徐志明(上海電氣自動(dòng)化集團(tuán)，上?！?00070)

0　引　言

由于纖維復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、抗侵蝕和耐燒蝕等一系列優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為現(xiàn)代大型飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)用材。從波音B777、空客A380到B787、A350，大型飛機(jī)的復(fù)合材料用量正在大幅度增加，B787和A350上所使用的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件用量都已超過50%。國產(chǎn)飛機(jī)中ARJ21支線客機(jī)的復(fù)合材料用量還不足3%，到C919大型飛機(jī)的復(fù)合材料用量大約為12%，而下一代大型飛機(jī)C929的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件用量將會(huì)超過40%[1],如圖1所示。

圖1　大型飛機(jī)復(fù)合材料用量

隨著先進(jìn)復(fù)合材料在航空領(lǐng)域應(yīng)用比例的進(jìn)一步擴(kuò)大，復(fù)合材料部件正逐漸從簡單結(jié)構(gòu)向整體化和復(fù)雜化方向發(fā)展，使得鋪放過程自動(dòng)化的需要變得更加迫切。自動(dòng)鋪放技術(shù)是實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料高性能數(shù)字化制造的一個(gè)重要手段，同時(shí)也是近年來發(fā)展最快的先進(jìn)制造技術(shù)。采用自動(dòng)鋪放可以大幅度提高鋪放效率，減少人力勞動(dòng)成本，有利于生產(chǎn)更加大型的構(gòu)件。可以降低鋪放偏差和出錯(cuò)的機(jī)率，提高纖維片層之間的定位精度。有利于設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的復(fù)合材料部件，并可以大大提高材料的利用率。在鋪放同時(shí)可以向疊層施加壓緊力，有利于降低成品的空泡率，提高成品的質(zhì)量。這些顯著的優(yōu)點(diǎn)將使自動(dòng)鋪放技術(shù)在大型飛機(jī)復(fù)材構(gòu)件制造中所占的比重越來越大。

自動(dòng)鋪放技術(shù)可分為自動(dòng)鋪帶技術(shù)(Automated Tape Layer, 簡稱ATL)和纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)(即自動(dòng)鋪絲技術(shù)，Automated Fiber Placement, 簡稱AFP)。鋪帶技術(shù)是將具有一定寬度的(150 mm和300 mm)纖維帶子展開，并鋪放在一個(gè)陰模或平臺上，由于鋪帶設(shè)備固有的特點(diǎn)，幾乎不能對帶子進(jìn)行控制，因此只能用于相對平坦或小曲率的工件的鋪放。對于許多帶有尖銳曲率的構(gòu)件需要采用自動(dòng)鋪絲技術(shù)來解決，鋪絲技術(shù)能夠?qū)⒍鄺l纖維束或窄帶同時(shí)鋪放在一個(gè)陰模或陽模上，纖維數(shù)量一般有12～32根不等，寬度一般為1/2、1/4、1/8英寸，可以用于復(fù)雜曲面構(gòu)件的鋪放制造[2]4。

1　國內(nèi)外自動(dòng)鋪放技術(shù)的研究進(jìn)展

1.1　國外自動(dòng)鋪放技術(shù)的研究進(jìn)展

自動(dòng)鋪帶技術(shù)(ATL)最早起源于美國，第一臺數(shù)控龍門式自動(dòng)鋪帶機(jī)由美國Vought公司于20世紀(jì)60年代開始研制成功，主要用于鋪放F-16戰(zhàn)斗機(jī)的復(fù)合材料機(jī)翼部件，80年代以后，自動(dòng)鋪帶技術(shù)開始從軍用飛機(jī)應(yīng)用轉(zhuǎn)向商用飛機(jī)的制造領(lǐng)域。隨著復(fù)合材料使用量的增加，專業(yè)設(shè)備制造商(如MAG Cincinnati、Ingersoll公司)也開始研制自動(dòng)鋪帶機(jī)，使自動(dòng)鋪帶技術(shù)得到快速提高并日趨成熟。經(jīng)過30多年的發(fā)展，美國自動(dòng)鋪帶技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到第五代，其中重要方向是開發(fā)了多鋪帶頭和針對特定構(gòu)件的專用化鋪帶機(jī)。歐洲也從上世紀(jì)90年代開始研制自動(dòng)鋪帶機(jī)，目前主要制造廠商有法國Frest-line公司和西班牙的M-Torres公司[3]。

