復合材料纖維鋪放成型技術是在纏繞基礎上發展起來的一種全自動制造技術。自動鋪帶采用數控技術實現預浸帶剪裁、定位、鋪疊、輥壓，取代手工鋪疊，質量好，效率高。鋪放成型設備主要由芯模和多自由度的鋪放頭系統構成，通過計算機協調、控制成型過程。目前，復合材料鋪放成型技術在國外研究較多^[1~9]，國內研究纏繞技術較多^[10~14]，對鋪放技術研究我國尚屬空白，但在積極探索之中^[15~18]。國內復雜的鋪放制品基本上以手工鋪層為主，其生產效率低、鋪層質量不穩定、材料利用率低、制造周期長，難以實現復雜的結構設計要求，制約了我國航空構件制造技術的發展和水平的提高。本文針對大梁帶鋪放工藝的特點，設計了大梁帶復合材料鋪放系統及其運動仿真。
1 大梁帶鋪放工藝
    大梁帶是直升機主旋翼的大梁，大梁帶鋪放工藝如圖1所示。大梁帶鋪放就是在控制系統的指令下把鋪放頭移動到指定的空間位置，使鋪放頭在一定角度內轉動，控制鋪放頭按設定的軌跡運動，保證鋪放頭的壓緊輥能夠始終與芯模的接觸面保持垂直。按照各層預浸帶的鋪放工藝，從內層開始直至外層一層層鋪放，直至鋪成所需的形狀。圖1中4為大梁帶鋪放芯模，1、2、3分別為在芯模上依次鋪放的三層預浸帶。由于大梁帶的鋪放特性，其復合材料鋪放模式為立式鋪放模式。

               
2 鋪放設備總體設計
    根據鋪放工藝要求，由于大梁帶芯模較長而寬度較窄，為縮小鋪放設備總體尺寸，增加鋪放設備剛度，需將大梁帶鋪放設備設計為龍門式結構。由多軸龍門式機械臂完成預浸料坐標控制，預浸帶在壓輥的作用下沿設定軌跡鋪疊到模具表面。圖2為在Pro/Engineer中建立的纖維鋪放機整機的實體模型。它的整體由兩部分構成，分別為鋪放主機部分（包括鋪放頭）和芯模部分。它的底座直接安放在地面上，從而使得垂直高度減到小。把縱向直線傳動單元、橫向滑動支架、旋轉臺和料盤等都設計在上面，其整體高度不會過高，結構緊湊。為了實現鋪放機可以將鋪放頭移動到任意指定位置的功能，本鋪放機設計有2個直線運動軸X、Y和一個旋轉軸Z。芯模放置在水平的工作臺上。在大梁帶鋪放過程中，鋪放頭通過以上的X、Y、Z向的耦合運動，通過控制系統，在伺服電機的驅動下，按既定軌跡運動，把預浸帶鋪放到芯模之上。 [-page-]

                
3 鋪放機直線運動機構設計
    鋪放機芯?？蚣艿妮^短兩側面分別用螺栓裝有兩根支撐柱，它的較長兩側面焊有若干個高度很矮的支撐柱，在芯模框架較長兩側的上方分別裝有一根Y向直線傳動導軌1，如圖3所示。每根直線傳動導軌的尾部都安裝有伺服電機，每個直線傳動導軌上面各裝有兩個滑塊，以滑塊為依托在Y向直線傳動導軌上面橫跨安裝著移動平臺4。在伺服電機的驅動下，移動平臺可沿Y向導軌往返運動，同時通過控制伺服電機的轉速可實現控制移動平臺沿Y軸方向移動的速度。

