自動(dòng)鋪帶機(jī)床（ATL）主要用於平面型或低曲率曲面的準(zhǔn)平面型復(fù)材整體構(gòu)件層鋪制造，因此對(duì)於復(fù)雜高曲率輪廓復(fù)材整體構(gòu)件——比如飛機(jī)的機(jī)身段/機(jī)頭/機(jī)尾錐體、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩、進(jìn)氣道、噴管、錐形管、壓氣機(jī)葉片以及其他諸如橢圓形或“C” 形件等復(fù)材整體構(gòu)件，使用ATL機(jī)床將無法進(jìn)行鋪放加工制造，此時(shí)則需要使用自動(dòng)纖維鋪放機(jī)床（AFP），這也將是我們這篇文章所聚焦的主題。 內(nèi)容來自123456
實(shí)際上， 在20世紀(jì)70年代初，自動(dòng)纖維纏繞機(jī)床（AFW）就已開始應(yīng)用於高曲率輪廓復(fù)材構(gòu)件的制造，如圖1所示，在民用工業(yè)中得到較多應(yīng)用。
由於AFW機(jī)床纖維纏繞制造工藝是將一連續(xù)長(zhǎng)纖維束帶采用連續(xù)反復(fù)纏繞到回轉(zhuǎn)的芯模上，通常不能實(shí)現(xiàn)縱向（0°方位）的纖維纏繞以及局部增厚或加筋，而ATL是利用滾壓輥將確定寬度的預(yù)浸料帶鋪放到相對(duì)平直的模具上，且路徑一般是有限的，但容易實(shí)現(xiàn)0°方向的鋪放及局部增厚或加筋層鋪。隨現(xiàn)代大型飛機(jī)中應(yīng)用的復(fù)材整體構(gòu)件輪廓復(fù)雜度越來越高，尺寸也越來越大，傳統(tǒng)AFW和ATL已無法滿足航空飛機(jī)制造實(shí)際應(yīng)用需求。 123,123
為此，上世紀(jì)80年代末產(chǎn)生了將AFW機(jī)床纏繞功能和ATL機(jī)床層鋪、壓緊、切割和重鋪等加工能力融合集成在一臺(tái)設(shè)備上，此即出現(xiàn)了自動(dòng)纖維鋪放機(jī)床（AFP），也叫自動(dòng)鋪絲機(jī)。
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圖2 AFP機(jī)床基本結(jié)構(gòu)
本文來自123
典型AFP機(jī)床基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括有可實(shí)現(xiàn)機(jī)床鋪放頭正交3軸運(yùn)動(dòng)的機(jī)床主體裝置、回轉(zhuǎn)芯模支撐與驅(qū)動(dòng)裝置、帶雙轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)軸的鋪絲頭功能部件和纖維經(jīng)軸架輔助裝置。 本文來自123
從功能上講，AFP和ATL一樣都是利用滾壓輥將預(yù)浸料纖維“束帶”精確地鋪放到確定位置上。但和ATL機(jī)床相比不同的是，首先AFP可根據(jù)鋪放層輪廓形狀需求有目的地選擇1~n個(gè) “纖維束”來組成確定形狀的束帶，因而可層鋪復(fù)雜的、甚至帶窗口的曲面；其次，AFP機(jī)床通常設(shè)計(jì)有一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯?；剞D(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，被稱為芯模旋轉(zhuǎn)軸（臥式）或芯模旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)（立式）。顯然，這是繼承了AFW機(jī)床的結(jié)構(gòu)和功能。因此，和AFW/ATL機(jī)床相比，AFP機(jī)床結(jié)構(gòu)和控制功能也就更復(fù)雜些。 123,123
自動(dòng)鋪絲機(jī)AFP機(jī)床一出現(xiàn)，立即在飛機(jī)復(fù)材整體構(gòu)件制造中得到了廣泛應(yīng)用。世界一些著名的數(shù)控加工機(jī)床制造商和專業(yè)復(fù)材構(gòu)件加工設(shè)備制造商針對(duì)航空飛機(jī)制造用戶不同需求，都在極力快速地推出他們最新的各種不同類型的AFP機(jī)床，以期占領(lǐng)更多巿場(chǎng)份額。 本文來自123
AFP機(jī)床鋪絲頭
