研制国产自动铺丝设备，提升航空工业的核心竞争力

在“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项（以下简称“04专项”）的支持下，保定标正机床有限责任公司作为责任单位，联合石家庄飞机工业有限责任公司、西安交通大学、河北科技大学和哈尔滨工业大学等单位，共同承担了2014年度课题“航空复合材料构件自动铺丝头设备开发及应用”。该课题的目标是：针对航空复合材料构件制造对纤维自动铺丝技术的迫切需求，研制具有自主知识产权的自动铺丝设备。要求通过产、学、研、用相结合的方式，开展铺丝设备技术的攻关，构建与纤维铺丝设备相关的试验、测试和制造平台，完成小鹰500复合材料机身段壳体的整体铺丝工程验证，制定自动铺丝设备制造技术标准和机身壳体自动铺丝成型工艺规范，实现飞机复合材料构件的制造从传统的手工铺贴模式向先进的数字化制造技术跨越。以此，提升国内在飞机复合材料构件研制方面的水平，推动自动铺丝设备的应用及产业化，增强航空工业的核心竞争力。该课题的起止时间是2014年1月至2017年12月。

开展的研究工作

首先，在对自动铺丝工艺进行研究的基础上，根据自动铺丝不同的功能模块，开展了工程化的样机设计。通过有限元分析，以及对力、热、材料特性和动刚度的分析，掌握了提高纤维铺丝稳定性的关键因素，经不断优化与完善，获得了较为理想的设计结构。

其次，深入研究了关键零部件的制造和整机装配工艺，自顶向下的开放式设计理念提高了拆机与维修的便捷性。

第三，针对纤维自动铺放过程的特殊要求，深入研究了高效路径生成算法，开发出纤维铺放路径规划软件。

第四，由于铺丝设备的整体可靠性涉及到张力控制、伺服控制和误差补偿等多个关键技术环节，因此，在理论分析的基础上，采用仿真和试验相结合的方法，保证了各关键环节的工程可靠性。

第五，研制出专用的旋转机身芯模以及调整、检测仪器设备，对铺丝工艺进行了试验验证。

第六，针对整体复合材料的机身，探索出合适的的铺丝成型工艺，制定出纤维铺放工艺标准规范以及自动铺丝设备的工程化技术标准。

为此，重点划分出以下10项任务：

1. 复合材料自动铺丝设备总体方案设计；

2. 自动铺丝头结构设计优化；

3. 纤维自动铺放路径规划软件开发；

4. 纤维铺放CAM软件开发；

5. 在线实时监测与预警技术；

6. 多轴多系统整体控制技术；

7. 机身壳体整体铺丝芯模设计与制造；

8. 机身壳体整体铺丝工程设计及验证；

9. 铺丝设备工程化技术标准研究；

10. 铺丝设备可靠性运行试验、故障原因统计及分析。

突破的技术瓶颈

1. 自动铺丝设备主体运动机构工程化设计及制造关键技术

要实现复合材料构件的整体铺丝，仅靠铺丝头系统是无法完成的，需要采用大跨度、长距离的主体运动机构作为执行机构，来协助铺丝头完成复合材料构件的整体铺丝。实际加工过程中，为保证铺丝头的空中姿态，要求设备在整个过程中可实现七轴同步联动，确保铺丝过程的连续性。整机结构如图1所示。

图1整机结构

2. 铺丝头与主体运动机构的集成关键技术

铺丝头系统必须通过主体运动机构的动作来达到精确的铺丝位置，因此，铺丝头系统与主体运动机构的集成是自动铺丝设备的重中之重。经研究验证，设计制造了A\C\C12轴回转装置（如图2所示），与铺丝头系统连接，令铺丝头系统能够围绕C\C12轴实现±180°旋转，围绕A轴实现±45°摆动，从而保证了铺丝头在空间任意角度的旋转姿态。

图2 A\C\C12轴回转装置

3. 自动铺丝头结构设计优化及制造关键技术

课题研制的自动铺丝设备，是通过对复合材料预浸丝束的自动铺放来实现复合材料构件的增材制造。在实际加工过程中，需要利用铺丝头来完成对预浸丝束的夹持、重送、剪切、加热和压紧等操作，因此，铺丝头是自动铺丝系统的核心部件，也是铺丝系统中最复杂的机械装置。由西安交通大学负责开发研制的铺丝头，其结构如图3所示，是复杂的机、电、热一体化装置， 。 对自动铺丝头的开发，需要从机械结构设计、控制方法以及铺丝工艺等方面开展系统的研究，只有这样，才能获得高质量的自动铺丝头装置。

图3 铺丝头三维模型及实物

4. 铺丝头与纤维纱架结构的集成

铺丝头与纤维纱架结构集成为一体，可确保铺丝头与纤维纱架的运动保持一致，即在铺丝头与纤维纱架之间无相对运动，同时可缩短和简化纱架中纤维丝束输送至铺丝头的路径，以解决纤维铺丝过程中因输送距离长而导致的丝束张力波动大、实时控制难度大等问题，有效防止纤维带因旋转而出现扭曲和打捻，从而提高铺丝过程的稳定性和可靠性。因此，对铺丝头及纱架进行轻量化的结构设计，优化铺丝头及纱架结构，从而获得了结构紧凑、质量较小且布局合理的新型铺丝头结构，如图4所示。

