本發(fā)明涉及針刺成型，具體涉及一種碳陶剎車盤預(yù)制體高精度針刺位置控制方法。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)代高端裝備制造領(lǐng)域，尤其是高性能汽車等對制動性能要求極高的行業(yè)中，碳陶剎車盤憑借其優(yōu)異的耐高溫、高摩擦系數(shù)、輕量化以及長壽命等特性，逐漸成為主流的制動部件選擇。碳陶剎車盤預(yù)制體作為碳陶剎車盤成型的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量直接決定了最終剎車盤的性能表現(xiàn)。而針刺工藝在預(yù)制體成型過程中起著關(guān)鍵作用，通過將纖維層用特制的針刺入，使纖維相互纏結(jié)，形成具有一定強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的預(yù)制體。

2、傳統(tǒng)的針刺設(shè)備在制備碳陶剎車盤預(yù)制體時，下針位置的控制多依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)以及較為簡陋的機(jī)械定位裝置。一方面，操作人員手動調(diào)整下針位置，不僅效率低下，而且難以保證每次針刺位置的高精度一致性，不同批次預(yù)制體的內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)差異較大，進(jìn)而導(dǎo)致剎車盤成品在制動性能、熱穩(wěn)定性等方面出現(xiàn)波動，無法滿足高端應(yīng)用對制動部件高精度、高可靠性的嚴(yán)苛要求。

3、另一方面，簡陋的機(jī)械定位裝置存在定位精度有限、易受設(shè)備振動和環(huán)境因素干擾等問題，例如在車間復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境下，機(jī)械結(jié)構(gòu)磨損、溫度變化引發(fā)的熱脹冷縮，都會使針刺位置產(chǎn)生偏差，造成預(yù)制體纖維分布不均，局部強(qiáng)度薄弱或過強(qiáng)，嚴(yán)重影響碳陶剎車盤的整體質(zhì)量與性能，增加廢品率，提高生產(chǎn)成本。

4、綜上所述，迫切需要一種能夠精準(zhǔn)控制針刺設(shè)備下針位置的方法及裝置，以實(shí)現(xiàn)碳陶剎車盤預(yù)制體的高精度智能制造，并進(jìn)一步提升預(yù)制體產(chǎn)品制造質(zhì)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：

2、為解決背景技術(shù)中提到的問題，本發(fā)明公開一種碳陶剎車盤預(yù)制體高精度針刺位置控制方法及裝置，通過遺傳算法，基于對設(shè)備，碳纖維預(yù)制體，針刺刺針等參數(shù)，根據(jù)不同需求，尋優(yōu)制備碳陶剎車盤的高精度針刺位置，配合針刺裝置本身的進(jìn)一步調(diào)試，從而提高成品質(zhì)量，滿足高端裝備的制動需求。

3、技術(shù)方案：

4、本發(fā)明公開一種碳陶剎車盤預(yù)制體高精度針刺位置控制方法，所述方法包括如下步驟：

5、s1采集設(shè)備參數(shù)、碳纖維預(yù)制體參數(shù)和針刺參數(shù)，確定刺針選型，刺針刺溝數(shù)量、刺針長度；

6、s2基于預(yù)制體參數(shù)、針刺參數(shù)、刺針參數(shù)通過遺傳算法找到最優(yōu)參數(shù)組合；

7、s3建立直角坐標(biāo)系進(jìn)行平移變換和旋轉(zhuǎn)變換來計算刺針針刺位置；

8、s4用幾何解法計算機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)角度和刺針進(jìn)行針刺時的移動距離，得出機(jī)械手的運(yùn)動向量ξ，按照機(jī)械手的運(yùn)動向量ξ進(jìn)行針刺工作；

9、s5為針刺設(shè)備集成自動與手動雙模運(yùn)行系統(tǒng)；

10、s6輸入最優(yōu)參數(shù)組合并編寫針刺程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手和刺針運(yùn)行，實(shí)施針刺工作。

11、進(jìn)一步地，s1中所述設(shè)備參數(shù)包括機(jī)械手臂長度，工件高度、底平面的直徑、針板的長度和寬度；碳纖維預(yù)制體參數(shù)信息包括預(yù)制體長寬高尺寸數(shù)據(jù)、厚度數(shù)據(jù)、針刺密度數(shù)據(jù)；針刺參數(shù)包括針刺材料的厚度、針刺層數(shù)。