鋪絲頭是AFP機(jī)床最為關(guān)鍵的功能部件。典型AFP機(jī)床鋪絲頭一般包括有纖維束（Fiber Tow）牽絲分配輔助裝置、送進(jìn)、夾緊、剪切、重送、加熱和滾壓等裝置構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)AFP機(jī)床的各種鋪放功能。這里以Cincinnati公司的AFP機(jī)床鋪絲頭為例，對(duì)其基本結(jié)構(gòu)作一簡(jiǎn)要介紹，見圖3。 123456
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圖3 AFP鋪放頭及其結(jié)構(gòu)原理圖 本文來自123
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1. 纖維束牽絲分配輔助裝置
纖維鋪放過程中，單根預(yù)浸料纖維一般被稱為“纖維束”，由纖維經(jīng)軸架中被引出，通過牽絲裝置引導(dǎo)在鋪絲頭處，若干并列的纖維束構(gòu)成了具有特定寬度的“纖維束帶”(Band/Tows)薄層。這種復(fù)材纖維束帶薄層在AFP機(jī)床CNC系統(tǒng)控制下可被精確地鋪放在工件模具表面上某一確定的位置處。 123,123
目前，AFP纖維束典型的是由12K單獨(dú)的長(zhǎng)纖維（filaments）組成的，纖維束標(biāo)準(zhǔn)寬度有3.2/6.4/12.7mm三種，最常用的為3.2mm。通常，纖維束典型的是以螺旋形式繞制在一種直徑7.6cm和長(zhǎng)達(dá)28cm的中空的線軸上。對(duì)寬度3.2mm材料IM7-12K纖維束線軸，重量約為2.3kg，長(zhǎng)度可達(dá)3350m。
AFP應(yīng)用中，纖維束寬度精度對(duì)控制兩束間縫隙是很重要的。比如，一個(gè)被設(shè)計(jì)用來裝載3.2±0.38mm寬纖維束的鋪絲頭，意味著纖維束將被限制在3.2mm曲面空間內(nèi)。如果纖維束實(shí)際寬恰好為3.2mm，那么鋪放的兩纖維束間不存在有縫隙。如果實(shí)際寬度僅為2.5mm，鋪放的兩纖維束間存在有0.7mm縫隙，如果實(shí)際寬度為3.8mm，鋪放的兩纖維束間存在有0.6mm重區(qū)。 本文來自123
目前，纖維“束帶”最多可由32根纖維束組成，束帶最大寬度可達(dá)102/406mm。通常每條纖維束都具有單獨(dú)可編程張力控制功能和牽絲輔助裝置，用以支持單獨(dú)纖維束鋪放并保持精確的張力。一般地說，纖維束張力不超過0.23kg，過高的張力將會(huì)導(dǎo)致在凹輪廓區(qū)鋪放時(shí)產(chǎn)生橋接（bridge -over）現(xiàn)象。
2. 剪切裝置
在纖維束鋪放過程中，任意纖維束可被切斷和調(diào)用，從而允許通過增減纖維束數(shù)目來實(shí)現(xiàn)改變鋪放的纖維束帶寬度和構(gòu)成形式。通過調(diào)整纖維束帶寬度，就可以控制相鄰帶間裂縫或相互交覆蓋區(qū)的大小。 本文來自123
3. 夾緊裝置
在纖維束鋪放過程中，任意一纖維束都具有一定張力，當(dāng)需進(jìn)行剪切時(shí)須夾住後面之纖維束，以防止其回收而導(dǎo)致無法控制。通常，當(dāng)要求切斷纖維束前執(zhí)行這種夾緊操作，而當(dāng)要求重送時(shí)松開夾緊裝置。
4. 重送裝置
鋪放過程中，需要對(duì)已切斷的纖維束重新鋪放到構(gòu)件上時(shí)則通過重送裝置實(shí)現(xiàn)。
5. 滾壓裝置 123456
通過滾壓輥壓實(shí)鋪放的纖維束帶并有效實(shí)現(xiàn)層間粘連且緊貼工件型面，其壓緊壓力通常也是為可編程的，或?yàn)榭稍O(shè)置的。
6. 加熱裝置
該裝置用於控制纖維束的粘度，確保滾壓裝置能有效壓緊鋪放的纖維束緊貼模具或工件型面，并擠走鋪層間空氣。典型AFP可控加熱裝置可控制纖維束升溫（27~32℃）產(chǎn)生必要的粘度，并在滾壓輥?zhàn)饔孟履芰己玫卣迟N在工件型面上；而在這之前，纖維束溫度保持在不高於21℃而處?kù)兜驼扯然蚧旧蠠o粘性狀態(tài)，確?？刂评w維束能容易地從經(jīng)軸架的線軸中抽出和傳送到鋪放頭。
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AFP機(jī)床在工業(yè)中的應(yīng)用
1. Cincinnati公司VIPER系列機(jī)床
1985年，波音公司研發(fā)了第一臺(tái)AFP樣機(jī)，其設(shè)計(jì)的鋪絲頭已基本上解決了預(yù)浸料、切斷與重送以及集束壓實(shí)等技術(shù)問題。此後，Cincinnati機(jī)床公司在1989年推出了第一臺(tái)商品化AFP機(jī)床VIPER 1200，被用於V-22 Osprey軍用飛機(jī)4.21m長(zhǎng)的復(fù)材後機(jī)身結(jié)構(gòu)件的制造，見圖4。 本文來自123