            
    同理，在移動平臺4上安裝有一根X向直線傳動導軌5。在X向導軌5安裝有滑塊6，通過齒型帶輪、齒型帶拖動滑塊6沿X向運動?；瑝K下方安裝有鋪放頭3,有一個渦輪-蝸桿實現了鋪放頭的旋轉運動，鋪放頭運動關系與鋪放機的運動耦合,即利用鋪放機Y向直線傳動單元、X向直線傳動單元及自身旋轉運動，實現其對芯模的鋪放。
4 鋪放頭
    鋪放頭是預浸帶鋪放加工的關鍵機構。為了使鋪放頭能夠在芯模上實現準確的定位，保證在鋪放時鋪放頭的壓緊輥能夠始終與芯模的接觸面保持垂直，還需要1個轉動軸Z。鋪放頭旋轉運動是靠一組蝸輪蝸桿副來實現的，蝸輪與鋪放頭相連接，蝸桿的尾部安裝有伺服電機，在伺服電機的驅動下，蝸桿轉動進而帶動蝸輪旋轉，從而完成鋪放頭的旋轉。
    在鋪放系統包含的運動中，鋪放頭機構對連續的預浸膠纖維帶實現引出、導向、定位、施壓、剪切、夾緊等運動。圖4所示為在Pro/Engineer中建立的鋪放頭實體結構模型。通過鋪放頭連接機構10與鋪放設備的導軌向連，預浸料安裝在料盤7上，料盤連接一個磁粉制動器8，磁粉制動器和張力傳感器6配合可有效實現對預浸帶張力的控制。預浸料上的PE保護膜通過收PE膜裝置3回收，預浸料脫PE膜后經過鋪放頭內4個導向輥到達鋪放輪2，鋪放輪2的作用是把預浸膠帶壓緊在芯模上，其后的壓力傳感器1可靈敏感覺到壓輥在鋪放過程中對預浸膠帶實施的壓緊力的大小，及時反饋給控制系統并通過控制系統實現對壓輥的控制以調整壓緊力的大小，具體動作是由一個低摩擦氣缸和滑軌、滑塊來配合完成的。編碼器9根據導輥的轉動進而記錄下鋪放過程中使用了多少預浸帶。在鋪放頭上支板4和下支板5之間有一個用氣缸控制的切斷刀11(圖中未顯示)。大梁帶鋪放頭內部機構實現了三個主要功能：①實現了對預浸膠纖維帶的剪切／夾緊；②實現了對預浸膠纖維帶的輸送；③實現了對預浸膠纖維帶的張緊力的控制以及PE膜的回收。 [-page-]

               
5 大梁帶鋪放機的運動仿真
    在Pro/E中運用Pro/Mechanism的操作流程如下：①以連接方式建立欲分析的機構組裝；②不足相關的運動配合條件；③設定初始位置；④加入驅動條件；⑤設定分析條件并仿真；⑥播放分析結果。然后在裝配模型中添加相關的運動副及旋轉副。在本設計中，X軸直線運動的往復運動由電機驅動齒型帶輪、齒型帶完成。鋪放頭Z軸的旋轉采用渦輪蝸桿副來模擬。添加完各個運動副和旋轉副后，設定仿真運動的初始位置，然后進行伺服電機的添加及電機運動方程的設定，伺服電機是鋪放機的仿真關鍵所在。只有電機運動方程設定準確，運動軸之間的運動耦合準確，才能使鋪放頭的壓緊輥壓實在芯模的表面。在鋪放頭和芯模表面之間采集芯模外形軌跡來模擬鋪放運動。完成上面的步驟后就可以建立運動仿真任務并運行仿真，建立分析任務，設定運行時間，添加相關的伺服電機就可進行仿真運行。大梁帶鋪放設備在鋪放過程中，鋪放頭必須始終沿著鋪放表面法線方向。圖5所示為鋪放頭在鋪放過程中的不同位置。通過運動仿真可使原來在二維圖紙上難以表達和設計的運動變得非常直觀和易于修改，并且能夠大大簡化機構的設計開發過程，縮短開發周期，減少開發費用，同時提高產品質量。在Pro/Engineer中，運動仿真的結果不但可以動畫的形式表現出來，還可以以參數的形式輸出，從而可以獲知零件之間是否干涉，干涉的體積有多大等。根據運動仿真結果對所設計的零件進行修改，直到不產生干涉為止。

             
6 結論
    (1)根據大梁帶鋪放工藝進行鋪放設備總體設計，確定鋪放機各組件的結構設計，然后在Pro/Engi-neer中對其各個機構進行實體建模，并裝配成整機；
    (2)采用Pro/E提供的模塊實現大梁帶鋪放機內部機構運動學分析和運動仿真?？梢垣@知零件之間是否干涉和檢驗運動是否正確；
    (3)鋪放技術和設備在我國目前尚屬空白，歐美等發達又對禁運這種高新技術設備。本文結合某企業實際需要，在資料缺乏的情況下，設計了一臺大梁帶鋪放機，實際加工裝配工作正在進行之中，對于我國先進復合材料制造技術以及我國航空事業的發展具有重要意義。
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