● 摘要
复合材料尤其是碳纤材料的梁结构和筋条类零件在民用航空上用途越来越广泛，传统梁结构零件制造工艺方法是在弯曲模具型面上手工铺贴预浸料，但手工成型生产效率低，而且人为因素导致产品质量稳定性差。自动化复合材料成型技术在降低复合材料制造成本、提高复合材料的生产效率方面优势显著。在复合材料梁结构自动化成型方面，国内尚处于实验室研究的起步阶段。
本文在对国内外复合材料梁结构成型方法调研基础上，通过对梁结构折弯成型机理研究和手工铺贴工艺经验的借鉴，设计了一种能够自动调节成型过程温度、成型过程压力和成型过程速率的梁结构自动成型实验原理样机，该设备能够对不同截面L型梁结构件、T型梁结构件进行成型。首先，通过对原理样机进行详细的结构设计、计算和校核，完成滚子和压头双重挤压的折弯成型机构和同时成型L型梁和T型梁的对压机构的设计。对于异形L型梁结构的探索实验，设计了方便替换的压头。接下来，采用模块化设计思路，设计了包含AD信号采集卡、下位机和PC上位机的硬件系统，并对电机驱动、传感器和加热器控制器进行了设计选型。然后，采用上位机作为调度中心，下位机接受上位机指令的方式对整个软件系统进行了开发。通过对上下位机之间的协议进行精心的设计，保证上下位机之间数据交换稳定可靠。上位机通过卡尔曼滤波算法对温度传感器数据进行滤波，滤波后的数据通过“加热-传导”的温度控制思路进行了预定温度的恒温控制。在较低的成本下，完成了精度为±1℃的温度控制精度。文章最后对碳纤板材自动化折弯成型实验机进行必要的实验，包括L型梁结构成型实验、不同工艺参数下L型梁结构成型实验以及T型梁结构成型实验。实验结果证明该设备能够很好的完成折弯成型功能，相对手工成型精度更好，L型梁成型厚度可达22毫米。同时，T型梁成型可行性也得到了验证。