复合材料自动铺放设备——基于预浸料的复合材料结构高质高效制造平台

1．前言减轻飞机结构重量一直是飞机设计制造的永恒话题。

从20世纪20年代开始铝合金被作为减轻飞机结构重量的首选用材，至今已有70多年的历史了。

20世纪60年代出现的高强度低密度的复合材料（Composites，下文简称复材），其具有高比强度、高比模量、良好抗疲劳性、抗腐蚀性和隐身性能等一系列优点得到了航宇工业界普遍认可，成为既能明显减轻航宇飞行器重量，又能提高性能的理想结构用材，开始在飞机设计制造上得到越来越广泛应用。

用于飞机复材构件制造的主要有树脂基、金属基和陶瓷基三类复材。

目前应用最为广泛的是碳纤维增强型树脂基复材（CFRP：Carbon－Fiber Reinforced－Plastic），占80％以上。

飞机复材构件最早在B－1／B－2轰炸机和F－16战斗机上得到应用，但其所占重量比都不超过2－3％，后来的F／A―18E／F 飞机复材构件数量已超过结构件的50％以上［1，2］，而F22／A，F35则超过结构件的75％，所占重量比达24％和35－40％。

20世纪80年代末，在军机上复材构件应用开始从非主承力构件很快扩展到主承力构件，同时也开始从军机扩展到商用飞机上应用。

本世纪初，商用飞机构件设计发生了重大变化，铝合金用材重量比已从占60％下降到20％，而复材用量从不足10％迅速增加到50％以上，已成为现代大型商用飞机的主结构用材，见图1。

空客A380复材构件所占重量比达到25％，大型军用运输机A400M达35％，空客A350WB宽体客机则达52％，减重约7983kg，波音787“梦想”也达50％以上了。

据预测到2015－2020年现代商用飞机复材构件用量所占重量比将达70－80％［3］。

目前，飞机复材构件生产主要通过半自动人工铺放、自动纤维缠绕、自动带料层铺和自动纤维铺放四种铺放制造技术。

（1）半自动人工铺放应用复材构件设计制造软件生成复材构件各铺层2D轮廓数据，不需要制造铺层样板而直接通过数字自动剪裁机剪裁铺层片料，而后借助于激光定位系统进行人工层铺。

先进复合材料主要制造工艺和专用设备中国航空工业第一集团公司科技发展部 郝建伟中国航空工业发展研究中心 陈亚莉先进复合材料具有轻质、高强度、高模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计、成型工艺性好和成本低等特点，是理想的航空结构材料，在航空产品上得到了广泛应用，已成为新一代飞机机体的主体结构材料。

