摘 要 高性能先進(jìn)樹脂基碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、比模量高和抗腐蝕、抗高溫等諸多優(yōu)異性能，已經(jīng)成為現(xiàn)代航空航天飛行器結(jié)構(gòu)件制造中不可或缺的主要材料，其應(yīng)用水平成為了衡量先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一。如今，不斷提升復(fù)合材料的制造技術(shù)和應(yīng)用水平，是實(shí)現(xiàn)航空器結(jié)構(gòu)輕量化、高強(qiáng)度化和功能化以及低成本化的必然趨勢。本文主要從航空復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)及設(shè)備發(fā)展歷程切入，對(duì)自動(dòng)鋪帶技術(shù)和自動(dòng)鋪絲技術(shù)、自動(dòng)鋪放軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)、自動(dòng)鋪放工藝參數(shù)研究和自動(dòng)鋪放軟件系統(tǒng)發(fā)展及其應(yīng)用情況進(jìn)行了概述。首先，重點(diǎn)剖析了自動(dòng)鋪放技術(shù)及設(shè)備發(fā)展歷程，探討了自動(dòng)鋪放軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)路徑算法優(yōu)化迭代研究，梳理了碳纖維復(fù)合材料自動(dòng)鋪放成型工藝控制及影響因素。然后，分析和闡明了自動(dòng)鋪放軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真軟件系統(tǒng)開發(fā)歷程和現(xiàn)狀，概況了國內(nèi)外自動(dòng)鋪放技術(shù)現(xiàn)階段存在的技術(shù)難點(diǎn)。最后，對(duì)我國碳纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)和裝備在未來可能的研究發(fā)展方向進(jìn)行了展望，為加快國內(nèi)高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造能力建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞 自動(dòng)鋪放技術(shù)；碳纖維復(fù)合材料；自動(dòng)鋪絲/鋪帶；軌跡規(guī)劃技術(shù)

基金項(xiàng)目：中國建材集團(tuán)原創(chuàng)技術(shù)策源地“揭榜掛帥”項(xiàng)目（2021YCJS02-03-02）

通訊作者：張旭，男，工程師。研究方向?yàn)樽詣?dòng)鋪放技術(shù)。E-mail：ZX131198211706@163.com

Research on Automated Placement Technology for High

Performance Carbon Fiber Composites：

A State-of-the-art Review

ZHANG Xu，QI Lei，LI Rongjun，WU Zijun，SU Jianyu

（China Building Materials （Shanghai） Aviation Technology Co.， Ltd.， Shanghai 618307）

ABSTRACT Advanced resin-based carbon fiber composites with high performance have many excellent properties such as light weight， high strength， high specific modulus， corrosion resistance and high temperature resistance， and have become an indispensable main material in the manufacture of modern aerospace aircraft structural parts， and their application level has become one of the important indicators to measure the advancement. Nowadays， the continuous improvement of the manufacturing technology and application level of composite materials is an inevitable trend to achieve lightweight， high-strength and functionalization of aircraft structures and low-cost. Starting from the development of Automatic Placement Technology and equipment of aviation composite materials， this paper summarizes the automatic tape placement technology and automatic fiber placement technology， automatic placement path planning and design， automatic placement process parameters research， development and application of automatic placement software system. First of all， the development history of automatic placement technology and equipment is analyzed， the optimization and iteration of automatic placement path planning and design path algorithm is discussed， and the control and influencing factors of automatic placement forming process of carbon fiber composite materials are sorted out. Then， the development process and current situation of automatic placement path planning and motion simulation software system are analyzed and expounded， and the technical difficulties of automatic placement technology at home and abroad are summarized. Finally， the possible research and development direction of China's carbon fiber automatic placement technology and equipment in the future is prospected， which provides a reference for accelerating the construction of domestic high-performance composite structural parts manufacturing capacity.

KEYWORDS automatic placement technology; carbon fiber composites; automatic fiber/tape placement; path planning technology

1 引言

高性能先進(jìn)樹脂基碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、比剛度高和比模量高、可設(shè)計(jì)性高、便于整體成型以及優(yōu)異的抗腐蝕、抗疲勞能力，已成為新一代航天航空大型飛行器的主體結(jié)構(gòu)材料，其使用水平已經(jīng)成為衡量航空航天等飛行器先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一[1]。復(fù)合材料的發(fā)展逐漸趨向智能化和輕量化，在航空航天、兵器和船舶領(lǐng)域的應(yīng)用得到了快速發(fā)展[2]。

碳纖維復(fù)合材料使用量也隨之增加。目前國外，特別是美國和西歐等發(fā)達(dá)國家在碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域處于領(lǐng)先狀態(tài)。在民用航空器上，如空客A380，其碳纖維復(fù)合材料的用量就達(dá)到了32 t左右，其復(fù)合材料使用量占比達(dá)25 %。A350XWB和波音787等大型客機(jī)復(fù)合材料使用量占比已經(jīng)超過結(jié)構(gòu)總量的50 %。在軍用飛機(jī)上的占比也普遍占結(jié)構(gòu)重量的 25 %～50 %[3-5]，尤其是直升機(jī)結(jié)構(gòu)占比甚至超過80 %[6]。對(duì)比國內(nèi)，在復(fù)合材料制造、材料性能和使用水平上較為落后，特別是高性能的先進(jìn)復(fù)合材料。在民機(jī)上，如ARJ21小型客機(jī)復(fù)合材料用量在2 %左右，包括大飛機(jī)C919 的復(fù)合材料使用量也僅僅在12 %左右[7]。近年來我國大力推動(dòng)發(fā)展先進(jìn)高性能復(fù)合材料的轉(zhuǎn)型升級(jí)和國產(chǎn)化，更新設(shè)計(jì)理念和方法，在國產(chǎn)大飛機(jī)C929上設(shè)計(jì)復(fù)合材料使用量將達(dá)到50 %以上。

