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高端自动铺带机/铺丝机(ATL/AFP)的最新发展 |
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作者：北京航空制造工程研究所 林胜 来源：雅式工业专网 |
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高端自动铺带机/自动铺丝机（ATL/AFP）已成为现代大型飞机制造的关键设备。最近几年在其得到持续快速发展与更广泛工业应用的过程中，涌现出新的技术概念，一批新型ATL/AFP机床得以面世。本文将聚焦高端ATL/AFP机床的最新发展趋势。
自动铺带机/自动铺丝机ATL/AFP的发展
具有高强度低密度特性的复合材料（Composites，下文简称复材）取代传统铝合金材在现代大型飞机结构件设计制造中得到了广泛应用，并已渐成为现代大型飞机的主结构用材。如波音787“梦想” 大型客机和空客A350 XWB宽体客机复材用材重量比都已超过了50%。这种趋势仍在持续发展，据预测到2015-2020 年将达70%-80%。一些具有创新性的全复材或准全复材机身构件的无人机、直升机和商务机已研制成功，釆用复材作为主结构件的飞机时代已经来临。
在现代大型飞机批量生产中，用於复材整体构件制造的自动铺带机ATL/自动铺丝机AFP则成为关键设备。20世纪90年代末本世纪初（2001年）前，基本上仅有美国Cincinnati机床公司和Ingersoll公司能向航空飞机制造业提供大型ATL/AFP机床，美国ADC（Automated Dynamics Corp.）公司能够提供AFP机床。最近10多年来，航空飞机制造业对自动化复材构件制造技术的迫切需求推动了ATL/AFP机床得到长足发展和更广泛工业应用。但是和金切数控机床相比，能向航空飞机制造业提供ATL/AFP机床的制造商仍然极为有限。
最近3~5年，一些复材构件铺放设备制造商推出了一些具有创新性的ATL/AFP机床，提出了一些新技术概念，推动着ATL/AFP机床持续发展与进步。ATL/AFP机床这种发展新趋势在技术层面上看，主要表现为：高速/高生产率铺放机床；多铺放头集成复合铺放机床；热塑性纤维铺放机床；商用机器人平台铺放机床；ATL-AFP混合铺放机床；多机铺放生产环境。
目前，对ATL/AFP机床技术发展最主要的目标是提高铺放生产率和降低设备费用，且主要呈现在两个不同发展方向以适应两种不同复材构件铺放应用领域需求：
（1）用於航空飞机制造业的大型复杂复材整体构件铺放的高端ATL/AFP机床，进一步向大型化、高速化、自动化和集成复合化方向发展，以提供高生产率、高自动化、高性能和宽铺放应用范围的ATL/AFP机床。本文将对此做详细介绍与讨论。
（2）面向具体应用的中小型复材整体构件铺放机床朝着模块化、自动化、恰好规模和柔性化方向发展，以提供高生产率、高自动化、低费用和有限铺放应用范围的ATL/AFP机床。有关这种低费用适应型ATL/AFP机床本文不作讨论。
高端ATL/AFP机床趋向大型化与高效化
现代大型飞机主结构件设计制造已越来越多釆用复材整体构件已是明显发展趋势，并已从大型机翼长梁、蒙皮壁板等相对简单复材构件发展到大型飞机整体筒壳机身段及中小型飞机整体筒壳机身等复材构件，且构件尺寸越来越大，整体结构越来越复杂。
为适应航空飞机制造业这种实际发展需求，诸如Cincinnati、Ingersoll和Forest-line公司等一些大型数控机床制造商借助其在大型数控机床结构设计技术的优势，最近几年都纷纷推出其配有高铺放进给率铺放头的新一代大型高端（High level）ATL/AFP机床，其结构尺寸越来越趋向大型化。
