赵金鑫　孙彩霞　李初晔

(北京航空制造工程研究所，北京 100024)



大型复合材料自动铺带机(ATL)收、放料机构研究及设计*

赵金鑫孙彩霞李初晔

(北京航空制造工程研究所，北京 100024)

随着复合材料构件在航空工业的广泛应用，自动铺带设备应运而生。收、放料机构作为大型复合材料铺带机关键功能部件铺带头的重要组成部分不仅影响铺带效率，还对铺带质量有重要影响。通过对收放料工序特点的分析，设计了一套适用于铺带机的收放料机构，并在实际应用中取得了良好的效果。

自动铺带机；收放料机构；气胀轴；力矩电动机

复合材料(composites)构件以其高比强度、高比模量、良好抗疲劳性、抗腐蚀性等一系列优点在航空工业领域得到越来越广泛应用，传统的人工铺放已难以满足实际铺放设计需要，为提高复合材料构件铺放质量、可靠性和生产效率，降低产品报废率和辅助材料消耗，自动铺带机(ATL)设备应运而生。

ATL机床多采用开放式高架桥式结构，其结构布局与用于金属切削加工的桥式数控铣床的结构布局有些相似的地方。其末端执行元件主要区别在于数控铣床上用于切削工件的主轴由ATL机床最关键的功能部件——铺带头所替换。收放料机构作为铺带头上的关键部件，需要实现放料(包括料卷的装夹和带料的释放)和收料(衬纸回收)功能，上述功能不仅影响铺带效率，还对铺带质量有重要影响。

1　收放料机构的设计

1.1铺带机工作过程介绍

铺带前，先要将预浸带裁剪成一定的宽带，并卷绕成卷。由于预浸带有一定的粘性，为防止带料粘接在一起，需在预浸带料的表面敷一层衬纸，文中所讲的收料即是指对衬纸的回收。

铺带机的工作流程如图2所示，将预浸带料卷安装到放料机构上，预浸带经过检测机构、导向送进机构、剥离机构、切割机构、最后送到预浸带碾压机构，然后设备按照编制的铺带程序自动进行铺带。衬纸经剥离机构，通过收料机构进行料卷回收。图中虚线部分为收放料机构要实现的功能。

1.2收放料特点分析

在铺带过程中，放料轮和收料轮的半径不断变化，这将导致预浸带输送系统各部分的摩擦阻力和转动惯量也不断变化，从而使预浸带料的表面张力发生变化。而张力的变化对铺带有重大影响。铺放过程中，如果带料张力过小，会出现预浸带松弛，影响切割和铺带的尺寸稳定性；若带料张力过大，容易出现背衬纸剥离甚至撕裂现象，影响铺带机正常工作。而在收料过程中，除需要施加给预回收衬纸一个与传动方向相同的张力外，张力大小的控制对铺带的影响与放料时相同。所以，在铺带过程中，保证预浸带有一定的张力是很重要的，即能避免一系列因应力波动造成的层间应力,以满足铺放成品的承载和抗疲劳要求，提高产品的质量，还能够保证铺带过程的顺利进行。收放料机构受力原理如图3。

由旋转动力学方程：

M=Jε

式中：M为转矩；J为转动惯量；ε为角加速度。

对于质量密度ρ、内径R1、外径R2、长度H的均质圆柱，关于中心轴的转动惯量为：

对于放带轮，当带轮无带料时，初始转动惯量为Jf0；对于收带轮，当带轮无带料时，初始转动惯量为Js0。

假设铺放过程中某一刻，放带轮内径Rf1，外径Rf2，长度Hf，带料密度ρf；收带轮内径Rs1，外径Rs2，长度Hs，衬纸密度ρs，此时两轮的转动惯量的计算分别为：

放带轮：

收带轮：

则：

Mf=Jfεf

Ms=Jsεs

放带轮的张力：

Ff=Mf/Rf2=Jfεf/Rf2

收带轮的张力：

Fs=Ms/Rs2=Jsεs/Rs2

要使收放过程中张力达到平衡，则：Ff=Fs

导出：

从上式得出，随着铺带的进行，为保证张力恒定，需要控制放带轮的速度逐渐加大，而收带轮的速度逐渐减小。

1.3气胀轴的选取

为保证料卷与安装轴不发生“打滑”现象，本设计采用了一种气囊式胀轴。此气胀轴不仅能保证料卷与胀轴的相对位置不发生变化，还能实现不同宽度的预浸带料卷的安装。其结构如图4。