自動(dòng)鋪絲技術(shù)(AFP)是由美國Boeing、Hercules等公司于20世紀(jì)80年代在纖維纏繞技術(shù)和鋪帶技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來。1989年Cincinnati Milacron公司設(shè)計(jì)出第一臺自動(dòng)鋪絲機(jī)并于1990 年投入使用。1995年美國Ingersoll公司也研制出其第一臺自動(dòng)鋪絲機(jī)。從技術(shù)發(fā)展趨勢看，自動(dòng)鋪絲技術(shù)目前正向著高速高生產(chǎn)率鋪放、多鋪放頭集成復(fù)合鋪放、基于工業(yè)機(jī)器人平臺鋪放以及ATL/AFP混合鋪放等方向發(fā)展。目前國際上先進(jìn)的自動(dòng)鋪絲設(shè)備生產(chǎn)商主要有美國的MAG Cincinnati、ElectroImpact、Ingersoll公司，法國的Forest-Line和Coriolis公司、西班牙的M-Torres公司等。圖2為美國MAG IAS公司生產(chǎn)的Viper系列自動(dòng)鋪絲機(jī)[4]。

圖2　MAG IAS公司生產(chǎn)的Viper系列自動(dòng)鋪絲機(jī)

1.2　國內(nèi)自動(dòng)鋪放技術(shù)的研究進(jìn)展

我國的自動(dòng)鋪放技術(shù)起步較晚，多數(shù)航空企業(yè)仍然采用類似金屬構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法和手工鋪層方法進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造。自動(dòng)鋪放技術(shù)基本上還處于高校院所研究、試制階段，離實(shí)際應(yīng)用還有一定的差距。南京航空航天大學(xué)“九五”期間開始著手調(diào)研，在國家科技部863項(xiàng)目的資助下，完成國內(nèi)第一臺八絲束纖維鋪放原理樣機(jī)。武漢理工大學(xué)與北京航天工藝研究所、西安復(fù)合材料研究所等單位合作開展了自動(dòng)鋪放技術(shù)研究，完成了裝備技術(shù)的研制和工藝技術(shù)的研究，對圓錐體進(jìn)行了鋪放機(jī)理的研究，提出了圓錐形曲面的四種鋪放線型的設(shè)計(jì)方法。哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)、制造的七自由度四絲束纖維鋪放機(jī)已經(jīng)調(diào)試完成，并應(yīng)用4 mm 寬度的纖維預(yù)浸絲束進(jìn)行鋪放試驗(yàn)，并完成了鋪放軟件原型的設(shè)計(jì)工作[2]11。

我國在自動(dòng)鋪放設(shè)備的研制、生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用方面基本上還處于起步階段，還沒有研制出真正能夠應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)的設(shè)備，這和國際先進(jìn)水平存在著比較大的差距。上海電氣此次通過收購德國寶捷自動(dòng)化公司獲得了先進(jìn)的自動(dòng)鋪絲、鋪帶技術(shù)，通過對設(shè)備的引進(jìn)和技術(shù)的消化、吸收，掌握核心技術(shù)和工藝，逐步積累經(jīng)驗(yàn)，并培養(yǎng)一支研發(fā)和應(yīng)用隊(duì)伍，使我國的自動(dòng)鋪放技術(shù)有飛躍式發(fā)展，這也不失為提高我國復(fù)合材料裝備技術(shù)的一條捷徑。

2　德國寶捷公司最新研制的自動(dòng)鋪放設(shè)備及其技術(shù)特點(diǎn)

作為全球知名的航空裝配設(shè)備供應(yīng)商，德國寶捷公司為全球飛機(jī)制造企業(yè)提供各種專業(yè)化的裝備和服務(wù)，包括整個(gè)飛機(jī)裝配過程中的緊固連接技術(shù)及裝備，工裝夾具自動(dòng)定位、傳送系統(tǒng)和輸送裝備，在大型飛機(jī)的批量生產(chǎn)中起到巨大的作用。大大提高了飛機(jī)零部件定位準(zhǔn)確度和鉚接質(zhì)量，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了飛機(jī)裝配周期。寶捷公司在航空工業(yè)領(lǐng)域有著超過40年的潛心研究和經(jīng)驗(yàn)積累，隨著復(fù)合材料應(yīng)用比例的快速提高，寶捷公司加大了復(fù)合材料加工裝備技術(shù)的研發(fā)和投入力度，并收購了德國MAG集團(tuán)的復(fù)合材料分部，大幅提升復(fù)合材料方面的技術(shù)能力。寶捷公司在復(fù)材方面的技術(shù)主要包括復(fù)合材料制孔和緊固、搬運(yùn)技術(shù)、旋轉(zhuǎn)葉片的鋪絲技術(shù)等，目前已能夠提供自動(dòng)鋪放機(jī)器人解決方案。寶捷公司的復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)主要包括針對中/小型構(gòu)件的機(jī)床龍門結(jié)構(gòu)自動(dòng)鋪放機(jī)和針對大型構(gòu)件的機(jī)器人結(jié)構(gòu)的自動(dòng)鋪放機(jī)。

