本發明涉及復合材料自動鋪絲，具體涉及一種基于設備動態特性與路徑曲率約束的自動鋪絲速度規劃方法。

背景技術：

1、自動鋪絲工藝是一種先進的復合材料自動化制造工藝，該工藝通過設備將復合材料預浸料精確鋪貼到模具表面，逐層堆疊形成復合材料預成形體，隨后經過真空抽取及固化成型，最終得到高性能復合材料構件。相比于傳統的手工鋪放工藝，自動鋪絲具有生產質量穩定、生產效率高、材料利用率高等優點，在航空航天、風電葉片、交通運輸等重要工業領域日漸得到廣泛應用。

2、自動鋪絲設備通常由運動執行系統及鋪放系統組成；其中運動執行系統為龍門機床、臥式機床或工業機器人，具有較大的工作空間；鋪放系統為鋪絲頭，以工具形式安裝在運動執行系統末端，在鋪放作業中實現預浸料的輸送、裁切、加熱、壓緊等工序，具有數百千克的大重量。

3、自動鋪絲設備的精度水平直接影響了鋪放質量的優劣。目前，業界通常通過定位精度和軌跡精度來評估設備的精度，其中定位精度是在末端靜止狀態下測量得到的靜態誤差，而軌跡精度則在設備沿直線或圓周曲線運動過程中測量得到，包含了靜態和動態誤差的綜合表現。然而，盡管現有的精度評價方法在一定程度上能夠反映設備鋪放過程中的精度水平，但在確保最終鋪放質量方面仍存在不足，可能無法全面覆蓋實際鋪放過程中動態誤差的影響。

4、首先，雖然軌跡精度測試包含了動態誤差，但靜態誤差也在其中，而兩者對鋪放質量的影響不同。現有研究表明，靜態定位誤差在空間中表現出相似性，通常不會發生突變從而引發顯著的鋪放缺陷，而動態誤差受負載、鋪放速度和路徑曲率的影響，在鋪放過程中易因速度或姿態的變化而產生突變，進而導致扭曲、褶皺、間隙或搭接等鋪放缺陷。相較于靜態誤差，動態誤差對鋪放質量的影響更為突出，但軌跡精度測試無法單獨表征設備的動態精度。

5、其次，設備使用者出于對鋪放質量的考量，通常希望定位誤差和軌跡誤差均控制在規定值以下；然而，由于軌跡精度同時包含了靜態誤差和動態誤差，若在軌跡誤差中扣除相似的靜態定位誤差，則實際上對設備的動態附加誤差提出了不切實際的嚴格要求；反之，若放寬軌跡誤差的要求，則可能喪失對鋪放缺陷的有效控制。目前市場上雖然已有一些高精度輔助測量裝置可用于提升設備的定位精度和軌跡精度，但相關設備價格昂貴。在不大幅增加成本的前提下，需要一種基于機床現有動態特性保障鋪放質量的方法。

技術實現思路

1、為了克服現有技術的缺點，本發明的目的在于提供了一種基于設備動態特性與路徑曲率約束的自動鋪絲速度規劃方法，通過模擬運行實驗，得出高質量鋪放要求下的曲率-速度約束關系；根據路徑曲率對鋪放速度進行精細調控，從而在現有機床動態特性約束下，保證鋪放精度，同時盡可能提升鋪放效率。

2、為了實現上述目標，本發明采取的技術方案如下：

3、一種基于設備動態特性與路徑曲率約束的自動鋪絲速度規劃方法，包括以下步驟：

4、1)針對不同半徑的r角標準試件生成鋪放測試程序；

5、2)在到點靜止狀態下，測量每一軌跡點的靜態位姿；

6、3)以不同速度運行各測試程序，測量連續運行狀態下每一軌跡點的動態位姿；

7、4)針對各r角路徑在不同速度下的測試數據，計算動態位姿與靜態位姿之間的差異，進而得到反應路徑曲率、速度、動態偏差之間的插值關系的測量結果；

8、5)根據測量結果對真實鋪放路徑進行速度規劃。

9、所述步驟1)具體為：使用定角度路徑規劃算法測試樣件的r角區域規劃90度路徑，并輸出數控程序，采用定步長策略對路徑進行離散，輸出軌跡點。

10、所述步驟2)具體為：首先將鋪絲機壓輥替換為位姿測量工裝，然后將帶銷靶球座安裝在測量工裝的銷孔位置，將激光跟蹤儀靶球吸附在靶球座上，并將陀螺儀安裝在測量工裝基座側面，在數控系統中將tcp設置在靶球中心；在測試程序的每個點后添加m0暫停指令，將激光跟蹤儀切換到單點測量模式，校準陀螺儀的初始姿態；隨后執行鋪放程序，在每次到達測試點并進入暫停階段時，使用激光跟蹤儀記錄靶球位置，并使用陀螺儀測量并記錄當前鋪絲頭姿態；靜態運行測試所得靶標位的軌跡坐標集記為sp，對應的姿態集記為sr，將坐標與姿態矩陣合并為位姿變換矩陣，表示為st。

