1.本发明涉及复合纤维技术领域，具体涉及一种基于纤维层厚度等差控制的纤维自动铺放方法。
背景技术：2.纤维增强复合材料具有质量轻、强度大、抗疲劳、耐腐蚀等优点，因此该材料被广泛应用于航空航天、能源、交通和国防等领域，在制造业的地位也越来越高。自动铺放原位成型是制备纤维增强复合材料的主要方法之一，实现该方法的主要功能模块为铺丝头组件。
3.目前自动铺丝设备的铺丝头组件一般集成有力-位混合控制机构，铺放过程采用恒定压力控制，通过测压传感装置与高度调节机构之间的联动调节，在压力非稳时通过高度调节装置的高度调控从而使得压力回归稳定状态。这种方法虽然能够获得良好的成型质量，但很难对成型零件的厚度进行精确控制，往往需要后期进行精加工处理
技术实现要素：4.为了保证铺丝头通过自动铺放原位成型获得零件具有良好的精度一致性，本发明提出了一种基于纤维层厚度等差控制的纤维自动铺放方法，包括步骤：
5.s1：通过测定获取目标粘接要求下纤维铺放时的首层厚度以及层厚的阈值区间；
6.s2：根据目标零件厚度、首层层厚和中间工艺参数，在层厚等差控制条件下进行铺放层数信息的获取；
7.s3：根据目标零件厚度、首层层厚和铺放层数信息获取实际层厚递增量；
8.s4：根据首层厚度、铺放层数信息和实际层厚递增量获取末层层厚，判断末层层厚是否超出阈值区间，若否，进入下一步骤；
9.s5：根据首层层厚以及调整后的实际层厚递增量和铺放层数信息进行纤维自动铺放。
10.进一步地，所述s1步骤中，目标粘接要求为：
11.首层厚度下的首层纤维与模具之间的粘接力大于预设粘接力。
12.进一步地，所述s2步骤中，中间工艺参数包括：预期层厚递增量、目标层层厚、目标倒数层层厚。
13.进一步地，当中间工艺参数为预期层厚递增量时，铺放层数信息通过如下公式求解获取：
[0014][0015]
式中，n为所需求解的铺放层数信息，h1为首层层厚，d0为预期层厚递增量，h为目标零件厚度。
[0016]
进一步地，当中间工艺参数为目标层层厚时，铺放层数信息通过如下公式求解获
取：
[0017][0018][0019]
式中，hi为当铺设到第i层时目标层i的层厚。
[0020]
进一步地，当中间工艺参数为目标倒数层层厚时，铺放层数信息通过如下公式求解获取：
[0021][0022]
式中h-i
为当铺设到倒数第i层时目标倒数层-i的层厚。
[0023]
进一步地，所述s3步骤中，实际层厚递增量通过如下公式获取：
[0024][0025]
式中，d为实际层厚递增量，n为铺放层数信息，h为目标零件厚度，h1为首层层厚。
[0026]
进一步地，所述s4步骤中，当末层层厚超出阈值区间时，还包括以下步骤：
[0027]
s41：当末层层厚高于阈值区间上限时，铺放层数信息加一并返回s3步骤；
[0028]
s42：当末层层厚低于阈值区间下限时，报错并结束。
[0029]
进一步地，所述s5步骤之前还包括步骤：
[0030]
s50：根据首层层厚以及调整后的实际层厚递增量和铺放层数信息获取各层层厚，判断末层层厚是否小于首层层厚，若是，倒序处理各层层厚后进入s5步骤，若否，直接进入s5步骤。
[0031]
与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：
[0032]
(1)本发明所述的一种基于纤维层厚度等差控制的纤维自动铺放方法，通过等差递增的形式逐层增加层厚的形式，以单一的层厚为调节量，无需对压力进行调节，因此铺丝头上无需设置与高度调节装置联动的压力调节装置，只需要单一的高度调节装置即可，因此大大简化了铺丝头结构，降低了成本，同时使铺丝头能够以更小的体积进行更加细化的操作；
[0033]
(2)由于采用层厚递增的形式进行纤维自动铺放，虽然没有压力调节装置进行压力调节，但随着总层厚和单一层厚的增加，在重力作用下亦保证了各层之间粘接力，同时由于铺放力的相对减小，使得零件表面能够更加光滑。
附图说明
[0034]
图1为一种基于纤维层厚度等差控制的纤维自动铺放方法的步骤图。
具体实施方式
[0035]
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
[0036]
实施例一
[0037]
在采用自动铺放技术成型零件时，为保证铺放压力的恒定，往往采用力-位混合控制方法保持铺放压力的恒定。即在铺放过程中，不断调整压辊的高度，使得铺放压力在一定范围内波动。这种铺放方法可以极大的保证零件的铺放质量，但仍存在以下问题：1、在保证压力的同时，层厚成为了被动改变量，无法保证制备的零件厚度与预期一致；2、力-位混合控制需要铺丝头具有测压装置和高度调节装置，增加机构的复杂度。为解决上述现有技术中存在的问题，如图1所示，本发明提出了一种基于纤维层厚度等差控制的纤维自动铺放方法，包括步骤：
