自動鋪放CAD/CAM軟件技術的發展
西方發達經過幾十年的研究,特別是隨著專業軟件開發商的加入,已經開發了多套商用自動鋪放CAD/CAM軟件并形成了完備的復合材料設計制造解決方案。1987年,美國的H.W.Lewis等次提出了“自然路徑”(Natural Path)的概念以保證預浸帶在自動鋪放過程中變形小,建立了通過將xoy平面中獲得的初始點和由鋪放角度計算得到的初始方向投影到曲面,再利用多次投影進行近似求解“自然路徑”的軌跡規劃算法。在該的基礎上,美國Cincinnati公司于1989年開發了ACES(Advanced CompositesEnvironment Software)離線編程與仿真軟件系統,ACES系統將“自然路徑”算法應用于自動鋪絲軌跡規劃,形成了用于自動鋪帶的ACRAPATH模塊和用于自動鋪絲的ACRAPLACE模塊,具有CATIA V5模型數據的導入、軌跡規劃、后置處理、加工仿真和NC代碼生成等功能,并成功應用于長度為4.21m的美國V-22“鶚”式軍用飛機后機身復合材料結構件的制造,通過軌跡優化減少勞動力53%,廢料率降低了90%。隨后,日本的N.Shinno等于1991年提出了利用四邊形網格化曲面,通過求解給定初始點和初始方向的測地線迭代算法進行軌跡規劃,提高了“自然路徑”軌跡規劃算法的精度和效率。
此外,針對自動鋪絲技術的特性,美國的Waldhart等提出了根據相鄰鋪層角度構造分段函數的方法求得初始參考線,再按初始參考線法線方向投影作等距平移得到參考線族進行自動鋪絲軌跡規劃的方法;Hale等在此基礎上開展了以0°軌跡為基礎構造分段曲線再擬合得到初始參考線的研究工作;Shirinzaden等提出了利用特征平面與鋪放曲面的交線作為初始參考線的方法。
目前,自動鋪絲常見的軌跡規劃方法包括:根據初始參考線在曲面上進行等距平移法(Parallel Path)、與某一參考軸線成固定角度規劃法(FixedFiber Orientation Path)、針對回轉體環向鋪放的等距螺旋法(基于纏繞技術)和給定點纖維方向進行軌跡規劃(基于變剛度鋪放理論)等4種方法。在上述算法的基礎上,專業軟件開發商結合自身軟件產品與設備制造商聯合開發了商用自動鋪放CAD/CAM軟件。如美國VISTAGY公司的FiberSIM軟件提供了多種復合材料設計制造解決方案。其中Tape Laying Interface模塊用于自動鋪帶,Fiber Placement Interface模塊用于自動鋪絲。該軟件可讀取CATIA、UG、Pro/E 等通用CAD/CAM/CAE軟件文件中構件幾何信息以及構件模具面、層位置和邊界信息等,準確生成滿足鋪層邊界要求的平面展開圖樣,根據設計要求自動生成NC加工代碼文件,還可以完成復合材料部件的可制造性評估,精確模擬纖維的材料特性,完成復合材料部件的分析、設計和制造,將層合板的設計信息與有限元分析軟件和制造設備形成無縫連接,可實現設計制造過程一體化、自動化,降低制造成本。
美國CGTech公司在原有數控加工仿真軟件VERICUT的基礎上開發了獨立于CNC機床環境的自動鋪帶和自動鋪絲的離線NC 編程及仿真軟件VCP & VCS(VERICUT Composite Programming and Simulation) 軟件,該軟件可讀取CAD文件中的曲面模型和鋪層邊界信息,生成鋪放軌跡,整合單層軌跡,進行鋪層順序優化。生成NC代碼,同時提供了通用CAD/CAM軟件接口,能實現CATIA、UG、MasterCAM等軟件的嵌入運行。AFPT/Koeirit公司即采用該軟件用于熱塑性鋪帶系統的開發。
2004年,空中客車公司(AIRBUS)與法國純粹和應用數學中心(CIMPA)以航空航天領域廣泛采用的CAITA V5軟件為平臺,基于CATIA CAA V5技術聯合開發了自動鋪帶CAD/CAM的TapeLay軟件。該軟件可直接集成到CAITA V5系列軟件中,包括自動鋪帶CAD部分的Tape Generation模塊和CAM部分的Tape Manufacturing模塊。TapeGeneration模塊直接獲取CATIA CPD(Composite Design)模塊的鋪層設計數據,完成鋪層展開、軌跡規劃、帶形切割設計、實時三維仿真等步驟;TapeManufacturing模塊則主要針對法國Forest Line公司的一步法鋪帶機、兩步法鋪帶機和雙工位鋪帶機生成相應的加工NC代碼。該軟件已成功應用于法國Rafale戰斗機機翼蒙皮的制造,西班牙M-Torres公司也采用了該軟件用于自動鋪放設備的開發,美國Ingersoll公司則開發了同樣基于CATIA CAA V5技術的自動鋪絲CAD/CAM軟件ICPS(Ingersoll Composite Programming System)軟件。










