自動(dòng)鋪放技術(shù)是最為重要的先進(jìn)復(fù)合材料自動(dòng)化成型技術(shù)，包括自動(dòng)鋪帶（Automated Tape Laying，簡稱“ATL”）和自動(dòng)鋪絲技術(shù)Automated Fiber Placement，簡稱“AFP”），其本身有著諸多優(yōu)點(diǎn)，兼具高效、穩(wěn)定等特點(diǎn)，極大的提升了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，同時(shí)還降低了輔料的使用量和產(chǎn)品的報(bào)廢率，能夠快速的成型復(fù)雜曲面的大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，如后機(jī)身桶段結(jié)構(gòu)，機(jī)身全尺寸壁板結(jié)構(gòu)等，實(shí)現(xiàn)了大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件“低成本、高效率”的制造[8]。

本文調(diào)研了碳纖維復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)的研究進(jìn)展，主要從航空復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)及設(shè)備發(fā)展歷程切入，對(duì)自動(dòng)鋪放技術(shù)、自動(dòng)鋪放軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)、自動(dòng)鋪放工藝參數(shù)研究和自動(dòng)鋪放軟件系統(tǒng)發(fā)展及其應(yīng)用情況進(jìn)行了概述，并對(duì)其未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望，以期為碳復(fù)合材料自動(dòng)鋪放關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供借鑒和參考。

2 自動(dòng)鋪放技術(shù)研究進(jìn)展

由于航空器的逐漸普及，碳纖維復(fù)合材料自動(dòng)鋪放設(shè)備近年來在航空各界引起了廣泛關(guān)注，并得到了快速的發(fā)展。根據(jù)鋪放絲束寬度的不同，可以分為自動(dòng)鋪帶機(jī)和自動(dòng)鋪絲機(jī)，自動(dòng)鋪帶機(jī)適用于大尺寸、小曲率曲面或平直構(gòu)型類零件的生產(chǎn)制造，如：機(jī)翼、尾翼等，自動(dòng)鋪帶技術(shù)的應(yīng)用如圖2所示。

自動(dòng)鋪絲是以寬度更小的碳纖維預(yù)浸絲束（寬度通常為1/4 in～1/2 in），對(duì)所需零件進(jìn)行逐層鋪放的一種成型方法。自動(dòng)鋪絲機(jī)適用于大曲率、復(fù)雜曲面構(gòu)型零件的生產(chǎn)制造，如：機(jī)身壁板、梁框類和S氣道等，自動(dòng)鋪絲技術(shù)的應(yīng)用如圖3所示。

2.1 國內(nèi)外自動(dòng)鋪帶機(jī)技術(shù)

2.1.1 自動(dòng)鋪帶機(jī)技術(shù)的發(fā)展

國外自20世紀(jì)60年代美國就開始研究復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶技術(shù)。第1臺(tái)數(shù)控龍門鋪絲機(jī)是根據(jù)美國空軍合同，由通用公司、動(dòng)力公司和Conrac公司聯(lián)合開發(fā)并在美國Vought公司生產(chǎn)制造，如圖4所示，主要用于制造F-16的80 %蒙皮件[10]。

自此之后，歐洲各國（西班牙、法國）紛紛展開復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶技術(shù)的研究，先后研發(fā)出了龍門式、立式、臥式以及機(jī)器人等類型的自動(dòng)鋪放設(shè)備[11]。發(fā)展至今，歐美等國家的鋪帶技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到第5代，各項(xiàng)技術(shù)成熟穩(wěn)定，目前已經(jīng)研發(fā)出鋪絲和鋪帶一體機(jī)，可實(shí)現(xiàn)快速更換鋪放頭，以適應(yīng)對(duì)不同零件、不同絲束寬度要求進(jìn)行鋪放，從而提高了工作效率[9]。其中最具代表的有美國的MAG-Cincinnati公司，如圖5（a）所示，西班牙的M-Torres公司，如圖5（b）所示和法國的Forest-Line Coriolis公司，如圖5（c）所示，以及美國ElEctroimpact公司，如圖5（d）所示。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國外研發(fā)了具有不同特色和特殊功能的自動(dòng)鋪帶機(jī)，并在航空航天制造領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用[12-13]。

由于國外一些發(fā)達(dá)國家在很多先進(jìn)的關(guān)鍵設(shè)備上對(duì)我國實(shí)施技術(shù)封鎖，禁止此類設(shè)備出口到我國，并且國內(nèi)對(duì)碳纖維復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)的研究起步相對(duì)較晚，對(duì)于高效率、高穩(wěn)定性的鋪放設(shè)備和成型工藝技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)與國外歐美國家還存在不小的差距。國內(nèi)相繼開展了自動(dòng)鋪放技術(shù)的研究工作，如南京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)和北京航空制造工程研究所等科研院校都開展了復(fù)合材料自動(dòng)化成型技術(shù)相關(guān)的研究工作。

