自动铺带技术研究现状

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欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 在航空航天领域，面对较高的燃油价格和越来越严格的污染物排放标准，复合材料轻质、高强度的优势，能使航空航天器减重，在构件结构轻量化进程中发挥着突出的作用。先进复合材料用于航空航天结构上，可相应减重20%～30%,美国NASA的Langley研究中心在航空航天用先进复合材料的发展报告中指出，复合材料机翼机身和气动剪裁技术可相应减重24.3%，且相对于其他减重措施，减重效果最为明显。 目前，复合材料在飞机上的用量日益增多，其应用范围也从次承力结构（舱门、整流罩、安定面等）扩展到主承力结构（机翼、机身等），结构重量比已达到50%。复合材料在A380、波音787、A350、A400M的大规模应用使复合材料在航空领域展现再度“起飞”的态势，而国内大型飞机研制重大科技专项的立项必将加快国内飞机结构复合材料化的进程，促进国内复合材料产业的跨越式发展。 复合材料低成本制造技术是目前国际复合材料技术领域的核心问题之一，包括材料技术低成本、设计技术低成本和制造技术低成本；涉及多种复合材料成型技术，如缠绕成型、自动铺放成型（铺带、铺丝）、拉挤、编织、缝合和RTM等等。自1985年至今，降低成本的结构设计/材料/制造一体化技术和成形工艺技术一直是复合材料低成本制造技术的研究重点，而自动化成型技术是将结构设计、材料和制造连为一体的纽带和桥梁，实现CAD/CAM/CAE技术在复合材料制造领域的应用和发展，并为复合材料构件制造系统的整体优化奠定了基础。在复合材料成型过程中采用自动化技术，不仅大大提高了复合材料构件的生产效率，降低了生产成本，而且通过对成型工艺参数和技术指标的精确控制，极大提高复合材料构件质量的可靠性和稳定性。 自动铺带技术是复合材料成型自动化的典型代表，集机电装备技术、CAD/CAM软件技术和材料工艺技术于一体，包括自动铺放装备技术、预浸料切割技术、铺放CAD/CAM技术、自动铺放工艺技术、铺放质量监控、模具技术、成本分析等。其具有高效、高质量、高可靠性、低成本的特点，特别适合大尺寸和复杂构件的制造，减少了拼装零件的数目，节约了制造和装配成本，并极大地降低了材料的废品率和制造工时。 自动铺带技术及其发展 自动铺带技术是集预浸带剪裁、定位、铺叠、压实等功能于一体，且具有控温和质量检测功能的复合材料集成化数控成型技术，能够在一定范围内替代原有手工成型中的复合材料自动剪裁下料系统和铺层激光定位系统等设备。自动铺带采用压实机构（压辊或压靴）提供成型压力，摆脱了缠绕成型线型轨迹的限制（不架桥、周期性）。 20世纪60年代中期，复合材料自动化成型技术开始涌现，美国率先在先进复合材料制造领域开发自动铺带技术，并实现从人工辅助铺带到全自动铺带的转型。 第一台全数控龙门式自动铺带机是在美国空军的航空材料实验室的资助下成功研制的，曾用于制造 F-16战斗机的复合材料机翼部件。70年代末期至80年代初，第一批商业生产的自动铺带机（平面、曲面）推出，并用于军用轰炸机B-1、B-2的飞机部件制作；80年代以后，自动铺带技术开始广泛应用于商业飞机的制造领域；同期，美国航空制造商将自动铺带技术广泛应用于其他项目，主要包括：F-22战斗机(机翼)、Boeing777民用飞机（全复合材料尾翼、水平和垂直安定面蒙皮）和军用C-17运输机（水平安定面蒙皮）、V-22（旋翼蒙皮）等。欧洲复合材料铺带成型的产品含有机翼蒙皮、尾翼、翼梁、增强肋等，主要包括空客A330/A340（水平安定面蒙皮）、A340-500/600（尾翼蒙皮）和A380（安定面蒙皮、中央翼盒）等。 