美国MAG Cincinnati机床公司的CHARGER系列ATL机床和Viper1200/3000/4000/6000系列AFP机床发展历程可作为这种趋向大型化发展的典型实例。图1为MAG Cincinnati公司和MTorres公司两款高端大型ATL机床；图2左为Hawker Beechcraft（豪客比奇）公司应用Cincinnati公司Viper AFP机床铺放制造豪客4000超中型级别公务机复材机身整体构件情况，机身最大直径已超过2m。据报道，目前豪客4000公务机的订单已超过了100架。MAG Cincinnati公司最新Viper 6000 AFP机床铺放复材整体筒形构件直径可达6.3m，驱动心模重量达86.3t。
图1 大型高端ATL机床
图2 MAG Viper大型AFP机床
法国Forest-line公司和西班牙MTorres公司新近推出的AFP机床可作为高端AFP机床大型化的另一典型实例。
图3左为法国Forest-line公司2007年推出的高端大型AFP机床FPH ATLAS，主要用於大型飞机机身段复材构件和类似零件铺放制造，并可适应半径达1m以上的内曲面（凹模）构件的铺放加工。据称其特别设计的紧奏型热固性铺丝头，维护方便，使用6.35mm束宽32束或12.7mm束宽24束纤维束料，允许最短铺放纤维长度仅80mm，铺放进给速度达60m/min（直线电机驱动）。
图3 用於大型飞机复材构件铺放加工的AFP机床
图3右为西班牙MTorres公司新推出的高端大型AFP机床TORRESFIBERLAYUP，用於A350 XWB机翼前/後梁和15段机身复材整体构件制造，紧奏型热固性铺丝头可配置使用3.2mm、6.35mm或12.7mm束宽32束纤维束料，铺放速度达60 m/min，最高铺放生产率可达45-50kg/hr。Forest-line公司和MTorres公司这两款高端大型AFP机床总体结构都可根据实际需求，或者说根据复材零件结构需要而设计为立柱移动式的，并可带或不带卧式转台驱动结构，或者设计为龙门横梁移动式结构。
目前，用於航空飞机复材构件制造领域的高端ATL/AFP机床发展除其趋向更加大型化外，并出现如下若乾发展新趋势：
（1）大型ATL机床多趋於釆用低轨龙门移动结构设计，以取得更佳开放性，多设计有可选择配置不同规格（宽带或窄带）的铺带头，以实现铺放构件复杂度与生产率两者得以兼顾；
（2）大型AFP机床多设计配置有紧奏型热固性铺丝头，通过可选择的“窄带多束”或“宽带少束”铺丝头配置以满足不同用户需求，实现铺放生产率与制造构件复杂度两者得以兼顾；
（3）大型ATL/AFP机床进给高速化（50~60m/min），以取得高铺放生产率（25~50kg/hr）；
（4）大型AFP机床多数设计有专用纤维束经轴架辅助装置；
大型ATL/AFP铺放机床的总体结构设计，通常是考虑到被铺放零件的实际结构类型和尺寸大小，一般为高专用性设备，尽管它仍具有一定宽的应用范围；
现代数控机床的多主轴加工、加工单元以及复合加工等技术概念被扩展应用到ATL/AFP机床上，以实现进一步提高其铺放生产率。
在风力发电设备制造领域，用复合材料制造的大型风力发电设备螺旋桨叶片的巿场需求急速增长，且随着发电功率的增大，所需的风机桨叶尺寸也越来越大，其长度可达30~50m。人们对大型螺旋桨叶复材整体构件的铺放制造需求也是促进ATL/AFP铺放设备趋於大型化发展的另一个推动力。图4所示为美国Entec公司制造的用於大型风力发电设备螺旋桨叶复材构件铺放加工的低轨龙门结构复材铺放机床和用户化定制的专用复材铺放机床。
图4 Entec公司大型AFP机床
集成复合化ATL/AFP机床成为新趋势
ATL/AFP机床高铺放生产率对实现复材构件批量生产和提高用户投资回报率（ROI）是至关重要的。对一个具体ATL/AFP铺放机床而言，通常很难对所有复材构件的制造中使高铺放生产率与制造复材构件复杂度两者得到兼顾，导致用户往往需要购置不同规格铺放头的ATL/AFP机床。对用户而言，这不仅意味着要增加很大设备费用的负担，而且还意味着要消耗更多的能源、占用更多的车间场地和维护费用。