其中，南京航空航天大學(xué)是我國最早研究自動(dòng)鋪放設(shè)備的高校。南京航空航天大學(xué)于2004年制造了第1臺(tái)復(fù)合材料小型自動(dòng)鋪帶機(jī)原理樣機(jī)，如圖6所示。并成功形成了自動(dòng)鋪帶預(yù)浸料制造工藝技術(shù)和相關(guān)的CAD/CAM軟件技術(shù)，初步實(shí)現(xiàn)了基本的鋪放功能，解決了國內(nèi)碳纖維自動(dòng)鋪放設(shè)備從無到有的難題。后續(xù)南京航空航天大學(xué)對(duì)大型自動(dòng)鋪帶機(jī)進(jìn)行了進(jìn)一步的研制工作，并完成了原理樣機(jī)的制造工作。北京航空材料研究院應(yīng)用此設(shè)備對(duì)自動(dòng)鋪帶預(yù)浸料（環(huán)氧和雙馬樹脂）的可鋪覆性能和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)展開了研究。天津工業(yè)大學(xué)以某直升機(jī)主旋翼大梁自動(dòng)鋪帶為應(yīng)用背景，進(jìn)行了大量自動(dòng)鋪帶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證，以及自動(dòng)鋪帶數(shù)控插補(bǔ)運(yùn)算的研究[15-16]。

2.1.2 自動(dòng)鋪帶機(jī)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代，國外制造的自動(dòng)鋪帶機(jī)主要用于軍用航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制造。近些年隨著鋪放技術(shù)的逐漸成熟、碳纖維原材料成本下降以及成型工藝技術(shù)的快速發(fā)展，自動(dòng)鋪放技術(shù)在民用航空領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用。例如波音787和空客A350的機(jī)翼蒙皮以及機(jī)翼上大型的長桁、筋條等。世界上最早使用自動(dòng)鋪帶技術(shù)制造商用飛機(jī)的是美國波音公司。隨著碳纖維復(fù)合材料在商用飛機(jī)上使用量的增加，波音公司為了制造B-2轟炸機(jī)上的大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，從而大力發(fā)展了自動(dòng)鋪帶技術(shù)，之后便在B-777商用飛機(jī)上實(shí)現(xiàn)了全復(fù)合材料尾翼制造，并采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)制造了全復(fù)合材料的尾翼垂直和水平安定面壁板，如圖7所示[17]?？湛虯330和A340商用飛機(jī)也采用自動(dòng)鋪帶技術(shù)制造了大型機(jī)身壁板。另外在歐洲EADS–CASA，是最先使用自動(dòng)鋪帶技術(shù)來生產(chǎn)商用大飛機(jī)上的大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的公司，如A330與A340水平安定面壁板、A340–600的尾翼壁板、A350XWB機(jī)身板，如圖8所示以及A380的水平安定面壁板[18-19]。

我國中航工業(yè)下屬企業(yè)如哈飛、成飛、沈飛、西飛等也相繼從國外進(jìn)口了自動(dòng)鋪帶設(shè)備，開展了與自動(dòng)鋪帶相關(guān)的研究工作。2007年，哈飛進(jìn)口了1臺(tái)西班牙M.Torres公司生產(chǎn)的自動(dòng)鋪帶設(shè)備，并基于此設(shè)備開展了碳纖維復(fù)合材料自動(dòng)鋪帶技術(shù)的相關(guān)研究工作，后來與空客合作完成了A320方向舵前和后梁等結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)制造。另外，中航工業(yè)和中建材（上海）航空技術(shù)有限公司也相繼購入了Forest-Line Coriolis大型龍門自動(dòng)鋪帶機(jī)和西班牙M.Torres鋪帶機(jī)，中建材基于此設(shè)備開展了國產(chǎn)大飛機(jī)C919的相關(guān)研制工作，如C919全尺寸6m級(jí)尾翼翼梁，如圖9所示。中國航空制造技術(shù)研究院研制出了適用于自動(dòng)鋪帶的高溫環(huán)氧和雙馬復(fù)合材料預(yù)浸帶體系，開展了基于自動(dòng)鋪帶的材料性能和工藝性研究工作，如圖10所示。

2.2 自動(dòng)鋪絲機(jī)技術(shù)

2.1.1 自動(dòng)鋪絲機(jī)技術(shù)的發(fā)展

20世紀(jì)70年代，美國航空制造業(yè)根據(jù)纖維纏繞技術(shù)的不足進(jìn)行了改進(jìn)和革新，將纏繞方式改為直接鋪放，提出了自動(dòng)鋪絲的概念，來適應(yīng)大曲率類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的自動(dòng)鋪放制造，并對(duì)其進(jìn)行了開發(fā)研制。20世紀(jì)80年代中期，波音公司成功研制了第1臺(tái)自動(dòng)鋪絲原理樣機(jī)AVSD自動(dòng)鋪絲頭，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)浸紗的切斷、送紗以及絲束壓實(shí)等功能。緊隨其后，美國Cincinnati公司設(shè)計(jì)出了第一臺(tái)自動(dòng)鋪絲系統(tǒng)，并投入商業(yè)化使用。洛克希德和諾斯羅普等航空航天公司也開展自動(dòng)鋪絲機(jī)的商業(yè)化應(yīng)用。20世紀(jì)90年代，歐洲國家開始大力研發(fā)自動(dòng)鋪絲設(shè)備和自動(dòng)鋪絲技術(shù)，隨著自動(dòng)鋪絲技術(shù)的不斷發(fā)展和革新，自動(dòng)鋪絲設(shè)備已經(jīng)相當(dāng)完善。目前，國外先進(jìn)的自動(dòng)鋪絲機(jī)設(shè)備有美國的Cincinnati自動(dòng)鋪絲機(jī)、Electroimpact自動(dòng)鋪絲機(jī)、法國的Coriolis自動(dòng)鋪絲機(jī)和西班牙M.Torres自動(dòng)鋪絲機(jī)等，如圖11所示。

