湖北三江航天紅陽機(jī)電有限公司 王華僑

湖南江南四棱數(shù)控機(jī)械有限公司 蘇國榮

武漢華中數(shù)控股份有限公司 鄭武

華中科技大學(xué) 楊建中

南京航空航天大學(xué) 王顯峰

本文在對異形艙體采用傳統(tǒng)鋪纏裝備成型時(shí)暴露的缺陷基礎(chǔ)之上，系統(tǒng)介紹了七軸聯(lián)動鋪纏裝備的核心關(guān)鍵技術(shù)，從雙柱立式鋪纏主機(jī)、鋪纏頭核心功能部件、華中數(shù)控HNC848 系統(tǒng)、RTCP鋪纏成型控制、異形艙體鋪放軌跡設(shè)計(jì)及鋪放軟件功能模塊等進(jìn)行了簡略介紹。最后對某異形艙體進(jìn)行了鋪纏試驗(yàn)驗(yàn)證和RTCP 控制的優(yōu)勢進(jìn)行了分析，并從鋪纏程序軌跡優(yōu)化、數(shù)控系統(tǒng)、鋪纏頭功能部件等三個(gè)方面提出了改進(jìn)意見。全球首臺套雙柱立式鋪纏成型裝備突破了系列裝備主機(jī)、功能部件、數(shù)控系統(tǒng)、鋪放編程、鋪放工藝等關(guān)鍵技術(shù)，取得并展示了較多的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)。

一、異形艙體傳統(tǒng)鋪纏成型的缺陷

艙體熱防護(hù)層是飛行器在飛行過程中的外保護(hù)層，保證飛行器在惡劣的環(huán)境中穩(wěn)定可靠的工作。傳統(tǒng)的三軸數(shù)控纏繞機(jī)，能夠完成筒形、錐形、冪次曲線形回轉(zhuǎn)體的防熱層纏繞成型，但無法完成異型曲面的防熱層成型。使用傳統(tǒng)三軸布帶纏繞機(jī)僅能完成模具旋轉(zhuǎn)及預(yù)浸帶固定，防熱層的鋪放成型靠人工完成，預(yù)浸帶在鋪放中人為施加張力，導(dǎo)致防熱層之間貼合不實(shí)，比理論圓周偏大，在后續(xù)加壓固化過程中容易形成較大褶皺，影響防熱層防熱效果。成型效率低下且預(yù)浸布浪費(fèi)嚴(yán)重，產(chǎn)品質(zhì)量不高。通過平行重疊纏繞、斜紋布斜疊纏繞成型固化后，進(jìn)行外防熱層的加工后，表觀質(zhì)量如圖1 所示。

通過平行重疊纏繞、斜紋布斜疊纏繞成型固化后加工存在的主要缺點(diǎn)有三個(gè)方面。首選，固化成型加工后存在皺褶、架橋、分層、開裂等多種質(zhì)量缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量可靠性、穩(wěn)定性和一致性差；其次是材料利用率低下導(dǎo)致材料成本高，傳統(tǒng)纏繞成型的材料利用率不到30%，大面積材料在固化后切削掉，浪費(fèi)極其嚴(yán)重；第三是需要通過機(jī)械切削加工去除，存在加工成本高、切削粉塵污染嚴(yán)重、工序周轉(zhuǎn)周期長導(dǎo)致總體成本高周期長等眾多缺點(diǎn)。

圖1 傳統(tǒng)鋪纏裝備產(chǎn)品缺陷示意圖

除回轉(zhuǎn)體類熱防護(hù)零件采用布帶纏繞機(jī)纏繞成型外，其余產(chǎn)品成型均無自動化裝備，需要靠手工成型。復(fù)雜內(nèi)網(wǎng)格筋結(jié)構(gòu)件是起承載作用，纖維鋪放方向、精度及鋪放質(zhì)量對艙段承載能力影響較大。手工鋪放首先需要對模具進(jìn)行預(yù)熱，保證預(yù)浸料可以較好地貼模；預(yù)浸絲束鋪放的角度、縫隙拼接均由人工控制；為了保證預(yù)浸料之間貼合良好，每鋪2 ～3層，需要包真空進(jìn)行一次預(yù)壓；下次鋪層前需要再對模具進(jìn)行預(yù)熱，已鋪層在模具上的預(yù)浸料時(shí)常需經(jīng)歷多次加熱過程。該成型過程周期漫長，動輒數(shù)月才能完成1 件大型復(fù)合材料構(gòu)件的鋪層成型，且手工成型的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的纖維鋪放角度、纖維束之間的拼縫、預(yù)浸料的樹脂含量、纖維拉直程度等均無法保證，產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)好時(shí)壞，無法滿足航天產(chǎn)品對質(zhì)量穩(wěn)定性的高要求，更無法適應(yīng)現(xiàn)代化的高效率生產(chǎn)節(jié)奏。

二、數(shù)控雙柱立式鋪纏主機(jī)結(jié)構(gòu)