实际上，ATL/AFP机床的铺放制造能力在很大程度上取决於其铺放头的功能与性能，如何在提高ATL/AFP机床铺放生产率同时又扩展制造复材构件适用范围则是航空飞机制造业所迫切希望的。为此，复材构件铺放设备制造商将现代数控机床的多主轴加工、加工单元以及复合加工等技术概念扩展应用到ATL/AFP机床上，通过集成复合化铺放工艺技术以进一步提高复材构件铺放生产率，并已成为大型ATL/AFP机床发展一种新趋势。
1.多铺带头ATL机床
对ATL机床，解决制造复材构件复杂度与铺放生产率兼顾的一种简单方法是：将不同规格的铺带头集成在一起形成一种复合化铺带头，取代传统多台ATL机床，使一台ATL机床就能实现多种带宽铺带工艺并可取得满意的高铺放生产率。FOREST-LINE公司推出的双铺带头结构的ATLAS铺带机可作为这类机床一种典型实例。
该公司双铺带头ATL机床，同时配置了一个单工序铺带头和一个双工序铺带头，前者可直接用於铺放制造构件简单轮廓外形的区域，使用宽300mm带料，後者则可用於铺放制造构件复杂轮廓外形的区域，使用宽150mm带料，实现了“双铺带工艺”的集成复合化，两个铺带头可交替工作，见图5左半所示。
图5 复合化铺带头
该ATLAS铺带机XYZ三轴驱动均釆用直线电机，X轴行程可达40m、Y轴（高架龙门内宽）8m，重25t龙门移动速度可达到60m/min，加速度1.5m/s2，宽300mm带料卷盘盒容量可扩展到800-900m，并具有高度复杂的切割功能以适应大型飞机复杂复材构件制造，确保飞机结构满足设计重量要求。实际上，这种双铺带头的ATLAS铺带机，配合FOREST-LINE公司ACCESS机床(用於150mm带料预先剪裁)可快速实现大型复杂形状复材构件的快速层铺制造。和该公司单铺带头的ATL机床相比，用於大型机翼复材构件的层铺制造可提高铺放生产率2~4倍。
日本三菱重工（MHI）从Forest-Line公司购置了4台双铺带头ATLAS铺带机，2台ACCESS机床，用於波音787客机机翼上下翼面复材蒙皮壁板层铺制造，壁板长36.5m，最宽处6.5m，为双曲率复材整体构件。日本富士重工（FHI）也从Forest-Line公司购置了1台双铺带头ATLAS铺带机，1台ACCESS机床，用於波音787客机复材翼盒层铺制造。
北京航空制造工程研究所和法国FOREST-LINE公司合作正在研制这种“双铺带头”的大型ATL机床，用於大型复材构件开发研究，目前已基本完成调试，即将投入实际使用。
西班牙MTORRES 公司则釆用和上述不同的技术途径来实现铺放制造零件复杂度与高铺放生产率两者良好兼顾：通过将传统大型ATL机床单带结构的铺带头改成釆用多带结构的铺带头（见图5右），并应用於A350客机机翼制造。该多带结构铺带头允许装载4×75mm宽带料，其铺放生产率和装载单一300mm宽带料铺带头一样，但由於每条带料均可单独控制，因此多带铺带头可铺放制造轮廓更为复杂的复材构件。这种多带结构铺带头也可装载2条150mm宽带料。
实际上，MTORRES 公司这种多带结构铺带头可看成是等效於配置有4个75mm宽的集成化多铺带头的ATL机床，或者说其铺放工艺本质上就是自动铺丝机AFP铺放工艺技术的简单应用。
2.多铺丝头AFP机床
从一般意义上讲， AFP机床由於釆用多束纤维铺放工艺，在一定程度上解决了高铺放生产率与制造零件复杂度两者间的兼顾。但是，由於使用的纤维束的宽度与数量之不同，高铺放生产率与制造零件复杂度两者难以兼顾问题仍然存在。
美国ElectroImpact 公司2003年开发了一种新概念的模块化铺丝头（Modular Fiber Head Placement），并通过设计有可自动交换铺丝头的AFP机床以期解决此实际难题，见图6。
图6 ElectroImpact公司多铺丝头铺丝机