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圖4 Cincinnati VIPER 1200 AFP機(jī)床用於鋪放V-22 Osprey後機(jī)身 |
原先該後機(jī)身是被分成9段後采用人工鋪放的，改用AFP機(jī)床自動(dòng)鋪放時(shí)，被作為單一的通過AFP鋪放加工的整體構(gòu)件，節(jié)省了扣件34%，減少修整和裝配勞力53%。通過纖維鋪放設(shè)計(jì)優(yōu)化，纖維束浪費(fèi)率減少了90%。 123,123
應(yīng)用VIPER 1200 AFP機(jī)床進(jìn)行F/A-18E/F超級(jí)大黃蜂軍機(jī)的復(fù)材機(jī)身蒙皮的鋪放，和采用人工纖維鋪放方式相比，節(jié)省勞力38%。
而應(yīng)用VIPER 1200 AFP機(jī)床鋪放的采用蜂窩夾心結(jié)構(gòu)的小型商務(wù)機(jī)Premier I全復(fù)材機(jī)身，僅僅包括兩個(gè)要加工的零件：從雷達(dá)天線艙壁伸出部分到後承力艙的前機(jī)身殼體，長(zhǎng)8米；和從後承力艙到尾錐的後機(jī)身殼體，長(zhǎng)約5米。整個(gè)復(fù)材機(jī)身重量不超過273kg。若采用金屬材料制造機(jī)身重為454kg（減重40%），且組成的零件多於3000個(gè)。 123456
同時(shí)，采用AFP機(jī)床自動(dòng)鋪放和人工鋪放方式相比，復(fù)材纖維束浪費(fèi)率將減少90%。顯然，對(duì)重達(dá)273kg的構(gòu)件而言，復(fù)材纖維束費(fèi)用的節(jié)約將是相當(dāng)可觀的。
隨著鋪放制造的飛機(jī)復(fù)材整體構(gòu)件尺寸越來越大，為滿足不同航空用戶需求，Cincinnati機(jī)床公司先後開發(fā)了AFP系列產(chǎn)品VIPER1200/3000/4000/6000設(shè)備。 123456
圖5（a）為英法德三國(guó)合作的歐洲先進(jìn)復(fù)材發(fā)展研究項(xiàng)目中，BAE公司應(yīng)用小型AFP機(jī)床VIPER1200制造的長(zhǎng)4.5m、最寬處達(dá)2m筒形預(yù)浸料碳纖維全復(fù)材機(jī)身段(FUBACOMP)，該構(gòu)件是由Dassault公司設(shè)計(jì)的。
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a. 筒形全復(fù)材機(jī)身構(gòu)件 b. A380後機(jī)身構(gòu)件
圖5 Cincinnati VIPER系列AFP機(jī)床加工機(jī)身構(gòu)件 |
而使用中型AFP機(jī)床VIPER 3000，能夠鋪放生產(chǎn)大型商用飛機(jī)A380的CFRP復(fù)材尾錐構(gòu)件，構(gòu)件長(zhǎng)4.77m，錐體兩端直徑分別為2.55m和400mm。圖5（b）則為應(yīng)用VIPER 3000機(jī)床生產(chǎn)的新A380客機(jī)非主承力復(fù)材後機(jī)身構(gòu)件，其截面積達(dá)5770×5800mm。 123456
Cincinnati最新VIPER 6000大型AFP機(jī)床鋪絲頭可裝載32束12.7mm寬纖維束，纖維束帶寬達(dá)406mm，能鋪放直徑6.5m、長(zhǎng)達(dá)17m的復(fù)材構(gòu)件，控制轉(zhuǎn)動(dòng)心軸重量可達(dá)86.3t。
據(jù)報(bào)道，波音公司大型787“夢(mèng)想”客機(jī)共設(shè)計(jì)有9個(gè)機(jī)身段構(gòu)件，其中5個(gè)采用的是復(fù)材整體構(gòu)件設(shè)計(jì)制造。Vought公司為波音787客機(jī)制造23%的機(jī)身部件，包括5.8×7m的47段機(jī)身和4.3×4.6m的48段機(jī)身復(fù)材構(gòu)件，使用日本東麗的3900系列碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料復(fù)材，就是在Cincinnati大型AFP機(jī)床 VIPER 6000上進(jìn)行自動(dòng)鋪放制造的。48段機(jī)身復(fù)材構(gòu)件所鋪層數(shù)，最薄處12層，最厚處多達(dá)100層。 內(nèi)容來自123456