12、進(jìn)一步地，s2所述最優(yōu)參數(shù)組合獲取步驟如下：

13、s201明確優(yōu)化目標(biāo)是最大化針刺效率(e)和約束條件針刺速度(v)、預(yù)制體質(zhì)量(q)和成本(c)；

14、s202確定參數(shù)為針刺深度(l)、針刺頻率(f)、預(yù)制體材料硬度(h)、預(yù)制體厚度(t)和密度(ρ)的范圍，確定終止條件；

15、s203將參數(shù)編碼為染色體，染色體由多個基因組成，每個基因代表一個參數(shù)，每個個體用一個元組(v,l,f,h,t,ρ)表示；

16、s204隨機(jī)生成一組初始種群，定義適應(yīng)度參數(shù)來評估每個個體的優(yōu)劣，公式為：

17、

18、其中，k1、k2、α、β是常數(shù)，用于調(diào)整模型以適應(yīng)實(shí)際情況，m是根據(jù)預(yù)制體材料類型確定的系數(shù)，反映不同材料對針刺響應(yīng)的差異，c是成本，ω是權(quán)重；在實(shí)際操作中，可結(jié)合具體的應(yīng)用場景和實(shí)際需求，對上述參數(shù)和公式進(jìn)行調(diào)整；

19、s205通過輪盤賭選擇適應(yīng)度較高的個體作為下一代的父代，根據(jù)適應(yīng)度值的比例選擇個體，計算每個個體的適應(yīng)度值ei，計算每個個體的選擇概率pi，公式為：

20、

21、構(gòu)建輪盤，每個個體在輪盤上占據(jù)的比例等于其選擇概率，采用隨機(jī)數(shù)生成器模擬輪盤轉(zhuǎn)動，選擇個體；

22、s206通過均勻交叉將兩個父代個體的部分基因組合在一起生成一個或多個子代個體，對于每個基因位點(diǎn)，以一定的概率決定是從第一個父代還是第二個父代繼承該位置的基因，生成新的后代個體；

23、s207采用交換變異操作引入新的基因變異，對于個體，隨機(jī)選擇兩個位置交換它們的值，增加種群的多樣性；

24、s208用新的子代個體替換部分或全部當(dāng)前種群的個體，形成新一代種群，根據(jù)終止條件的結(jié)果輸出最優(yōu)的參數(shù)組合(v,q,c)，否則返回s205。

25、進(jìn)一步地，s3中所述刺針針刺位置計算實(shí)施步驟如下：

26、s301以針刺裝置機(jī)械臂轉(zhuǎn)軸為原點(diǎn)oa，垂直向下為x軸的正方向，水平向右為y軸的正方向組成直角坐標(biāo)系{a}，以工件底平面的圓心為原點(diǎn)ob，以工件底平面的指向立柱的直徑所在的直線為x軸的正方向，垂直工件的底平面向上的方向?yàn)閥軸的正方向，組成直角坐標(biāo)系；

27、s302獲取從{a}至的旋轉(zhuǎn)矩陣為：

28、

29、位置矢量為：

30、

31、其中，m為oa與ob之間的水平距離，n為針刺設(shè)備立柱的垂直高度，h為工件底座的垂直高度,p為針刺點(diǎn)，n-h為oa與ob之間的垂直距離；

32、s303設(shè)針刺點(diǎn)p在坐標(biāo)系的坐標(biāo)為：bp＝(x,y,z)；得針刺點(diǎn)p在坐標(biāo)系{a}的坐標(biāo)為：

