人工、半自動人工鋪放與自動鋪放對比（資料圖）

原標(biāo)題：復(fù)合材料自動鋪放設(shè)備——基于預(yù)浸料的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)高質(zhì)高效制造平臺

中航工業(yè)制造所孫年俊

先進(jìn)復(fù)合材料因比模量、比強(qiáng)度高，抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計和工藝性好，成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)重要發(fā)展方向之一。輕質(zhì)、高強(qiáng)、性能優(yōu)異的復(fù)合材料成為理想的結(jié)構(gòu)用材，并逐漸從小型、簡單、次承力結(jié)構(gòu)向大型、復(fù)雜、主承力結(jié)構(gòu)過渡。國外軍機(jī)上復(fù)合材料用量普遍占結(jié)構(gòu)重量的25%～50%；在民用領(lǐng)域，波音公司787飛機(jī)的復(fù)合材料用量達(dá)到50%，而A350XWB復(fù)合材料用量達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的52%。

用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造的先進(jìn)專用工藝裝備在國外迅速發(fā)展，特別是基于預(yù)浸料的復(fù)合材料自動鋪放設(shè)備，包括自動鋪帶機(jī)和鋪絲機(jī)，已在國外最先進(jìn)的戰(zhàn)機(jī)和民機(jī)制造中得到廣泛應(yīng)用。這些先進(jìn)鋪放裝備具有人工/半自動人工鋪放所不可比擬的優(yōu)點(diǎn)（對比如表1所示）。

復(fù)合材料鋪放制造技術(shù)包括鋪放裝備技術(shù)、鋪放CAD/CAM技術(shù)、鋪放工藝技術(shù)、預(yù)浸料制備技術(shù)、鋪放質(zhì)量控制、一體化協(xié)同數(shù)字化設(shè)計等一系列技術(shù)，主要是自動鋪放裝備技術(shù)、應(yīng)用軟件技術(shù)以及材料工藝技術(shù)的融合集成。其中自動鋪放裝備技術(shù)是整個技術(shù)的基礎(chǔ)和核心，而鋪放裝備技術(shù)中最關(guān)鍵的是鋪放頭多功能集成技術(shù)和多坐標(biāo)、多系統(tǒng)運(yùn)動協(xié)同控制技術(shù)。

復(fù)合材料鋪放制造過程為鋪放頭在多坐標(biāo)聯(lián)動控制下，快速準(zhǔn)確地運(yùn)動到復(fù)合材料將要鋪放的模具表面，并按照鋪放程序的指令準(zhǔn)確、無誤、高效、自動地完成裝在專用卷軸上的預(yù)浸料（帶或絲束）的鋪放，包括完成送料、定位、切割、加熱、壓緊、回收等動作，保證鋪放質(zhì)量滿足工藝要求。

歐美少數(shù)幾個國家已具有較為成熟的復(fù)合材料自動鋪放設(shè)備設(shè)計制造能力，研制了立式、臥式、龍門式、集成工業(yè)機(jī)器人等各種結(jié)構(gòu)形式的復(fù)合材料自動鋪帶機(jī)和鋪絲機(jī)，在機(jī)身、機(jī)翼、進(jìn)氣道等飛機(jī)大型復(fù)雜復(fù)材結(jié)構(gòu)制造中得到應(yīng)用，為提升復(fù)合材料在軍機(jī)和民機(jī)中的用量做出了重要貢獻(xiàn)。

國內(nèi)在該設(shè)備研制方面尚處于原理性研究和工程樣機(jī)研制階段。國內(nèi)航空企業(yè)陸續(xù)進(jìn)口了幾臺復(fù)合材料自動鋪帶機(jī)，但適合復(fù)雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造的鋪絲機(jī)尚未實現(xiàn)零的突破。中航工業(yè)制造所通過國際合作、集成創(chuàng)新，先后開展了復(fù)合材料自動鋪帶機(jī)和自動鋪絲機(jī)工程化研制，已取得階段性成果和進(jìn)展。

自動鋪帶機(jī)是小曲率、翼面結(jié)構(gòu)的典型制造裝備。中航工業(yè)制造所研制成功的大型復(fù)合材料自動鋪帶機(jī)（如圖1所示）由多坐標(biāo)鋪帶頭、高速移動橫梁、高架橋式支撐平臺等組成，配備X、Y、Z、A、C坐標(biāo)軸，具有五軸聯(lián)動功能，以滿足自動鋪帶的基本運(yùn)動要求，該機(jī)的研制突破了以下關(guān)鍵技術(shù)：