2. Ingersoll公司AFP機(jī)床
美國(guó)Spirit（斯匹里特）公司在堪薩斯州的威奇托工廠生產(chǎn)波音787的41段全復(fù)材前機(jī)身，為復(fù)雜外形輪廓的筒形整體構(gòu)件(見圖6)，使用Ingersoll提供的AFP機(jī)床進(jìn)行制造。經(jīng)AFP設(shè)備鋪放完成後的復(fù)材預(yù)構(gòu)件在21.3米×9.1米的熱壓罐中固化，形成高韌可靠和高強(qiáng)度的整體復(fù)材構(gòu)件。
 本文來自123
圖6 波音787 41段前機(jī)身加工由Ingersoll臥式AFP機(jī)床完成 |
Ingersoll公司還生產(chǎn)提供帶芯模旋轉(zhuǎn)軸的臥式AFP機(jī)床，配置GE Fanuc多坐標(biāo)CNC控制系統(tǒng)和復(fù)材編程系統(tǒng)（CPS，Composite Programming System），可用於飛機(jī)承力貨艙、油箱和錐體類等復(fù)雜結(jié)構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩、承載的整流和起落架吊艙片等結(jié)構(gòu)件的鋪放制造。 copyright 123456
該AFP機(jī)床，工作區(qū)設(shè)計(jì)為（4800-6000）×（14000-22800）mm，工作進(jìn)給速度30m/min，快速移動(dòng)速度達(dá)55m/min；定位精度0.05mm，全長(zhǎng)0.4mm，重復(fù)定位精度0.025mm，直線軸加速度500mm/s2。
波音787客機(jī)的8.5m長(zhǎng)的44段機(jī)身以及10m長(zhǎng)的46段機(jī)身由意大利Alenia (阿萊尼亞)公司制造，裝備有Ingersoll公司的最新一代AFP Mongoose H3機(jī)床，應(yīng)用32束12.7mm寬纖維束的鋪絲頭，鋪放速度和切割速度達(dá)30m/min，生產(chǎn)率可達(dá)720 m2/hr碳纖維。Ingersoll公司還提供帶芯模工作臺(tái)的立式龍門結(jié)構(gòu)的AFP機(jī)床。 123456
至2005年，Ingersoll公司已向航空飛機(jī)工業(yè)提供了11臺(tái)AFP機(jī)床，按計(jì)劃到2009年底還會(huì)再提供8臺(tái)AFP機(jī)床。而該公司推出的最新一代AFP機(jī)床鋪放速度可達(dá)60m/min，切割速度50m/min。美國(guó)洛克希德? copyright 123456
馬丁空間系統(tǒng)公司（Lockheed Martin Space Systems）也購(gòu)置有多臺(tái)Ingersoll公司AFP機(jī)床用於復(fù)材整體構(gòu)件的鋪放制造。
3.MTORRES公司AFP機(jī)床
波音787客機(jī)的43段機(jī)身由日本川崎重工（KHI：Kawasaki Heavy Industries）制造，使用西班牙MTORRES公司的新一代AFP機(jī)床，見圖7。 123,123
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圖7 MTORRES公司的新一代鋪絲機(jī) 本文來自123
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在西班牙的馬德里復(fù)合材料研究中心也安裝有一臺(tái)同樣的新一代AFP機(jī)床。MTORRES公司的新一代AFP機(jī)床使用32束任選3.2/6.4/12.7mm寬纖維束的鋪絲頭，鋪絲頭由鋁合金材制成，尺寸小，慣量小，鋪放速度可達(dá)61m/min，機(jī)床線性軸加速度達(dá)3g，最高鋪放生產(chǎn)率達(dá)45-50kg/hr。 123456
ATL/AFP機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)
前面在介紹工業(yè)應(yīng)用中的ATL/AFP機(jī)床時(shí)，對(duì)應(yīng)用自動(dòng)復(fù)材鋪放設(shè)備的益處已有所涉及，本節(jié)將對(duì)此作一專門介紹與討論。
工業(yè)實(shí)踐已表明，應(yīng)用現(xiàn)代先進(jìn)ATL/AFP機(jī)床層鋪生產(chǎn)復(fù)材整體構(gòu)件，和傳統(tǒng)人工/半自動(dòng)人工層鋪復(fù)材構(gòu)件工藝相比具有許多顯著優(yōu)點(diǎn)。 123456
