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研制國(guó)產(chǎn)自動(dòng)鋪絲設(shè)備，提升航空工業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力

在“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)（以下簡(jiǎn)稱“04專項(xiàng)”）的支持下，保定標(biāo)正機(jī)床有限責(zé)任公司作為責(zé)任單位，聯(lián)合石家莊飛機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司、西安交通大學(xué)、河北科技大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位，共同承擔(dān)了2014年度課題“航空復(fù)合材料構(gòu)件自動(dòng)鋪絲頭設(shè)備開(kāi)發(fā)及應(yīng)用”。該課題的目標(biāo)是：針對(duì)航空復(fù)合材料構(gòu)件制造對(duì)纖維自動(dòng)鋪絲技術(shù)的迫切需求，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自動(dòng)鋪絲設(shè)備。要求通過(guò)產(chǎn)、學(xué)、研、用相結(jié)合的方式，開(kāi)展鋪絲設(shè)備技術(shù)的攻關(guān)，構(gòu)建與纖維鋪絲設(shè)備相關(guān)的試驗(yàn)、測(cè)試和制造平臺(tái)，完成小鷹500復(fù)合材料機(jī)身段殼體的整體鋪絲工程驗(yàn)證，制定自動(dòng)鋪絲設(shè)備制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)身殼體自動(dòng)鋪絲成型工藝規(guī)范，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件的制造從傳統(tǒng)的手工鋪貼模式向先進(jìn)的數(shù)字化制造技術(shù)跨越。以此，提升國(guó)內(nèi)在飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件研制方面的水平，推動(dòng)自動(dòng)鋪絲設(shè)備的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化，增強(qiáng)航空工業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。該課題的起止時(shí)間是2014年1月至2017年12月。

開(kāi)展的研究工作

首先，在對(duì)自動(dòng)鋪絲工藝進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)自動(dòng)鋪絲不同的功能模塊，開(kāi)展了工程化的樣機(jī)設(shè)計(jì)。通過(guò)有限元分析，以及對(duì)力、熱、材料特性和動(dòng)剛度的分析，掌握了提高纖維鋪絲穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，經(jīng)不斷優(yōu)化與完善，獲得了較為理想的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

其次，深入研究了關(guān)鍵零部件的制造和整機(jī)裝配工藝，自頂向下的開(kāi)放式設(shè)計(jì)理念提高了拆機(jī)與維修的便捷性。

第三，針對(duì)纖維自動(dòng)鋪放過(guò)程的特殊要求，深入研究了高效路徑生成算法，開(kāi)發(fā)出纖維鋪放路徑規(guī)劃軟件。

第四，由于鋪絲設(shè)備的整體可靠性涉及到張力控制、伺服控制和誤差補(bǔ)償?shù)榷鄠€(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，因此，在理論分析的基礎(chǔ)上，采用仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，保證了各關(guān)鍵環(huán)節(jié)的工程可靠性。

第五，研制出專用的旋轉(zhuǎn)機(jī)身芯模以及調(diào)整、檢測(cè)儀器設(shè)備，對(duì)鋪絲工藝進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

第六，針對(duì)整體復(fù)合材料的機(jī)身，探索出合適的的鋪絲成型工藝，制定出纖維鋪放工藝標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及自動(dòng)鋪絲設(shè)備的工程化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

為此，重點(diǎn)劃分出以下10項(xiàng)任務(wù)：

1. 復(fù)合材料自動(dòng)鋪絲設(shè)備總體方案設(shè)計(jì)；

2. 自動(dòng)鋪絲頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化；

3. 纖維自動(dòng)鋪放路徑規(guī)劃軟件開(kāi)發(fā)；

4. 纖維鋪放CAM軟件開(kāi)發(fā)；

5. 在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)；

6. 多軸多系統(tǒng)整體控制技術(shù)；

7. 機(jī)身殼體整體鋪絲芯模設(shè)計(jì)與制造；

8. 機(jī)身殼體整體鋪絲工程設(shè)計(jì)及驗(yàn)證；

9. 鋪絲設(shè)備工程化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究；

10. 鋪絲設(shè)備可靠性運(yùn)行試驗(yàn)、故障原因統(tǒng)計(jì)及分析。

突破的技術(shù)瓶頸

1. 自動(dòng)鋪絲設(shè)備主體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)工程化設(shè)計(jì)及制造關(guān)鍵技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件的整體鋪絲，僅靠鋪絲頭系統(tǒng)是無(wú)法完成的，需要采用大跨度、長(zhǎng)距離的主體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，來(lái)協(xié)助鋪絲頭完成復(fù)合材料構(gòu)件的整體鋪絲。實(shí)際加工過(guò)程中，為保證鋪絲頭的空中姿態(tài)，要求設(shè)備在整個(gè)過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)七軸同步聯(lián)動(dòng)，確保鋪絲過(guò)程的連續(xù)性。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1整機(jī)結(jié)構(gòu)

