intechnguВестник НГУ. Серия: Информационные технологииVestnik NSU. Series: Information Technologies1818-79002410-0420НГУ10.25205/1818-7900-2023-21-4-5-16intechngu-244Research ArticleСтатьиМоделирование и программирование процесса спиральной намотки с использованием робота-манипулятораModeling and Programming of a Spiral Winding Cycle Using a Robotic ArmГирнА. В.GirnА. V.

Алексей Васильевич Гирн, кандидат технических наук

Красноярск

Aleksey V. Girn, Candidate of Technical Sciences

Krasnoyarsk

girn@sibsau.ruКалашниковА. С.KalashnikovА. S.

Алексей Сергеевич Калашников, лаборант-исследователь

Красноярск

Alexey S. Kalashnikov, Laboratory Assistant Researcher

Krasnoyarsk

fangy.ko@gmail.comПикаловЯ. Ю.PikalovY. Yu.

Яков Юрьевич Пикалов, кандидат технических наук

Красноярск

Yakov Yu. Pikalov, Ph.D.

Krasnoyarsk

yapibest@mail.ruСибирский государственный университет науки и технологий им. акад. М. Ф. РешетневаРоссияReshetnev Siberian State University of Science and Technology, Reshetnev UniversityRussian Federation202322032024214516Copyright © Гирн А.В., Калашников А.С., Пикалов Я.Ю., 20242024Гирн А.В., Калашников А.С., Пикалов Я.Ю.Girn А.V., Kalashnikov А.S., Pikalov Y.Y.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://intechngu.elpub.ru/jour/article/view/244

Статья посвящена решению актуальной задачи изготовления изделий из углепластиковых композиционных материалов, которые получаются в результате послойной выкладки углеродного волокна с пропиткой их связующим компонентом. В работе описаны процесс спиральной намотки изделий на цилиндрической оправке и соответствующая математическая модель, которая учитывает коэффициент трения и необходимые зоны реверса, в которых не происходит соскальзывания ленты. Модель реализована в виде программы на языке Python и способна моделировать и визуализировать пошаговую намотку углеродной ленты на цилиндрическую поверхность. Есть возможность оптимизации коэффициента трения для обеспечения максимально плотной намотки последующих проходов. В программе учтены зоны реверса, которые вычисляются с учетом коэффициента трения цилиндрической оправки. По смоделированному процессу намотки генерируется управляющая программа для робота-манипулятора. Работоспособность предложенной модели и ее реализации были апробированы на тестовом стенде с роботом.

This article is devoted to solving the problem of manufacturing products from carbon fiber composite materials, which are obtained as a result of layer-by-layer laying of carbon fiber with impregnation of their binder components. This paper presents a description of the process of spiral winding of products on a cylindrical mandrel and the mathematical model, which takes into account the coefficient of friction and the necessary reverse zones in which the tape will not slip. The model is implemented as a Python program and is capable of simulating and visualizing the step-by-step winding of a carbon tape on a cylindrical surface. It is possible to optimize the friction coefficient to ensure the tightest winding of subsequent passes. The program takes into account reverse zones, which are calculated taking into account the friction coefficient of the cylindrical mandrel. Based on the simulated winding process, a control program for the robotic arm is generated. The performance of the proposed model and its implementation was tested on a test bench with a robot.