國內(nèi)較早就對自動絲束鋪放技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)跟蹤和探索研究，南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、武漢工業(yè)大學(xué)等開展了一些理論和實(shí)驗(yàn)室研究。自動絲束設(shè)備、工藝技術(shù)及相應(yīng)的預(yù)浸絲束制備等技術(shù)都沒有進(jìn)行過系統(tǒng)研究，這為該成型技術(shù)的工程化應(yīng)用帶來了很大難度。目前，國內(nèi)未研制出一臺能夠完全滿足工程應(yīng)用的自動絲束鋪放設(shè)備，而必要的配套技術(shù)，如絲束預(yù)浸技術(shù)、驅(qū)動軟件、鋪放工藝和模具設(shè)計(jì)技術(shù)等的研究也不多，這主要是因?yàn)閲鴥?nèi)缺乏必要的絲束鋪放設(shè)備作為研究平臺，無法做到對自動絲束鋪放技術(shù)系統(tǒng)深入的研究。

1.數(shù)控雙主鋪纏裝備主機(jī)結(jié)構(gòu)

國內(nèi)首臺數(shù)控雙柱立式布帶鋪纏一體化成型主機(jī)采用華中數(shù)控HNC848 數(shù)控系統(tǒng)及伺服驅(qū)動。各坐標(biāo)軸定義如圖1 所示：鋪纏頭徑向移動—X 坐標(biāo)，鋪纏頭橫向移動—Y 坐標(biāo)，鋪纏頭升降—Z 坐標(biāo)；工作臺（芯模）旋轉(zhuǎn)—C 坐標(biāo)；鋪纏頭旋轉(zhuǎn)—A 坐標(biāo)，鋪纏頭俯仰—B 坐標(biāo)，鋪纏頭偏航—C1 坐標(biāo)；鋪纏頭送帶—U 坐標(biāo)。

機(jī)床床身為雙立柱，橫梁沿立柱上下移動，方滑枕沿橫梁左右移動，方滑枕前后移動的龍門落地式結(jié)構(gòu)，中心懸掛方滑枕。工件放置在工作臺上，與工作臺一起旋轉(zhuǎn)。雙立柱采用對稱布置的形式，立柱上通過直線導(dǎo)軌安裝橫梁，橫梁上下移動采用雙電機(jī)驅(qū)動、雙精密減速機(jī)及高精度滾珠絲杠傳動機(jī)構(gòu)，并配有氣液動平衡系統(tǒng)。數(shù)控同步保證左、右兩根滾珠絲杠同步運(yùn)轉(zhuǎn)。裝備主機(jī)總體結(jié)構(gòu)及裝備實(shí)物如圖2何圖3 所示。

圖2 雙柱立式鋪纏機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

圖3 數(shù)控雙立柱鋪纏帶機(jī)實(shí)物圖

橫梁上通過直線導(dǎo)軌安裝方滑臺，方滑枕移動采用電機(jī)驅(qū)動、雙精密減速機(jī)及高精度齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)。方滑枕上通過直線導(dǎo)軌安裝伸臂，伸臂移動采用電機(jī)驅(qū)動、雙精密減速機(jī)及高精度齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)。伸臂裝有高精度的鋪纏頭重心平衡補(bǔ)償系統(tǒng)及滑枕伸出自重變形補(bǔ)償系統(tǒng)，消除鋪纏頭及方滑枕前移而產(chǎn)生的下垂變形，確保鋪纏頭系統(tǒng)的精度及剛度。

伸臂前端面安裝鋪纏頭，鋪纏頭采用三軸旋轉(zhuǎn)手腕結(jié)構(gòu)，可完成異形回轉(zhuǎn)體的自動鋪年纏成型，具備大范圍鋪纏張力自動控制功能、預(yù)浸帶自動糾偏功能、熱風(fēng)加熱溫度自動控制功能和預(yù)浸帶覆膜自動卷繞功能，具備鋪纏壓力可調(diào)的雙壓輥系統(tǒng)。

工作臺采用雙電機(jī)消隙驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單、承載大、精度高。機(jī)床操作站采用獨(dú)立吊掛的可伸縮以及旋轉(zhuǎn)的操作站臺，操作簡單方便。橫梁兩側(cè)配有隨橫梁上下升降的操作維修平臺，平臺亦可沿橫梁手動移動靠近鋪纏帶頭，方便更換料卷以及檢測和觀察鋪纏質(zhì)量狀態(tài)。立柱兩側(cè)安裝有上到立柱頂部的安全通道，方便安裝以及維修更換立柱兩側(cè)的驅(qū)動電機(jī)及絲杠。

復(fù)合材料鋪纏帶機(jī)是復(fù)合材料自動化高效成型工藝的主要裝備之一，通常由鋪纏頭，鋪纏手腕，床身、芯模回轉(zhuǎn)系統(tǒng)以及機(jī)床控制系統(tǒng)等幾部分組成。輔助設(shè)備各包括壓輥裝置、預(yù)浸帶加熱裝置，布帶張力控制系統(tǒng)、布帶切斷裝置，紗架、糾偏裝置等。機(jī)床主要關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)規(guī)格如表1 所示。