图4 纱架和铺丝头一体式结构示意图

5. 多轴多系统协同控制与集成技术

课题研制的铺丝头设备系统具有7个自由度，其中，铺丝头水平移动与铺丝头垂直升降属于高速大惯量系统，要求运行速度快、能承受大惯量并可实现多任务协调及多轴联动控制。

后置处理是纤维铺放的核心技术之一，是根据纤维铺放设备的结构及控制形式，将路径规划所生成的轨迹信息，转化为可以被纤维铺放设备识别的各轴运动指令的过程。后置处理的好坏，直接影响零件的加工质量、加工效率以及机床的可靠运行。

6. 纤维自动铺丝路径规划及CAM软件开发

纤维自动铺放路径规划软件是研制复合材料自动铺放设备的关键技术之一。与传统的机加工不同，自动铺丝技术采用按设计方向逐层铺叠的增料加工模式。而自动铺丝路径规划软件，是根据纤维铺放工艺特点和构件外形特征，按照构件结构设计要求，依照铺放设备的结构和工作模式，生成可供专用铺放设备实现复合材料构件成型制造的NC 加工代码。在满足设计要求的基础上，应尽可能提高铺放效率，保证铺放质量，节约材料，降低制造成本。

7. 在线实时监测与预警技术

在线实时监测与预警技术是复合材料自动铺放设备研发过程中一个重要的功能模块。为提升自动铺丝设备的铺丝效率和铺丝质量，需要发现并解决铺丝头在丝束带铺放过程中存在的问题，这就需要开发针对铺丝过程的在线实时监测技术。主要监测内容包括：纤维丝束带的铺放精度、纤维丝束带的剪断状态、纤维丝束带的打捻、铺丝过程温度、纤维丝束张紧力以及纤维丝束带的用量。通过对上述铺放信息进行实时监测，可以及时发现并解决铺丝过程中存在的问题，保证纤维丝束带的铺放质量、均匀性及可靠性。

8. 飞机复合材料机身壳体整体铺丝芯模设计及制造技术

为了适应小鹰500飞机机身段双曲率封闭曲面复合材料构件的工程化整体铺丝制造，针对飞机的结构特点，设计制造了一套可拆式组合芯模。该芯模能够根据生产需求，快速组合、装配成满足要求的模具。

9. 整体机身壳体纤维丝束铺放工艺技术研究

目前，国内尚无相关丝束铺放的工艺规范。依托石家庄飞机工业有限责任公司在复合材料构件的设计、制造方面多年积累的经验及其形成的工艺方法，形成了航空复合材料构件丝束铺放工艺规范体系和质量保证体系，以及从纤维处理、树脂体系、纤维丝束制备到铺丝过程与监测的完整的工艺规范，从而制定出航空复合材料构件（如飞机机身壳体）纤维丝束铺放的技术标准，保证了复合材料构件的高效、高质量制造。

取得的成效

该课题已于2018年6月13日顺利通过了任务终验收，并于2018年8月29日顺利通过了财务验收。课题所研制的铺放系统在一些关键指标（如铺放稳定性、铺放精度等）上与国外同类产品相当。所开发的纤维铺放路径规划软件操作性好，打破了自动铺丝设备及软件的进口垄断，从而有助于推动我国新型号航空产品的研制，提高我国大型高性能航空复合材料构件的制造水平，对保障国防安全意义重大。

通过课题的实施，共申报了13项国家专利，其中9 项发明专利。

制定了6项企业技术标准，初步形成了以自动铺丝头为核心的知识产权体系。后续将根据研究进展，加强知识产权保护和运行，力争早日实现国产自动铺丝装备的大批量工程化应用。目前，课题成果通过了国家机床质量监督检验中心的检验。

产业化情况

到目前为止，课题成果龙门式自动铺丝机满足了石家庄飞机工业有限责任公司小鹰500机身段壳体的铺放技术要求，如图5、图6所示。

图5 龙门式自动铺丝机

图6 设备使用情况                  

2016年，为中航复合材料有限责任公司研制了8丝束的机器人式自动铺丝机，如图7所示。

图7 工业机器人式自动铺丝机          

目前正在为北京卫星制造厂有限公司研发8丝束卧式纤维自动铺缠一体设备。

社会意义

目前，国内尚无国产大型自动铺丝设备，而在我国航空工业快速发展的今天，此类设备必不可少。因此，该课题成果不仅为企业和国家节省了购买昂贵的进口设备所需的外汇，降低了设备的采购、维护和配套成本，还有助于推进纤维增强复合材料在大飞机、风力发电叶片和汽车轻量化部件等领域的应用，尤其是将为大型飞机、高性能军用飞机和大型运输机的发展提供重要的装备支撑。