自動(dòng)鋪放技術(shù)不僅是鋪絲頭和穿絲架的設(shè)計(jì)，而且是集數(shù)控機(jī)床技術(shù)、CAD/CAM軟件技術(shù)和材料工藝技術(shù)于一體的高新技術(shù)。自動(dòng)鋪絲機(jī)結(jié)合了纖維纏繞技術(shù)的差動(dòng)放線能力和自動(dòng)鋪帶技術(shù)的壓實(shí)、剪切和重啟能力，并且具備絲束獨(dú)立控制功能，因而可以鋪放復(fù)雜邊界構(gòu)件和曲線路徑[20]。根據(jù)不同應(yīng)用情況，可以對(duì)鋪絲機(jī)進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，包括：（1）鋪絲機(jī)機(jī)床；（2）鋪絲頭和壓實(shí)控制系統(tǒng)；（3）絲束進(jìn)給系統(tǒng)和張力控制系統(tǒng)；（4）加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)；（5）數(shù)控系統(tǒng)及上位機(jī)。航空設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)將自動(dòng)鋪放技術(shù)相關(guān)CAD/CAM軟件高度集成到CATIA軟件設(shè)計(jì)制造于一體，以更利于自動(dòng)鋪絲技術(shù)的發(fā)展[21]。

我國對(duì)于自動(dòng)鋪絲機(jī)技術(shù)的研究也相對(duì)較晚，技術(shù)發(fā)展受國外限制。為了突破限制，南京航空航天大學(xué)2000年就開始了自動(dòng)鋪絲機(jī)的研制及相關(guān)鋪絲技術(shù)的研究，于2005年完成了國內(nèi)首臺(tái)自動(dòng)鋪絲原理樣機(jī)的試制，如圖12所示，還一并開發(fā)了相關(guān)配套的CAD/CAM軟件。

2010年，完成了兩型8絲束鋪絲機(jī)的研制工作。2013年，已完成了16絲束短傳紗雙弧軌型鋪絲機(jī)，24絲束長穿紗的大型臥式自動(dòng)鋪絲機(jī)全尾椎鋪放實(shí)驗(yàn)以及8絲束短穿紗機(jī)器人鋪絲機(jī)的研制工作，利用這些設(shè)備完成了火箭艙段制造、衛(wèi)星承力筒段結(jié)構(gòu)的自動(dòng)鋪絲工作，基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)鋪絲工業(yè)化的應(yīng)用，如圖13所示[22]。

西安交通大學(xué)對(duì)鋪絲機(jī)的穿紗架和鋪絲頭一體式鋪絲機(jī)（如圖14所示）進(jìn)行了研制，一體式鋪絲頭可適配在龍門式鋪放機(jī)床上，也可以安裝在機(jī)器人式鋪絲機(jī)上，其在鋪放時(shí)具有好的穩(wěn)定性和鋪放效率高等優(yōu)點(diǎn)，可滿足復(fù)合材料不同結(jié)構(gòu)件的鋪放要求。

另外，還對(duì)自動(dòng)鋪絲頭設(shè)計(jì)、鋪絲工藝參數(shù)控制和鋪絲過程檢驗(yàn)監(jiān)視等技術(shù)進(jìn)行了研究，并收獲了不少成果[23-24]。浙江大學(xué)聯(lián)合杭州艾美依航空制造裝備有限公司研發(fā)了多種自動(dòng)鋪絲機(jī)，包括龍門鋪絲機(jī)、雙機(jī)器人自動(dòng)鋪絲機(jī)、臥式自動(dòng)鋪絲機(jī)等，如圖15所示。利用上述自動(dòng)鋪絲裝備，完成了加強(qiáng)和帶窗口結(jié)構(gòu)的大型飛機(jī)機(jī)身壁板蒙皮、球面框、C型梁和進(jìn)氣道等試驗(yàn)件的鋪放制造試驗(yàn)，深入研究了國產(chǎn)材料和國產(chǎn)裝備的工藝匹配性，為國產(chǎn)自動(dòng)鋪絲設(shè)備和國產(chǎn)材料的工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[25]。

2.2.2 自動(dòng)鋪絲機(jī)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

波音公司747及767客機(jī)最先應(yīng)用了自動(dòng)鋪絲技術(shù)，成型了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道整流罩試驗(yàn)件。A350XWB機(jī)身92 %的翼梁采用自動(dòng)鋪絲技術(shù)進(jìn)行制造，空客A350機(jī)身段蒙皮制造技術(shù)和固化技術(shù)可以代表現(xiàn)階段全球自動(dòng)鋪絲技術(shù)的進(jìn)展。隨著自動(dòng)鋪絲技術(shù)的革新和自動(dòng)鋪帶/自動(dòng)鋪絲一體機(jī)的問世，機(jī)翼碳纖維蒙皮的制造也逐漸由自動(dòng)鋪帶預(yù)浸料150 mm或者300 mm幅寬，轉(zhuǎn)為自動(dòng)鋪絲1 in或者2 in進(jìn)行鋪放，這就是所謂的寬絲窄帶的概念。波音公司為實(shí)現(xiàn)787大型客機(jī)機(jī)身段的整體制造如圖16所示，創(chuàng)造性地使用自動(dòng)鋪絲技術(shù)分段制造了787機(jī)身，標(biāo)志著航空制造技術(shù)和復(fù)合材料技術(shù)結(jié)合史上計(jì)入另一里程碑。對(duì)新一代大飛機(jī)的設(shè)計(jì)和制造而言，自動(dòng)鋪絲正逐步成為復(fù)合材料機(jī)身制造的首選方法。