表1 數(shù)控雙柱立式鋪纏主機(jī)技術(shù)規(guī)格

2.主機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)及精度檢測

（1）運(yùn)動控制綜合試驗(yàn)。

①各運(yùn)動軸動作試驗(yàn)，試驗(yàn)其動作的靈活性和可靠性。主軸進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止及變換轉(zhuǎn)速試驗(yàn)(無級變速機(jī)構(gòu)作低、中、高速，有級變速機(jī)構(gòu)作各種轉(zhuǎn)速)。其他運(yùn)動軸做低、中、高運(yùn)轉(zhuǎn)速度及快速運(yùn)轉(zhuǎn)變換試驗(yàn)。

②各運(yùn)動軸的聯(lián)動試驗(yàn)：試驗(yàn)各運(yùn)動軸坐標(biāo)的超程保護(hù)、手動數(shù)據(jù)的輸入、坐標(biāo)位置顯示、回基準(zhǔn)點(diǎn)、程序序號指示和檢查、程序暫停、程序結(jié)束、程序消除、單步進(jìn)給、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、螺距補(bǔ)償、間隙補(bǔ)償?shù)裙δ艿目煽啃院蛣幼鞯撵`活性。

③空運(yùn)轉(zhuǎn)功率試驗(yàn)(抽查)：各運(yùn)動軸傳動系統(tǒng)空運(yùn)轉(zhuǎn)功率應(yīng)符合設(shè)計(jì)文件低于5%的規(guī)定。空運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)：最大速度下的空載功率。

④整機(jī)連續(xù)空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)：用數(shù)控程序在全部功能下模擬工作狀態(tài)做不鋪纏連續(xù)空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不應(yīng)發(fā)生故障。連續(xù)空運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為8 小時(shí)，每個(gè)循環(huán)時(shí)間不大于15分鐘，每個(gè)循環(huán)之間休止時(shí)間不得超過1 分鐘。

⑤機(jī)床鋪纏實(shí)驗(yàn)：選定標(biāo)準(zhǔn)試件用數(shù)控程序在全部功能下模擬工作狀態(tài)做鋪纏連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不應(yīng)發(fā)生故障。連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為8 小時(shí)，每個(gè)循環(huán)時(shí)間不大于15分鐘，每個(gè)循環(huán)之間休止時(shí)間不得超過1 分鐘。檢驗(yàn)鋪纏精度和厚度誤差。

（2）機(jī)床綜合精度檢測。

①鋪纏帶隙精度的檢驗(yàn)：在標(biāo)準(zhǔn)圓柱體芯模上或平板類模具，用標(biāo)準(zhǔn)預(yù)浸帶，通過運(yùn)行鋪帶程序在芯模連續(xù)鋪帶多次。用游標(biāo)卡尺測量多遍鋪帶之間的間距誤差，取最大值。

②鋪纏角度偏差的檢驗(yàn)：在標(biāo)準(zhǔn)圓柱體芯模上或平板類模具，用標(biāo)準(zhǔn)預(yù)浸帶，通過運(yùn)行鋪帶程序在芯模連續(xù)鋪帶多次。用游標(biāo)角度尺測量多遍鋪帶之間的角度誤差，取最大值。

③鋪放速度的測量：在標(biāo)準(zhǔn)圓柱體芯模上或平板類模具，用標(biāo)準(zhǔn)預(yù)浸帶，通過運(yùn)行鋪帶程序在芯模連續(xù)鋪帶多次。用秒表計(jì)量時(shí)間，用游標(biāo)卡尺測量多遍鋪帶長度，或在料卷上測量退卷的長度，計(jì)算取最大值。

三、自動鋪纏頭核心關(guān)鍵技術(shù)

鋪纏頭系統(tǒng)是是一個(gè)集成系統(tǒng)，其包括施壓裝置、加熱裝置、張力控制系統(tǒng)、收膜裝置、檢測系統(tǒng)、防撞報(bào)警裝置等功能模塊，各模塊協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)特種料卷在復(fù)雜工件上的優(yōu)質(zhì)鋪纏。如圖4 所示的布帶自動鋪纏頭能夠?qū)崿F(xiàn)大型異形回轉(zhuǎn)體防隔熱層的自動鋪放和自動纏繞兩種成型工藝。在自動鋪放成型過程中，隔熱帶采用低張力鋪放，鋪放張力要求隔熱帶張緊不松弛，并能適度變形，實(shí)現(xiàn)“隨型就位”，特別是在構(gòu)件凹曲面處的鋪放，過大的鋪放張力會引起凹面處的架橋缺陷。在自動纏繞成型過程中，預(yù)浸帶的纏繞張力較大，控制精度較高，特別是在曲率半徑較小的棱緣處，隔熱帶的纏繞張力需使隔熱預(yù)浸帶緊貼棱緣。該鋪纏頭具備大范圍鋪纏張力自動控制功能、預(yù)浸帶自動糾偏功能、熱風(fēng)加熱溫度自動控制功能和預(yù)浸帶覆膜自動卷繞功能，具備鋪纏壓力可調(diào)的雙壓輥系統(tǒng)。另外，該鋪纏頭還安裝有視頻監(jiān)控系統(tǒng)、成型工藝參數(shù)采集系統(tǒng)。各部分組成如下：