[0038]
s1：通过测定获取目标粘接要求下纤维铺放时的首层厚度以及层厚的阈值区间；
[0039]
s2：根据目标零件厚度、首层层厚和中间工艺参数，在层厚等差控制条件下进行铺放层数信息的获取；
[0040]
s3：根据目标零件厚度、首层层厚和铺放层数信息获取实际层厚递增量；
[0041]
s4：根据首层厚度、铺放层数信息和实际层厚递增量获取末层层厚，判断末层层厚是否超出阈值区间，若末层层厚高于阈值区间上限，进入s41步骤，若末层层厚低于阈值区间下限，进入s42步骤，若否，进入s50步骤，
[0042]
s41：铺放层数信息加一并返回s3步骤；
[0043]
s42：报错并结束；
[0044]
s50：根据首层层厚以及调整后的实际层厚递增量和铺放层数信息获取各层层厚，判断末层层厚是否小于首层层厚，若是，倒序处理各层层厚后进入s5步骤，若否，直接进入s5步骤；
[0045]
s5：根据首层层厚以及调整后的实际层厚递增量和铺放层数信息进行纤维自动铺放。
[0046]
为了将层厚变为主动改变量，同时基于实验发现的层厚增加零件表面更光滑的现象，本发明提出等差递增层厚的自动铺放思路。基于该思路，提出了上述步骤下的自动铺放方案。需要注意的是，为了保证成型零件与模具之间的粘接力，避免粘接力不足导致铺放过程中的零件倾倒，在实验前期，需要先通过前期实验获得首层层厚以及单层铺设层的层厚阈值区间(为纤维刚好无法粘接的层厚，在实际应用中可以略微减小数值以留有余量)。在获取上述必要安全数据后，即可正式进入纤维铺放前的前期数据确认阶段。
[0047]
首先，根据实际客户或产品实际所需的中间工艺参数，我们需要先确定在该中间参数影响下的铺放层数信息。这是因为，部分产品由于其功能或品控需求，在某一层数下具有特定的厚度能够实现特有的性能或功能。因此，本发明中的铺放层数信息是根据实际生产需求进行确定的。具体地，中间工艺参数包括预期层厚递增量、目标层总层厚和目标倒数层总层厚。
[0048]
当中间工艺参数为预期层厚递增量d0时，铺放层数信息n的计算方法可采用等差数列求和公式：
[0049][0050]
化简后得到：
[0051][0052]
式中，h1为首层层厚，h为目标零件厚度，通过求解即可得到铺放层数信息n。
[0053]
当中间工艺参数为目标层i的层厚hi时，由于层厚递增量d0可表示为d0＝(h
i-h1)/(i-1)，因此铺放层数信息通过如下公式求解获取：
[0054][0055]
当中间工艺参数为目标倒数层i的层厚h-i
时，由于层厚递增量d0可表示为d0＝(h-i-h1)/(n-i)，代入方程：
[0056][0057]
整理后得到
[0058][0059]
求解即可得到铺放层数信息n。
[0060]
需要注意的是，上述求解获得的铺放层数信息n都取正根且向下取整。
[0061]
在得到铺放层数信息后即可求取实际层厚递增量，具体公式为：
[0062][0063]
式中，d为实际层厚递增量，n为铺放层数信息，h为目标零件厚度，h1为首层层厚。
[0064]
由于层厚是等差控制的，随着层数的增加，其厚度必然会发生改变，为了避免层厚超出阈值区间导致的层间粘接力不足问题。在获取实际层厚递增量后，还需对末层层厚进行数值比较。
[0065]
当末层层厚高于阈值区间上限时，说明至少有一层的层厚超过阈值区间上限，此时铺设层数加一并返回s3步骤重新计算。
[0066]
当末层层厚低于阈值区间下限时，则说明目标零件厚度无法实现，报错并结束。
[0067]
只有当末层层厚处于阈值区间内时，才表明在该层厚递增调控下可以实现目标零件的制造。
[0068]
需要注意的是，由于等差调控当然也包括层厚递减的情况，而前文已经指出，适当减小铺放压力，增加层厚可以获得更加光滑的零件成型效果。因此，当实际计算出来的末层层厚小于首层层厚时，说明其为层厚等差递减的情况，这时候，可以根据实际需求进行层厚倒叙处理(因为层厚与压力呈负相关，因此即使倒叙使首层层厚减小，其粘接力反而变得更大)，以保证末层的层厚处于一个相对较厚的状态。
[0069]
在一具体实验中，采用本发明所述方法进行了实际纤维自动铺放零件成型，获得的cf/peek0
°
层合板零件，其在弯曲破坏断截面测试时，断面无明显抽丝现象，且仅拉压分界面有分层，说明其层间结合性能良好。同时层合板零件的与零件目标尺寸的差值不超过0.03mm，考虑到铺放过程中，纤维预浸料的弹性变形和冷却过程产生的变形量，此误差范围
较为良好。
[0070]