我國由于自動(dòng)鋪絲制造技術(shù)、配套體系的發(fā)展不齊全，與國外存在一定差距，但隨著國產(chǎn)大飛機(jī)C919和C929的研發(fā)推進(jìn)，我國也在逐步縮短與國外發(fā)達(dá)之間的差距。航空工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心最新引進(jìn)的法國Coriolis公司機(jī)器人AFP設(shè)備和龍門式自動(dòng)鋪絲機(jī)，中國商飛也購入了法國Coriolis機(jī)器人自動(dòng)鋪絲機(jī)，主要用于國產(chǎn)大飛機(jī)C919的機(jī)身復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制造中。另外，中建材（上海）航空技術(shù)有限公司2021年購入法國Coriolis大型龍門式自動(dòng)鋪絲機(jī)和M.Torresi大型龍門自動(dòng)鋪絲機(jī)如圖17所示。

中建材（上海）航空技術(shù)有限公司根據(jù)策源地項(xiàng)目的研制要求，基于Coriolis大型自動(dòng)鋪絲機(jī)對(duì)平板類、單曲類和雙曲大尺寸機(jī)身壁板蒙皮自動(dòng)鋪絲工藝技術(shù)進(jìn)行了研究，并對(duì)進(jìn)口預(yù)浸料和國產(chǎn)化替代預(yù)可鋪放性展開了深入對(duì)比研究，成功完成了8 m級(jí)和15 m級(jí)民用航空復(fù)合材料試驗(yàn)件的試制如圖18所示。

3 復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)

3.1 鋪放路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)

鋪層方向的軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)決定了預(yù)浸料纖維束在鋪貼曲面上的纖維方向和分布情況，所以纖維束和三角區(qū)的分布以及纖維方向?qū)雍习宓牧W(xué)性能將產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。目前，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的鋪層設(shè)計(jì)方法包括定角度鋪層和變角度鋪層，在工程上以定角度鋪層設(shè)計(jì)為主。

3.1.1 定角度路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)

定角度鋪放路徑規(guī)劃主要包括：種子點(diǎn)選擇、初始路徑生成、路徑偏置密化、路徑評(píng)價(jià)和區(qū)域劃分等。初始鋪放路徑是一個(gè)基準(zhǔn)鋪放路徑，也是在一個(gè)鋪層中首條被建立的纖維鋪放路徑，其他密化路徑將以此條路徑為基礎(chǔ)，然后采用路徑偏置方法進(jìn)行獲取，因此初始鋪放路徑的位置和幾何性質(zhì)對(duì)整個(gè)鋪層的路徑規(guī)劃至關(guān)重要。目前，初始路徑生成方法主要有自然路徑法、截面線法、固定角度法以及測地線法等[26]。

自然路徑法主要應(yīng)用于自動(dòng)鋪帶工藝中，王松和羅海燕等人[27-28]針對(duì)自動(dòng)鋪帶中的工藝強(qiáng)約束，基于參數(shù)化特征曲面和三角網(wǎng)格曲面提出了初始路徑的自然路徑生成方法，如圖19所示。該方法較好地確保寬度較大的鋪帶過程不易產(chǎn)生褶皺等缺陷。截面線方法是將纖維的鋪放曲面與纖維的同鋪放方向平面相交所獲得的交線，作為初始路徑，此方法只適用于小曲率的簡單曲面或平面，對(duì)于大曲率的復(fù)雜曲面可能會(huì)導(dǎo)致較大的角度偏差[29-30]。

LI等[31]基于三角網(wǎng)格曲面建立了定角度路徑的生成方法。PEI等[32]針對(duì)網(wǎng)格鋪放面上鋪層角度偏差變化較大的問題，提出了一種利用結(jié)構(gòu)載荷特征來劃分鋪放曲面，在每個(gè)子域利用多參考線生成定角度鋪放路徑的方法，使生成的鋪放路徑更貼近參考線方向，從而降低了鋪放路徑的角度偏差。BLOM等人[33-35]提出了一種在封閉圓錐面上初始路徑規(guī)劃算法，如圖20所示，利用圓錐面參數(shù)方程推導(dǎo)參考曲線的纖維角度和曲率，聯(lián)立求解得到圓錐面上的定角度鋪放路徑和測地線法鋪放路徑。

