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开发了独立于CNC机床环境的自动铺带

时间:2011-8-18 9:05:14   浏览次数:4006

自动铺放CAD/CAM软件技术的发展

    西方发达国家经过几十年的研究,特别是随着专业软件开发商的加入,已经开发了多套商用自动铺放CAD/CAM软件并形成了完备的复合材料设计制造解决方案。1987年,美国的H.W.Lewis等首次提出了“自然路径”(Natural Path)的概念以保证预浸带在自动铺放过程中变形最小,建立了通过将xoy平面中获得的初始点和由铺放角度计算得到的初始方向投影到曲面,再利用多次投影进行近似求解“自然路径”的轨迹规划算法。在该专利的基础上,美国Cincinnati公司于1989年开发了ACES(Advanced CompositesEnvironment Software)离线编程与仿真软件系统,ACES系统将“自然路径”算法应用于自动铺丝轨迹规划,形成了用于自动铺带的ACRAPATH模块和用于自动铺丝的ACRAPLACE模块,具有CATIA V5模型数据的导入、轨迹规划、后置处理、加工仿真和NC代码生成等功能,并成功应用于长度为4.21m的美国V-22“鹗”式军用飞机后机身复合材料结构件的制造,通过轨迹优化减少劳动力53%,废料率降低了90%。随后,日本的N.Shinno等于1991年提出了利用四边形网格化曲面,通过求解给定初始点和初始方向的测地线迭代算法进行轨迹规划,提高了“自然路径”轨迹规划算法的精度和效率。

此外,针对自动铺丝技术的特性,美国的Waldhart等提出了根据相邻铺层角度构造分段函数的方法求得初始参考线,再按初始参考线法线方向投影作等距平移得到参考线族进行自动铺丝轨迹规划的方法;Hale等在此基础上开展了以0°轨迹为基础构造分段曲线再拟合得到初始参考线的研究工作;Shirinzaden等提出了利用特征平面与铺放曲面的交线作为初始参考线的方法。

    目前,自动铺丝常见的轨迹规划方法包括:根据初始参考线在曲面上进行等距平移法(Parallel Path)、与某一参考轴线成固定角度规划法(FixedFiber Orientation Path)、针对回转体环向铺放的等距螺旋法(基于缠绕技术)和给定点纤维方向进行轨迹规划(基于变刚度铺放理论)等4种方法。在上述算法的基础上,专业软件开发商结合自身软件产品与设备制造商联合开发了商用自动铺放CAD/CAM软件。如美国VISTAGY公司的FiberSIM软件提供了多种复合材料设计制造解决方案。其中Tape Laying Interface模块用于自动铺带,Fiber Placement Interface模块用于自动铺丝。该软件可读取CATIA、UG、Pro/E 等通用CAD/CAM/CAE软件文件中构件几何信息以及构件模具面、层位置和边界信息等,准确生成满足铺层边界要求的平面展开图样,根据设计要求自动生成NC加工代码文件,还可以完成复合材料部件的可制造性评估,精确模拟纤维的材料特性,完成复合材料部件的分析、设计和制造,将层合板的设计信息与有限元分析软件和制造设备形成无缝连接,可实现设计制造过程一体化、自动化,降低制造成本。

美国CGTech公司在原有数控加工仿真软件VERICUT的基础上开发了独立于CNC机床环境的自动铺带和自动铺丝的离线NC 编程及仿真软件VCP & VCS(VERICUT Composite Programming and Simulation) 软件,该软件可读取CAD文件中的曲面模型和铺层边界信息,生成铺放轨迹,整合单层轨迹,进行铺层顺序优化。生成NC代码,同时提供了通用CAD/CAM软件接口,能实现CATIA、UG、MasterCAM等软件的嵌入运行。AFPT/Koeirit公司即采用该软件用于热塑性铺带系统的开发。

2004年,空中客车公司(AIRBUS)与法国纯粹和应用数学中心(CIMPA)以航空航天领域广泛采用的CAITA V5软件为平台,基于CATIA CAA V5技术联合开发了自动铺带CAD/CAM的TapeLay软件。该软件可直接集成到CAITA V5系列软件中,包括自动铺带CAD部分的Tape Generation模块和CAM部分的Tape Manufacturing模块。TapeGeneration模块直接获取CATIA CPD(Composite Design)模块的铺层设计数据,完成铺层展开、轨迹规划、带形切割设计、实时三维仿真等步骤;TapeManufacturing模块则主要针对法国Forest Line公司的一步法铺带机、两步法铺带机和双工位铺带机生成相应的加工NC代码。该软件已成功应用于法国Rafale战斗机机翼蒙皮的制造,西班牙M-Torres公司也采用了该软件用于自动铺放设备的开发,美国Ingersoll公司则开发了同样基于CATIA CAA V5技术的自动铺丝CAD/CAM软件ICPS(Ingersoll Composite Programming System)软件。

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