王顯峰，段少華，唐珊珊，，馬煜亮

（1.南京航空航天大學，南京 210016；2.中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司，西安 710089）

復合材料因具有耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞以及較高的比強度、比剛度、比模量等優(yōu)良性能，成為航空航天結構件的理想材料，也一直得到各國專家的認可。同時，復合材料也從作為一些次結構件逐漸發(fā)展為主結構件或主承力件，并且結構件也呈現(xiàn)向大型化、整體化發(fā)展的趨勢，先進復合材料的占比也成為航天航空器件先進性的標志之一。目前，復合材料的應用逐漸趨向智能化、高功能化和輕量化等，在航空航天領域、兵器領域和船舶領域的應用得以快速發(fā)展[1–3]。

目前，復合材料在飛機上的應用已非常廣泛，并且其在民機上的應用占比也在增加?？湛凸镜腁380上，僅碳纖維復合材料的用量就達32 t左右，加上其他復合材料整體占結構材料的25%；波音787飛機復合材料的用量達到了一半之多；此外，復合材料在軍用飛機上的占比也在增加，普遍占結構重量的25%～50%[4–6]。

隨著飛機的大型化和復合材料的大量應用 （圖1），自動鋪放技術獲得了快速發(fā)展，復合材料用量的大幅提升離不開自動化鋪放設備和技術的強力支撐 （圖2）。與傳統(tǒng)的手工成型工藝相比，自動鋪放制造技術的優(yōu)點在于不僅可以減少材料及人工成本，更能減少時間成本，并且能在鋪放過程中實現(xiàn)對工藝參數(shù)的準確控制。當鋪放程序固定之后，就可以利用機床對鋪放程序重復執(zhí)行，在相同程序下鋪放便可以保證成形件質量的穩(wěn)定可靠。自動鋪放技術可根據(jù)預浸料的不同分為自動鋪帶技術和自動鋪絲技術 （圖3和4）。

圖1 大型飛機復合材料用量Fig.1 Composite materials usage in large aircrafts

圖2 自動鋪放技術在大型飛機中的應用Fig.2 Application of automated placement techology in large aircrafts

圖3 A350機翼自動鋪帶機Fig.3 Automated tape laying of A350 wing

圖4 Coriolis公司自動鋪絲機Fig.4 Automated fiber placement of Coriolis

自動鋪帶技術主要用于鋪放小曲率的大型復合材料構件，如飛機小曲率機翼、尾翼等結構件的制造，也可鋪放大尺寸和復雜形狀的復合材料制件。此技術不僅可以保證制件質量穩(wěn)定，而且減少了鋪層及裝配時間。與手工鋪帶相比，自動鋪帶技術可使制造成本降低30%～50%，同時還提高了飛機構件中復合材料構件的占比。

自動鋪絲技術是集合了纖維纏繞技術和自動鋪帶技術的特點而發(fā)展的一種全新的復合材料自動化制造技術。能完成凹/凸曲面的鋪放工作，也可以完成加筋板、變厚度制件的鋪放及開口補強等操作，并且自動鋪絲技術鋪放時的軌跡有了很大的變化，能夠滿足大尺寸、大曲率復雜制件的變角度鋪放要求。鋪放設備是由多自由度機器人匹配上能夠實現(xiàn)預浸紗 （寬度為6.35 mm或12.7 mm）的自動化精準止送切功能的鋪絲頭構成，自動化的鋪放設備可以在節(jié)約人工及時間成本的情況下，提高成形件質量的穩(wěn)定性和可靠性。在鋪放效果方面，鋪層的均勻性以及預浸料鋪放角度的把控都遠遠高于手工鋪放的效果，進而使飛機的復合材料用量得以提高[7–10]。

1 典型的自動鋪帶設備

自動鋪帶機系統(tǒng)由臺架系統(tǒng)（平行軌道、橫梁及立桿）和鋪帶頭組成 （圖5）。自動鋪帶技術是集工藝、裝備、CAD/CAM軟件技術于一體的綜合技術。其中裝備的先進性成為了工藝技術研究的前提條件，軟件技術為基礎條件，而應用的關鍵則是材料工藝技術[1]。

圖5 自動鋪帶機系統(tǒng)Fig.5 Automated tape laying machine system

（1）臺架系統(tǒng)。鋪帶頭固定于臺架設備上，臺架系統(tǒng)是五軸聯(lián)動的臺架型機器。臺架系統(tǒng)由對立而站的兩條平行軌道以及能夠沿著平行軌道精準移動的橫梁、負責安裝鋪帶頭并帶著其上下移動的豎直立桿組成。