这种AFP机床对给定的一种纤维铺放应用需要的所有纤维束料都被放在模块化铺丝头上，取消了传统AFP机床上专设的纤维经轴架辅助装置。所有纤维束铺放操作都集中在该铺丝头上实现，包括纤维束供料卷轴、牵丝辅助装置、剪切刀具、张力控制和固化加热等装置。同时，铺丝头和控制它进行铺放运动的平台是分离的，类似金切数控加工中心机床中自动刀具交换功能一样，铺放加工需要的铺丝头能够实现快速被交换到“运动平台”上。这样一来，复材构件制造用户只需购置一台基础机床（运动平台）和多个铺丝头就可适应不同复杂度的复材构件铺放加工应用，即在满足高铺放生产率前提下适应不同应用对象的铺放制造。
此外，ElectroImpact公司在研制上述AFP机床成功基础上还新开发了一种由6.4mm束宽12束和12.7mm束宽12束的双铺丝头AFP铺放单元机床（Cell Machine），两个铺丝头可同时对大型飞机复材整体筒客机身段构件进行铺放，以进一步提高铺放生产率。同时，ElectroImpact 公司还选择了第三方公司（CGTech）的CAM软件Vericut，作为该设备的编程系统Vericut ATL/AFP软件。图6右面所示的即为应用Vericut ATL/AFP软件仿真模拟双铺丝头AFP铺放单元工作场景。这种釆用独立於ATL/AFP机床的复材构件加工编程软件系统，也是ATL/AFP技术发展的一种新趋势。
3.新ATL-AFP混合铺放机床技术
至此所介绍的多铺放头ATL/AFP机床基本上均为同一类型铺放工艺（铺带或铺丝）的铺放头集成复合应用，以兼顾高铺放生产率与制造构件复杂度。法国Forest-line公司新近在其所属的Capdenac工厂复材验证中心，配置了一台新研制的双铺放头铺放机床，则是将ATL机床铺带头和AFP机床铺丝头集成在同一台复材铺放加工设备上，形成一种ATL-AFP混合铺放机床，实现了ATL和AFP复合应用，见图7。
图7 ATL-AFP复合机床
实际上，该ATL-AFP混合铺放机床是基於Forest-line公司传统龙门移动式ATL机床，在可移动运动的横梁上再配置一可作YZ轴运动的立式铺丝头，构成了龙门移动式双铺放头的铺放机床。该ATL-AFP混合铺放机床的铺带头可选用75-300mm带料，用於高生产率地铺放制造简单轮廓复材构件；铺丝头使用6.35mm束宽32束纤维束料，可用於铺放复杂轮廓复材构件。这种ATL-AFP混合铺放机床特别适用於复材构件研究开发、试制、实验和技术培训应用，同时也可用於实际复材构件铺放制造。
最後还应指出是，实际上模块化多铺放头技术在低费用适用型ATL/AFP机床上也得到了极为广泛应用。
新概念AFP设备
1.新型AFP设备
用於复杂曲面，特别是复材整体筒壳构件铺放制造的传统自动铺丝机（FAP）机床总体结构设计中都继承了传统复材构件自动缠绕机（AFW）铺放工艺基本技术思想，在FAP机床前都设计有一个旋转心轴装置驱动芯模转动进行零件曲面铺放，也就是说传统FAP机床结构设计中都要考虑复材构件回转结构装置设计/制造的技术问题。
但是，这种机床总体结构存在有明显的不足之处：旋转心轴驱动装置费用高，Ingersoll公司认为铺放复杂曲面复材构件，釆用有转动阳模铺放的AFP机床其费用要比釆用阴模铺放的AFP机床贵7~10倍；需要专用的凸芯模装置，对复杂复材构件芯模设计制造技术难度较大，且费用高；为确保在旋转芯模上进行纤维束铺放的良好贴合，FAP机床需具有较大的热压能力；增加设备车间占地面积和维护费用。
为此，一些复材构件铺放设备制造商推出了一种新概念的AFP机床，通过在现场安放简单的凹（阴）模具，取消了传统AFP机床旋转心轴驱动凸芯（阳）模转动装置，从而可降低设备成本实现低费用AFP铺放技术。这种没有旋转心轴驱动阳模转动的机床结构设计可明显减少传统AFP机床尺寸，增强窄腔复材构件铺放加工能力，并能同时显着减少设备车间占地面积。
