成型裝備

南京航空航天大學(xué)復(fù)合材料工程自動化技術(shù)研發(fā)中心在國家863項(xiàng)目等支持下研制出國內(nèi)第一臺自動鋪絲原型機(jī)、第一臺復(fù)合材料自動鋪帶原理樣機(jī)、第一套三維增強(qiáng)系統(tǒng)和第一套模塊化預(yù)浸料拉擠系統(tǒng)，并與航天材料及工藝研究所聯(lián)合研制Φ4.5m 大型自動鋪絲系統(tǒng)，為自動鋪絲技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。目前實(shí)驗(yàn)室具有國內(nèi)領(lǐng)先的復(fù)合材料制造自動化研究的軟硬件條件。

（1）鋪絲設(shè)備。南京航空航天大學(xué)復(fù)合材料工程自動化技術(shù)研發(fā)中心一直進(jìn)行大型多軸聯(lián)動鋪絲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)，完成了8 絲/16 絲/24 絲絲束鋪放試驗(yàn)系統(tǒng)、鋪絲用精密低張力測控系統(tǒng)、鋪絲開放式數(shù)控系統(tǒng)的研制，并開發(fā)了自動鋪絲CAD/CAM 軟件和運(yùn)動仿真軟件。實(shí)驗(yàn)室自研的自動鋪絲機(jī)適用于大型復(fù)雜構(gòu)件的鋪絲成型。它具有多軸聯(lián)動功能；能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控獨(dú)立輸送、切斷與重送、止紗等功能，并且可分別對各束紗進(jìn)行制冷、加熱和施壓；配套CAD/CAM 軟件系統(tǒng)和仿真功能，能夠?qū)崿F(xiàn)封閉曲面、大型自由曲面的鋪絲軌跡規(guī)劃和絲束管理功能。在8 絲束龍門鋪絲平臺上開展了大量的復(fù)合材料自動鋪絲工藝研究工作，完成了加筋曲板、翼梁、翼身融合體、S 型蛇形進(jìn)氣道等一系列復(fù)合材料構(gòu)件的鋪放試驗(yàn)。

（2）分切-復(fù)卷設(shè)備。自動分切-復(fù)卷機(jī)是將寬幅預(yù)浸料/PE 膜分切成多條窄絲束，并在線對多條窄絲束進(jìn)行同步復(fù)卷的機(jī)器，主要用于自動鋪絲用預(yù)浸絲束的制備。分切機(jī)采用先進(jìn)的機(jī)械設(shè)計(jì)、制造工藝和精確的控制方法，具有分切絲束寬度控制精準(zhǔn)、復(fù)繞線性可控、復(fù)卷單元模塊化、使用操作方便等特點(diǎn)。同時可實(shí)現(xiàn)1/8 英寸、1/4 英寸、1/2 英寸預(yù)浸料/PE 膜的分切，具有熱臺搭接功能。

（3）三維局部增強(qiáng)。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料鋪層具有很強(qiáng)的面內(nèi)性能，而層間性能一致是科研人員關(guān)注的重點(diǎn)，縫合、編織等均是提高層剪性能的有效方法。南航復(fù)材中心探索了Z-pin 層間增強(qiáng)技術(shù)，該技術(shù)采用膠接-機(jī)械混合連接方式，可以整體共固化成型樹脂基復(fù)合材料加筋蒙皮結(jié)構(gòu)，減少零件及機(jī)械連接件數(shù)量，保證層間剪切性能的同時大幅度減輕結(jié)構(gòu)重量，Z-pin 三維增強(qiáng)技術(shù)的發(fā)展為復(fù)合材料構(gòu)件的連接提供了新的方法和選擇。Z-pin 技術(shù)可以作為整體成型先進(jìn)復(fù)合材料機(jī)身的連接方案，在預(yù)浸料坯體預(yù)壓實(shí)的過程中同步完成Z-pin 的植入，成本低、效率高。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料Z-pin 首先被用于F/A-18 大黃蜂戰(zhàn)機(jī)，代替鈦合金螺栓增強(qiáng)帽型加筋與蒙皮的連接界面。南京航空航天大學(xué)在國內(nèi)率先開展Z-pin 增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制備工藝、成型裝備及性能研究，打破技術(shù)壁壘，利用自主研制的成型制造相關(guān)設(shè)備，根據(jù)材料相容性原理開發(fā)了多種體系復(fù)合材料Z-pin，并完成了其力學(xué)性能的全面評價(jià)。