圖4 三自由度鋪放圖核心功能部件

（1）鋪纏張力自動控制系統(tǒng)：鋪纏張力控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍鋪纏張力自動控制，最小5N，最大200N。為了兼顧鋪纏張力調(diào)節(jié)范圍和鋪纏成型工藝所需的控制精度，該鋪纏頭將系統(tǒng)鋪纏張力分為兩段：大張力段50N～200N 和小張力I 段5～50N，大張力段主要用于自動纏繞成型，小張力段主要用于自動鋪放成型。

（2）熱風(fēng)加熱系統(tǒng)：通過對預(yù)浸帶和待鋪纏區(qū)域的加熱，增加預(yù)浸帶黏性。熱風(fēng)加熱方式具有加熱均勻的優(yōu)點(diǎn)，該鋪纏頭采用壓縮空氣作為空氣加熱器的氣源，加熱后的空氣經(jīng)過笛形管噴射到待加熱區(qū)域?？諝饧訜崞鞯淖罡叱隹跍囟瓤蛇_(dá)400℃，加熱溫度可根據(jù)工藝需求進(jìn)行自行設(shè)定，通過出口溫度傳感器進(jìn)行閉環(huán)控制。此系統(tǒng)既可手動運(yùn)行，也可自動方式運(yùn)行。

（3）雙輥輥壓系統(tǒng)：該鋪纏頭采用雙輥輥壓系統(tǒng)提高預(yù)浸帶的貼合性。其主輥和副輥均采用橡膠制成的柔性輥，以提高復(fù)雜型面的適應(yīng)性。主輥可沿直線導(dǎo)軌平動，采用4個(gè)φ25mm 氣缸提供輥壓力，供氣壓力0.6MPa 時(shí)，輥壓力可達(dá)1200N。副輥可繞主輥軸線擺動，采用2 個(gè)φ25mm氣缸提供輥壓力，供氣壓力0.6MPa 時(shí)，氣缸推力可達(dá)600N，模具表面法向的輥壓力大小隨副輥擺動角度的變化而變化。副輥的擺動行程可滿足凹面最小曲率半徑R250mm，凸面最小曲率半徑R15mm，滿足目標(biāo)產(chǎn)品的外形曲率。雙壓輥系統(tǒng)運(yùn)動機(jī)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 雙壓輥結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 自動糾偏系統(tǒng)

（4）自動糾偏系統(tǒng)：在鋪纏纏繞成型過程中，由于布帶斜纏變形、導(dǎo)輥的安裝誤差、布帶速度及張力的波動等因素影響，預(yù)浸帶會發(fā)生橫向偏移，即跑偏現(xiàn)象。預(yù)浸帶跑偏會影響成型制件的性能。因此，自動糾偏系統(tǒng)是鋪纏纏繞成型的關(guān)鍵之一。該鋪纏頭采用行進(jìn)過程糾偏方式，如圖6 行進(jìn)過程糾偏是根據(jù)位置檢測器的反饋控制預(yù)浸帶傳送路徑中兩根平行導(dǎo)輥的偏轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)預(yù)浸帶鋪纏纏繞位置的控制。采用紅外線糾偏傳感器進(jìn)行預(yù)浸帶邊緣位置偏差檢測，并反饋給自動糾偏控制器進(jìn)行閉環(huán)控制。

（5）自動收膜系統(tǒng)：預(yù)浸料卷中除了用于構(gòu)件成型的預(yù)浸料外，還有用于隔離預(yù)浸料的PE 膜。自動收膜系統(tǒng)的功能就是在鋪纏成型過程中將預(yù)浸料的背覆膜自動回繞成卷。該系統(tǒng)采用力矩電機(jī)驅(qū)動收膜氣漲軸，通過鋪纏速度和收膜轉(zhuǎn)速進(jìn)行收膜張力的開環(huán)控制，力矩電機(jī)的驅(qū)動電流與驅(qū)動力矩的關(guān)系需提前校準(zhǔn)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)卷繞速度高于鋪纏速度，且卷繞張力低于鋪纏張力；具有自動和手動控制兩種方式。

（6）視頻監(jiān)控和工藝參數(shù)采集系統(tǒng)：在鋪纏頭上安裝攝像頭拍攝鋪放區(qū)域，操作人員通過操作臺的監(jiān)視器觀察鋪放區(qū)域的質(zhì)量和現(xiàn)場狀態(tài)，同時(shí)將鋪放過程視頻存儲，從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量和安全控制的閉路電視系統(tǒng)。另外，該鋪層頭上安裝溫度、壓力傳感器，可實(shí)現(xiàn)鋪纏成型溫度、壓力以及環(huán)境溫度、濕度等工藝參數(shù)的記錄，便于產(chǎn)品質(zhì)量系統(tǒng)的追溯。

