自動下料系統(tǒng)在先進(jìn)復(fù)材數(shù)字化制造中的應(yīng)用

1、自動下料系統(tǒng)在先進(jìn)復(fù)材數(shù)字化制造中的應(yīng)用            在以層疊法制造的復(fù)合材料產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，每一鋪層大多采用樣板為制造依據(jù)，手工進(jìn)行下料。由于操作者技能的差異，可能造成鋪層角度和外形的不同甚至偏移，影響固化后產(chǎn)品的性能和質(zhì)量?，F(xiàn)代飛機(jī)生產(chǎn)全面采用數(shù)字文件取代了圖紙和樣板等傳統(tǒng)手段對產(chǎn)品進(jìn)行定義，手工下料這一方法越來越不適應(yīng)飛機(jī)精確制造的發(fā)展。于是，在復(fù)合材料制造中出現(xiàn)了數(shù)字量傳遞、自動化生產(chǎn)的先進(jìn)模式。復(fù)合材料鋪層的自動下料系統(tǒng)就是一個典型的例子。超聲往復(fù)式自動

2、下料系統(tǒng)的工作原理首先自動下料機(jī)利用Cutwork軟件或Auto CAD軟件接收讀圖版數(shù)據(jù)或DXF、IGES格式數(shù)據(jù)的輸入進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，產(chǎn)生樣片，再校對樣片進(jìn)行精確設(shè)計，然后進(jìn)行計算機(jī)排料編程，經(jīng)過系統(tǒng)資料管理，人工排版、自動排版或人機(jī)交互排版，生成切割機(jī)NC程序并打印排版圖，最后通過下料機(jī)計算機(jī)控制系統(tǒng)，應(yīng)用超聲震動能切割的原理對未經(jīng)固化處理的復(fù)合材料預(yù)浸料、膠膜等進(jìn)行切割，實現(xiàn)預(yù)浸料和膠膜的自動排序、送料、下料等功能，并做標(biāo)記。1 制造過程數(shù)據(jù)的采集樣片的數(shù)據(jù)采集有兩種方式：即正向建模與逆向建模。（1）逆向建模。利用讀圖板，根據(jù)復(fù)材零件的每一鋪層料片的樣板讀圖，并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生樣片圖

3、形數(shù)據(jù)。由于受讀圖板有效讀圖面積的限制，這種方法主要應(yīng)用于鋪層形狀簡單且尺寸小的零件。并且，該方法存在由于模擬量傳遞帶來的誤差，包括工裝型面、下料樣板及定位鋪疊樣板本身的不精確等。同時還存在由于樣板使用特點而帶來的操作精度難以保證和生產(chǎn)效率低的問題：具體表現(xiàn)為采用下料樣板進(jìn)行預(yù)浸料手工下料時精度低和效率低；采用聚酯鋪疊定位樣板手工定位鋪疊時因為工裝型面多曲度而難以精確定位和貼合型面，造成角度、定位不穩(wěn)定和效率低。這幾方面原因最終造成下料和鋪疊等手工操作標(biāo)準(zhǔn)化程度差、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、工作效率低。（2）正向建模。產(chǎn)品設(shè)計時通過數(shù)字量傳遞的三維數(shù)模產(chǎn)生三維制造數(shù)模，使用專業(yè)復(fù)材設(shè)計軟件（FiberS

4、im軟件和CATIA V5的CPD軟件）對其進(jìn)行制造性分析和模擬，最終生成展開的DXF或IGES格式文件的圖形。采用正向建模進(jìn)行數(shù)據(jù)采集不僅可以避免多種數(shù)據(jù)源的產(chǎn)生和傳遞過程中產(chǎn)生的誤差，而且可在實際生產(chǎn)前預(yù)先進(jìn)行模擬制造，對模擬發(fā)現(xiàn)的鋪層問題進(jìn)行優(yōu)化，然后輸出料片數(shù)據(jù)和鋪層激光投影樣板數(shù)據(jù)，在自動下料機(jī)和激光定位儀的輔助下，最大限度地降低手工鋪疊過程中的誤差，提高手工下料和鋪疊的效率，提高復(fù)材制件的鋪疊質(zhì)量和操作穩(wěn)定性，形成產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、精益化生產(chǎn)，基本上可以克服逆向建模所帶來的量值傳遞誤差問題。正向建模采集數(shù)據(jù)的另外一種方法是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計和實際生產(chǎn)中的工藝要求設(shè)計出二維平面圖，轉(zhuǎn)換成DXF