自动铺带技术经过90年代的蓬勃发展，在成型设备、软件开发、铺放工艺和原材料标准化等方面得以深入发展，软件界面更加友好，铺放效率和可靠性更高。2006年以后，欧美将自动铺带技术应用于Boeing787（中央翼盒、主翼蒙皮、尾翼）、A400M（机翼、翼梁）、A350XWB（机翼、蒙皮、中央翼盒）等型号飞机。经过几十年的发展，铺带技术在大型运输机、轰炸机和商业飞机上的应用不断增加，自动铺带机装备技术也日益完善。 目前，自动铺带机已发展到第五代产品。带有双超声波切刀切割系统和在线检测系统的10轴铺带机已经成为自动铺带系统的标准配置，铺带成型质量显著提高，铺带效率已是手工铺叠的数十倍。多铺放头铺带机（Boeing）和针对特定构件的专用铺带机（Boeing）是美国自动铺带机的重点研究方向；双头两步铺带（Forest-line）、多带平行铺放（M-Torres）和超声切割复合化（M-Torres）是欧洲铺带机制造商的开发重点。 自动铺带机及其控制系统 复合材料自动铺带成型技术与复合材料其他自动化成型技术（拉挤、缠绕、模压、RTM等）不同，其成型设备需要具备更高的控制精度和控制功能要求：机床加工精度相对于其他复合材料自动化设备较高、运行更平稳、数控系统多轴插补和多I/O控制点、成型压力、成型温度控制。以典型的10轴自动铺带机为例，其中5轴插补控制铺带头运动轨迹，另外5轴实现铺带头内部预浸带输送、铺放和切割等运动。铺带头集成2类主要的运动控制系统：两套3轴切割系统与一套预浸带输送控制系统；可对预浸带进给、切割质量、成型温度、成型压力和铺带间隙等技术指标进行精确控制，并实现对预浸带质量（宽度、夹杂、缺纱等）和铺放质量（间隙或重合）的监测。欧美各自动铺带机制造商设计并制造各种类型的铺带成型设备，并开发了相应的数控系统。例如：美国Cincinnati公司为自动铺带设备专门开发开放式数控系统CM100，此系统易于实现12个坐标轴插补，形成连续、光滑和精确的铺放轨迹；西班牙的M-Torres公司以通用的FANUC数控系统为平台，开发最大控制轴数为11的自动铺带数控系统Toerrslayup，其与CATIA软件系统中零件设计及产品制造等模块相结合，可完成CAD/CAM/CNC的一体化操作；法国Forest-line公司以Siemens840D为平台开发自动铺带控制系统，也与CATIA软件中的复合材料轨迹规划模块相结合，可实现单曲、双曲等曲面的轨迹规划。 自动铺带CAD/CAM/CAE 技术 作为先进复合材料典型的自动化成型技术之一，自动铺带属于增料加工，且采用高度各向异性的预浸带按设计方向逐层铺叠，故其CAD/CAM技术与普通切削加工截然不同，受到更多因素的影响。自动铺带成型CAD/CAM技术涉及原材料选择、材料设计(单层材料设计)、产品结构与铺层设计、线型设计、工艺制度设计（成型温度、成型压力等）、运动参数计算、成型加工与检测、模具技术等多个方面。 国外在自动铺带CAD/CAM开发过程中，根据复合材料预浸带的特性，提出了“自然路径”的概念，并将其成功应用到铺带CAD/CAM软件的开发中。美国Cincinnati公司针对自动铺带成型，以CATIA为基础开发ACRAPATH，可实现离线的模型导入、轨迹生产、后处理、仿真和代码生成等工作；西班牙M-Torres 公司也以CATIA为基础开发自动铺带CAD/CAM软件模块，便于操作人员编程作业；法国Forest-line公司采用法国纯粹和应用数学中心CIMPA SA注册的TapeLay软件进行CAD/CAM设计，其将自动铺带的CAM软件模块集成在CATIAV5 大型工程软件中，可实现多种铺带轨迹规划线型的比较与仿真。 