自動鋪帶技術在航空復合材料制造領域的應用(上)
目前，復合材料已經成為航空航天領域的重要材料，航空工業的復合材料時代已經來臨。以波音和空客為代表的大型客機波音787和空客A350，復合材料應用比例分別已達到和超過了50%，整個機身、機翼結構幾乎全部采用了碳纖維復合材料（圖1），取得了顯著的經濟效益。這些大尺寸復合材料構件，均采用了自動化制造技術，機身采用自動鋪絲技術，機翼采用自動鋪帶技術。自動鋪帶技術在加工翼面類小曲率復合材料構件和某些梁、長桁等復合材料構件方面具有很強優勢。
自動鋪帶技術
自動鋪帶技術是將一定寬度的預浸帶，通過鋪帶機的送進、裁剪、輥壓功能，將材料鋪疊在模具上，完成復合材料鋪層的自動化鋪疊。該技術易于實現自動化生產，可以有效地提高生產效率，降低勞動強度。鋪帶程序一旦固定，將重復操作，有利于提高制件的質量一致性，是一種低成本的復合材料自動化制造技術。自動鋪帶技術集成了自動鋪帶設備、自動鋪帶材料、自動鋪帶工藝等多項內容，是一項綜合的復合材料自動化制造技術。
自動鋪帶設備
自動鋪帶設備是計算機控制技術、軟件技術、機械設計與制造技術的結合。與金屬加工機床類似，將金屬切削功能變換為鋪帶功能。其核心是多系統協調控制的自動鋪帶頭。在鋪帶頭上集成了多個系統，包括材料的放卷和收卷系統、送進系統、缺陷檢測系統、超聲切割系統、加熱系統、輥壓系統等。材料的放卷和收卷實現預浸料的收放和背襯紙的回收。通常采用力矩電機執行，系統根據卷軸的半徑和速度大小，實時輸出變化扭矩，保持材料張力的恒定。送進系統主要包括材料的壓緊、送進，同時要與鋪疊進給速度匹配，實現預浸料帶的送進與鋪疊的同步控制。檢測系統實現預浸料的缺陷檢測，通常采用紅外攝像裝置，通過設定圖像的對比度，檢測襯紙撕裂等缺陷。超聲切割系統，由超聲發生器和超聲刀組成，超聲刀安裝在旋轉軸上實現不同角度的切割。切割過程剛好切斷預浸料而不切斷襯紙，因此要有精密的切深調節裝置。切身調節時將刀尖抵住測量平臺，測量裝置將切刀的深度測量值實時顯示，通過調節機械旋鈕，實現切割深度的調節，調節精度為微米級。加熱系統對于自動鋪帶機并不是必須的，取決于材料的粘性和工藝的實施方案，在某些特定的場合可以對材料加熱，可以采用熱風系統或紅外加熱裝置。輥壓系統將預浸料壓實在模具上，為了保證壓實的均勻性，在壓輥的控制上要具有一定的柔性。先壓輥的選擇通常是具有一定壓縮特性的橡膠或者硅膠材料制成，壓輥的支撐結構可采用浮動氣缸結構，實現壓輥上下運動的自適應性。并在壓輥的兩端加裝壓力傳感器，實時檢測壓輥兩端的壓力，調節擺角機構，實現壓力的均勻性。正是由于以上多系統的協調控制，增加了自動鋪帶設備的研制難度，因此國內在自動鋪帶設備的研制方面起步較晚，且一直處于跟蹤模仿階段。
目前，工程化應用的自動鋪帶設備有臥式結構和立式結構。臥式結構適合鋪疊回轉體零件，在航空復合材料制造領域應用較少，在航天領域有所報道，例如火箭筒段的鋪帶，該類設備與纏繞類似，可被纏繞和鋪絲技術取代。目前，廣泛應用于航空復合材料制造領域的是立式結構的鋪帶設備（圖2），此類設備適合鋪疊開敞式復合材料壁板的自動化鋪疊。