為滿足鋪放曲面覆蓋率的要求，基于初始路徑的面內(nèi)密化是一種高效實(shí)現(xiàn)方法。鋪放路徑密化策略主要有平行法和平移法兩種[26]?；谄叫蟹ㄓ?jì)算的偏置路徑與初始路徑保持平行關(guān)系，因此鋪層中的所有鋪放路徑之間的間隙和搭接均勻可控，不存在因絲束剪斷而導(dǎo)致纖維間隙變化或者搭接缺陷。對(duì)此，BRUYNEE和LEMAIRE等人[36-37]針對(duì)網(wǎng)格化曲面提出一種快速算法，可以在網(wǎng)格化曲面上快速獲取等距偏置路徑如圖21所示，相比之前的算法，此方法不受曲面結(jié)構(gòu)和曲率的制約、適用性更廣，但是其計(jì)算效率在很大程度上將依賴網(wǎng)格化精度控制。

平移法則較多應(yīng)用于變角度路徑的密化中，密化路徑完全延續(xù)了初始路徑的力學(xué)特性，但路徑分布上存在大量間隙和搭接缺陷，如圖22所示[38-39]。

3.1.2 變角度路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)

相對(duì)定角度路徑方法，變角度鋪放路徑方法不要求每個(gè)鋪層的纖維方向均保持相同角度的約束，能夠很好的發(fā)揮復(fù)合材料的方向特性；定角度則相反，在一定程度上限制了設(shè)計(jì)自由度的發(fā)揮[40]。變角度路徑設(shè)計(jì)方法也存在一定的不足性，其能夠依據(jù)曲面的變化提供更大的設(shè)計(jì)自由度，但是會(huì)帶來變角度復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計(jì)的難度。在變角度鋪放路徑方法中的難點(diǎn)是對(duì)纖維鋪放方向的表達(dá)，現(xiàn)階段有直接定義任意位置纖維方向的離散法[41]，如圖23所示，以及定義變角度鋪放路徑的連續(xù)法[42]。

對(duì)于變角度纖維方向的優(yōu)化方法，MATSUZAKI等[43]利用纖維曲線控制點(diǎn)坐標(biāo)為變量，通過遺傳算法尋找纖維路徑最優(yōu)解，可提高復(fù)合材料層合板開孔區(qū)域的拉伸強(qiáng)度。如今對(duì)變角度路徑法計(jì)算復(fù)合材料纖維方向的研究表明了通過合理的優(yōu)化纖維變角度路徑設(shè)計(jì)，可以使復(fù)合材料力學(xué)性能較常規(guī)定角度路徑算法有可觀的改善。

3.2 復(fù)合材料鋪放工藝

碳纖維復(fù)合材料鋪放過程工藝控制包括鋪放壓力、鋪放溫度、鋪放速度和鋪放張力控制等四項(xiàng)關(guān)鍵鋪放工藝。目前大多學(xué)者認(rèn)為鋪放工藝控制研究主要集中在鋪放壓力、鋪放溫度和張力的控制，將鋪放速度認(rèn)為是控制性問題的輸入。

3.2.1 鋪放壓力

鋪放壓力主要指在碳纖維鋪放過程中鋪放壓輥施加在纖維表面的壓實(shí)力。目前鋪放壓力施加方法主要分為氣動(dòng)式和直壓式。氣動(dòng)式是指鋪放施加在壓輥上的壓力由一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)氣缸提供，壓輥連接在氣缸活塞桿末端，通過控制氣缸內(nèi)的氣壓實(shí)現(xiàn)對(duì)鋪放壓力的控制。目前Colioris、Cincinnati、MTorres等設(shè)備廠商均采用這種方式對(duì)鋪放壓力的控制。對(duì)于氣動(dòng)式，在氣動(dòng)系統(tǒng)控制上，由于其具有很強(qiáng)的非線性特性，因此無法較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)鋪放壓力的精確控制和快速響應(yīng)。GROSS等[44]采用多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技實(shí)現(xiàn)了對(duì)非線性氣動(dòng)系統(tǒng)的控制。目前，國內(nèi)外學(xué)者利用先進(jìn)的氣動(dòng)系統(tǒng)控制算法可以很好的控制氣動(dòng)式壓輥施加鋪放壓力。

直壓式是指壓輥與鋪放設(shè)備末端剛性連接，沒有其他驅(qū)動(dòng)源，取決于機(jī)床和鋪絲頭在模具上的位置，在進(jìn)行自動(dòng)鋪放時(shí)，鋪放壓力來自于壓輥的變形力。且由于該控制方式與數(shù)控系統(tǒng)深度結(jié)合，因此控制算法難度很高。目前，就美國EI自動(dòng)鋪絲機(jī)采用了直動(dòng)式壓力控制。OJEDA等[45]提出了通過實(shí)時(shí)調(diào)控機(jī)器人鋪放系統(tǒng)位置控制點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)鋪放壓力的控制方法。何玉筱[46]對(duì)于整體式壓輥結(jié)構(gòu)提出了纖維整條路徑和路徑中單個(gè)節(jié)點(diǎn)兩個(gè)方面的鋪放壓力均勻性指標(biāo)。并從壓輥鋪放時(shí)在路徑中的姿態(tài)、鋪放壓力和壓輥參數(shù)等3個(gè)方面展開了優(yōu)化壓輥壓力均勻性的研究。由于整體式壓輥結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)壓輥徑向變形產(chǎn)生限制，導(dǎo)致通過壓輥施加在纖維表面上的鋪放壓力不均勻，故提出了一種分段式壓輥結(jié)構(gòu)，經(jīng)過CAE分析發(fā)現(xiàn)，其能顯著提高鋪放壓力的均勻性，如圖24所示。