33、

34、進(jìn)一步地，s4中所述機(jī)械手旋轉(zhuǎn)角度獲取如下：

35、s401設(shè)機(jī)械手大臂的長度l1，小臂的長度l2，大臂和小臂的夾角為α，z5是刺針進(jìn)行針刺時的移動距離；

36、s402由余弦定理可得：

37、l12+l22-2l1l2cosα＝xp2+yp2＝(y-n+h)2+(x-m)2；

38、

39、機(jī)械手小臂的旋轉(zhuǎn)角度θ2為：

40、

41、機(jī)械手大臂的旋轉(zhuǎn)角度θ1有兩個解，分別為：

42、

43、或：

44、

45、機(jī)械手手腕旋轉(zhuǎn)角度θ4為：θ4＝ф-θ1-θ2；

46、工件旋轉(zhuǎn)角度θ3是一個常量，表示其旋轉(zhuǎn)頻率；

47、刺針的旋轉(zhuǎn)角度θ5是一個常量，表示刺針的刺入深度，在針刺過程中進(jìn)行設(shè)置，是可改變的。

48、進(jìn)一步地，s403基于所述機(jī)械手各部件旋轉(zhuǎn)角度θ1，θ2，θ3，θ4，θ5的值與刺針進(jìn)行針刺時的移動距離，機(jī)械手的運(yùn)動向量ξ為：

49、

50、s404高精度機(jī)器人按照運(yùn)動向量ξ進(jìn)行運(yùn)動，進(jìn)行針刺工作，在實(shí)際針刺測試工作中，為避免機(jī)械手和立柱、產(chǎn)品等發(fā)生碰撞，保證針刺位置的唯一，取機(jī)械手的運(yùn)動向量ξ為唯一值，即：

51、

52、進(jìn)一步地，s5所述自動與手動雙模運(yùn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程如下：

53、自動模式：依據(jù)輸入的設(shè)備參數(shù)與針刺參數(shù)，算出針刺位置及各機(jī)械手運(yùn)行值，各機(jī)械手按設(shè)定速度、規(guī)劃軌跡，自動抵達(dá)針刺位置開展針刺；

54、手動模式：運(yùn)行位置與速度需手動控制，含聯(lián)動、點(diǎn)動兩種運(yùn)行方式，點(diǎn)動是手動輸入運(yùn)行速度，按下啟動按鈕，電動機(jī)得電帶動機(jī)械手運(yùn)行，松開則停，每次僅能點(diǎn)動一個機(jī)械手，用于機(jī)械手臂零點(diǎn)調(diào)整與位置調(diào)試；

55、手動模式的聯(lián)動指若干機(jī)械手可關(guān)聯(lián)運(yùn)行，一個機(jī)械手運(yùn)動或變化時，其余機(jī)械手也隨之而動，手動輸入各機(jī)械手要運(yùn)行到的位置與速度，它們能同步或異步運(yùn)行至指定處，可同步或依次運(yùn)行，用于機(jī)械手臂位置調(diào)試；

56、針刺設(shè)備實(shí)際生產(chǎn)時，手動模式與自動模式能自由切換，針刺中遇斷針、刮傷復(fù)合材料等情況，先暫停自動模式，切換為手動模式，用點(diǎn)動或聯(lián)動讓機(jī)械手移開處理，處理完恢復(fù)姿態(tài)，繼續(xù)自動針刺。

57、有益效果：

58、1.本發(fā)明基于遺傳算法結(jié)合針刺設(shè)備進(jìn)行針刺工作選點(diǎn)，全程通過機(jī)械手完成，使工人只需進(jìn)行鋪料，操作開關(guān)按鈕的工作，進(jìn)一步減少了工人工作量并一定程度控制人力成本。

59、2.本發(fā)明利用遺傳算法對針刺設(shè)備下針進(jìn)行控制，能夠充分發(fā)揮遺傳算法強(qiáng)大的全局尋優(yōu)能力。它可以快速遍歷復(fù)雜的參數(shù)空間，精準(zhǔn)找到最優(yōu)的下針坐標(biāo)，進(jìn)一步提高針刺精度，提升碳陶剎車盤的制備質(zhì)量同時減少次品率，提高使用安全性的同時降低成本，

60、3.本發(fā)明基于遺傳算法的控制裝置可大幅縮短這一研發(fā)周期，通過快速模擬、篩選海量的針刺位置方案，快速鎖定滿足不同性能指標(biāo)要求的下針模式，相較于人工頻繁調(diào)整預(yù)制體的針刺工藝參數(shù)以探索最佳性能組合，能夠更快推動產(chǎn)品快速迭代升級，使企業(yè)更敏捷地響應(yīng)市場需求，進(jìn)一步提升產(chǎn)業(yè)效率。