（2）鋪帶頭。作為整個鋪帶設備的核心部件，包含3個可旋轉軸。鋪帶頭擁有一套完整的預浸帶傳送軸與切斷設備，能夠實現(xiàn)預浸帶自動化精準的止送切功能。鋪帶頭的主要功能部件包括預浸帶的裝夾與釋放系統(tǒng)、襯紙回收系統(tǒng)、缺陷檢測系統(tǒng)、預浸帶輸送位置控制系統(tǒng)、預浸帶止送切系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)和預浸帶張力控制系統(tǒng)[11]。

1.1 自動鋪帶技術國內外研究現(xiàn)狀

從1960年開始美國就在研究自動鋪帶技術，第1臺數(shù)控型龍門鋪帶機是由美國Vought公司生產制造，并且用于生產F–16 戰(zhàn)斗機的機翼蒙皮。后續(xù)美國、西班牙、法國等國家也開展了自動鋪帶技術的研究。發(fā)展至今，美國的鋪帶機已經研發(fā)到了第5代，各項功能齊全，并研發(fā)出了多鋪帶頭，可實現(xiàn)鋪帶頭的快速更換，提高工作效率。美國的Ingersoll公司 （圖6）和西班牙的M-Torres公司 （圖7）經過幾十年的發(fā)展，各自研發(fā)了不同特色的自動鋪帶機和自動鋪絲機，并廣泛應用于航空航天制造領域[12–13]。

圖6 Ingersoll自動鋪放設備Fig.6 Automated placement equipment of Ingersoll

圖7 M–Torres自動鋪帶機Fig.7 Automated tape laying machine of M–Torres

由于國外技術封鎖，禁止出口有關設備到我國，因而國內自動鋪放技術研究及工程應用都處于起步階段。南京航空航天大學、中國航空制造技術研究院、西安交通大學、武漢理工大學等科研院校都各自開展了復合材料自動化制造技術相關的研究工作。2004年南京航空航天大學制造了第1臺復合材料小型自動鋪帶機原理樣機 （圖8），形成了與自動鋪帶相關配套的預浸料材料工藝技術和專用的CAD/CAM軟件技術，初步達到了自動鋪放的基本功能。南京航空航天大學后續(xù)進行了大型自動鋪帶機的研制工作，并完成了相關試驗樣件的成型制造工作。北京航空材料研究院應用上述設備對環(huán)氧及雙馬樹脂體系下自動鋪帶預浸料的鋪覆性能和關鍵技術指標進行了研究。天津工業(yè)大學以某直升機主旋翼大梁自動鋪帶為應用背景，進行了大量自動鋪帶系統(tǒng)結構的概念設計和仿真驗證，以及自動鋪帶數(shù)控插補運算的研究[14–15]。

圖8 國內第1臺自動鋪帶原理樣機及預浸帶的工藝試驗Fig.8 First principle prototype of automated tape laying in China and the process test of prepreg tape