综上所述，本发明所述的一种基于纤维层厚度等差控制的纤维自动铺放方法，通过等差递增的形式逐层增加层厚的形式，以单一的层厚为调节量，无需对压力进行调节，因此铺丝头上无需设置与高度调节装置联动的压力调节装置，只需要单一的高度调节装置即可，因此大大简化了铺丝头结构，降低了成本，同时使铺丝头能够以更小的体积进行更加细化的操作。
[0071]
而由于采用层厚递增的形式进行纤维自动铺放，虽然没有压力调节装置进行压力调节，但随着总层厚和单一层厚的增加，在重力作用下亦保证了各层之间粘接力，同时由于铺放力的相对减小，使得零件表面能够更加光滑。
[0072]
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0073]
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0074]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0075]
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
技术特征：1.一种基于纤维层厚度等差控制的纤维自动铺放方法，其特征在于，包括步骤：s1：通过测定获取目标粘接要求下纤维铺放时的首层厚度以及层厚的阈值区间；s2：根据目标零件厚度、首层层厚和中间工艺参数，在层厚等差控制条件下进行铺放层数信息的获取；s3：根据目标零件厚度、首层层厚和铺放层数信息获取实际层厚递增量；s4：根据首层厚度、铺放层数信息和实际层厚递增量获取末层层厚，判断末层层厚是否超出阈值区间，若否，进入下一步骤；s5：根据首层层厚以及调整后的实际层厚递增量和铺放层数信息进行纤维自动铺放。2.如权利要求1所述的一种基于纤维层厚度等差控制的纤维自动铺放方法，其特征在于，所述s1步骤中，目标粘接要求为：首层厚度下的首层纤维与模具之间的粘接力大于预设粘接力。3.如权利要求1所述的一种基于纤维层厚度等差控制的纤维自动铺放方法，其特征在于，所述s2步骤中，中间工艺参数包括：预期层厚递增量、目标层层厚、目标倒数层层厚。4.如权利要求3所述的一种基于纤维层厚度等差控制的纤维自动铺放方法，其特征在于，当中间工艺参数为预期层厚递增量时，铺放层数信息通过如下公式求解获取：式中，n为所需求解的铺放层数信息，h1为首层层厚，d0为预期层厚递增量，h为目标零件厚度。5.如权利要求4所述的一种基于纤维层厚度等差控制的纤维自动铺放方法，其特征在于，当中间工艺参数为目标层层厚时，铺放层数信息通过如下公式求解获取：参数为目标层层厚时，铺放层数信息通过如下公式求解获取：式中，h
i
为当铺设到第i层时目标层i的层厚。6.如权利要求4所述的一种基于纤维层厚度等差控制的纤维自动铺放方法，其特征在于，当中间工艺参数为目标倒数层层厚时，铺放层数信息通过如下公式求解获取：式中h-i
为当铺设到倒数第i层时目标倒数层-i的层厚。7.如权利要求1所述的一种基于纤维层厚度等差控制的纤维自动铺放方法，其特征在于，所述s3步骤中，实际层厚递增量通过如下公式获取：式中，d为实际层厚递增量，n为铺放层数信息，h为目标零件厚度，h1为首层层厚。8.如权利要求1所述的一种基于纤维层厚度等差控制的纤维自动铺放方法，其特征在
于，所述s4步骤中，当末层层厚超出阈值区间时，还包括以下步骤：s41：当末层层厚高于阈值区间上限时，铺放层数信息加一并返回s3步骤；s42：当末层层厚低于阈值区间下限时，报错并结束。9.如权利要求1所述的一种基于纤维层厚度等差控制的纤维自动铺放方法，其特征在于，所述s5步骤之前还包括步骤：s50：根据首层层厚以及调整后的实际层厚递增量和铺放层数信息获取各层层厚，判断末层层厚是否小于首层层厚，若是，倒序处理各层层厚后进入s5步骤，若否，直接进入s5步骤。
技术总结本发明公开了一种基于纤维层厚度等差控制的纤维自动铺放方法，涉及复合纤维技术领域，包括步骤：根据目标零件厚度、首层层厚和中间工艺参数，在层厚等差控制条件下进行铺放层数信息的获取；根据目标零件厚度、首层层厚和铺放层数信息获取实际层厚递增量；根据首层厚度、铺放层数信息和实际层厚递增量获取末层层厚；在末层层厚未超出阈值区间时，根据首层层厚以及调整后的实际层厚递增量和铺放层数信息进行纤维自动铺放。本发明通过等差递增的形式逐层增加层厚的形式，以单一的层厚为调节量，无需对压力进行调节，只需要单一的高度调节装置即可，因此大大简化了铺丝头结构，同时使铺丝头能够以更小的体积进行更加细化的操作。作。作。
技术研发人员：张家瑞 常保宁 王洪伟 吴浩 张武翔 丁希仑
受保护的技术使用者：北京航空航天大学宁波创新研究院
技术研发日：2022.06.16
技术公布日：2022/11/1