1.提高鋪放生產(chǎn)率
使用ATL/AFP機(jī)床自動(dòng)層鋪技術(shù)，自動(dòng)化水平大大提高，盡管仍然需要少許人工層鋪操作，但和傳統(tǒng)人工層鋪工藝相比可減少傳統(tǒng)人工層鋪勞動(dòng)量（人時(shí)）40%-90%，從而保證高鋪放生產(chǎn)率。
目前，作為測(cè)量ATL/AFP機(jī)床鋪放生產(chǎn)率的高低是以每小時(shí)鋪放復(fù)材公斤數(shù)來評(píng)測(cè)的。ATL機(jī)床鋪放生產(chǎn)率和被鋪放的零件大小有關(guān)，大型平板類復(fù)材構(gòu)件可使用寬規(guī)格帶料，層鋪路徑長(zhǎng)，鋪放生產(chǎn)率較高。 123456
一般來說，人工鋪放生產(chǎn)率平均0.5-1.2kg/hr。目前，ATL機(jī)床鋪放生產(chǎn)率平均達(dá)10-20kg/hr，CTLM機(jī)床最高可達(dá)20-30kg/hr，F(xiàn)TLM機(jī)床最高可達(dá)30-40kg/hr；AFP機(jī)床鋪放生產(chǎn)率平均可達(dá)10-30kg/hr，比人工鋪放提高5-20倍。 123456
2. 減少材料浪費(fèi)，降低成本
人工層鋪帶料復(fù)材浪費(fèi)率超過25%-30%，使用ATL復(fù)材浪費(fèi)率僅3%-10%，平均約5%左右，材料利用率高。人工鋪放纖維束浪費(fèi)率相當(dāng)高，可達(dá)30%-50%。AFP機(jī)床由於纖維束可獨(dú)立鋪放控制，能根據(jù)零件輪廓形狀自動(dòng)適應(yīng)，幾乎不產(chǎn)生廢料，復(fù)材浪費(fèi)率僅2%-7%。
采用自動(dòng)化層鋪技術(shù)一般可降低生產(chǎn)成本30%-50%以上。這主要從減少勞動(dòng)力費(fèi)用和減少材料浪費(fèi)兩方面來取得。 內(nèi)容來自123456
一是減少勞動(dòng)力費(fèi)用：以GKN宇航公司制造A400M軍用運(yùn)輸機(jī)23m長(zhǎng)復(fù)材機(jī)翼梁為例，采用樹脂膜滲透成型（RFI：Resin Film Infusion）工藝，采用碳纖維帶料，使用人工層鋪費(fèi)時(shí)180hr，勞動(dòng)力費(fèi)用40美元/hr，後來使用ATL自動(dòng)層鋪費(fèi)時(shí)1.5hr，勞動(dòng)力費(fèi)用150美元/hr，減少了勞動(dòng)力費(fèi)用95%以上，不僅有效減少生產(chǎn)成本，更重要的是生產(chǎn)效率提高了約120倍，制造周期顯著縮短。
二是減少材料浪費(fèi)：從前面討論可看出，人工層鋪復(fù)材浪費(fèi)率平均要高達(dá)30%-35%。一架A380飛機(jī)可能用碳纖維35t左右，僅翼盒復(fù)材用料就達(dá)5.3t，正常批量生產(chǎn)後，年耗量需要1000t。一架波音787客機(jī)可能用碳纖維25t左右，以年產(chǎn)60架計(jì)，則年耗量1500t。碳纖維環(huán)氧樹脂預(yù)浸料復(fù)材價(jià)格大約為120-180美元/kg。顯然，由於復(fù)材材料的節(jié)約將使得生產(chǎn)成本有相當(dāng)可觀的減少。 內(nèi)容來自123456
3. 制造精度高，質(zhì)量穩(wěn)定
使用ATL/AFP自動(dòng)層鋪技術(shù)可提高制造精度。目前，使用ATL/AFP基礎(chǔ)鋪放精度一般可達(dá)1.2-1.5mm之內(nèi)，最佳精度可達(dá)0.76mm以內(nèi)，人工鋪放一般為±3mm。
使用ATL/AFP自動(dòng)層鋪技術(shù)，鋪放、滾壓等制造工藝過程都是由程序自動(dòng)控制，重復(fù)性與一致性好，質(zhì)量穩(wěn)定，不僅可避免人工鋪放可能發(fā)生的錯(cuò)誤，同時(shí)在相同結(jié)構(gòu)與同等強(qiáng)度下，和人工鋪放相比構(gòu)件通常可減輕重量10%-20%。
4. 可自由鋪放制造大型復(fù)雜復(fù)材構(gòu)件 內(nèi)容來自123456
由於AFP機(jī)床每一根纖維束都可獨(dú)立地被鋪放、壓緊、切斷和重新鋪放等，即實(shí)現(xiàn)獨(dú)立鋪放工藝控制。因此，應(yīng)用AFP便於鋪放制造大型復(fù)雜復(fù)材構(gòu)件，便於實(shí)現(xiàn)纖維束在最佳角度下進(jìn)行交錯(cuò)鋪放、層鋪，以使得零件局部增厚或加筋層鋪，獲得不同壁厚的零件，以確保構(gòu)件重量的最小化，并通過程序設(shè)計(jì)控制不同纖維束鋪放開/關(guān)/切割，可實(shí)現(xiàn)諸如窗戶、門、艙口等復(fù)雜開啟裝置構(gòu)件成型制造。