南京航空航天大學葉進等[16]以自行研制的10軸龍門式自動鋪帶機進行運動學分析，獲取了鋪帶機的逆運動學解，結合數(shù)控技術編制了鋪帶機數(shù)控加工代碼生成系統(tǒng)，實現(xiàn)了鋪帶軌跡規(guī)劃加工信息點的位姿到數(shù)控加工代碼的直接轉換及鋪帶機曲面數(shù)控加工代碼的自動編制；基于VC++6.0平臺開發(fā)了曲面鋪帶數(shù)控代碼生成系統(tǒng)，具有文件讀取、參數(shù)設定、指令生成等功能，以及友好的人機交互界面；通過實物試鋪試驗證明所生成的數(shù)控代碼能夠完成小曲率、大尺寸的曲面鋪放，如凸臺和小曲率構件的鋪放。還大軍等[17]研究了平面凸多邊形構件的自動鋪帶加工指令和算法，并在AutoCAD平臺上利用Object ARX技術開發(fā)了相應的CAD/CAM軟件，在滿足設計要求的基礎上，盡可能提高鋪放效率，保證鋪放質量，節(jié)約材料，降低了制造成本。文立偉等[18]對自動鋪放成形的紅外加熱系統(tǒng)進行了研究。收料、放料機構作為大型復合材料鋪帶機關鍵功能部件，鋪帶頭的重要組成部分不僅影響鋪帶效率，還對鋪帶質量有重要影響。通過對收放料工序特點的分析，趙金鑫等[19]設計了一套將力矩電動機與氣脹軸相結合的收放料機構，并在實際應用中取得了良好的效果，不僅提高了產品的質量，還保證了鋪帶過程的順利進行。復合材料自動鋪帶的邊界處理是滿足復合材料構件成形要求、降低制造成本、實現(xiàn)高效生產的關鍵，還大軍等[20]研究了基于弧長的自動鋪帶邊界處理方法，通過實際鋪放飛機水平尾翼驗證了算法的有效性。解五一[21]在六軸機械臂安裝鋪帶頭的基礎上研制了復合材料自動鋪帶機器人，深入研究了鋪帶功能的穩(wěn)定性和工藝參數(shù)的控制，自主研究了鋪帶頭與機器人的聯(lián)合控制系統(tǒng)，并完成了復合材料自動鋪帶機器人樣機的研制，最后通過設計鋪帶試驗，驗證了其設計的復合材料自動鋪帶機器人具有完備的鋪帶功能，工藝參數(shù)控制準確且曲面適應性好，滿足實際鋪帶需求。黃當明[14]基于機翼壁板蒙皮的制造，對鋪帶軌跡規(guī)劃與控制、鋪放過程的仿真以及鋪放質量實時監(jiān)測技術進行了研究，實現(xiàn)了復合材料機翼蒙皮的低風險快速制造。南航通過研制實現(xiàn)了任意曲面自適應均勻加壓及其精確控制，研制了5軸雙超聲切割系統(tǒng)，實現(xiàn)了復雜產品外廓預浸帶切割；研究鋪放過程中加熱溫度、時間及壓力對鋪放質量的影響規(guī)律，研制了速度自適應加熱系統(tǒng)，提高了鋪帶材料適應性[22–24]。中國航空制造技術研究院開發(fā)了大型自動鋪帶機系統(tǒng)和具有自主知識產權的鋪帶數(shù)控編程系統(tǒng)，并形成成套自動鋪帶技術，目前已經用于多種飛機構件研制與批量生產[25–27]。Clancy等[28]通過自主設計的裝置進行了熱塑性預浸帶在連續(xù)鋪放過程中自主改變寬度的試驗，結果表明，試驗件沒有產生性能上的不利影響，反而改善了力學性能。Chanteli等[29]研究了熱塑性復合材料的激光輔助自動鋪帶（LATP）原位固化技術。

1.2 自動鋪帶技術在大飛機領域的應用狀況

20世紀80年代，自動鋪帶機主要用于軍用航空航天領域復合材料制件的制造。但是近些年，除了軍用領域會大量運用鋪帶機進行生產制造以外，越來越多的民機也在使用自動鋪帶機，而且這種現(xiàn)狀還將持續(xù)。例如波音787的機翼蒙皮、空客A350的機翼蒙皮和中央翼蒙皮、A400M機翼蒙皮等；也可以通過平面鋪帶結合熱成型工藝進行2類大型復合材料構件的自動化制造，如A400M機翼大梁、A350的機翼長桁筋條。

波音商用飛機是世界上最早使用自動鋪帶機制造的飛機之一。最早使用美國Vought公司研制的鋪帶機，主要是用于F–16 戰(zhàn)斗機尾翼的鋪放。隨著復合材料在飛機上用量的增加，到20世紀80年代，波音公司為生產大型復合材料結構B–2轟炸機而大力發(fā)展自動鋪帶系統(tǒng)。波音777商用飛機采用全復合材料尾翼，并采用自動鋪帶機制造水平和垂直安定面蒙皮壁板 （圖9）。空客的687架A330/A340飛機均采用自動鋪帶機，制作了1512塊大型蒙皮壁板，這種壁板長9 m，寬2 m，重200 kg（圖10）。Vought飛機公司應用自動鋪帶機生產包括軍用C–17運輸機的水平安定面蒙皮、全球鷹PQ–4B大展弦比機翼。EADS–CASA在歐洲最早使用自動鋪帶技術生產復合材料構件，如A330和A340水平安定面壁板、A340–600尾翼壁板、Dornier728噴氣飛機的水平面和垂直安定面壁板以及翼梁、A350XWB機身板 （圖11）以及A380的水平安定面壁板[10，30]。

圖10 采用自動鋪帶機制造的A330/A340蒙皮壁板Fig.10 A330/A340 skin panels made by automated tape laying machine

圖11 采用自動鋪帶工藝制造A350XWB的機身板Fig.11 A350XWB fuselage plate is manufactured by automated tape laying process