2.1　針對中/小型構(gòu)件的機(jī)床龍門結(jié)構(gòu)自動(dòng)鋪放機(jī)

早期的自動(dòng)鋪放設(shè)備供應(yīng)商只為大型航空企業(yè)服務(wù)，如波音、空客等公司，設(shè)計(jì)和制造的鋪放機(jī)很大并且價(jià)格昂貴，一般中小型企業(yè)無法負(fù)擔(dān)，這制約了鋪放技術(shù)的推廣應(yīng)用，因此開發(fā)研制經(jīng)濟(jì)性更好的小型化的自動(dòng)鋪放機(jī)已成為一種發(fā)展趨勢，可以實(shí)現(xiàn)小尺寸復(fù)合材料構(gòu)件的鋪放并降低使用者的設(shè)備采購費(fèi)用。寶捷公司已為此作了這方面的嘗試，目前已研發(fā)出了針對中/小型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的staxx系列自動(dòng)鋪絲應(yīng)用系統(tǒng)，這是一款高度創(chuàng)新的纖維鋪放系統(tǒng)，包括可以實(shí)現(xiàn)二維鋪放的staxx1700緊湊型自動(dòng)鋪絲機(jī)和三維鋪放的staxx2500自動(dòng)鋪絲機(jī)。Staxx系列自動(dòng)鋪絲機(jī)由三大部分組成，左右兩側(cè)均為放置纖維絲束卷料的料箱，共可以安裝16卷24 K或50 K的纖維絲束，寬度為1/4英寸或1/2英寸，可以是熱塑性或熱固性預(yù)浸料；中間為鋪絲區(qū)域，包括安裝在龍門架結(jié)構(gòu)上的鋪絲頭和下方的工件安放平臺，纖維絲束通過纖維引導(dǎo)裝置從兩側(cè)料箱引導(dǎo)到鋪絲頭上，通過鋪絲頭再將纖維鋪放到工作臺面上的工件(模具)上。Staxx1700采用四軸聯(lián)動(dòng)控制，可以進(jìn)行纖維絲束的平面鋪放，工作臺面的對角線長度為1 700 mm，最高進(jìn)給速度45 m/min，如圖3所示。staxx2500自動(dòng)鋪絲機(jī)采用六軸聯(lián)動(dòng)控制，包括三個(gè)平動(dòng)軸和三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，最多可以實(shí)現(xiàn)16～32條纖維絲束進(jìn)行復(fù)雜三維曲面鋪放，工作臺面對角線長度為2 500 mm，最高進(jìn)給速度45 m/min。

圖3　寶捷公司研制的staxx1700緊湊型自動(dòng)鋪絲機(jī)

2.2　針對大型構(gòu)件的機(jī)器人平臺的自動(dòng)鋪放機(jī)

多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人可以在其可達(dá)到的工作范圍內(nèi)的位置控制具有很大柔性，一些針對復(fù)合材料的設(shè)備制造商利用多自由度(一般6個(gè)自由度以上)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)作為平臺，并配置模塊化的鋪放頭用于構(gòu)建低成本高生產(chǎn)率的自動(dòng)鋪放設(shè)備。工業(yè)機(jī)器人的柔性特點(diǎn)正好為鋪帶/鋪絲設(shè)備同時(shí)適應(yīng)構(gòu)件生產(chǎn)環(huán)境和研發(fā)環(huán)境鋪放制造應(yīng)用提供了有力的支持[5]。在收購德國MAG集團(tuán)的復(fù)合材料分部以后，寶捷公司的自動(dòng)鋪放技術(shù)有了很大的提升，目前已經(jīng)完成了基于機(jī)器人結(jié)構(gòu)的自動(dòng)鋪放設(shè)備的開發(fā)和制造，核心的鋪放頭接口采用模塊化方法來設(shè)計(jì)，既可以安裝鋪絲頭，又可以安裝鋪帶頭，可以方便靈活地切換，滿足不同需要。機(jī)器人底下安裝有滑動(dòng)導(dǎo)軌底座，擴(kuò)大了鋪絲/鋪帶的范圍，可以實(shí)現(xiàn)大型航空結(jié)構(gòu)件的鋪放，目前該設(shè)備已經(jīng)安裝在德國航空航天中心。圖4(a)為安裝鋪絲頭結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)對16條寬度為1/4英寸的纖維絲束進(jìn)行鋪放；圖4(b)為安裝鋪帶頭結(jié)構(gòu)，可以鋪放寬度為150 mm的帶料，最高速度為60 m/min。

