Моделирование и программирование процесса спиральной намотки с использованием робота-манипулятора

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.

1. He 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.2016.07.004

2. Hosseini 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.2020.108854

3. Zaami 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.2020.109130

4. Устинова Е. С. Моделирование намотки композитных конструкций // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2018. № 3. DOI: 10.17213/0321-2653-2018-3-27-33

5. 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: 10.17586/2226-1494-2020-20-2-283-2895

6. Кутьин 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: 10.17586/0021-3454-2018-61-2-160-166

7. 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: 10.17586/0021-3454-2016-59-8-657-663

8. 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.