人工、半自动人工铺放与自动铺放对比（资料图）
原标题：复合材料自动铺放设备——基于预浸料的复合材料结构高质高效制造平台
中航工业制造所孙年俊
先进复合材料因比模量、比强度高，抗疲劳、耐腐蚀、可设计和工艺性好，成为飞机结构重要发展方向之一。轻质、高强、性能优异的复合材料成为理想的结构用材，并逐渐从小型、简单、次承力结构向大型、复杂、主承力结构过渡。国外军机上复合材料用量普遍占结构重量的25%～50%；在民用领域，波音公司787飞机的复合材料用量达到50%，而A350XWB复合材料用量达到了创纪录的52%。
用于复合材料结构制造的先进专用工艺装备在国外迅速发展，特别是基于预浸料的复合材料自动铺放设备，包括自动铺带机和铺丝机，已在国外最先进的战机和民机制造中得到广泛应用。这些先进铺放装备具有人工/半自动人工铺放所不可比拟的优点（对比如表1所示）。
复合材料铺放制造技术包括铺放装备技术、铺放CAD/CAM技术、铺放工艺技术、预浸料制备技术、铺放质量控制、一体化协同数字化设计等一系列技术，主要是自动铺放装备技术、应用软件技术以及材料工艺技术的融合集成。其中自动铺放装备技术是整个技术的基础和核心，而铺放装备技术中最关键的是铺放头多功能集成技术和多坐标、多系统运动协同控制技术。
复合材料铺放制造过程为铺放头在多坐标联动控制下，快速准确地运动到复合材料将要铺放的模具表面，并按照铺放程序的指令准确、无误、高效、自动地完成装在专用卷轴上的预浸料（带或丝束）的铺放，包括完成送料、定位、切割、加热、压紧、回收等动作，保证铺放质量满足工艺要求。
欧美少数几个国家已具有较为成熟的复合材料自动铺放设备设计制造能力，研制了立式、卧式、龙门式、集成工业机器人等各种结构形式的复合材料自动铺带机和铺丝机，在机身、机翼、进气道等飞机大型复杂复材结构制造中得到应用，为提升复合材料在军机和民机中的用量做出了重要贡献。
国内在该设备研制方面尚处于原理性研究和工程样机研制阶段。国内航空企业陆续进口了几台复合材料自动铺带机，但适合复杂复合材料结构制造的铺丝机尚未实现零的突破。中航工业制造所通过国际合作、集成创新，先后开展了复合材料自动铺带机和自动铺丝机工程化研制，已取得阶段性成果和进展。
自动铺带机是小曲率、翼面结构的典型制造装备。中航工业制造所研制成功的大型复合材料自动铺带机（如图1所示）由多坐标铺带头、高速移动横梁、高架桥式支撑平台等组成，配备X、Y、Z、A、C坐标轴，具有五轴联动功能，以满足自动铺带的基本运动要求，该机的研制突破了以下关键技术：
大跨度结构件的设计优化。大型自动铺带机要求行程大、速度快、精度高，因此在设计上必须对设备的总体框架、机械结构、驱动方式等进行分析计算和研究，对运动结构的静动态刚性、动态响应、运动精度等进行严格计算与优化。通过进行截面形状、板厚、筋板布局、支撑面、支撑点的设计以及直线电机的选型等工作，利用ANSYS有限元分析工具，突破了高架桥式铺带机6500mm大跨度结构件的设计优化关键技术，并对设计优化的结果进行了理论上和实际的验证。
多坐标联动的自动铺带头设计制造。为适应零件表面曲率变化，铺带头要进行两个坐标的摆动，还要完成预浸带的送进、定位、裁断、剥离、碾压及保护膜回收、料带涨紧、废料回收等多个动作，结构非常紧凑，动作要求可靠、到位、节奏稳定。在吸收国外先进设计理念、兼顾国内基础元器件水平和加工能力的基础上，完成了自主设计制造。
整机功能调试及性能优化。自动铺带机属16轴5联动的多坐标机床，另外还有7个气动辅助运动装置。实现多坐标、多动作的协调控制至关重要。在分析铺带工艺工作流程的基础上，完成了高速运动坐标轴的动态性能参数调整与优化、大跨度高速运动龙门轴的双边同步驱动系统的调试；完成了铺带头的功能调试、参数调整，确保与运动机构的协同控制；完成了复合材料构件自动铺带全过程自动监测及故障处理系统调试，确保不因材料缺陷、表面异物、预浸带张力不符合要求等故障而影响构件铺放质量。
图1 大型复合材料自动铺带机
铺带轨迹规划。开发了铺带规划模块，实现自动/交互铺带规划、铺带展平、铺带合并与拆分等功能。开发了铺带轨迹几何变换模块，实现镜像、平移、旋转等功能。开发了铺带编程模块，包括确定铺放坐标系、创建/编辑铺带编程操作、输出铺放APT文件、APT文件显示等功能。在铺带编程操作中提供了定义铺放过程各类工艺参数功能，包括铺带所在铺层、铺层面、自动分析铺带工序、进退刀、铺放顺序、铺放方向等的设置。
通过突破上述关键技术，形成了自动铺带机设计制造相关规范/标准。设备关键精度指标达到国际先进水平，可适用于宽度75mm/150mm/300mm三种规格复合材料预浸带的两步法自动铺叠，加工范围可达到20000mm×6500mm×1200mm，最大直线坐标运动速度为40000mm/min。该设备为国内首台工程化应用级别的适合于飞机翼面类复合材料结构制造的自动铺带机，已在部分新机复材机构研制中得到应用。
与人工铺叠相比，自动铺带机可提高效率、降低成本，通过对成形参数和技术指标的精确控制，保障构件质量的可靠性和稳定性。但其存在不能实现大曲率结构铺叠、复杂曲面结构铺叠等局限。针对该局限，中航工业制造所采取国际合作和自主创新两步走的技术路径，启动了复合材料丝束自动铺放机（铺丝机）研制进程。通过进行国际合作开展集成创新，研制了国内第一台适合飞机大曲率复杂复合材料结构制造的自动铺丝机，现已在用户现场基本完成主体装配和调整。后续将重点解决丝束铺放头、预浸丝束、铺放工艺等关键技术，突破设备、材料以及工艺技术，全面解决复合材料铺放制造问题。
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