2. 鋪絲頭與主體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的集成關(guān)鍵技術(shù)

鋪絲頭系統(tǒng)必須通過(guò)主體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作來(lái)達(dá)到精確的鋪絲位置，因此，鋪絲頭系統(tǒng)與主體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的集成是自動(dòng)鋪絲設(shè)備的重中之重。經(jīng)研究驗(yàn)證，設(shè)計(jì)制造了A\C\C12軸回轉(zhuǎn)裝置（如圖2所示），與鋪絲頭系統(tǒng)連接，令鋪絲頭系統(tǒng)能夠圍繞C\C12軸實(shí)現(xiàn)±180°旋轉(zhuǎn)，圍繞A軸實(shí)現(xiàn)±45°擺動(dòng)，從而保證了鋪絲頭在空間任意角度的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)。

圖2 A\C\C12軸回轉(zhuǎn)裝置

3. 自動(dòng)鋪絲頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及制造關(guān)鍵技術(shù)

課題研制的自動(dòng)鋪絲設(shè)備，是通過(guò)對(duì)復(fù)合材料預(yù)浸絲束的自動(dòng)鋪放來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件的增材制造。在實(shí)際加工過(guò)程中，需要利用鋪絲頭來(lái)完成對(duì)預(yù)浸絲束的夾持、重送、剪切、加熱和壓緊等操作，因此，鋪絲頭是自動(dòng)鋪絲系統(tǒng)的核心部件，也是鋪絲系統(tǒng)中最復(fù)雜的機(jī)械裝置。由西安交通大學(xué)負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)研制的鋪絲頭，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，是復(fù)雜的機(jī)、電、熱一體化裝置， 。 對(duì)自動(dòng)鋪絲頭的開(kāi)發(fā)，需要從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制方法以及鋪絲工藝等方面開(kāi)展系統(tǒng)的研究，只有這樣，才能獲得高質(zhì)量的自動(dòng)鋪絲頭裝置。

圖3 鋪絲頭三維模型及實(shí)物

4. 鋪絲頭與纖維紗架結(jié)構(gòu)的集成

鋪絲頭與纖維紗架結(jié)構(gòu)集成為一體，可確保鋪絲頭與纖維紗架的運(yùn)動(dòng)保持一致，即在鋪絲頭與纖維紗架之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)可縮短和簡(jiǎn)化紗架中纖維絲束輸送至鋪絲頭的路徑，以解決纖維鋪絲過(guò)程中因輸送距離長(zhǎng)而導(dǎo)致的絲束張力波動(dòng)大、實(shí)時(shí)控制難度大等問(wèn)題，有效防止纖維帶因旋轉(zhuǎn)而出現(xiàn)扭曲和打捻，從而提高鋪絲過(guò)程的穩(wěn)定性和可靠性。因此，對(duì)鋪絲頭及紗架進(jìn)行輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化鋪絲頭及紗架結(jié)構(gòu)，從而獲得了結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量較小且布局合理的新型鋪絲頭結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 紗架和鋪絲頭一體式結(jié)構(gòu)示意圖

5. 多軸多系統(tǒng)協(xié)同控制與集成技術(shù)

課題研制的鋪絲頭設(shè)備系統(tǒng)具有7個(gè)自由度，其中，鋪絲頭水平移動(dòng)與鋪絲頭垂直升降屬于高速大慣量系統(tǒng)，要求運(yùn)行速度快、能承受大慣量并可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)協(xié)調(diào)及多軸聯(lián)動(dòng)控制。

后置處理是纖維鋪放的核心技術(shù)之一，是根據(jù)纖維鋪放設(shè)備的結(jié)構(gòu)及控制形式，將路徑規(guī)劃所生成的軌跡信息，轉(zhuǎn)化為可以被纖維鋪放設(shè)備識(shí)別的各軸運(yùn)動(dòng)指令的過(guò)程。后置處理的好壞，直接影響零件的加工質(zhì)量、加工效率以及機(jī)床的可靠運(yùn)行。

6. 纖維自動(dòng)鋪絲路徑規(guī)劃及CAM軟件開(kāi)發(fā)

纖維自動(dòng)鋪放路徑規(guī)劃軟件是研制復(fù)合材料自動(dòng)鋪放設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一。與傳統(tǒng)的機(jī)加工不同，自動(dòng)鋪絲技術(shù)采用按設(shè)計(jì)方向逐層鋪疊的增料加工模式。而自動(dòng)鋪絲路徑規(guī)劃軟件，是根據(jù)纖維鋪放工藝特點(diǎn)和構(gòu)件外形特征，按照構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，依照鋪放設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作模式，生成可供專用鋪放設(shè)備實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件成型制造的NC 加工代碼。在滿足設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能提高鋪放效率，保證鋪放質(zhì)量，節(jié)約材料，降低制造成本。

7. 在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)

