理资料、撰写论 文、准备答辩。5.2预期成果本课题预期完成对七自由度纤维铺放设备中三自由度手腕部件的结构设计，对整个系统的结构进行三维建模和工程图的设计，对各运动部件参数进行设计计算、伺服电机选择，最终完成对复杂曲面、变厚度、加强肋、高曲率轮廓复合材料整体构件等的成型。6. 研究基础与工作条件国内外对该项目有一定的研究，并且已经有了应用不同原理的成品出现，可以先对有关文献进行研读，从而可以整体上了解本项目；此外这些已有文献还可以给我们提供更多的思路，促进研究的进展和有关关键问题的解决。7. 项目组成员简介8. 项目经费预算9. 参考文献1 许斌，安鲁陵，肖军，周来水.自动铺丝机运动控制信息的生成与仿真.制造 业自动化.2005，（01）:69732 李勇，肖军.复合材料纤维铺放技术及其应用.纤维复合材料.2002,19（03）： 39843 安鲁陵，许斌.复合材料纤维铺放自动编程技术研究.工程设计学报.2005,12 (02):80844 徐再，吴耀楚，田会方.FRP 铺放成型技术的研究.玻璃钢/复合材料.2002， （05）：54565 田会方，黄亚辉.纤维铺放机的机构设计及仿真.机械工程师.2005，（08）： 92946 韩振宇，孟庆鑫，路华，富宏亚.新型纤维铺放头的方案设计与实验研究.玻 璃钢/复合材料.2007，（03）：45477 韩振宇，纤维缠绕复合材料构件CAD/CAM技术的及其应用的研究.哈尔滨工业 大学博士学位论文.2007:13168 Mark A.Lamontia，Mark B.Gruber，Brian J.Waibel，Ralph D.Cope.Conformable Compaction System Used in Automated Fiber Placement of Large Composite Aerospace Structures. International SAMPE Europe conference No.23. 2002:7457569 于传浩，吴耀楚，王志辉.FRP