而且，纖維束自動(dòng)鋪放將不受自然路徑（Natural Path）軌跡限制，鋪放自由度大，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)平滑移動(dòng)變化（Fiber Steer），適合於大曲率復(fù)材構(gòu)件成型制造；還可生產(chǎn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的精邊。這種方式可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)集成度、降低35%的材料浪費(fèi)、減少後續(xù)加工需求及手工操作。 123456
另外，應(yīng)用AFP既能夠鋪放制造大型復(fù)雜復(fù)材構(gòu)件，也能夠鋪放制造簡(jiǎn)單平板類復(fù)材構(gòu)件，起到相當(dāng)於ATL機(jī)床的功能作用，并提高設(shè)備自動(dòng)化來提升生產(chǎn)率，加強(qiáng)了制造過程的可控制性，因此構(gòu)件制造質(zhì)量容易控制，自動(dòng)層鋪復(fù)材構(gòu)件生產(chǎn)流程路徑通常可大為縮短，因而生產(chǎn)占地空間減少，并能促進(jìn)數(shù)字化復(fù)材結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)制造技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用。
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ATL/AFP控制系統(tǒng)與編程 123456
1. ATL/AFP需要專用的NC控制軟件
從前面討論可知，典型ATL/AFP需要配置9-11軸以上的多坐標(biāo)CNC數(shù)控系統(tǒng)，通常其中5個(gè)聯(lián)動(dòng)坐標(biāo)軸用於產(chǎn)生鋪帶頭/鋪絲頭的滾壓輥在空間運(yùn)動(dòng)的自然軌跡（Natural Path），對(duì)AFP還包括對(duì)芯模轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)軸的聯(lián)動(dòng)控制。
這種運(yùn)動(dòng)“軌跡”控制很類似於典型主軸頭帶旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的5軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床控制圓柱端銑刀運(yùn)動(dòng)一樣，不同的是，此時(shí)ATL/AFP的刀具中心為鋪帶頭/鋪絲頭的滾壓輥中心，且不需要設(shè)計(jì)用於驅(qū)動(dòng)切削刀具的一整套主軸驅(qū)動(dòng)裝置。 內(nèi)容來自123456
同時(shí)，ATL/AFP控制系統(tǒng)“刀具軌跡”計(jì)算也不同於典型數(shù)控銑床的CNC系統(tǒng)。通常需要專用的控制軟件、編程系統(tǒng)和後置處理，以使得ATL/AFP多軸運(yùn)動(dòng)的編程及控制變得簡(jiǎn)單，便於實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的鋪放制造。
ATL/AFP根據(jù)鋪層設(shè)計(jì)要求，將纖維預(yù)浸料帶（鋪帶機(jī)）或預(yù)浸料纖維束（鋪絲機(jī)）逐層鋪在模具表面。對(duì)於ATL機(jī)床，預(yù)浸料帶一般呈硬挺狀態(tài)，通常只允許在很小的范圍內(nèi)變形。 本文來自123
因此，為防止鋪放過程造成預(yù)浸料帶屈皺或撕裂、影響鋪帶質(zhì)量以及甚至出現(xiàn)廢品，需確保鋪復(fù)雜曲面預(yù)浸料帶中心線只有沿特定的軌跡運(yùn)動(dòng)才能使預(yù)浸料帶變形最小。這種特定的“軌跡”即被定義為自然軌跡。而對(duì)AFP機(jī)床，雖有自然軌跡、固定纖維走向軌跡（Fixed fiber orientation path）和并行軌跡（Parallel path）等多種方法實(shí)現(xiàn)鋪放軌跡規(guī)劃，但按自然軌跡規(guī)劃仍然最為簡(jiǎn)便。