國內哈飛、成飛、沈飛、西飛、商飛等也相繼從國外進口了自動鋪帶機，開始開展相關工藝研究。哈飛于2007年購買了西班牙M.Torres公司的復合材料自動鋪帶機，也是國內第1臺，并基于此設備開展了復合材料自動鋪帶制造技術的相關研究，此后與空中客車公司合作完成了A320方向舵前、后梁的生產。北京航空材料研究院開展了基于自動鋪帶的材料性能和工藝研究、復合材料構件成形模具設計和制造，采用中溫環(huán)氧預浸帶實現(xiàn)了某型號無人機前翼外段壁板蒙皮的自動鋪帶制造。中國航空制造技術研究院也研制出了適用于自動鋪帶的高溫環(huán)氧和雙馬復合材料預浸帶體系，開展了基于自動鋪帶的材料性能和工藝研究 （圖12）。圖13為航空工業(yè)西飛利用自動鋪帶機在新舟700飛機壁板零件上的自動化生產應用情況[31]。大飛機C919、國產大型運輸機運20和隱身戰(zhàn)斗機殲20的大量列裝服役離不開自動鋪放裝備和技術的發(fā)展。液體成型的VARTM和RTM技術，在船舶船體以及風電葉片 （圖14）上的預制體自動化制造方面有著廣闊的應用前景，干纖維自動鋪放–液體成型技術，也有助于避免在高生產率環(huán)境中的預制件瓶頸[32]。

圖12 中國航空制造技術研究院的大型多坐標自動鋪帶機Fig.12 Large-scale multi-coordinate automated tape laying machine of AVIC Manufacturing Technology Institute

圖13 MA700尾翼壁板[31]Fig.13 Aircraft tail panel of MA700[31]

圖14 風電葉片[32]Fig.14 Wind blade[32]

2 典型的自動鋪絲裝備

自動鋪絲技術（Automated fiber placement，AFP）是近年發(fā)展速度最快、成形效果最好的復合材料自動化成形制造技術之一。自動鋪絲技術基于多自由度自動鋪絲機，由多個固定寬度的預浸紗卷送出的預浸紗通過鋪絲頭的牽引與約束功能，將多窄帶集中在柔性壓輥上變成可變寬度的預浸帶（集合后的預浸帶寬度由預浸紗的寬度和程序控制下的預浸紗的數(shù)量決定），之后憑借鋪絲頭相應的功能在鋪絲程序以及數(shù)控系統(tǒng)的作用下將預浸料加熱并鋪放在模具表面且壓實定型，最后加熱固化成型[6，15，31]，常見的自動鋪絲機設備如圖15所示。相比于自動鋪帶技術，自動鋪絲技術有兩個顯著的優(yōu)點： （1）每根預浸絲均采用獨立的輸送形式，故在鋪放過程中，可以對預浸絲進行夾持、切斷和重送操作，使得鋪絲機能夠對每根絲以獨立的速度進行輸送，鋪放幾何形狀復雜的形面； （2）可以根據(jù)構件的形狀以及邊界條件自動完成預浸紗的止、送、切功能以適應復雜的構件形狀，達到鋪放滿覆性要求的同時也節(jié)約了成本，可以完成局部加厚/混雜、加筋、鋪層遞減和開口鋪層補強來滿足多種設計要求[33–34]。

圖15 典型的自動鋪絲機設備Fig.15 Typical automated fiber placement equipment

鋪絲工藝兼具鋪帶工藝和纏繞工藝的優(yōu)點，因此鋪絲設備具有廣泛的工藝適用性。為實現(xiàn)工藝過程的順利實施，鋪絲設備結構比較復雜，能夠實現(xiàn)復雜構件的鋪絲制造。以南京航空航天大學的龍門式鋪絲機為例，聯(lián)動軸數(shù)達到8個，其中包括3個平動軸、4個轉動軸和1個送絲軸。對于機械手臂式鋪絲機，其對應的聯(lián)動軸數(shù)可能更多，這類設備在鋪放軌跡設計時往往存在冗余情況，此時需要在算法上進行限定，并且后置處理后進行冗余干涉分析。目前自動鋪絲機構型按機床構型可分為龍門式鋪絲機、臥式鋪絲機和機械手臂式鋪絲機，如圖16所示。

圖16 常見的鋪絲機構型Fig.16 Common automated fiber placement type

不同構型的鋪絲機具有不同的特點，適用于不同的場合，如機械手臂式鋪絲機靈活性高、設備成本低，但受機械手臂末端承載能力限制，可同時鋪放的絲束少，生產效率較低，且要求機械手臂具有較高的運動精度和定位精度。因此機械手臂式鋪絲機更適合于產品驗證或尺寸較小、形狀較為復雜且對生產效率要求不高的復合材料構件的鋪放。而龍門式和臥式鋪絲機則可以避免機械手臂式鋪絲機生產效率和鋪放精度不高的缺點，其鋪放精度由機床本身精度決定，且可以通過鋪絲頭、紗箱分離的方式增加鋪絲束的數(shù)量，大大提高了生產效率。因此可以輕松地完成大型復合材料構件的成型。但是，上述兩種鋪絲機的設備成本較為昂貴，若想利用龍門式鋪絲機完成形狀復雜、曲率變化大的復合材料構件鋪放成型需為模具單獨增加旋轉主軸，且龍門式鋪絲機占用的空間和面積遠大于臥式鋪絲機[6]。