圖4　寶捷公司基于機(jī)器人平臺的AFP/ATL設(shè)備

3　預(yù)浸纖維絲束自動(dòng)鋪放的優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)寶捷公司的調(diào)研，采用樹脂傳遞模塑(Resin Transfer Molding, 簡稱RTM)技術(shù)來制造一件尺寸約為0.8 m×0.8 m，質(zhì)量約為1.8 kg復(fù)合材料的構(gòu)件，所需的成本約為50～60歐元，其中原材料(包括碳纖維和樹脂)和加工費(fèi)用(包括設(shè)備折舊、人工成本和廢邊料損失等)基本上各占50%，因此降低原材料費(fèi)用和加工費(fèi)用將是降低復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件成本的關(guān)鍵兩大因素。采用大批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)寬度預(yù)浸纖維絲束，并采用自動(dòng)鋪絲機(jī)來生產(chǎn)復(fù)合材料構(gòu)件簡化工藝流程，并降低成產(chǎn)成本。預(yù)浸纖維絲束是通過將碳纖維直接在樹脂中浸漬得到的材料，這種原材料對于汽車工業(yè)尤其是航空工中采用纖維的自動(dòng)化鋪放過程(包括鋪絲和鋪帶)都是由它來完成的，具有很多的優(yōu)勢，采用預(yù)浸料鋪放形成的復(fù)合材料具有很高的質(zhì)量。當(dāng)前用于航空工業(yè)的碳纖維預(yù)浸料的成本還比較高，寶捷公司在預(yù)浸料技術(shù)方面已經(jīng)投入了研發(fā)，并已取得了初步的成果。圖5(a)和5(b)分別為采用RTM技術(shù)和AFP技術(shù)的工藝流程，通過比較可以總結(jié)出兩者的優(yōu)缺點(diǎn)：

(1)采用RTM技術(shù)的工藝比較復(fù)雜，很多過程需要人工參與，而采用AFP技術(shù)的主要的鋪放工藝過程都由設(shè)備自動(dòng)完成，可以降低人工成本，減少人為因素的質(zhì)量問題。

(2)RTM技術(shù)采用織物鋪層來實(shí)現(xiàn)，由于織物寬度較大，鋪放時(shí)產(chǎn)生很多的廢邊料并需要切除；而AFP技術(shù)是用纖維絲束進(jìn)行鋪放，每條纖維絲束寬度較小并且可以單獨(dú)控制，因此成型時(shí)切除的廢邊料較少，大約從50%降低到不到10%。

(3)AFP技術(shù)可以對構(gòu)件的某一個(gè)部位進(jìn)行局部的加厚增強(qiáng)處理，提高了設(shè)計(jì)的自由度，采用AFP技術(shù)形成的復(fù)合材料具有很高的質(zhì)量。

(4)AFP技術(shù)采用預(yù)浸纖維束進(jìn)行鋪放，已經(jīng)包含了樹脂，因此成型時(shí)不再需要樹脂注入設(shè)備，減少了設(shè)備的投入，也不存在RTM樹脂注入過程中樹脂對纖維浸漬性差的問題，改善了工藝的可靠性。

圖5　RTM技術(shù)與AFP技術(shù)工藝流程比較

4　纖維自動(dòng)鋪放(AFP)的工藝流程和路徑規(guī)劃

4.1　鋪絲頭結(jié)構(gòu)

鋪絲頭是自動(dòng)鋪絲機(jī)最為核心的部件，它將多條預(yù)浸纖維絲束在壓輪的拖動(dòng)下，分配到鋪絲頭料帶準(zhǔn)直器槽中，使其能夠合理排布，并緊密排列在芯模上，同時(shí)通過張力控制和壓輥的作用使其緊緊地鋪放在芯模上。在鋪放過程中，各路纖維獨(dú)立控制(包括纖維夾緊、切割和重送)，并可以合理增減纖維束數(shù)量以滿足構(gòu)件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。纖維預(yù)浸束帶在芯模上進(jìn)行鋪放的過程中，可控?zé)嵩囱b置對其進(jìn)行加熱控制以產(chǎn)生一定的黏度，確保壓緊裝置可壓緊纖維絲束緊貼工件型面，并擠走鋪層之間的空氣。