圖7 曲線鋪放時(shí)預(yù)浸帶的變形

四、自動鋪纏軌跡規(guī)劃與編程

軌跡設(shè)計(jì)系統(tǒng)是集軌跡設(shè)計(jì)、軌跡優(yōu)化、后置處理、軌跡仿真等功能于一體的設(shè)計(jì)制造一體化軟件系統(tǒng)，針對不同的工件構(gòu)型提供了不同的軌跡設(shè)計(jì)方案、針對構(gòu)件的復(fù)雜程度以及鋪纏效率進(jìn)行了軌跡優(yōu)化、基于冗余七軸的機(jī)床架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了后置處理算法、為便于軌跡設(shè)計(jì)與驗(yàn)證提供了軌跡仿真分析功能模塊。根據(jù)自動鋪放的工作模式和技術(shù)特點(diǎn)，鋪放軌跡須滿足一定的設(shè)計(jì)要求，主要包括以下幾方面：方向性要求、可鋪放性要求、滿鋪覆性要求和經(jīng)濟(jì)性要求等。

（1）可鋪放性要求：軌跡的可鋪放性即保證鋪放過程中預(yù)浸料不發(fā)生畸變（屈皺、撕裂）的能力。預(yù)浸料可變形范圍很小，對復(fù)雜曲面進(jìn)行鋪放時(shí)只能沿特定的軌跡，否則會導(dǎo)致褶皺或撕裂，繼而影響構(gòu)件的鋪放質(zhì)量；如圖7 所示。在復(fù)雜曲面構(gòu)件自動鋪放軌跡規(guī)劃時(shí)，其算法必須根據(jù)構(gòu)件曲面外形綜合考慮預(yù)浸料在鋪放過程中的變形因素。由于預(yù)浸料中增強(qiáng)纖維彈性模量非常高，鋪放過程中纖維縱向拉伸變形能力有限，而纖維縱向受壓縮作用產(chǎn)生的微屈曲是預(yù)浸帶變形的主要機(jī)制。

（2）滿鋪覆性要求：滿鋪覆性要求是指進(jìn)行單層鋪放時(shí)絲束滿足間隙容差設(shè)計(jì)的要求，實(shí)現(xiàn)絲束的滿覆蓋、不重疊。在自動鋪絲過程中，由于構(gòu)件形面的復(fù)雜性，按照一定算法求解得到的鋪放軌跡并不一定能保證軌跡中心線間的距離保持恒定，間距可能過小或過大，如不進(jìn)行適當(dāng)處理，將導(dǎo)致絲束局部重疊或空缺，如圖8 所示引起鋪層厚度不一致，從而降低構(gòu)件的制造精度，最終影響構(gòu)件性能。預(yù)浸料在壓實(shí)力的作用下，帶寬通常會發(fā)生微量的變化，為了更精確的控制預(yù)浸帶或絲束的間隙，在進(jìn)行軌跡規(guī)劃時(shí)中心軌跡間應(yīng)預(yù)留一定余量的間距。

圖8 紗束切送前后效果圖

圖9 為鋪纏軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)流程，在軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)流程的基礎(chǔ)上進(jìn)行鋪纏軌跡規(guī)劃軟件設(shè)計(jì)時(shí)，為規(guī)避不同曲面類型、不同規(guī)劃算法對軟件通用性的影響，將軟件分為六大模塊進(jìn)行編寫：(1) STL 文件拓?fù)渲亟K、(2) 參考線生成模塊、(3) 參考軌跡生成模塊、(4) 其它軌跡生成模塊、(5) 軌跡邊界處理模塊、(6) 軌跡規(guī)劃后處理模塊、（7）軌跡仿真模塊。圖10 為自動鋪絲軌跡規(guī)劃軟件功能模塊組成。

圖9 鋪纏軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)流程

圖10 鋪纏軌跡規(guī)劃軟件模塊功能劃分

五、自動鋪纏成型工藝試驗(yàn)驗(yàn)證

通過自動鋪放成型工藝試驗(yàn)，對設(shè)備功能情況、數(shù)控匹配性、程序擬合情況、預(yù)浸布自動鋪放可行性、自動鋪放工藝設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行摸索和驗(yàn)證，為后續(xù)型號產(chǎn)品的生產(chǎn)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。自動鋪放工藝試驗(yàn)以具備一錐段結(jié)構(gòu)和二錐段結(jié)構(gòu)的某艙體為對象。通過此試驗(yàn)件鋪放工藝摸索，實(shí)現(xiàn)一錐段結(jié)構(gòu)和二錐段結(jié)構(gòu)的自動鋪放可行性，從而推廣應(yīng)用到三錐段結(jié)構(gòu)的自動鋪放成型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)某異形型號全結(jié)構(gòu)制品的自動鋪放成型。

自動鋪纏軌跡設(shè)計(jì)編程：三維模型（產(chǎn)品三維模型）——提取曲面——網(wǎng)格化（UG、SYSPLY、CATIE 等）——數(shù)據(jù)重構(gòu)——生成軌跡（AFP&ATL-Software1.0）——后處理（CAM 軟件）——自動鋪放（自動鋪放設(shè)備）。按照上述流程在調(diào)試期間開展多輪自動鋪放成型工藝試驗(yàn)，不斷優(yōu)化材料、工藝、程序等。