不同的設備構型，對應的適用對象也不相同。一般來講，機械手臂式鋪絲機適用于復雜構件的批量化鋪絲成型；龍門式鋪絲設備適用于自由曲面類構件的鋪絲成型；而臥式鋪絲設備適用于回轉類構件的鋪絲成型。另外還有一些針對特定構件的專用鋪絲設備（如機身、進氣道等構件的專用鋪絲設備），這些設備的構型針對構件的尺寸和形狀而設計，針對性強，因此該類設備的實用性、加工效率、加工精度等綜合性指標都比較高。

鋪絲頭是自動鋪放設備的核心部件，典型的自動鋪絲設備中，鋪絲頭一般包括送進、夾緊、剪切、重送、加熱、滾壓等裝置，以此實現(xiàn)自動鋪絲設備的各項鋪放工作，如圖17所示。

圖17 鋪絲頭結構組成Fig.17 Automated fiber placement head structure

（1）裁切機構。裁切機構每一條絲束可獨立切割，要求每把刀的切割運動均為程序自動控制，切割刀應易于更換和清洗。該機構能夠在纖維鋪放過程中，對任意纖維束進行切斷、調用，因此允許通過增加或減少纖維束的數(shù)目來改變鋪放纖維束帶的寬度和構成形式。通過對纖維束帶寬度的調整可控制相鄰帶間裂縫或相互交疊覆蓋區(qū)的大小。

（2）重送輪機構。絲束重送輪機構用來實現(xiàn)每束絲束在裁斷后重新獨立送到壓輥鋪放位置。重送機構一方面在一條程序走完、下一條程序開始前通過系統(tǒng)控制送紗滾將預浸紗送出以實現(xiàn)鋪放；另一方面，如在鋪放過程中遇到開口區(qū)，會先將不需要的幾路預浸紗切斷，在穿過開口區(qū)時再通過重送機構將預浸紗重新送出。

（3）止紗輪機構。由于纖維束具有張力，對某一纖維束進行剪切時需要夾住后面的纖維束，從而保證纖維被剪斷之后不會被后面的張力發(fā)生裝置牽引而收縮。當重送機構工作時，壓緊機構會松開，重送機構對纖維定位重送。

（4）導向輪機構。導向輪機構用于將每束絲束獨立傳輸?shù)剿瓦M、裁斷、鋪放等機構，并保持相鄰絲束間的間隙一致性。導向機構中不應產生樹脂堆積，導絲槽要易于清理。

（5）壓實機構。壓實機構包括壓實氣缸、壓輥等。纖維束需要通過滾壓輥壓實以保證纖維束可緊貼在工件表面。其中，壓緊壓力可通過編程控制。此裝置用于控制纖維束的黏度，以保證滾壓裝置能夠有效壓緊纖維束并擠走層間空氣。

（6）輔助機構。輔助機構主要有加熱機構以及送壓縮風、通道冷卻系統(tǒng)等，典型自動鋪放設備的加熱裝置可控制纖維束升溫 （27～32 ℃）產生必要的黏度，并由滾壓輥壓緊在工件表面。在此之前纖維束溫度需保證不高于21 ℃，才能使纖維束保持低黏度或無黏度狀態(tài)，從而能夠無障礙地從紗架系統(tǒng)中抽出并傳送至鋪絲頭。目前，對于熱固性基體復合材料的鋪放多采用紅外加熱的方式。高溫時，在工作過程中，送壓縮風機構的功能主要是通過施加一定的風力實現(xiàn)纖維的重送輔助功能；送冷風機構主要是利用冷風對纖維降溫，降低樹脂的黏度，從而確保纖維在重送、剪切和壓緊的過程中不發(fā)生黏連[35–37]。