3.2.2 鋪放溫度

碳纖維自動(dòng)鋪放為了增加可鋪覆性和纖維層黏性，在鋪放過程中需要對(duì)纖維加熱。目前自動(dòng)鋪絲機(jī)的加熱系統(tǒng)熱源主要有紅外加熱燈、激光加熱器、熱氣噴槍以及脈沖光加熱器[47]。

對(duì)于鋪放溫度的精準(zhǔn)控制存在很大問題，主要是在鋪放過程中對(duì)預(yù)浸料表面溫度測量較為困難，特別是對(duì)于復(fù)雜曲面鋪放時(shí)預(yù)浸表面鋪放溫度更難測量。另外，由于加熱系統(tǒng)輻射在纖維表面的熱量還受作用時(shí)間的影響，也即鋪放速度決定了加熱時(shí)間，在復(fù)雜曲面鋪放時(shí)動(dòng)態(tài)鋪放速度對(duì)鋪放溫度的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)反饋就變得尤為困難?，F(xiàn)階段，Colioris自動(dòng)鋪絲/鋪帶機(jī)和MTorres自動(dòng)鋪絲/鋪帶機(jī)主要采用加熱燈對(duì)于鋪放的預(yù)浸料進(jìn)行加熱（如圖25所示）。目前，主要通過紅外傳感器對(duì)于鋪放實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行監(jiān)測、調(diào)整加熱系統(tǒng)功率，然后再結(jié)合鋪放速度規(guī)劃來達(dá)到鋪放溫度的控制。

3.2.3 鋪放張緊力

復(fù)合材料自動(dòng)鋪放過程中的纖維需要一定的預(yù)緊力，也就是鋪放張力，鋪放張力過大或者過小都會(huì)對(duì)鋪放纖維質(zhì)量或者鋪放過程造成多方面的影響。當(dāng)鋪放張力過小，可能造成預(yù)浸料脫離鋪絲頭內(nèi)置的輸送摩擦壓輥，同時(shí)鋪放時(shí)會(huì)導(dǎo)致纖維表面出現(xiàn)大量氣泡、甚至是褶皺等缺陷；當(dāng)張緊力過大，則會(huì)導(dǎo)致纖維鋪放時(shí)架橋、翻邊等缺陷。同時(shí)在送絲過程中，張力過大會(huì)導(dǎo)致絲束相對(duì)送絲壓輥打滑，嚴(yán)重影響預(yù)浸料鋪放的邊界端頭精度。因此，控制鋪放張力在適當(dāng)?shù)墓に嚧翱趦?nèi)是衡量鋪絲設(shè)備性能的重要指標(biāo)之一。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)合材料自動(dòng)鋪放張力控制展開了大量研究。IMAMURA等[48]采用PID和I-PD控制策略，并通過料卷與導(dǎo)紗輥的旋轉(zhuǎn)速度差和料卷芯模上力矩伺服控制，對(duì)自動(dòng)鋪放纖維上的張力進(jìn)行控制。韓振宇等[49]對(duì)張力控制系統(tǒng)小型化的方法展開了研究，設(shè)計(jì)了一套基于氣動(dòng)元件的張力控制系統(tǒng)。LI等[50]將主動(dòng)控制與被動(dòng)控制結(jié)合的方法來控制鋪放張力，通過控制主動(dòng)控制放卷電機(jī)，是絲束鋪放時(shí)的張緊力保持恒定，再設(shè)計(jì)被動(dòng)舞蹈輥結(jié)構(gòu)參數(shù)，并做到了高頻張力波動(dòng)的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，喂絲系統(tǒng)如圖26和圖27所示。

3.3 鋪放軟件

碳纖維復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)離不開自動(dòng)鋪放軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件CAD/CAM的發(fā)展。自動(dòng)鋪放軌跡規(guī)劃CAD/CAM軟件主要根據(jù)材料鋪放工藝特性、構(gòu)件外形特征、材料類型和規(guī)范要求進(jìn)行路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)并生成鋪絲條帶，按照鋪放設(shè)備結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真模擬，并生成可供專用鋪放設(shè)備識(shí)別的NC加工代碼對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行制造[51]。

1989年，美國Cincinnati公司開發(fā)了ACES自動(dòng)鋪放軟件系統(tǒng)，包括自動(dòng)鋪帶和自動(dòng)鋪絲編程（軌跡規(guī)劃）模塊與仿真軟件模塊，如圖28所示，并在美國V-22“鶚”式軍用飛機(jī)、空客A340和A380等大型客機(jī)上復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件上進(jìn)行軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)和鋪放制造[52-53]。另外，西班牙MTorres公司與法國達(dá)索公司合作開發(fā)的TORFIBER和TOLAYER自動(dòng)鋪放軟件系統(tǒng)，由設(shè)計(jì)模塊TORFIBERDES/TOLAYER和制造模塊TORFIBERMAN構(gòu)成。這兩款軟件均通過插件的形式嵌入到了CATIA軟件中，從而可以避免了數(shù)據(jù)輸入及輸出過程中涉及到數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，而造成數(shù)據(jù)某些特征丟失或者偏差等問題。

法國Coriolis公司結(jié)合客戶需求開發(fā)了CADFiber和CATFiber自動(dòng)鋪放編程軟件系統(tǒng)。CADFiber軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件主要基于網(wǎng)格曲面（三角形網(wǎng)格）進(jìn)行鋪層計(jì)算，并通過識(shí)別CATIA軟件通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)數(shù)模，如：鋪層輪廓、坐標(biāo)系等，利用里面的模塊進(jìn)行軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)，而CATFiber直接嵌入CATIA中，主要識(shí)別工裝等數(shù)模并生成能導(dǎo)入CADFiber的工裝數(shù)據(jù)，用于運(yùn)動(dòng)仿真碰撞干涉分析計(jì)算。目前兩種軟件核心算法是類似的，被空客公司、龐巴迪公司、中航工業(yè)、商飛和中建材廣泛使用。