1.鋪纏成型總體工藝原則

針對該產(chǎn)品異形錐度結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從小端往大端進(jìn)行平行重疊纏繞是可以實(shí)現(xiàn)的，但平行重疊纏繞一次鋪纏成型每個(gè)艙體的布帶寬度及其重疊量等難以實(shí)現(xiàn)，且非常難以實(shí)現(xiàn)一次到位而不需要進(jìn)行外形面加工；如果采用平行往復(fù)纏繞，其布帶寬度及其對應(yīng)的重疊量同樣很關(guān)鍵……布帶變形容許情況，往復(fù)平纏以雙向?yàn)榧?，只要層間強(qiáng)度夠，開縫的影響可以將至最低。另外通過前期檢測燒后試樣性能可以推出，平行往復(fù)纏繞比平行重疊纏繞好。因此本試驗(yàn)主選平行往復(fù)纏繞成型，備選重疊纏繞成型。具體三條原則如下：

（1）纖維布帶連續(xù)性原則：陶瓷化防熱層近零燒蝕，帶走熱量少，且高溫導(dǎo)熱系數(shù)較大，必然導(dǎo)致表面層急劇溫升導(dǎo)致很大熱應(yīng)力，防熱層是熱-力雙功能服役。對復(fù)合材料的強(qiáng)度尤其是熱強(qiáng)度提出較高要求，實(shí)現(xiàn)方式是盡可能保證纖維連續(xù)。原則上要求使用的布帶在成型方向上為連續(xù)結(jié)構(gòu)，不能使用短纖維結(jié)構(gòu)形式，因此預(yù)浸布帶要求為連續(xù)結(jié)構(gòu)。

（2）鋪纏后不進(jìn)行切削加工原則：通過前期平纏試樣經(jīng)過高溫實(shí)驗(yàn)后觀察可知，樹脂基本揮發(fā)殆盡；從截面觀察其軸向結(jié)構(gòu)，可見經(jīng)過外形切削后只余下短短的一截，這種纖維經(jīng)過高溫及高速沖刷肯定不堪一擊；它的優(yōu)點(diǎn)是環(huán)向是連續(xù)的，但是軸向纖維長度太短，無法支持環(huán)向連續(xù)纖維形成整體效應(yīng)；如果是斜纏結(jié)構(gòu)，則纖維在軸向以及環(huán)向均為短纖維結(jié)構(gòu)，其整體強(qiáng)度理論上來講會更弱……因此，針對此非燒蝕復(fù)合材料防熱層另一個(gè)基本原則是盡量少加工或不加工。自動鋪放成型目標(biāo)是外型面輪廓度要求＜0.5，＜0.8可讓步接受。

（3）軸向性能優(yōu)先原則：通過力學(xué)性能測試可知，不同結(jié)構(gòu)試樣常溫情況都差不多(樹脂和纖維共同作用)，超過300℃后樹脂慢慢融化，接近450℃后出現(xiàn)急劇變化，總體趨勢呈現(xiàn)為，高溫性能排序是整體平鋪(布帶太寬無法實(shí)現(xiàn)自動化)＞平行往復(fù)纏繞(布帶越寬越好)＞平行重疊纏繞(需要切削加工且浪費(fèi)嚴(yán)重)＞斜紋布斜纏(纖維短高溫下散架)＞整體模壓。通過此次攻關(guān)預(yù)計(jì)可提高環(huán)向的整體強(qiáng)度，但是軸向在氣動加熱環(huán)境下是否出現(xiàn)沿軸向的脫開（整體環(huán)向裂紋）問題尚不能確定；因此要求通過工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)軸向拉伸性能增強(qiáng)。

2.自動鋪放成型工藝參數(shù)

自動鋪放試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)包含如下幾個(gè)方面：①40mm 寬大步距平行往復(fù)纏繞常規(guī)布帶走通；②40mm 寬小步距平行重疊纏繞驗(yàn)證可行性；③采用通過驗(yàn)證的鋪放工藝參數(shù)、使用正式布帶進(jìn)行正式鋪纏試驗(yàn)件，進(jìn)行性能取樣、檢測、對比；④依據(jù)第三步結(jié)果，解決工藝設(shè)備程序可靠性、工藝程序優(yōu)化、RTCP 應(yīng)用、編程和工藝自動化以及效率等問題。

鋪纏過程中預(yù)期存在三個(gè)方面的問題：第一是兩側(cè)棱圓角處的加減速問題，第二是背風(fēng)面兩個(gè)負(fù)曲率凹面貼模問題，第三是總體外形曲面特征條件下的布寬及其等量重疊度。第一個(gè)問題，將銳角處的R 圓角偏置合適的距離進(jìn)行鋪纏，考慮后面的彈性壓輥能夠在拐點(diǎn)處跟上節(jié)拍；第二個(gè)問題主要還是壓輥的跟隨節(jié)奏；第三個(gè)問題需要對曲面進(jìn)行直紋化擬合，擬合精度＜0.5 或者＜1 的前提下求解直紋的長度，從而得到最佳布寬。重疊量影響到軸向拉伸性能，軸向性能跟不上可能導(dǎo)致環(huán)向纖維散架而不耐沖刷。