在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)是復(fù)合材料自動(dòng)鋪放設(shè)備研發(fā)過(guò)程中一個(gè)重要的功能模塊。為提升自動(dòng)鋪絲設(shè)備的鋪絲效率和鋪絲質(zhì)量，需要發(fā)現(xiàn)并解決鋪絲頭在絲束帶鋪放過(guò)程中存在的問(wèn)題，這就需要開(kāi)發(fā)針對(duì)鋪絲過(guò)程的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)。主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：纖維絲束帶的鋪放精度、纖維絲束帶的剪斷狀態(tài)、纖維絲束帶的打捻、鋪絲過(guò)程溫度、纖維絲束張緊力以及纖維絲束帶的用量。通過(guò)對(duì)上述鋪放信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決鋪絲過(guò)程中存在的問(wèn)題，保證纖維絲束帶的鋪放質(zhì)量、均勻性及可靠性。

8. 飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)身殼體整體鋪絲芯模設(shè)計(jì)及制造技術(shù)

為了適應(yīng)小鷹500飛機(jī)機(jī)身段雙曲率封閉曲面復(fù)合材料構(gòu)件的工程化整體鋪絲制造，針對(duì)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制造了一套可拆式組合芯模。該芯模能夠根據(jù)生產(chǎn)需求，快速組合、裝配成滿足要求的模具。

9. 整體機(jī)身殼體纖維絲束鋪放工藝技術(shù)研究

目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)絲束鋪放的工藝規(guī)范。依托石家莊飛機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司在復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計(jì)、制造方面多年積累的經(jīng)驗(yàn)及其形成的工藝方法，形成了航空復(fù)合材料構(gòu)件絲束鋪放工藝規(guī)范體系和質(zhì)量保證體系，以及從纖維處理、樹(shù)脂體系、纖維絲束制備到鋪絲過(guò)程與監(jiān)測(cè)的完整的工藝規(guī)范，從而制定出航空復(fù)合材料構(gòu)件（如飛機(jī)機(jī)身殼體）纖維絲束鋪放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，保證了復(fù)合材料構(gòu)件的高效、高質(zhì)量制造。

取得的成效

該課題已于2018年6月13日順利通過(guò)了任務(wù)終驗(yàn)收，并于2018年8月29日順利通過(guò)了財(cái)務(wù)驗(yàn)收。課題所研制的鋪放系統(tǒng)在一些關(guān)鍵指標(biāo)（如鋪放穩(wěn)定性、鋪放精度等）上與國(guó)外同類產(chǎn)品相當(dāng)。所開(kāi)發(fā)的纖維鋪放路徑規(guī)劃軟件操作性好，打破了自動(dòng)鋪絲設(shè)備及軟件的進(jìn)口壟斷，從而有助于推動(dòng)我國(guó)新型號(hào)航空產(chǎn)品的研制，提高我國(guó)大型高性能航空復(fù)合材料構(gòu)件的制造水平，對(duì)保障國(guó)防安全意義重大。

通過(guò)課題的實(shí)施，共申報(bào)了13項(xiàng)國(guó)家專利，其中9 項(xiàng)發(fā)明專利。

制定了6項(xiàng)企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，初步形成了以自動(dòng)鋪絲頭為核心的知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系。后續(xù)將根據(jù)研究進(jìn)展，加強(qiáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和運(yùn)行，力爭(zhēng)早日實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)自動(dòng)鋪絲裝備的大批量工程化應(yīng)用。目前，課題成果通過(guò)了國(guó)家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢驗(yàn)。

產(chǎn)業(yè)化情況

到目前為止，課題成果龍門式自動(dòng)鋪絲機(jī)滿足了石家莊飛機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司小鷹500機(jī)身段殼體的鋪放技術(shù)要求，如圖5、圖6所示。

圖5 龍門式自動(dòng)鋪絲機(jī)

圖6 設(shè)備使用情況                  

2016年，為中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司研制了8絲束的機(jī)器人式自動(dòng)鋪絲機(jī)，如圖7所示。

圖7 工業(yè)機(jī)器人式自動(dòng)鋪絲機(jī)          

目前正在為北京衛(wèi)星制造廠有限公司研發(fā)8絲束臥式纖維自動(dòng)鋪纏一體設(shè)備。

社會(huì)意義

目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)國(guó)產(chǎn)大型自動(dòng)鋪絲設(shè)備，而在我國(guó)航空工業(yè)快速發(fā)展的今天，此類設(shè)備必不可少。因此，該課題成果不僅為企業(yè)和國(guó)家節(jié)省了購(gòu)買昂貴的進(jìn)口設(shè)備所需的外匯，降低了設(shè)備的采購(gòu)、維護(hù)和配套成本，還有助于推進(jìn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在大飛機(jī)、風(fēng)力發(fā)電葉片和汽車輕量化部件等領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是將為大型飛機(jī)、高性能軍用飛機(jī)和大型運(yùn)輸機(jī)的發(fā)展提供重要的裝備支撐。