2. 編程特點(diǎn)及典型的編程軟件 123456
盡管ATL/AFP機(jī)床為可編程的自動(dòng)化CNC控制設(shè)備，但它和典型的金切數(shù)控機(jī)床有較大的不同，目前仍難以實(shí)現(xiàn)或者說達(dá)到典型金切數(shù)控機(jī)床那樣的高水平的人機(jī)交互操作。ATL/AFP機(jī)床的實(shí)際應(yīng)用效果在很大程度上仍取決於復(fù)材構(gòu)件制造設(shè)計(jì)、加工編程人員和操作人員的水平。 copyright 123456
因此，在選配ATL/AFP機(jī)床時(shí)，應(yīng)關(guān)注相關(guān)聯(lián)的復(fù)材構(gòu)件制造設(shè)計(jì)分析、編程和仿真軟件配置功能，并應(yīng)對(duì)相關(guān)編程人員和操作人員進(jìn)行良好的技術(shù)培訓(xùn)。
目前，多數(shù)ATL/AFP機(jī)床制造商在提供機(jī)床硬件的同時(shí)，都能向用戶提供用於ATL/AFP加工應(yīng)用的編程系統(tǒng)、後置處理和鋪放仿真軟件。 本文來自123
例如，Cincinnati公司可向用戶提供ATL/AFP ACES編程應(yīng)用系統(tǒng)，西班牙MTORRES公司ATL/AFP配置Siemens 840D CNC系統(tǒng)并可提供在CATIA運(yùn)行環(huán)境下一種可視化復(fù)材構(gòu)件制造智能軟件包，而法國(guó)FOREST-LINE同樣提供在CATIA環(huán)境下復(fù)材構(gòu)件CAM軟件CAAV5，作為復(fù)材構(gòu)件鋪層和纖維鋪放的分析、仿真和編程工具軟件。
一些主流的商品化CAD/CAM軟件供應(yīng)商也能提供復(fù)材結(jié)構(gòu)件鋪層和纖維鋪放的分析、仿真和編程工具軟件，如CATIA復(fù)材構(gòu)件設(shè)計(jì)模塊，包括復(fù)材構(gòu)件設(shè)計(jì)CPD、制造設(shè)計(jì)CPM和工程設(shè)計(jì)CPE模塊軟件，設(shè)計(jì)人員/編程人員在編程前就可創(chuàng)建與仿真復(fù)材構(gòu)件層鋪過程，并可提供工藝控制軟件和制造工藝數(shù)據(jù)記錄包優(yōu)化等選件。 123,123
3. 編程系統(tǒng)構(gòu)成與基本功能
先進(jìn)的復(fù)材結(jié)構(gòu)件鋪層和纖維鋪放的分析、仿真和編程工具軟件通常能支持ATL/AFP應(yīng)用，并適應(yīng)不同類型的復(fù)材鋪放應(yīng)用。圖8所示為典型的ATL/AFP機(jī)床離線編程系統(tǒng)基本組成框圖。
本文來自123
圖8 ATL/AFP編程軟件基本構(gòu)成框圖 copyright 123456
3D構(gòu)件模型多數(shù)提供直接接收CAD系統(tǒng)傳送來的3D構(gòu)件模型數(shù)據(jù)，或完全可集成在主流的CAD/CAM系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造環(huán)境中應(yīng)用，支持包括手糊、模塑、預(yù)浸料帶鋪覆及纖維鋪放等技術(shù)在內(nèi)的大多數(shù)復(fù)材生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)復(fù)材構(gòu)件快速設(shè)計(jì)和制造。
構(gòu)件層鋪設(shè)計(jì)與優(yōu)化通常包括鋪層初步設(shè)計(jì)、工程詳細(xì)設(shè)計(jì)和可制造設(shè)計(jì)。
初步設(shè)計(jì)主要基於零件結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)件幾何建模，建立構(gòu)件表面模型；進(jìn)行層合板、區(qū)域和鋪層定義，并實(shí)現(xiàn)區(qū)域和過渡區(qū)域建模。
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工程詳細(xì)設(shè)計(jì)是在幾何建模基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)材構(gòu)件制造的基本單元每鋪層的建模，自動(dòng)生成構(gòu)件區(qū)域鋪層定義，一般包括復(fù)材類型、幾何輪廓、鋪放角度/順序/厚度/數(shù)量和參考坐標(biāo)系等，并提供對(duì)鋪層的設(shè)計(jì)分析。通過自動(dòng)生成層合板上表面來創(chuàng)建三維鋪層實(shí)體模型，為構(gòu)件實(shí)現(xiàn)數(shù)字化預(yù)裝配、工裝設(shè)計(jì)以及運(yùn)動(dòng)部件的仿真模擬分析等提供支持。