我國對(duì)復(fù)合材料自動(dòng)鋪放的相關(guān)研究較國外晚，對(duì)應(yīng)自動(dòng)鋪放的工業(yè)能力發(fā)展滯后。但近年來，隨著自動(dòng)鋪放技術(shù)研究的不斷深入以及相關(guān)設(shè)備的不斷完善，自動(dòng)鋪放CAD/CAM技術(shù)也得到了快速發(fā)展?，F(xiàn)階段，我國以南航、哈工大、西安交大、浙大和艾美依等為代表的高校、研究機(jī)構(gòu)和設(shè)備廠商開展了相關(guān)技術(shù)研究，并開發(fā)出了自動(dòng)鋪放軟件系統(tǒng)，具備了相關(guān)的工程應(yīng)用能力。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)基于自主的研究成果，先后研制了一系列自動(dòng)化纖維纏繞設(shè)備，并開發(fā)了對(duì)應(yīng)的軟件系統(tǒng)WINDSOFT用于纖維纏繞路徑設(shè)計(jì)[54]。南航與上海萬格合作研發(fā)了我國第一套自動(dòng)鋪絲數(shù)控系統(tǒng)，并在CATIA平臺(tái)上基于相應(yīng)研究開發(fā)了自動(dòng)鋪絲編程軟件系統(tǒng)，具備路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真能力[55]。浙江大學(xué)先后研制了龍門式自動(dòng)鋪絲/鋪帶機(jī)、臥式自動(dòng)鋪絲機(jī)、機(jī)器人自動(dòng)鋪絲機(jī)、重載機(jī)器人鋪絲機(jī)等眾多類型的自動(dòng)鋪放設(shè)備，并基于對(duì)應(yīng)的研究成果，開發(fā)了自動(dòng)鋪放設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)AMEFiber和后置運(yùn)動(dòng)仿真軟件AMESim。

4 結(jié)論與展望

通過對(duì)碳纖維復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)發(fā)展的研究，可見高性能碳纖維復(fù)合材料自動(dòng)鋪放技術(shù)已經(jīng)成為航空航天等領(lǐng)域不可或缺的技術(shù)，這些技術(shù)進(jìn)行大面積使用已成為必然之勢。未來碳纖維自動(dòng)鋪放技術(shù)主要包括以下發(fā)展趨勢。

（1）鋪絲機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)鋪絲/鋪帶頭一體機(jī)，可根據(jù)制造需求，實(shí)現(xiàn)快速、高效的自動(dòng)切換鋪絲/鋪帶頭。將紗架機(jī)構(gòu)、減張器控制機(jī)構(gòu)、重送機(jī)構(gòu)、裁切機(jī)構(gòu)、加熱系統(tǒng)和原位自動(dòng)檢驗(yàn)可視化系統(tǒng)集成到鋪絲頭上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鋪放和檢驗(yàn)一體制造技術(shù)。

（2）寬絲窄帶自動(dòng)鋪放概念

基于制造零件的曲率、纖維角度再結(jié)合制造效率選擇鋪放絲束的類型。設(shè)備具有一定的絲寬適應(yīng)性，可實(shí)現(xiàn)多帶鋪放和寬絲鋪絲，增加多用途自動(dòng)鋪放頭的應(yīng)用，以提高鋪放效率，增加材料利用率，從而降低制造成本。

（3）熱塑性自動(dòng)鋪放技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

熱塑性碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有抗沖擊韌性強(qiáng)，焊接性能良好等優(yōu)點(diǎn)，并且其固化周期短，大大縮短了制造工期，提升了制造效率。

（4）干纖維自動(dòng)鋪放液體成型技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

采用部分浸潤熱塑性樹脂（≤ 8 %）的預(yù)浸料，通過自動(dòng)鋪絲形成預(yù)制件，然后再運(yùn)用液體成型來制造大型構(gòu)件?！案衫w維”自動(dòng)鋪放液體成型技術(shù)節(jié)省了預(yù)浸料制備、低溫儲(chǔ)存以及昂貴的熱壓罐固化工藝環(huán)節(jié)，大為降低了原材料制造和儲(chǔ)存的成本，解決了預(yù)浸料儲(chǔ)存周期短，費(fèi)用高等問題。

（5）自動(dòng)鋪放路徑設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真軟件

國外已經(jīng)開發(fā)出來成熟穩(wěn)定高效的自動(dòng)鋪放軌跡規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)仿真和后置處理軟件系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了多年的工業(yè)化應(yīng)用與制造，我國相關(guān)軟件技術(shù)發(fā)展還不夠成熟，需要繼續(xù)開展相關(guān)研究。

（6）隨著工業(yè)5G技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)與人工智能制造等先進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展，結(jié)合無模型機(jī)器學(xué)習(xí)智能分析方法，基于多傳感器智能實(shí)時(shí)監(jiān)控、對(duì)鋪放過程缺陷進(jìn)行智能檢測，優(yōu)化制造工藝參數(shù)，提高成型質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

參 考 文 獻(xiàn)

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