圖11 自動鋪纏改進(jìn)前試驗(yàn)效果

自動鋪放過程中按照平行往復(fù)鋪纏+重疊鋪放設(shè)計(jì)結(jié)合的思路進(jìn)行鋪纏軌跡設(shè)計(jì)。原因是為避免氣流沖刷，因此收纏的最后一層要求從大端向小端進(jìn)行，以形成順氣流結(jié)構(gòu)；同時(shí)為提高重疊鋪放的表面輪廓度，需進(jìn)行重疊鋪放等距錯(cuò)距循環(huán)鋪放。平行往復(fù)鋪放設(shè)計(jì)為：自動鋪放從上向下進(jìn)行一次，然后自動鋪放從下向上進(jìn)行一次，接著人工鋪層一張用于提高軸向性能；后續(xù)則按此重復(fù)鋪放直至厚度滿足設(shè)計(jì)值，鋪放至最終厚度時(shí)取消人工鋪層那一張。重疊鋪放設(shè)計(jì)從小端向大端進(jìn)行，布帶寬度暫選40mm，采用55%的重疊量進(jìn)行鋪放，按照4-8 次錯(cuò)距循環(huán)鋪放。鋪纏順利進(jìn)行后為提高整體銷量，逐步調(diào)整加寬布帶到60-80mm；進(jìn)給量為由20mm/r 逐步提升到30mm/r。

按照方案確定的鋪放參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了8mm 厚度防熱層的自動鋪放成型摸索及驗(yàn)證，初步確定一錐和二錐段參數(shù)如下：開啟加熱180℃（傳感器顯示溫度為123℃），張力輸出值為14%，主壓輥壓力為200N，輔壓輥壓力為65N，收膜張力為0.3N，緩沖張力為1N，速度倍率為100%。針對母線錐度較大部分，采用60mm 布帶鋪放易形成褶皺或架橋，后采用40mm 布帶鋪放成型；針對母線錐度較小部分，采用60mm 布帶進(jìn)行鋪放，采用較大寬度布帶進(jìn)行鋪放，鋪放周期從1h6min 降低為44min；非RTCP 控制程序，單次鋪放周期為1 小時(shí)7 分鐘15 秒。如圖11 和圖12 分別為鋪放改進(jìn)前后的實(shí)物效果對比示意圖。

3.異形艙體自動鋪纏試驗(yàn)小結(jié)

針對目前的異形結(jié)構(gòu)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)自動鋪放是可行的，自動鋪放程序和軌跡可行性基本得到驗(yàn)證，但效率亟待提高；不論往復(fù)鋪放，還是重疊鋪放，建議后續(xù)以40mm 布寬為基礎(chǔ)，布寬過大易形成大褶皺，布寬過小可能影響母向性能；往復(fù)鋪放和重疊鋪放表觀質(zhì)量通過調(diào)整重疊量為55%，同時(shí)在布寬范圍內(nèi)等距錯(cuò)位分4-8 次循環(huán)，均勻化表觀不平度，有效的提高了表面輪廓度。

通過多次調(diào)試，對自動鋪放成型的效率和質(zhì)量（目前質(zhì)量問題主要包含褶皺、架橋和波紋狀）兩方面影響因素進(jìn)行了初步摸索和驗(yàn)證，詳見下圖所示。針對網(wǎng)格預(yù)浸布在不同結(jié)構(gòu)錐段上的鋪放工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，掌握了異形結(jié)構(gòu)防熱層制品的自動鋪放成型參數(shù)。如圖13 為總結(jié)的鋪纏試驗(yàn)工藝質(zhì)量問題結(jié)構(gòu)樹，根據(jù)質(zhì)量故障結(jié)構(gòu)樹可以針對鋪放工藝過程中的具體問題采取有效的控制改進(jìn)措施。

六、鋪纏軌跡優(yōu)化與RTCP 控制

1.自動鋪纏RTCP 控制優(yōu)勢

國內(nèi)首臺立式八軸控制七軸聯(lián)動自動鋪纏成型裝備數(shù)控系統(tǒng)采用華中數(shù)控HNC848，系統(tǒng)具備多軸聯(lián)動控制功能，如圖14 所示。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，數(shù)控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。采用RTCP 控制和非RTCP 控制的鋪纏軌跡及產(chǎn)品鋪纏質(zhì)量和效率存在較大差異。

采用非RTCP 控制鋪纏時(shí)，主要存在鋪纏效率不高和軌跡速度不穩(wěn)定。鋪纏經(jīng)過工件棱角邊緣時(shí)，鋪纏速度顯著變慢，導(dǎo)致鋪纏效率不高；鋪纏工件其他區(qū)域速度不穩(wěn)定，凹面的速度大于凸面的速度，導(dǎo)致機(jī)床速度變化大，如圖15所示。