（4）先進(jìn)拉擠成型設(shè)備。南航復(fù)材中心最早于2010年研制開發(fā)先進(jìn)拉擠成型技術(shù)。它是預(yù)浸料在牽引力作用下，通過層疊、折彎成需要的產(chǎn)品形狀，并在模具中完成預(yù)固化，通過步進(jìn)式連續(xù)拉擠可以生產(chǎn)出長度不受模具長度限制的復(fù)合材料型材。目前，實(shí)驗(yàn)室通過研究形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的預(yù)浸料拉擠復(fù)合材料型材制造ADP 成型工程設(shè)備，其綜合了自動鋪放成型、熱壓固化等工藝過程的優(yōu)勢，使拉擠進(jìn)程實(shí)現(xiàn)全程自動控制，可以制備高性能、低成本的各類復(fù)合材料型材。其制品性能達(dá)到了熱壓罐工藝的水準(zhǔn)，并且實(shí)現(xiàn)了在較短模具中生產(chǎn)較長制品的目的。應(yīng)用自研的ADP 設(shè)備相繼制造出了豆莢桿復(fù)合材料、C 型梁、工字梁、T 型梁和帽型梁等各種結(jié)構(gòu)件，對我國復(fù)合材料制造技術(shù)以及航空航天工業(yè)的發(fā)展具有重要作用。

研究成果及典型應(yīng)用

為提高鋪放效率，設(shè)計(jì)出24 絲束鋪絲頭。與現(xiàn)有8 絲束鋪絲頭相比，24 絲束在鋪放過程中壓輥掃略過的曲面寬度更大，顯著提高了鋪放效率。為進(jìn)一步提高設(shè)備的執(zhí)行效率，研制出雙向鋪放頭。在雙向鋪放頭中有一個換向機(jī)構(gòu)，該構(gòu)型通過換向機(jī)構(gòu)的動作切換鋪放軌跡的方向，省去了回程的空行程和末端執(zhí)行器的姿態(tài)調(diào)整所占用設(shè)備使用時間。

針對航天大型軌道器體、支撐艙、承力筒及球冠類復(fù)合材料構(gòu)件自動化制造，研制出16 絲束自動鋪絲設(shè)備平臺和高效高柔性雙弧軌式自動鋪絲頭。對于球面軌跡鋪放，雙弧軌式鋪絲頭的雙弧軌僅需很小的擺幅即可實(shí)現(xiàn)軌跡的鋪放過程，在機(jī)械平臺和軌跡精度方面均便于實(shí)現(xiàn)精確控制和順利實(shí)施。

實(shí)驗(yàn)室從平面、可展曲面簡單復(fù)合材料構(gòu)件的軌跡規(guī)劃入手，積極開展自動鋪放軟件研究工作。目前基于CATIA Automation 技術(shù)，利用Microsoft Visual Studio 2010 集成開發(fā)環(huán)境，采用模塊化設(shè)計(jì)開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的鋪放軟件，該軟件將缺陷抑制、軌跡規(guī)劃和冗余后置處理有機(jī)地結(jié)合在一起，保證了軌跡設(shè)計(jì)的合理性及冗余纖維鋪放機(jī)高速大慣量多軸系統(tǒng)在最優(yōu)或較優(yōu)狀態(tài)下工作，因而使高質(zhì)高效鋪放成為可能。該系統(tǒng)使每個模塊均以可視化界面呈現(xiàn)，具有良好的人機(jī)交互效果。根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)，減少了軟件開發(fā)工作量及提高了系統(tǒng)可靠性。同時也一直注重鋪放過程仿真分析，基于CATIA 平臺和基于VC 應(yīng)用OPENGL 技術(shù)進(jìn)行了開發(fā)，仿真軟件可顯示軌跡和各關(guān)節(jié)運(yùn)動，同時具有干涉檢驗(yàn)功能。

