人工、半自動人工鋪放與自動鋪放對比（資料圖）

原標題：復合材料自動鋪放設備——基于預浸料的復合材料結構高質高效制造平臺

中航工業(yè)制造所孫年俊

先進復合材料因比模量、比強度高，抗疲勞、耐腐蝕、可設計和工藝性好，成為飛機結構重要發(fā)展方向之一。輕質、高強、性能優(yōu)異的復合材料成為理想的結構用材，并逐漸從小型、簡單、次承力結構向大型、復雜、主承力結構過渡。國外軍機上復合材料用量普遍占結構重量的25%～50%；在民用領域，波音公司787飛機的復合材料用量達到50%，而A350XWB復合材料用量達到了創(chuàng)紀錄的52%。

用于復合材料結構制造的先進專用工藝裝備在國外迅速發(fā)展，特別是基于預浸料的復合材料自動鋪放設備，包括自動鋪帶機和鋪絲機，已在國外最先進的戰(zhàn)機和民機制造中得到廣泛應用。這些先進鋪放裝備具有人工/半自動人工鋪放所不可比擬的優(yōu)點（對比如表1所示）。

復合材料鋪放制造技術包括鋪放裝備技術、鋪放CAD/CAM技術、鋪放工藝技術、預浸料制備技術、鋪放質量控制、一體化協(xié)同數(shù)字化設計等一系列技術，主要是自動鋪放裝備技術、應用軟件技術以及材料工藝技術的融合集成。其中自動鋪放裝備技術是整個技術的基礎和核心，而鋪放裝備技術中最關鍵的是鋪放頭多功能集成技術和多坐標、多系統(tǒng)運動協(xié)同控制技術。

復合材料鋪放制造過程為鋪放頭在多坐標聯(lián)動控制下，快速準確地運動到復合材料將要鋪放的模具表面，并按照鋪放程序的指令準確、無誤、高效、自動地完成裝在專用卷軸上的預浸料（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合材料自動鋪放設備設計制造能力，研制了立式、臥式、龍門式、集成工業(yè)機器人等各種結構形式的復合材料自動鋪帶機和鋪絲機，在機身、機翼、進氣道等飛機大型復雜復材結構制造中得到應用，為提升復合材料在軍機和民機中的用量做出了重要貢獻。

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

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

大跨度結構件的設計優(yōu)化。大型自動鋪帶機要求行程大、速度快、精度高，因此在設計上必須對設備的總體框架、機械結構、驅動方式等進行分析計算和研究，對運動結構的靜動態(tài)剛性、動態(tài)響應、運動精度等進行嚴格計算與優(yōu)化。通過進行截面形狀、板厚、筋板布局、支撐面、支撐點的設計以及直線電機的選型等工作，利用ANSYS有限元分析工具，突破了高架橋式鋪帶機6500mm大跨度結構件的設計優(yōu)化關鍵技術，并對設計優(yōu)化的結果進行了理論上和實際的驗證。

多坐標聯(lián)動的自動鋪帶頭設計制造。為適應零件表面曲率變化，鋪帶頭要進行兩個坐標的擺動，還要完成預浸帶的送進、定位、裁斷、剝離、碾壓及保護膜回收、料帶漲緊、廢料回收等多個動作，結構非常緊湊，動作要求可靠、到位、節(jié)奏穩(wěn)定。在吸收國外先進設計理念、兼顧國內(nèi)基礎元器件水平和加工能力的基礎上，完成了自主設計制造。

整機功能調(diào)試及性能優(yōu)化。自動鋪帶機屬16軸5聯(lián)動的多坐標機床，另外還有7個氣動輔助運動裝置。實現(xiàn)多坐標、多動作的協(xié)調(diào)控制至關重要。在分析鋪帶工藝工作流程的基礎上，完成了高速運動坐標軸的動態(tài)性能參數(shù)調(diào)整與優(yōu)化、大跨度高速運動龍門軸的雙邊同步驅動系統(tǒng)的調(diào)試；完成了鋪帶頭的功能調(diào)試、參數(shù)調(diào)整，確保與運動機構的協(xié)同控制；完成了復合材料構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、預浸帶張力不符合要求等故障而影響構件鋪放質量。

圖1 大型復合材料自動鋪帶機

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、旋轉等功能。開發(fā)了鋪帶編程模塊，包括確定鋪放坐標系、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、進退刀、鋪放順序、鋪放方向等的設置。

通過突破上述關鍵技術，形成了自動鋪帶機設計制造相關規(guī)范/標準。設備關鍵精度指標達到國際先進水平，可適用于寬度75mm/150mm/300mm三種規(guī)格復合材料預浸帶的兩步法自動鋪疊，加工范圍可達到20000mm×6500mm×1200mm，最大直線坐標運動速度為40000mm/min。該設備為國內(nèi)首臺工程化應用級別的適合于飛機翼面類復合材料結構制造的自動鋪帶機，已在部分新機復材機構研制中得到應用。

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