波音和空客是航空復合材料制造的佼佼者，在其大型客機的制造過程中大量采用立式自動鋪帶設備制造大型機翼、尾翼等蒙皮結構。設備主要來自歐美，如西班牙mtorres、美國mag集團辛辛那提、美國MAG集團Forest-Line。前兩家生產的鋪帶機多為單工位自動鋪帶機。單工位自動鋪帶機在鋪帶頭上有1~2把超聲切割刀，切刀沿直線運動，同時可以進行旋轉，與材料的送進合成角度的切割、材料的切割與鋪疊交替進行。而美國MAG集團Forest-Line開發了離線切割與自動鋪帶相結合的雙工位自動鋪帶機（圖3）。自動鋪帶頭帶有兩個工位，一個工位帶有1把超聲切割刀，進行大面積鋪疊與切割；另外一個工位將預浸料在access下料機上進行預切割，通過軟件和光學檢測設備，對形狀各異的料帶進行在線檢測，合格的料帶通過精確的制孔定位技術按照鋪放序列覆膜收卷，然后將卷盤裝在雙工位鋪帶頭上，進行復雜輪廓料帶鋪疊，可以減少鋪疊過程中廢料去除時間，提高了生產效率。
自動鋪帶材料
自動鋪帶機采用的材料是單向預浸帶，寬度有75mm、150mm和300mm 3種，單面背襯紙。采用何種帶寬的材料，涉及到制件的曲率大小、鋪疊效率等因素。自動鋪帶機主要是利用壓輥的變形量來適應曲面的曲率，保證材料鋪疊過程的壓實度。按照不產生架橋的規則采用的估算公式如下：→（1）
其中，R為零件曲率半徑，L為壓輥長度，△為壓輥變形量。
目前，用于自動鋪帶工藝的單項窄帶主要采用寬幅預浸料精密分切工藝。一般要求材料的寬度精度達到0.5mm，纖維連續，這樣才能更好地控制鋪疊間隙，同時要保證纖維的準直度。預浸料的分切要采用專用的分切設備，采用零背向處理工藝，保證預浸料和襯紙的有效貼合。分切設備要帶有高精度糾偏機構，保證纖維的準制度，盡量避免纖維絲的切斷，全過程進行張力控制，保證分切流暢和收卷整齊、松緊度合適，制備符合自動鋪帶要求的預浸帶料卷，如圖4所示。
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自動鋪帶技術
自動鋪帶技術是將一定寬度的預浸帶，通過鋪帶機的送進、裁剪、輥壓功能，將材料鋪疊在模具上，完成復合材料鋪層的自動化鋪疊。該技術易于實現自動化生產，可以有效地提高生產效率，降低勞動強度。鋪帶程序一旦固定，將重復操作，有利于提高制件的質量一致性，是一種低成本的復合材料自動化制造技術。自動鋪帶技術集成了自動鋪帶設備、自動鋪帶材料、自動鋪帶工藝等多項內容，是一項綜合的復合材料自動化制造技術。
自動鋪帶設備
自動鋪帶設備是計算機控制技術、軟件技術、機械設計與制造技術的結合。與金屬加工機床類似，將金屬切削功能變換為鋪帶功能。其核心是多系統協調控制的自動鋪帶頭。在鋪帶頭上集成了多個系統，包括材料的放卷和收卷系統、送進系統、缺陷檢測系統、超聲切割系統、加熱系統、輥壓系統等。材料的放卷和收卷實現預浸料的收放和背襯紙的回收。通常采用力矩電機執行，系統根據卷軸的半徑和速度大小，實時輸出變化扭矩，保持材料張力的恒定。送進系統主要包括材料的壓緊、送進，同時要與鋪疊進給速度匹配，實現預浸料帶的送進與鋪疊的同步控制。檢測系統實現預浸料的缺陷檢測，通常采用紅外攝像裝置，通過設定圖像的對比度，檢測襯紙撕裂等缺陷。超聲切割系統，由超聲發生器和超聲刀組成，超聲刀安裝在旋轉軸上實現不同角度的切割。切割過程剛好切斷預浸料而不切斷襯紙，因此要有精密的切深調節裝置。