可制造設(shè)計(jì)包括鋪層展開、材料余量定義、生產(chǎn)能力和生產(chǎn)率分析等若干方面。本文對(duì)此將不作更詳細(xì)的介紹。
復(fù)材構(gòu)件制造工藝數(shù)據(jù)主要包括纖維材料、帶寬、帶厚、鋪放方向和縫隙容限等。
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圖形顯示與工藝仿真由軟件產(chǎn)生的圖形數(shù)據(jù)，能夠應(yīng)用圖像軟件進(jìn)行可視化顯示，包括鋪層展開二維平面圖形、展開數(shù)據(jù)，鋪層實(shí)體圖形等以支持下游制造生產(chǎn)，以快速獲得達(dá)到規(guī)范要求的理想產(chǎn)品與質(zhì)量。同時(shí)多能提供鋪層過程工藝仿真模擬。
APT源代碼自動(dòng)生成是由軟件產(chǎn)生的、能夠通過APT編譯器自動(dòng)處理、NC數(shù)控應(yīng)用處理（後置處理）以及適用於汽車工業(yè)、航宇工業(yè)和其他行業(yè)的復(fù)材結(jié)構(gòu)化零件加工的APT源代碼。
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制造技術(shù)文檔資料自動(dòng)生成是由軟件產(chǎn)生的各種相關(guān)的制造技術(shù)文件等作為復(fù)材構(gòu)件生產(chǎn)和裝配的依據(jù)和工藝指導(dǎo)性文件使用。一旦設(shè)計(jì)模型有所改動(dòng)，相關(guān)的文檔將自動(dòng)更新。
後置處理技術(shù)和數(shù)據(jù)接口是面向具體工業(yè)應(yīng)用開發(fā)的後置處理軟件，能夠針對(duì)具體應(yīng)用將APT源代碼處理成對(duì)應(yīng)的加工程序，并可通過相應(yīng)數(shù)據(jù)接口傳送到具體制造設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)了零件從3D模型（產(chǎn)品設(shè)計(jì)）、工藝規(guī)劃到加工制造的無縫集成，提升了復(fù)材整體構(gòu)件制造自動(dòng)化水平，縮短了構(gòu)件制造周期。
篇尾寄語 123456
復(fù)合材料作為現(xiàn)代先進(jìn)大型飛機(jī)主結(jié)構(gòu)用材已是明顯的發(fā)展趨勢(shì)，復(fù)材整體構(gòu)件已成為現(xiàn)代先進(jìn)大型飛機(jī)的最主要特征，復(fù)合材料的飛機(jī)時(shí)代已經(jīng)來臨。
作為鋪放制造復(fù)材整體構(gòu)件的自動(dòng)鋪帶機(jī)（ATL）與自動(dòng)鋪絲機(jī)（AFP）則隨之得到極為快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，成為現(xiàn)代先進(jìn)大型飛機(jī)制造的關(guān)鍵設(shè)備之一，并處持續(xù)發(fā)展進(jìn)步中，其應(yīng)用日益完善，并開始向非航空應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展。
“十一五”期我國(guó)正式啟動(dòng)實(shí)施了大飛機(jī)重大專項(xiàng)，并正加速進(jìn)入實(shí)質(zhì)性運(yùn)作階段，這也對(duì)ATL/AFP機(jī)床提出了迫切需要。而我國(guó)在ATL/AFP機(jī)床研制、生產(chǎn)和實(shí)際工業(yè)應(yīng)用等基本上還僅處?kù)镀鸩诫A段，和國(guó)際先進(jìn)水平存在有較大差距。而本文對(duì)ATL/AFP機(jī)床基本構(gòu)成、鋪放工藝原理、關(guān)鍵功能部件及其在現(xiàn)代大型飛機(jī)制造中應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了較全面介紹與討論，希望對(duì)推動(dòng)發(fā)展我國(guó)ATL/AFP機(jī)床與工業(yè)應(yīng)用技術(shù)能有所幫助。
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