VISTAGY公司开发的FiberSIM软件可集成至多种大型工程软件（CATIAV4、CATIAV5、NX和Pro/ ENGINE ER）中，其TapeLaying Interface模块可调用工程软件中的铺放模型，自动生成自动铺带代码文件，并便于更正CAD模型的信息。CGTech公司开发独立于CNC机床环境的自动铺放编程与仿真软件VERICUT CompositeProgramming and Simulati-oneSuite，AFPT/Koelrit公司热塑性铺带系统采用C GTech公司软件解决方案，极大地缩短了其热塑性铺带系统的开发时间。 自动铺带成型工艺研究 自动铺带成型以不同宽度的预浸带（75mm、150mm 和300mm）为原材料，且预浸带可采用热固性或热塑性树脂作为基体材料。其中，热塑性铺带成型技术是目前国际上研究的重点。在预浸带铺叠过程中，通过对预浸带铺放速度、铺放温度、铺放压力等因素的协调控制，使预浸带处于铺叠成型的工艺窗口。 国内自动铺放技术发展现状 国内自动铺带技术研究起步较晚，南京航空航天大学率先开始自动铺放技术的研制；2004年起，与航空材料研究院联合开发自动铺带设备，并完成了小型铺带机的研制工作。刘林、文立伟等开展小型自动铺带机的研制工作，并对超声切刀随动切割控制技术进行了研究；文立伟、张建宝等研发十轴自动铺带机的开放式控制系统，并对预浸带输送技术、成型压力控制技术进行研究。胡翠玲等验证了在可展曲面上，自然路径和测地线的等价性，并构造基于曲面三角面片离散的求解格式，在此基础上研究一般曲面上自然路径的构造方式，提出了相应的算法；藏建丰等以上述研究为基础，应用柱面的沿弧长展开变换方法，具体研究柱曲面上“自然路径”的轨迹计算、压辊坐标的生成算法；渠涛、左龙彦等针对筒段开口、补强进行研究工作；还大军等研究平面自动铺带的运动轨迹规划、机器代码生成等内容；王升等针对铺放轨迹的测地线求解问题，研究曲面测地线数值解法；张振甫等针对圆锥体铺带成型的CAD/CAM进行研究工作。 在上述工作的基础上，南京航空航天大学已研制完成十轴中型自动铺带工程样机和大型筒段专用自动铺带机，并用于航空航天复合材料结构件的研制。北京航空制造工程研究所高起点引进自动铺带头核心部件，与自有数控技术集成的大型龙门铺带机研制已接近尾声，国内已经突破自动铺带关键技术，应用技术及工程化可望在“十二五”全面实现，可以满足翼面壁板类复合材料构件的研制生产。国内开展自动铺带技术研究的还有武汉理工大学、天津工业大学等，包括数控系统、成型机构和人机界面等进行研究工作。 结束语 自动铺带成型作为典型的增料加工成型技术，其成型设备的制造技术涉及机电装备技术、CAD/ CAM软件技术和材料工艺技术等多个研究领域。国内科技工作者在国外技术封锁、缺乏技术资源的情况下，经多年探索研究，在复合材料自动铺带机制造技术的研发工作中取得了阶段性的进展，并完成了研发成果从实验室样机到工业设备的成功转化。但在此研究领域仍有大量的工作需要完成，如热塑性铺带技术、高能束固化、工艺性能优化和原材料体系等方向。 自动化成型技术在复合材料自动铺带技术中的成功应用，不仅体现复合材料成型自动化相对于传统成型技术的绝对优势，而且预示复合材料成型自动化是未来几十年复合材料制造技术发展的必然趋势。以复合材料成型自动化研究为契机，借鉴国外先进制造技术，坚持自主创新，加大技术储备，以满足未来复合材料在国内航空、航天和国防等高技术领域的应用需求，支持国内新型航空航天器的研发工作，是复合材料制造技术科研工作者的历史任务。(end)

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