大跨度結(jié)構(gòu)件的設(shè)計優(yōu)化。大型自動鋪帶機(jī)要求行程大、速度快、精度高，因此在設(shè)計上必須對設(shè)備的總體框架、機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式等進(jìn)行分析計算和研究，對運(yùn)動結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)剛性、動態(tài)響應(yīng)、運(yùn)動精度等進(jìn)行嚴(yán)格計算與優(yōu)化。通過進(jìn)行截面形狀、板厚、筋板布局、支撐面、支撐點(diǎn)的設(shè)計以及直線電機(jī)的選型等工作，利用ANSYS有限元分析工具，突破了高架橋式鋪帶機(jī)6500mm大跨度結(jié)構(gòu)件的設(shè)計優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)，并對設(shè)計優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行了理論上和實際的驗證。

多坐標(biāo)聯(lián)動的自動鋪帶頭設(shè)計制造。為適應(yīng)零件表面曲率變化，鋪帶頭要進(jìn)行兩個坐標(biāo)的擺動，還要完成預(yù)浸帶的送進(jìn)、定位、裁斷、剝離、碾壓及保護(hù)膜回收、料帶漲緊、廢料回收等多個動作，結(jié)構(gòu)非常緊湊，動作要求可靠、到位、節(jié)奏穩(wěn)定。在吸收國外先進(jìn)設(shè)計理念、兼顧國內(nèi)基礎(chǔ)元器件水平和加工能力的基礎(chǔ)上，完成了自主設(shè)計制造。

整機(jī)功能調(diào)試及性能優(yōu)化。自動鋪帶機(jī)屬16軸5聯(lián)動的多坐標(biāo)機(jī)床，另外還有7個氣動輔助運(yùn)動裝置。實現(xiàn)多坐標(biāo)、多動作的協(xié)調(diào)控制至關(guān)重要。在分析鋪帶工藝工作流程的基礎(chǔ)上，完成了高速運(yùn)動坐標(biāo)軸的動態(tài)性能參數(shù)調(diào)整與優(yōu)化、大跨度高速運(yùn)動龍門軸的雙邊同步驅(qū)動系統(tǒng)的調(diào)試；完成了鋪帶頭的功能調(diào)試、參數(shù)調(diào)整，確保與運(yùn)動機(jī)構(gòu)的協(xié)同控制；完成了復(fù)合材料構(gòu)件自動鋪帶全過程自動監(jiān)測及故障處理系統(tǒng)調(diào)試，確保不因材料缺陷、表面異物、預(yù)浸帶張力不符合要求等故障而影響構(gòu)件鋪放質(zhì)量。

圖1 大型復(fù)合材料自動鋪帶機(jī)

鋪帶軌跡規(guī)劃。開發(fā)了鋪帶規(guī)劃模塊，實現(xiàn)自動/交互鋪帶規(guī)劃、鋪帶展平、鋪帶合并與拆分等功能。開發(fā)了鋪帶軌跡幾何變換模塊，實現(xiàn)鏡像、平移、旋轉(zhuǎn)等功能。開發(fā)了鋪帶編程模塊，包括確定鋪放坐標(biāo)系、創(chuàng)建/編輯鋪帶編程操作、輸出鋪放APT文件、APT文件顯示等功能。在鋪帶編程操作中提供了定義鋪放過程各類工藝參數(shù)功能，包括鋪帶所在鋪層、鋪層面、自動分析鋪帶工序、進(jìn)退刀、鋪放順序、鋪放方向等的設(shè)置。

通過突破上述關(guān)鍵技術(shù)，形成了自動鋪帶機(jī)設(shè)計制造相關(guān)規(guī)范/標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備關(guān)鍵精度指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平，可適用于寬度75mm/150mm/300mm三種規(guī)格復(fù)合材料預(yù)浸帶的兩步法自動鋪疊，加工范圍可達(dá)到20000mm×6500mm×1200mm，最大直線坐標(biāo)運(yùn)動速度為40000mm/min。該設(shè)備為國內(nèi)首臺工程化應(yīng)用級別的適合于飛機(jī)翼面類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造的自動鋪帶機(jī)，已在部分新機(jī)復(fù)材機(jī)構(gòu)研制中得到應(yīng)用。

與人工鋪疊相比，自動鋪帶機(jī)可提高效率、降低成本，通過對成形參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)的精確控制，保障構(gòu)件質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性。但其存在不能實現(xiàn)大曲率結(jié)構(gòu)鋪疊、復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)鋪疊等局限。針對該局限，中航工業(yè)制造所采取國際合作和自主創(chuàng)新兩步走的技術(shù)路徑，啟動了復(fù)合材料絲束自動鋪放機(jī)（鋪絲機(jī)）研制進(jìn)程。通過進(jìn)行國際合作開展集成創(chuàng)新，研制了國內(nèi)第一臺適合飛機(jī)大曲率復(fù)雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造的自動鋪絲機(jī)，現(xiàn)已在用戶現(xiàn)場基本完成主體裝配和調(diào)整。后續(xù)將重點(diǎn)解決絲束鋪放頭、預(yù)浸絲束、鋪放工藝等關(guān)鍵技術(shù)，突破設(shè)備、材料以及工藝技術(shù)，全面解決復(fù)合材料鋪放制造問題。