2.1 自動鋪絲技術國內外研究現(xiàn)狀

早在20世紀70年代，美國航空制造業(yè)針對纏繞技術的不足進行創(chuàng)新，提出了自動鋪絲概念并對其技術進行開發(fā)研制，用于復合材料機身結構制造。自動鋪絲技術的核心就是鋪絲頭的功能與結構設計研制，以及相對應的預浸料體系與設計制造工藝研究。20世紀80年代中，波音公司研制了第1臺鋪絲原理樣機AVSD鋪放頭，解決了預浸紗切斷、重送和集束壓實的問題。4年之后，美國辛辛那提·米拉克龍公司設計出第1臺自動鋪絲系統(tǒng)并投入使用。1996年，英格索蘭公司研制出1臺六軸六絲束自動鋪絲機。隨著技術的進步，自動鋪絲技術廣泛應用，自動鋪絲設備也發(fā)生了很大的技術改變。其中，圖18和19分別為M-Torres公司和美國EI公司研制的自動鋪絲機。自動鋪放技術是數(shù)控機床技術、CAD/CAM軟件技術和材料工藝技術的高度集成。CAD/CAM軟件和CATIA集成更利于自動鋪絲技術的發(fā)展[38]。國外Peeters等[39]進行了熱塑性復合材料對閉合截面歐米茄加勁肋加強筋的設計與制造。目前，高通量、最小缺陷疊加和原位熱塑性疊加已成為自動鋪絲機的重要研究方向，以此降低鋪放成本和提高鋪放效率[40]。

圖18 M–Torres公司的自動鋪絲機Fig.18 Automated fiber placement machine of M-Torres

圖19 美國EI公司的自動鋪絲機鋪放進氣道Fig.19 Laying air inlet by automated fiber laying machine of American EI company

隨著現(xiàn)代大型飛機復合材料主結構件設計制造尺寸的增大及復雜程度的提高，對自動鋪絲機的研制又有了新的挑戰(zhàn)，自動鋪絲機也逐漸大型化并且出現(xiàn)了鋪絲–鋪帶于一體的復合型機床。復材構件鋪放設備制造商將現(xiàn)代數(shù)控機床的多主軸加工、加工單元以及復合加工等技術概念擴展應用到ATL/AFP機床上，通過集成復合化鋪放工藝技術以進一步提高復材構件鋪放生產率，并已成為大型ATL/AFP機床發(fā)展的一種新趨勢。

國內對自動鋪絲技術的研究起步較晚，南京航空航天大學在第9個五年計劃期間就開始對自動鋪絲技術進行研究，與上海萬格復合材料有限公司合作完成了國內第1臺8絲束預浸紗鋪放試驗系統(tǒng)及鋪絲用精密低張力測控系統(tǒng)，開發(fā)了基于CATIA的自動鋪絲CAD/CAM軟件原型，形成了自動鋪絲技術與基礎設備的技術儲備。2010年，南航完成了兩型高柔性8絲束鋪絲機的研制工作。同時，為突破中國鋪絲材料匱乏瓶頸，南航率先研制鋪絲專用預浸紗分切–卷繞系統(tǒng)及熱熔直浸預浸紗制備技術 （圖20[6]），突破了預浸紗含膠量寬度精確控制等瓶頸。自2013年以來，南航已完成16絲束直傳紗雙弧軌型鋪絲機、24絲束長傳紗型尾錐鋪絲試驗機、8絲束直傳紗型機器人鋪絲機的制造工作，完成了火箭艙段、衛(wèi)星承力筒、尾錐試驗件等構件的鋪絲工作，實現(xiàn)了自動鋪絲技術的基本工業(yè)化應用 （圖21[15]）。

圖20 預浸紗分切–卷繞機[6]Fig.20 Split prepreg cut–winding machine[6]

圖21 南航研制的鋪絲機及工程試驗應用[15]Fig.21 Fiber placement machines from Nanjing University of Aeronautics and Astronautics[15]

西安交通大學研制了紗架和鋪絲頭集成為一體的盤式鋪絲頭（用于機器人式自動鋪絲機）（圖22[41]）和箱體式自動鋪絲頭 （用于機床式自動鋪絲機）。2008年以六軸機器人為平臺，研制出了 8 絲束、16 絲束鋪絲機器人，對鋪絲頭、鋪絲工藝影響因素等展開研究，開辟了國內低成本鋪絲的新方向。武漢理工大學在自動鋪放成形的數(shù)控系統(tǒng)、成形機構等方面展開了相關研究。2006年，田會方等[42]完成了絲束鋪絲原理樣機研制工作（圖23）。哈爾濱工業(yè)大學也進行了鋪絲機的研制工作，富宏亞等研制出4絲束鋪絲機（圖24），完成了對鋪絲仿真、張力控制方法、工藝缺陷等的基礎研究[43–44]。

圖22 西交大研制的機器人式自動鋪絲機[41]Fig.22 Robot automated fiber placement machine from Xi’an Jiaotong University[41]