4.2　鋪絲工藝流程

鋪絲是一個(gè)自動(dòng)化程度很高的過程，整個(gè)過程均由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)控制，為了保證纖維鋪放工藝過程的順利進(jìn)行，需要針對纖維鋪放過程中的多個(gè)參數(shù)進(jìn)行控制，保證多參數(shù)的匹配，參數(shù)主要包括：鋪放溫度、鋪放壓力、張力控制、鋪放基準(zhǔn)點(diǎn)的定位、各運(yùn)動(dòng)軸的空間位置實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與監(jiān)控、程序代碼的修正等多方面內(nèi)容，這里不再展開介紹。

鋪放控制軟件主要包括離線設(shè)計(jì)編程軟件和鋪放運(yùn)動(dòng)控制類軟件兩部分。離線設(shè)計(jì)編程軟件中可以建立鋪設(shè)構(gòu)件的數(shù)學(xué)模型，對鋪設(shè)路徑進(jìn)行規(guī)劃，并離線生成數(shù)控代碼程序；可以對設(shè)備與材料進(jìn)行參數(shù)化數(shù)控編程；內(nèi)置的廢料分析、加工時(shí)間以及過程優(yōu)化等功能；內(nèi)置有特定的功能，如局部加強(qiáng)的波紋鋪放功能，可改善成型質(zhì)量。運(yùn)動(dòng)控制軟件按照程序代碼的指令，自動(dòng)完成鋪放工藝過程中的行進(jìn)運(yùn)動(dòng)、升降運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，以及鋪絲頭單元的各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制，自動(dòng)完成預(yù)浸纖維絲束的夾緊、切割、重送等動(dòng)作，準(zhǔn)確及時(shí)的按照設(shè)定的程序代碼完成復(fù)合材料的自動(dòng)化層鋪過程。圖6為自動(dòng)鋪絲過程的工藝流程，需要設(shè)計(jì)編程軟件與運(yùn)動(dòng)控制軟件的共同配合才能順利完成。

圖6　自動(dòng)鋪絲工藝流程

4.3　鋪絲路徑規(guī)劃及仿真

路徑規(guī)劃軟件的主要作用是按照構(gòu)件的鋪層設(shè)計(jì)要求，完成纖維鋪放軌跡的規(guī)劃和仿真分析，最終生成適合于特定設(shè)備的數(shù)控代碼程序，實(shí)現(xiàn)鋪放過程中鋪絲頭的位置、擺角等參數(shù)的控制，最終完成復(fù)合材料的自動(dòng)化鋪放。在自動(dòng)鋪放過程中，控制系統(tǒng)通過讀取數(shù)控指令源代碼完成自動(dòng)鋪放全過程。鋪放軌跡代碼是否正確、合理對順利完成復(fù)合材料自動(dòng)維鋪放過程至關(guān)重要，是保證鋪放硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的根本與關(guān)鍵[6]。圖7(a)為寶捷公司開發(fā)的鋪絲路徑規(guī)劃軟件，可以輸入設(shè)計(jì)汽車引擎蓋的數(shù)學(xué)模型，按照設(shè)計(jì)要求自動(dòng)規(guī)劃出鋪絲路徑，生產(chǎn)鋪絲代碼指令文件，并可以對鋪絲路徑進(jìn)行仿真，可以檢查鋪絲壓輥與工件曲面之間是否存在干涉等，如圖7(b)所示。

5　結(jié)束語

自動(dòng)鋪放技術(shù)是一種先進(jìn)的低成本復(fù)合材料構(gòu)件的制造技術(shù)，它可以充分發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)勢， 可設(shè)計(jì)性好、 構(gòu)件質(zhì)量穩(wěn)定、易于整體成型。歐美發(fā)達(dá)國家經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展，自動(dòng)鋪放技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，并已推出多種類型的先進(jìn)自動(dòng)鋪放設(shè)備，但部分技術(shù)和設(shè)備對我國是出口限制的。我國的自動(dòng)鋪放技術(shù)還處于高校院所研究階段，還沒有研制出可實(shí)際應(yīng)用的自動(dòng)鋪放設(shè)備。上海電氣通過收購德國寶捷自動(dòng)化公司獲得了世界先進(jìn)的自動(dòng)鋪放技術(shù)，通過設(shè)備的引進(jìn)和技術(shù)的消化、吸收，逐步掌握核心技術(shù)和工藝，積累復(fù)材制造與設(shè)備開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，并培養(yǎng)一支應(yīng)用研發(fā)隊(duì)伍服務(wù)于我國的航空航天事業(yè)，使我國的復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)得到飛躍式發(fā)展。

圖7　寶捷公司開發(fā)自動(dòng)鋪絲路徑規(guī)劃與仿真軟件

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