首先，将料卷2装在胀轴1上，将压缩空气充入气囊3，气囊膨胀，压缩复位弹簧4，推动胀键5沿径向外移顶紧料卷2内壁，依靠摩擦力使料卷2与胀轴1 同步转动，传递扭矩。当需要更换料卷时，将气囊3中的空气放出，复位弹簧4释放压力，使胀键5回复到原来位置，即可进行料卷的更换。

1.4驱动电动机的选取

以往的设计，不论是普通机床还是数控机床，从动力源(电动机)到执行部件，往往要经过一系列的皮带、齿轮箱等中间传动环节，如图5a，这些环节会带来一系列的问题，如：造成很大的转动惯量；当工作部件在起动、加减速、反向和停车时，这些机械元件产生的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙等，会使工作部件出现运动的滞后现象及其他许多非线性误差，影响了设备对运动指令的快速反应。为有效解决上述问题，应尽可能减少动力源与工作部件之间的传动环节，最好使电动机和工作部件合二为一，即实现所谓的“零传动” 。

就力矩电动机本身的特点来看，力矩电动机可以不经过齿轮减速而直接带动负载，如图5b。反应速度快，机械特性的线性度好，能在很低的转速下稳定运行，在堵转状态下能产生较大转矩，转矩和转速的波动小。因此，这种电动机特别适用于对位置和速度的控制精度要求较高的系统中。

在精度控制方面，传统的“电动机+减速器”方案，由于传动副的制造及装配误差等原因，使整个系统的定位误差、速度误差控制以及调谐困难成为不可避免的问题。而采用力矩电动机驱动，从根本上消除了机械传动副本身的传动误差，同时避免了对电动机和负载进行惯性匹配的麻烦，使定位精度得以大幅提高；而且传动副的减少，还从根本上提高了机床的精度保持性。另外，零部件数目的减少不仅使得机器的总体尺寸减小，结构更加紧凑，从根本上提高了机器的可靠性。

基于上述分析，设计了一套将力矩电动机与气胀轴相结合的收放料机构。其结构简图如图6。

首先，将预浸带料卷装在气胀轴4上，然后将压缩空气充入气胀轴内腔，推动胀键沿径向外移顶紧料卷，从而将预浸带料卷固定在气胀轴上。最后，通过力矩电动机3带动气胀轴旋转实现铺带机的收、放料功能。

2　结语

通过对铺带机收放料工序特点的分析、研究，设计了一种用力矩电动机驱动气胀轴的铺带机收放料机构。此设计目前已成功应用于某型号大型复合材料自动铺带机关键功能部件铺带头上。实际生产中，其铺放出来的产品，无论是质量还是外观都得到了用户的肯定。其实际铺带效果如图7。

实践证明：此套机构实现了动力源与工作件之间的“零传动”，使设备结构更加紧凑，而且运行稳定，对其他相似设备具有一定的应用借鉴价值。

[1]梁宪珠，孙占红，张铖，等. 航空预浸料-热压罐工艺复合材料技术应用概况[J].航空制造技术，2011(20)：26-30.

[2]张磊，刘春时，李焱，等.力矩电机在双摆头中的应用[J].机械工程师，2011(1)：112-113.

[3]李会荣，谭博. 基于气胀轴原理的机械胀轴结构改进[J].机械科学与技术，2011(3)：472.

[4]张伯霖, 张志润, 肖曙红. 超高速加工与机床的零传动[J]. 中国机械工程, 1996，7( 5): 37-41.

[5]徐灏.新编机械设计手册：上册[M].北京：机械工业出版社，1995.

(编辑李静)

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Design and research of retractile material mechanism of large composite automated tape laying machine

ZHAO Jinxin，SUN Caixia，LI Chuye

(AVIC Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute ,Beijing 100024,CHN)

With the widely application of composite materials in the aerospace industry, automated tape laying equipment emerged. Retractle material mechanism is an important step in large composite automated tape laying machine,not only affects the tape laying efficiency ,also has an important influence on tape laying quality. Through the analysis of the characteristics of retractale material step,design a set of retractile material mechanism suitable for tape laying machine, and achieved a good effect in practical application.

tape laying; the characteristics of the retractile material; air-automatic shaft；torque motor

TH122

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.008

2016-01-19)

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