圖23 武漢理工研制的鋪絲機Fig.23 Fiber placement machine from Wuhan University of Technology

圖24 哈工大研制的4絲束鋪絲機[43]Fig.24 Fiber placement machine with 4 tows from Harbin Institute of Technology[43]

除高校外，中航復材、上海飛機制造廠、中國商飛北研中心、恒神股份、新萬興、西飛等公司也擁有了自動鋪絲機，并已經陸續(xù)開展了相應構件的自動鋪絲試制的研究工作。

2.2 自動鋪絲技術的典型應用狀況

自動鋪絲技術最早應用于波音747及767客機的發(fā)動機進氣道整流罩試驗件上。該整流罩試驗件在制造過程中采用自動鋪放與固化分立技術。A350機身制造代表了當前自動鋪放技術的進展，A350XWB機身92%的翼梁都采用自動鋪絲技術制造，且隨著自動鋪絲技術發(fā)展和自動鋪帶/自動鋪絲一體機的出現(xiàn)，機翼蒙皮的制造也逐漸由自動鋪帶轉為自動鋪絲。為實現(xiàn)787客機機身的整體制造，波音公司創(chuàng)造性地使用自動鋪絲方法分段制造787機身，堪稱是航空制造技術和復合材料技術的里程碑。對新一代飛機而言，自動鋪絲正在成為制造復合材料機身的首選方法。近年來，自動鋪絲技術也從軍用制造技術逐漸轉向大型商用飛機的制造上，如A380的后機身所有蒙皮壁板19段都是采用Viper FPS自動鋪絲機制造的。采用自動鋪絲技術制造的各種復合材料零件如圖25所示。

圖25 采用自動鋪絲技術制造的各種航空航天核心零部件Fig.25 Various aerospace core parts manufactured by automated fiber placement technology

3 復合材料自動鋪放工藝

復合材料自動鋪放工藝參數(shù)的選取是保證鋪放質量和成型質量的關鍵，若選取不當，在鋪放過程中容易產生鋪放缺陷[41]。這些缺陷隨著復合材料構件固化成型，最終在復合材料構件內部形成褶皺、富樹脂區(qū)等缺陷，進而影響其力學性能[45–48]。

自動鋪放工藝技術包括模具技術、鋪放過程的工藝參數(shù)協(xié)調控制技術與后期的構件成型工藝技術。在鋪放過程中，通過對自動鋪放速度、鋪放壓力、鋪放溫度等因素的協(xié)調控制，使預浸料處于適宜的工藝窗口，提高鋪放效率。鋪放控制軟件在自動鋪放過程中無比重要，主要包括離線編程軟件和鋪放運動控制軟件等。離線編程軟件主要是進行鋪放路徑軌跡規(guī)劃并生成數(shù)控代碼程序。鋪絲路徑規(guī)劃和后置仿真可以按照設計要求自動規(guī)劃出鋪放路徑，進行仿真以檢查鋪放設備與工件是否有干涉。鋪放運動控制軟件主要是按照程序代碼進行鋪放設備的運動控制，實現(xiàn)鋪放設備的各個功能[49]。

自動鋪絲工藝參數(shù)主要包括鋪放壓力、鋪放速率、鋪放張力和鋪放溫度等。合適的鋪放工藝參數(shù)是獲得良好鋪放質量的保證。鋪放溫度對鋪貼質量的影響最顯著，首先需要一個溫度較低的環(huán)境減少絲束樹脂基體的黏性保證順利的輸送。鋪放時，為了保證絲束與模具 （絲束鋪層）的良好粘接，需要提高溫度，適宜的溫度可以減少架橋、絲束的褶皺等工藝缺陷，但鋪放溫度不宜過高，否則會造成絲束變形過大，容易出現(xiàn)氣泡等缺陷[50–51]。鋪放壓力過低，預浸絲與底下鋪層的貼合質量降低；而鋪放壓力過大，將導致成型件厚度寬度發(fā)生變形，甚至將預浸絲壓散。鋪放速率主要影響鋪放效率以及鋪放溫度、鋪放壓力對預浸絲的作用時間，鋪放速率越大，成型效率越高，但鋪放溫度和鋪放壓力的作用時間變短，鋪層貼合質量會有所降低。