Ingersoll公司推出的第2/3代AFP机床Mongoose就是基於这种新概念设计的。图8左为美国Goodrich航空构件公司配置的双龙门双铺放头的Ingersoll公司AFP机床Mongoose（第二代），使用12.7mm宽32束的铺放头，铺放速度达40m/min，切割速度30m/min。Goodrich公司准备应用这种AFP机床来生产GEnx和用於波音787客机的Trent 1000发动机短舱复材内涵道支撑结构件自动化铺放生产，以前该构件釆用人工铺放。
图8右为Ingersoll公司最新推出的第三代AFP机床Mongoose及其新设计的铺放头。该铺放头由於釆用模块化设计容易根据用户需要而构成立式或卧式AFP机床，同时可适用於凸模、凹模或平板模应用场合。当使用6.74mm 宽16束复材纤维，铺放速度达60m/min，切割速度50m/min，铺放复材表面积速率达720m2/hr，铺放生产率27kg/hr。
图8 Ingersoll公司AFP机床Mongoose
2.高生产率AFP设备
提高ATL/AFP机床铺放生产率是目前ATL/AFP机床最新发展的最基本趋势，其釆用的技术途径主要是通过提升自动化、高速化和铺放工艺集成复合化水平来取得高铺放生产率。此外，一些大型ATL/AFP机床制造商将大型金切数控机床双龙门双主轴头并行加工思想同样应用在ATL/AFP机床上，向用户提供高铺放生产率的双龙门双铺放头ATL/AFP机床。
在宇航和国防工业应用领域，ATL/AFP机床取得25~50 kg/hr铺放生产率应算是为高铺放生产率了。但对完全商品化（通常指非宇航和国防工业应用领域的普通民用工业）应用领域而言，这种铺放生产率仍然不能满足用户的实际需求。为此，在普通民用工业应用领域，人们釆用了另一种技术途径：通过使用先进的更大质量的纤维束料来取得AFP机床高铺放生产率。宇航和国防工业应用领域的AFP机床，典型多使用12K根独立长纤维组成一根“纤维束”结构的复材料。而用於风力发电设备风力涡轮叶片制造的AFP机床，已出现趋向使用24K纤维束复材，以提高AFP机床铺放生产率。釆用更大质量纤维束则是民用工业应用领域ATL/AFP机床发展的一种新趋势。
美国Entec公司开发的用於大型民用风力涡轮发电机复材叶片制造的AFP机床（图9），则使用150K“纤维束”、 束宽18mm。铺丝头设计为能容纳32根纤维束，即铺放复材束带宽达576mm，且每根纤维束均可单独实现控制，铺放精度可达±1mm，铺放生产率341kg/hr。在某些铺放应用场合中，如果32根纤维束始终都被使用，此时实际上是已将AFP机床转变为ATL机床使用，则甚至可取得680kg/hr高铺放生产率。这种高铺放生产率AFP机床供料卷轴一次可提供长达2200m纤维束。
图9 Entec公司大型风轮机桨叶复材构件AFP机床
Entec公司这种高铺放生产率AFP机床，由於纤维束带质量较大，不使用传统的超声波型剪切刀，改用工业激光切割技术来实现对单独纤维束或整个纤维束带切割，但要求预浸料纤维束背料具有吸收激光能量的能力。应指出的是，Entec公司这种高铺放生产率AFP机床实际上已是一种高专利性的铺放设备。
把握时机 研发大型ATL/AFP机床
目前，我国正在启动实施大飞机重大项目，并规划要釆用一定数量的复合材料整体构件（规划其重量比可达约25%）。为此，对ATL/AFP机床提出了迫切需要。而我国在大型ATL/AFP机床研制、生产和实际工业应用等基本上还处於起步阶段，与国际先进水平相比，仍存有较大差距。同时，国家已将大型ATL/AFP机床列入数控重大专项研制设备之类。因此，国内有实力的大型数控机床制造企业应关注大型ATL/AFP机床技术发展和应用，抓住难得历史性发展时机，投入必要的人力和物力尽快奋力研发自动铺带头/自动铺丝头关键功能部件以及国产大型ATL/AFP机床，以满足国内航空飞机制造业的实际迫切需要，并尽快赶上国际先进水平。(end)
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(5/18/2010) |
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