國內(nèi)對雙機(jī)器人協(xié)調(diào)鋪放系統(tǒng)的研究還限于特定結(jié)構(gòu)的模具，對不同的模具進(jìn)行鋪放時，軌跡的設(shè)計(jì)分配及雙機(jī)器人的后置處理還鮮有研究?；诖?，實(shí)驗(yàn)室搭建了雙機(jī)器人自動鋪放仿真平臺，開發(fā)了后置處理程序。將控制程序?qū)脒\(yùn)動仿真模塊，通過模擬機(jī)器人自動鋪放環(huán)境可以清楚地看到鋪絲路徑及機(jī)床各軸的運(yùn)動，同時驗(yàn)證了機(jī)器人后置處理算法的正確性。

南京航空航天大學(xué)長期從事復(fù)合材料成型技術(shù)的研究，對當(dāng)前國際上最新的復(fù)合材料自動化成型加工技術(shù)有著深入的了解，2008年以來為航材院研制8 絲束小型自動鋪絲-纏繞系統(tǒng)，2011年完成了預(yù)浸紗分切-卷繞系統(tǒng)研制，承擔(dān)航天材料及工藝研究所16 絲、24 絲鋪絲機(jī)研制任務(wù)，2012年承擔(dān)航天812 所特種鋪絲機(jī)研制任務(wù)，分別于2013、2016、2019年承擔(dān)沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所某型號進(jìn)氣道鋪絲研究任務(wù)等。經(jīng)過多年不懈努力，南航復(fù)材中心在鋪放技術(shù)研究積累了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)，已具備了很好的開展復(fù)合材料成型研究的硬件技術(shù)條件、開發(fā)軟件環(huán)境和理論基礎(chǔ)，培養(yǎng)了一支強(qiáng)有力的科研隊(duì)伍。

自研的ADP設(shè)備

發(fā)展趨勢

經(jīng)過多年的研發(fā)，國產(chǎn)自動鋪絲裝備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用，但仍然需要從以下4 個方面入手開展研制工作。

（1）自動鋪絲裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對自動鋪絲機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開展專門的研究，設(shè)計(jì)出滿足多自由度、高速、大慣量要求的自動鋪絲機(jī)床結(jié)構(gòu)。

（2）自動鋪絲裝備的智能化控制。國內(nèi)研制的自動鋪絲頭已經(jīng)能夠可靠地實(shí)現(xiàn)自動鋪絲功能，但是在自動鋪絲過程的在線檢測，包括斷紗、缺紗、缺陷、邊界檢測，模具的自動標(biāo)定，溫濕度和預(yù)浸絲束張力的精確控制等方面與國外還有一定差距，需要進(jìn)一步提高裝備的智能化程度，減少操作人員的操作難度。

（3）高精度自動鋪絲頭研制。需要在自動鋪絲頭機(jī)械結(jié)構(gòu)精度和鋪絲動作控制精度方面進(jìn)行深入研究，提高國產(chǎn)自動鋪絲頭鋪放精度。

（4）CAD/CAM 軟件系統(tǒng)開發(fā)。國外已經(jīng)發(fā)展出功能完備的商用自動鋪絲 CAD/CAM 軟件，國內(nèi)軟件系統(tǒng)初具雛形，需要從算法效率、工藝支撐和后置處理仿真等環(huán)節(jié)不斷完善。特別是針對復(fù)雜型面復(fù)合材料構(gòu)件，如飛機(jī)進(jìn)氣道等復(fù)合材料構(gòu)件開發(fā)出適應(yīng)性更強(qiáng)的路徑規(guī)劃算法。