切身調節時將刀尖抵住測量平臺，測量裝置將切刀的深度測量值實時顯示，通過調節機械旋鈕，實現切割深度的調節，調節精度為微米級。加熱系統對于自動鋪帶機并不是必須的，取決于材料的粘性和工藝的實施方案，在某些特定的場合可以對材料加熱，可以采用熱風系統或紅外加熱裝置。輥壓系統將預浸料壓實在模具上，為了保證壓實的均勻性，在壓輥的控制上要具有一定的柔性。先壓輥的選擇通常是具有一定壓縮特性的橡膠或者硅膠材料制成，壓輥的支撐結構可采用浮動氣缸結構，實現壓輥上下運動的自適應性。并在壓輥的兩端加裝壓力傳感器，實時檢測壓輥兩端的壓力，調節擺角機構，實現壓力的均勻性。正是由于以上多系統的協調控制，增加了自動鋪帶設備的研制難度，因此國內在自動鋪帶設備的研制方面起步較晚，且一直處于跟蹤模仿階段。
目前，工程化應用的自動鋪帶設備有臥式結構和立式結構。臥式結構適合鋪疊回轉體零件，在航空復合材料制造領域應用較少，在航天領域有所報道，例如火箭筒段的鋪帶，該類設備與纏繞類似，可被纏繞和鋪絲技術取代。目前，廣泛應用于航空復合材料制造領域的是立式結構的鋪帶設備（圖2），此類設備適合鋪疊開敞式復合材料壁板的自動化鋪疊。
波音和空客是航空復合材料制造的佼佼者，在其大型客機的制造過程中大量采用立式自動鋪帶設備制造大型機翼、尾翼等蒙皮結構。設備主要來自歐美，如西班牙mtorres、美國mag集團辛辛那提、美國MAG集團Forest-Line。前兩家生產的鋪帶機多為單工位自動鋪帶機。單工位自動鋪帶機在鋪帶頭上有1~2把超聲切割刀，切刀沿直線運動，同時可以進行旋轉，與材料的送進合成角度的切割、材料的切割與鋪疊交替進行。而美國MAG集團Forest-Line開發了離線切割與自動鋪帶相結合的雙工位自動鋪帶機（圖3）。自動鋪帶頭帶有兩個工位，一個工位帶有1把超聲切割刀，進行大面積鋪疊與切割；另外一個工位將預浸料在access下料機上進行預切割，通過軟件和光學檢測設備，對形狀各異的料帶進行在線檢測，合格的料帶通過精確的制孔定位技術按照鋪放序列覆膜收卷，然后將卷盤裝在雙工位鋪帶頭上，進行復雜輪廓料帶鋪疊，可以減少鋪疊過程中廢料去除時間，提高了生產效率。
自動鋪帶材料
自動鋪帶機采用的材料是單向預浸帶，寬度有75mm、150mm和300mm 3種，單面背襯紙。采用何種帶寬的材料，涉及到制件的曲率大小、鋪疊效率等因素。自動鋪帶機主要是利用壓輥的變形量來適應曲面的曲率，保證材料鋪疊過程的壓實度。按照不產生架橋的規則采用的估算公式如下：→（1）
其中，R為零件曲率半徑，L為壓輥長度，△為壓輥變形量。
目前，用于自動鋪帶工藝的單項窄帶主要采用寬幅預浸料精密分切工藝。一般要求材料的寬度精度達到0.5mm，纖維連續，這樣才能更好地控制鋪疊間隙，同時要保證纖維的準直度。預浸料的分切要采用專用的分切設備，采用零背向處理工藝，保證預浸料和襯紙的有效貼合。分切設備要帶有高精度糾偏機構，保證纖維的準制度，盡量避免纖維絲的切斷，全過程進行張力控制，保證分切流暢和收卷整齊、松緊度合適，制備符合自動鋪帶要求的預浸帶料卷，如圖4所示。
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