圖15 鋪纏過程中壓輥?zhàn)藨B(tài)示意圖

非RTCP 鋪纏時(shí)整個(gè)鋪纏過程中速度不穩(wěn)定，提速時(shí)部分聯(lián)動軸會出現(xiàn)抖動，尤其是旋轉(zhuǎn)工作臺C 軸抖動十分明顯，如圖16 所示。兩位一個(gè)方面是鋪纏表現(xiàn)為增材加工特點(diǎn)，壓輥氣缸浮動行程有限，鋪到一定厚度后需要修改類似于五軸機(jī)床切削時(shí)的刀具長度后重新生成鋪纏成型程序，操作比較麻煩。主要原因是計(jì)算軌跡弧長時(shí)沒有考慮機(jī)床結(jié)構(gòu)。多軸小線段擬合是在多維空間下。速度規(guī)劃受不正確的曲線擬合結(jié)果的干擾，如圖17 所示。

圖16 SSTT 采集C 軸速度和速度波動曲線

圖17 速度規(guī)劃曲線擬合誤差

采用RTCP 功能進(jìn)行七軸鋪纏聯(lián)動控制時(shí)，在進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)動學(xué)求解運(yùn)算時(shí)，考慮了機(jī)床的運(yùn)動結(jié)構(gòu)參數(shù)。RTCP 功能控制原理是在工件坐標(biāo)系下進(jìn)行樣條擬合與速度規(guī)劃，使得機(jī)床運(yùn)動更平穩(wěn)，沒有頻繁的加減速現(xiàn)象，加減速也不會出現(xiàn)抖動的現(xiàn)象；提高了各運(yùn)動軸的光順性從而纏效果效率更高；采用進(jìn)給量為2000 時(shí)，鋪纏一圈時(shí)間大約為為1m8s；非RTCP 時(shí)間大約為1m50s。與此同時(shí)RTCP可以做刀具長度補(bǔ)償，解決厚度補(bǔ)償?shù)膯栴}從而提高編程的效率。

2.鋪纏系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)措施

按照調(diào)試確定的狀態(tài)對主壓輥與輔壓輥進(jìn)行定型設(shè)計(jì)與完善，硬件方面改進(jìn)主要包含壓輥分段設(shè)計(jì)、勾腿間距優(yōu)化、提體分離薄膜優(yōu)化、主輔壓輥壓力優(yōu)化組合等。同時(shí)規(guī)劃采用雙帶鋪放機(jī)頭設(shè)計(jì)及驗(yàn)證，以便進(jìn)一步提高效率。同時(shí)不減少預(yù)浸布預(yù)壓時(shí)間。

數(shù)控系統(tǒng)方面，將多軸聯(lián)動RTCP 控制功能完善到鋪纏軌跡控制程序中，以消除鋪放過程中的“脈沖式”問題，實(shí)現(xiàn)鋪放軌跡的連貫性與平順性。自動鋪放數(shù)控程序方面，需要對程序點(diǎn)數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的擬和效果；進(jìn)一步提高效率；同時(shí)需對鋪放程序進(jìn)一步研究，設(shè)計(jì)適應(yīng)周向不同位置的張力輸出值、鋪放速度等參數(shù)動態(tài)自適應(yīng)調(diào)整，以便合理控制不同位置鋪放質(zhì)量。

七、技術(shù)總結(jié)與創(chuàng)新點(diǎn)

數(shù)控雙立柱鋪纏帶機(jī)具備七軸聯(lián)動功能，可實(shí)現(xiàn)絕大部分異形艙體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料殼體制品鋪/纏帶成型。以某異形艙金屬殼體為對象，采用數(shù)控雙立柱鋪纏帶機(jī)進(jìn)行了多輪自動鋪放成型工藝試驗(yàn)，通過采用不同布寬、不同鋪放工藝參數(shù)、不同的鋪放程序控制交叉組合進(jìn)行了自動鋪放工藝摸索。摸索過程中對程序軌跡優(yōu)化、數(shù)控系統(tǒng)匹配、鋪放輸出張力、熱風(fēng)溫度、薄膜收卷方式、鋪放參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化等方面進(jìn)行了較為全面驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)了某異形艙防熱層試驗(yàn)件的自動鋪放成型。

國內(nèi)首臺雙柱立式大型數(shù)控鋪纏一體化成型裝備攻克了系列關(guān)鍵技術(shù)，擁有較多具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)創(chuàng)新亮點(diǎn)。主機(jī)采用湖南江南四棱數(shù)控開發(fā)的立式雙柱鋪纏主機(jī)，提高新型復(fù)合材料干法鋪纏適應(yīng)性；鋪帶頭核心功能部件全部采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的南航鋪纏頭；自動鋪纏編程與仿真采用南航自主二次開發(fā)鋪放軟件；采用國產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)HNC848 進(jìn)行八軸控制七軸聯(lián)動鋪放；系統(tǒng)配備30m/min高速進(jìn)給系統(tǒng)提高異形曲面鋪纏的適應(yīng)性，同時(shí)通過RTCP進(jìn)行控制有效的提高了鋪放軌跡的光順性和鋪放效率；采用40-60mm 寬布帶，設(shè)置55%鋪放重疊量結(jié)合非重疊區(qū)等距細(xì)分進(jìn)行往復(fù)循環(huán)鋪纏成型提高鋪放的輪廓度。