намотка углеродного волокнанамотка цилиндрических деталеймоделирование процесса намоткироботизированная намоткакомпозитные материалыcarbon fiber windingcylindrical part windingwinding process modelingrobotic windingcomposite materialsРабота выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Госконтракт № FEFE-2020-0017).This work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (State Contract № FEFE-2020-0017).ReferencesHe X., Shi Y., Kang C., Yu T. Analysis and control of the compaction force in the composite prepreg tape winding process for rocket motor nozzles // Chinese Journal of Aeronautics. 2016. № 7. C. 1–10. DOI: dx.doi.org/10.1016/j.cja.2016.07.004He X., Shi Y., Kang C., Yu T. Analysis and control of the compaction force in the composite prepreg tape winding process for rocket motor nozzles. Chinese Journal of Aeronautics, 2016, № 7, pp. 1–10. DOI: dx.doi.org/10.1016/j.cja.2016.07.004Hosseini S. M. A., Schäkel M., Baran I., Janssen H., Van Drongelen M. A new global kinematic-optical-thermal process model for laser-assisted tape winding with an application to helical-wound pressure vessel // Materials & Design. 2020. Vol. 193. P. 108854. DOI:10.1016/j.matdes.2020.108854Hosseini S. M. A., Schäkel M., Baran I., Janssen H., Van Drongelen M. A new global kinematic-optical-thermal process model for laser-assisted tape winding with an application to helical-wound pressure vessel. Materials & Design, 2020, vol. 193, pp. 108854. DOI:10.1016/j.matdes.2020.108854Zaami A., Baran I., Bor T.C., Akkerman R. New process optimization framework for laser assisted tape winding of composite pressure vessels: Controlling the unsteady bonding temperature// Materials & Design. 2020. Vol. 196. A. 109130. DOI: 10.1016/j.matdes.2020.109130Zaami A., Baran I., Bor T.C., Akkerman R. New process optimization framework for laser assisted tape winding of composite pressure vessels: Controlling the unsteady bonding temperature. Materials & Design, 2020, vol. 196, A. 109130. DOI: 10.1016/j.matdes.2020.109130Устинова Е. С. Моделирование намотки композитных конструкций // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2018. № 3. DOI: 10.17213/0321-2653-2018-3-27-33Ystinova E. S. Modeling of composite structures winding. Izvestiya vuzov. Severo-Kavkazskiy region. Technical science, 2018, № 3, pp. 27 33. DOI: 10.17213/0321-2653-2018-3-27-33 (in Russ.)Кутьин А. Ю., Арясов Г. П. Моделирование процесса намотки композитных цилиндрических оболочек // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2020. Т. 20. № 2. С. 283–289. DOI: 10.17586/2226-1494-2020-20-2-283-2895Kutin A. Yu., Aryasov G. P. Modeling of winding process of composite cylindrical shells. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2020, vol. 20, no. 2, pp. 283–289 (in Russ.). DOI: 10.17586/2226-1494-2020-20-2-283-2896Кутьин А. Ю., Мусалимов В. М., Поляков А. С. Проектирование композитной намотки и управление процессом ее формирования // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2018. Т. 61(2). С. 160 166. DOI: 10.17586/0021-3454-2018-61-2-160-166Kutin A. Yu., Musalimov V. M., Polyakov A. S. Design of composite winding and control of the process of its formation. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Priborostroyeniye, 2018, vol. 61(2), pp. 160–166. DOI: 10.17586/0021-3454-2018-61-2-160-166 (in Russ.)Мусалимов В. М., Монахов Ю. С., Кутьин А. Ю., Соловьева Г. А. Моделирование процесса наматывания нитей на жесткий цилиндр // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2016. Т. 59(8). С. 657–663. DOI: 10.17586/0021-3454-2016-59-8-657-663Musalimov V. M., Monakhov Yu. S., Kut’in A. Yu., Solov’yeva G. A. Modeling the process of winding threads on a rigid cylinder. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Priborostroyeniye, 2016, vol.59(8), pp. 657–663. DOI: 10.17586/0021-3454-2016-59-8-657-663 (in Russ.)Комков М. А., Тарасов В. А., Бородулин А. С. Спиральная намотка концевых участков композитных оболочек цилиндрической и конической формы // Вестник Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана. Серия: Машиностроение. 2012. С. 78–85.Komkov M. A., Tarasov V. A., Borodulin A. S. Spiral winding of the ends of composite shells with cylindrical and conical shapes. Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. N. E. Baumana, Seriya: Mashinostroyeniye, 2012, pp. 78–85. (in Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.