5、或 IGES格式文件，得到ACCUMARK樣片。2 樣片的精確設(shè)計（1）樣片校對。對得到的樣片在處理前進(jìn)行核對，檢查樣片的方向是否和生產(chǎn)設(shè)計的要求一致，然后按照實際情況進(jìn)行適當(dāng)修正：·根據(jù)制造工藝要求，對部分鋪層尺寸進(jìn)行放量。例如邊緣為零件切割凈邊的鋪層；·根據(jù)拼、搭接工藝要求確定是否進(jìn)行修正；                ·根據(jù)材料的特性（如下料吸附張力、延展性等），確定是否放量；·使用部分原

6、料在工裝上進(jìn)行實際鋪疊，并及時對料片進(jìn)行反饋，確定最好的設(shè)計展開方案。（2）樣片圖形連續(xù)性修正。由于復(fù)合材料分析軟件生成的二維圖形是由很多的點和斷線組成的，特別是在有圓弧的地方。這樣會降低下料機(jī)的運(yùn)行速度，而且下料機(jī)是應(yīng)用超聲振動能來切割的，因此當(dāng)圖形中點太多時，機(jī)床運(yùn)行抖動很劇烈，也大大降低了機(jī)床的精度。所以在進(jìn)行優(yōu)化排版前，要通過手動修改的方式，在 C P D 生成的二維圖形樣片上進(jìn)行修改，盡量用直線和曲線代替點和斷線。修正后料片圖形更為連續(xù)，這為自動下料機(jī)的連續(xù)工作提供了可靠保證。3 排版編程料片確定后進(jìn)行比較精確的排版，可以按照單件生產(chǎn)和批量生產(chǎn)分別進(jìn)行排版，從而最大限度地節(jié)約用料。自

7、動下料通?？杀ＷC材料利用率在單件生產(chǎn)時達(dá)到70以上，而批量生產(chǎn)由于可以大量套裁，材料利用率甚至達(dá)到90以上，相對于50的手工下料利用率，自動下料機(jī)效率有了很大的提升，在多機(jī)種批量生產(chǎn)中其優(yōu)越性更加突出。（1）使用AutoCAD軟件進(jìn)行手動排版，最后生成DXF文件。這種排版方式的優(yōu)點是:針對樣片的外形線的修改可按工藝要求靈活調(diào)整，相鄰料片重復(fù)時，可以刪掉共同線，這樣使材料的利用率增加，也提高了設(shè)備的運(yùn)行能力。但這種方式也存在排版速度慢、不可控、容易出錯的缺點。（2）使用機(jī)床附帶的工業(yè)排版軟件Cutwork進(jìn)行排版，最后生成NC文件。這種排版方式的優(yōu)點是：速度快，效率高。但有以下缺點：進(jìn)行排版的樣

8、片必須是獨立的封閉圖形。這種排版方式不適合膠膜這種材料。在下膠膜材料時，由于材料本身的特性非常容易打卷。當(dāng)料片被完整切割下時，裁床的吸附能力減弱，樣片會自動卷成筒狀，這樣就阻擋了裁頭的移動，使切割好的樣片卷入裁頭因而被切壞或是還未切割的膠膜被裁頭拉傷。因此需要在繪制圖形的時候使圖形不閉合，使料片不能一次性被完整地切割下來。AutoCAD生成圖形對下料的影響1 AutoCAD 生成圖形與下料的關(guān)系下料機(jī)運(yùn)行時，走刀并不是按照順時針或是逆時針方向，刀片的運(yùn)動順序是跳躍式的。以矩形樣片為例，轉(zhuǎn)換成二維坐標(biāo)點進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，下料機(jī)的走刀方向和順序與繪制圖形時的線條順序是一致的。在料片裁斷的地方，由于裁床對預(yù)浸料的吸附力減弱，裁頭移動時容易把預(yù)浸料刮起、拉傷。這樣，裁頭走刀次數(shù)的增加就會大大增加料片拉傷的機(jī)率。所以應(yīng)注意繪圖的方式，減少裁頭在機(jī)器運(yùn)行時的走刀次數(shù)，從而大大提高工作效率。2 減少下料誤差的方法在切割有圓弧形的圖形時，機(jī)器會自動先切割圓弧，再切割連接圓弧的兩條直線。這樣切下的料片，比按順序切割的圖形誤差要大。通過反復(fù)實驗，發(fā)現(xiàn)通過在Cutter軟件中將圖形設(shè)置為“自動連接所有線”，并設(shè)定封閉線切割順序，選擇“順時針或逆時針”切割就可以解決這個問題。結(jié)束語運(yùn)用Cutwork工業(yè)排版軟件或CAD圖形軟件，通過正向數(shù)據(jù)采集，生成樣片，通過對展開料片的核