3. 国内自动铺丝技术研究进展

    国内自动铺丝技术探索研究早于自动铺带技术,但由于技术难度远大于自动铺带,国内的研究工作主要在自动铺丝轨迹规划与仿真、装备构型、数控系统技术等基础研究层面展开。钱钧等以构架式卫星复合材料三角接头为对象,开展了构件数值建模、铺丝路径规划研究,应用机器人D-H方法建立了典型3P-3R机器人运动学反问题控制方程并实施了成形仿真;邵冠军等对自由曲面的铺丝路径及优化设计做了有益探索;许斌等较为系统研究了自动铺丝轨迹规划问题,提出了3种铺丝路径轨迹规划方案,建立了丝束覆盖性分析与断纱准则,研究了丝束状态量与切断-重启动作量的映射关系,初步形成了自动铺丝设计制造的基础框架,在CATIA环境下开展了相关CAD/CAM软件原型编写,以S进气道的自动铺丝问题为例做了系统分析与仿真。党旭丹等专门研究了自动铺丝路径的平行等距轨迹规划方法,提高了计算效率。田会方等开展了自动铺丝装备构型分析,并以锥壳结构为对象开展了成形仿真技术研究[32-34]。富宏亚等在缠绕技术研究基础上开展自动铺丝技术基础研究,试制铺丝头原型、在铺丝曲面重构与路径规划、仿真技术方面开展了系列研究。

    以装备理论与关键技术研究为基础,南京航空航天大学2006年试制了国内第一台自动铺丝原理样机,架构了基于开放式数控的控制系统和基于CATIA的和CAD/CAM软件原型,原理样机实现了自动铺丝机各轴运动,验证了轨迹规划方法的正确性,向设备研制跨出了实质性的一步。

    经数年研究,自动铺丝技术虽有诸多进展,但关键技术尚未突破:原理样机只验证了方案和核心技术的正确性,还未开展工程样机研制;自动铺丝轨迹规划的理论研究需要在算法和CAD/CAM软件方面深入开展;自动铺丝材料对材料的工艺性要求远高于自动铺带,不仅对温度敏感性要求更高,由于调节工艺窗口,而且要求尺寸精确以保障成型质量;因此,受装备制约自动铺丝工艺尚未开展实质性的研究。

4. 自动铺放发展趋势和亟待突破的问题

    先进复合材料在航空航天器的大量应用直接推动了自动铺放技术的发展。国外自动铺放技术朝着铺放装备专门化、材料体系多样化、设计分析制造集成化,以及成型高效率和高可靠性方向发展。在铺放设备方面,为提高铺放效率,出现了平板专用铺带机、多头铺带机和单头多带铺带机;研制出了模块化铺丝头-预浸纱箱系统,多头同步铺放系统和预浸纱自动续接装置,减少无效操作时间;此外,自动铺带与自动铺丝的界限逐渐模糊,形成多窄带铺放技术。在材料技术方面,已经形成自动铺放专用预浸料体系(包括热塑性材料)以满足不同要求,自动铺丝预浸纱/窄带普遍采用分切制备技术,由专门的预浸纱分切加工商供应。在设计制造方面,将自动铺放与其他技术融合集成,如采用自动铺带后双隔膜热成型制造飞机C型大梁,采用预浸料拉挤制造长桁预埋在模具中直接铺放共固化制造夹筋壁板等。

    “十一五”期间,国内已经突破了自动铺带装备和软件关键技术,铺带材料和铺带工艺技术成为制约自动铺带技术发展的关键;进一步完善装备功能,实现设备专用化和多样化以满足不同需求也将是今后一个时期自动铺带技术的发展重点。

    新型歼击机S进气道、翼身融合体和大型飞机机身等对自动铺丝技术提出了迫切需求,在民机预研计划和高档数控机床重大专项中已经启动了自动铺丝机研制项目。迫切需要及时开展自动铺丝专用预浸纱/窄带的材料体系,预浸带分切技术与质量控制研究;同时开展自动铺丝工艺技术研究、模具技术等研究,以建立自动铺丝技术体系,促进自动铺丝技术早日实现工程应用。