由于不同預浸料體系所用樹脂不同，最佳鋪放工藝參數(shù)也不同，因此需對所用材料體系的鋪放工藝參數(shù)進行優(yōu)化。

大量研究表明，鋪放工藝參數(shù)對預浸料的性能影響顯著，與鋪放質量、成型質量密切相關[52]。謝林杉等[53]針對T700碳纖維/雙馬樹脂材料，研究了不同工藝參數(shù) （鋪放溫度、鋪放壓力、鋪放速度）在不同轉向半徑下對鋪放質量的影響,并提出一種新的鋪放質量評定方法。蔡立成等[45]通過自主設計搭建的試驗平臺進行了變鋪放工藝參數(shù)與變鋪放半徑的預浸料絲束曲線鋪貼試驗。徐強等[54]通過有限元和試驗相結合的方法，進行了自動鋪放紅外熱源方程的建立與試驗驗證。Lichtinger等[55]研究了紅外加熱系統(tǒng)對自動鋪絲過程中鋪層加熱區(qū)域的影響。趙盼等[56]研究分析了纖維鋪放時的壓輥變形。原崇新等[57]分析了自動鋪絲過程中的典型缺陷。宋清華等[58]通過自研的一種自動鋪放裝置和單向預浸帶剝離力測試夾具，測試了環(huán)境時效對預浸料自動鋪放工藝黏性的影響。楊洋等[59]通過研究連續(xù)纖維增強的聚苯硫醚 （PPS）預浸料的結晶行為和基本工藝，建立了改復合材料的自動鋪絲工藝控制方法。彭嘯[60]探究了自動鋪放工藝參數(shù)對絲束轉向鋪貼質量的影響規(guī)律與機理，并進行了有限元建模仿真。

宋清華等[61]基于熱塑性復合材料自動鋪放平臺，以連續(xù)玻璃纖維增強聚丙烯預浸紗為原料進行層合板的鋪放，對熱塑性復合材料自動鋪放工藝參數(shù)進行分析與優(yōu)化。哈爾濱工業(yè)大學孫守政等[62]以機器人為載體，開展了熱塑性復合材料鋪放設備關鍵技術及工藝優(yōu)化研究。大連理工大學梁宜楠等[63]研究了熱塑性復合材料點陣鋪放工藝對層間剪切強度的影響并得到了試驗范圍內的最優(yōu)工藝參數(shù)組合。高士杰[64]研究了PEEK熱塑性復合材料一次加壓成型和二次加壓成型鋪放的主要工藝參數(shù)。

4 展望

復合材料的大量應用推動了自動鋪放設備的研制與發(fā)展，國外自動鋪放技術已經成熟，而且還在發(fā)展與進步，國內還在起步發(fā)展階段，還需要不斷追趕，加強研發(fā)。國產大飛機C919、運20、AG600、殲20的研制生產，加快了國內自動鋪放技術和設備的發(fā)展。作為航空航天等制造業(yè)的重要工藝，未來自動鋪放技術主要有以下5個發(fā)展趨勢。

（1）高效率、智能化、低成本。為降低整個制造成本，面向產品的專用鋪放裝備發(fā)展迅速，不僅能夠降低裝備成本，而且能提高裝備使用效率。尤其是采用機器人為平臺的鋪放裝備，可以使裝備成本大幅度下降。

（2）鋪帶–鋪絲界限模糊化。不再統(tǒng)一絲寬或帶寬的規(guī)格，基于工件的鋪放角度與鋪放效率考慮，設備有一定帶寬適應性。多帶鋪帶和寬紗鋪絲使得自動鋪絲與自動鋪帶技術差別減小，增加了多用途鋪放頭的應用。

（3）熱塑性自動鋪放技術的發(fā)展與應用。熱塑性纖維增強復合材料的固化時間短，大大縮短了生產周期，且具有抗沖擊韌性強，焊接性能良好等特點。

（4）多工位、多工序集成化作業(yè)。多工位多工序的連續(xù)集成化作業(yè)，節(jié)省轉運周期，高效高精度，設備運行空閑率低，有利于成本控制。如自動鋪放與其他技術 （超聲切割、熱成形等）結合，實現(xiàn)復雜構件低成本制造。

（5）“干鋪絲”技術的發(fā)展與應用。采用部分浸漬熱塑性樹脂（≤8%）的預浸紗，鋪絲形成預制件后再液體成型制造大型構件?！案射伣z”技術綜合了預浸料成型和液體成型兩種方法的優(yōu)點，已經在俄羅斯的MC-21機翼得到應用，顯示出極強的生命力。

（6）軌跡規(guī)劃與后置處理軟件系統(tǒng)的開發(fā)。國外已經擁有了成熟的軌跡規(guī)劃及后置處理軟件，國內發(fā)展還不夠成熟，應該加強研發(fā)和投入。

希望國內繼續(xù)加大對相關產業(yè)的支持力度，引入高端自動鋪放技術與裝備，同時加大對材料和工藝工程化的應用研究，從而促進我國航空航天工業(yè)和復合材料產業(yè)的不斷進步和發(fā)展。