11、所述步驟3)具體為：將激光跟蹤儀切換到空間點云掃描模式，去除數控程序中的暫停指令，修改鋪放速度，控制設備分別以不同的速度運行，測量不同速度下的末端位姿；為了測量設備連續運行狀態下到每個指令點的瞬時位置坐標和姿態，使用上位機程序自動記錄數據；上位機程序接收來自數控系統的指令點信息、激光跟蹤儀的測量數據以及陀螺儀的姿態數據，在到達每個指令點后，數控系統向上位機發送脈沖信號，當上位機接收到這一脈沖信號時，自動執行一次測量，獲得鋪絲頭瞬時的位置和姿態；動態運行測試所得靶標位的軌跡點集記為dr，對應的姿態集記為dr，將坐標與姿態矩陣合并為位姿矩陣，表示為dt。

12、所述步驟4)具體為：

13、4.1)首先計算每一條路徑在每個速度下的動態偏差，計算步驟如下：

14、計算靜態測量位姿到動態測量位姿之間的變換矩陣et，計算公式如下：

15、eti＝inv(sti)·dti

16、從位姿變換矩陣中提取平移部分et和旋轉部分er：

17、

18、每對軌跡點之間的位置誤差edi計算公式為：

19、edi＝norm(eti)

20、姿態角偏差eθi計算公式為：

21、

22、其中上標i表示第i個軌跡點；根據以上計算結果，位置和姿態動態誤差分別定義為：

23、wposition＝max(edi)

24、wpositure＝max(eθi)

25、其中wposition表示動態位置誤差，wpositure表示動態姿態誤差；

26、4.2)構造曲率、速度、動態誤差插值關系，計算步驟如下：

27、令wposition(ri,fj)、wpositure(ri,fj)分別表示曲率半徑為ri、進給率為fj時的位置和姿態誤差，其中i、j分別表示先前測試中所選的曲率、速度值系列的下標；采用雙線性插值方法，計算得到任意曲率半徑、進給率下的位置誤差和姿態誤差，其中位置誤差的插值計算公式為：

28、wposition(r,f)＝wposition(ri,fj)+((r-ri)/(ri+1-ri))*(wposition(ri+1,fj)-wposition(ri,fj))+((f-fj)/(fj+1-fj))*(wposition(ri,fj+1)-wposition(ri,fj))+((r-ri)/(ri+1-ri))*((f-fj)/(fj+1-fj))*(wposition(ri+1,fj+1)-wposition(ri+1,fj)-wposition(ri,fj+1)+wposition(ri,fj))

29、其中ri、fj表示步驟3)中測試時所選的曲率半徑和進給率組合，r表示軌跡點處路徑的曲率半徑，f表示軌跡點處的指令速度，滿足關系：ri≤r≤ri+1，fj≤f≤fj+1，wposition(ri,fj)表示曲率半徑為ri、進給率為fj時的位置誤差；

30、姿態誤差的插值計算公式為：

31、wpositure(r,f)＝wpositure(ri,fj)+((r-ri)/(ri+1-ri))*(wpositure(ri+1,fj)-wpositure(ri,fj))+((f-fj)/(fj+1-fj))*(wpositure(ri,fj+1)-wpositure(ri,fj))+((r-ri)/(ri+1-ri))*((f-fj)/(fj+1-fj))*(wpositure(ri+1,fj+1)-wpositure(ri+1,fj)-wpositure(ri,fj+1)+wpositure(ri,fj))

32、所述步驟5)具體為：

33、5.1)計算路徑曲率；

34、設曲線方程為c(s)，首先計算曲線在軌跡點處的一階導數和二階導數，然后使用以下公式計算曲線的主曲率κ：

35、

36、其中c'(s)表示曲線方程的一階導數，c”(s)表示曲線方程的二階導數，s表示曲線的弧長參數；

37、曲率半徑通過取曲率的倒數得到：

38、

39、r表示軌跡點處路徑的曲率半徑；

40、5.2)根據誤差約束計算鋪放速度；

41、限制位置誤差和角度偏差必須小于特定值，即必須滿足wposition≤w、wpositure≤a約束，其中w、a為位置誤差和角度偏差上限值；基于步驟4)得到的雙線性插值函數，在輸入曲率半徑r的情況下，采用線性搜索算法獲得誤差約束內的最大速度，將該速度設定為鋪放速度。

42、與現有技術相比，本發明的有益效果為：

43、(1)有利于保障動態鋪放過程的精度，減少鋪放缺陷：傳統定位精度測試僅能在設備靜止狀態下保證精度，而對于動態運行過程中引入的附加誤差缺乏有效控制，這在實際鋪放過程中容易因精度降低而導致鋪放缺陷。本發明通過對路徑曲率進行分析并據此調節鋪放速度，確保設備在動態運行中的附加誤差保持在可控范圍內，從而有助于提升鋪放精度，實現高質量的自動化鋪放。

44、(2)在保障鋪放質量的前提下，最大程度提升鋪放效率：本發明在附加誤差約束下，將鋪放速度設置為誤差容許范圍內的上限值，在保障鋪放質量的前提下，能夠最大程度提升鋪放效率。

45、(3)有助于減少為了確定合理鋪放速度付出的試錯成本：以往在鋪放不同曲率構件時，通常需要通過反復試驗來確定鋪放速度等工藝參數，這一過程極大地降低了鋪放生產效率；此外，在生產過程中，由于速度設置不合理導致鋪放缺陷，進而引發構件報廢的情況時有發生，這不僅降低了自動鋪放工藝的生產效率，還增加了額外的試錯成本。本發明通過前期集中鋪放試驗，確定設備的曲率-速度約束關系，從而避免對每一構件重復進行試鋪驗證；同時，通過誤差約束控制，確保動態誤差在一定范圍內，避免鋪放缺陷的產生，從而有助于減少鋪放試錯成本。