复合材料先进技术的成熟使其性能最优和低成本成为可能，从而大大推动了复合材料在飞机上的应用。

一些大的飞机制造商在飞机设计制造中，正逐步减少传统金属加工的比例，优先发展复合材料制造。

本文旨在介绍在复合材料制造过程中所涉及到的主要工艺和先进专用设备。

复合材料在飞机上的应用随着复合材料制造技术的发展，复合材料在飞机上的用量和应用部位已经成为衡量飞机结构先进性的重要标志之一。

复合材料在飞机上的应用趋势有如下几点：（1）复合材料在飞机上的用量日益增多。

复合材料的用量通常用其所占飞机机体结构重量的百分比来表示，世界上各大航空制造公司在复合材料用量方面都呈现增长的趋势。

最有代表性的是空客公司的A380客机和后续的A350飞机以及波音公司的B787飞机。

A380上复合材料用量约30t。

B787复合材料用量达到50%。

而A350飞机复合材料用量更是达到了创纪录的52%。

复合材料在军机和直升机上的用量也有同样的增长趋势，近几年得到迅速发展的无人机更是将复合材料用量推向更高水平。

（2）应用部位由次承力结构向主承力结构发展。

最初采用复合材料制造的是飞机的舱门、整流罩、安定面等次承力结构。

目前，复合材料已经广泛应用于机身、机翼等主承力结构。

主承载部位大量应用复合材料使飞机的性能得到大幅度提升，由此带来的经济效益非常显著，也推动了复合材料的发展。

（3）在复杂外形结构上的应用愈来愈广泛。

飞机上用复合材料制造的复杂曲面制件也越来越多，如A380和B787飞机上的机身段，球面后压力隔框等，均采用纤维铺放技术和树脂膜渗透（RFI）工艺制造。

（4）复合材料构件的复杂性大幅度增加，大型整体、共固化成型成为主流。

自动铺带技术在复合材料制造中的应用探索自动铺带技术是一种现代化的复合材料制造方法，通过利用机器人或自动化设备来将预浸料或干型纤维材料连续地铺放在模具上，进而实现复合材料的制造。

这种技术相比传统的手工铺带，具有更高的生产效率、更好的一致性和更高的品质控制。

本文将探讨自动铺带技术在复合材料制造中的应用，并分析其优势和潜在的挑战。

一、自动铺带技术的优势1.提高生产效率：自动铺带技术利用机器人或自动化设备代替人工操作，能够大幅提高生产效率。

在传统的手工铺带中，工人需要一遍遍地将铺带逐一放置，而自动铺带技术可以连续不断地进行铺带，大大减少了制造时间。

2.保证产品一致性：自动铺带技术能够精确地控制铺带的速度、压力和纤维摆放方向，保证每一块复合材料的质量一致性。

而手工操作容易受到工人技术水平和疲劳程度的影响，导致产品质量的波动。

3.提高产品质量：自动铺带技术可以实现更精确、更均匀地铺放纤维材料，避免了手工操作中可能出现的误差。

同时，自动铺带技术还能控制纤维材料的厚度和纤维摆放的角度，使得复合材料具有更好的力学性能和表面质量。

二、自动铺带技术在复合材料制造中的应用1.航空航天领域：复合材料在航空航天领域具有广泛的应用前景，而自动铺带技术可以大幅提高复合材料的制造效率和产品质量。

通过自动铺带技术，可以制造出轻质、高强度的航空航天结构件，满足航空航天工业对材料性能和质量控制的高要求。

2.汽车工业：自动铺带技术在汽车工业中有着广泛的应用。

通过在汽车零部件中使用复合材料，可以实现车身的轻量化，并提高汽车的燃油效率。

自动铺带技术可以大幅提高复合材料零部件的制造效率，满足汽车工业对大规模生产和高品质产品的需求。

3.建筑领域：自动铺带技术也可以应用于建筑领域的复合材料制造。

复合材料在建筑领域有着广泛的应用前景，可以用于制造建筑结构件、装饰材料等。

自动铺带技术可以提高建筑材料的生产效率，同时保证产品的一致性和质量，满足建筑行业对快速和高质量产品的需求。

基于自动丝束铺放技术的复合材料进气道结构设计及试验验证赵博伟;杜发喜;高原;赖辉【摘要】某型号飞机采用S形进气道,形状复杂,且对刚度、装配、内表面质量及重量要求很高,需要设计一个满足所需的进气道结构.采用复合材料整体成型结构设计,结合自动丝束铺放技术,详细叙述进气道结构设计研制方案及实施方法,并对其进行有限元理论分析及试验验证,结果表明:进气道结构满足强度及刚度要求;自动丝束铺放技术可以有效应用于变截面S形进气道研制.研究结果可对研制其他复杂形状飞机进气道提供依据.【期刊名称】《航空工程进展》【年(卷),期】2017(008)003【总页数】5页(P349-353)【关键词】S形进气道;复合材料;自动丝束铺放技术;结构设计【作者】赵博伟;杜发喜;高原;赖辉【作者单位】航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司技术中心,成都610092;航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司技术中心,成都610092;航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司技术中心,成都610092;航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司技术中心,成都610092【正文语种】中文【中图分类】V228.7某型号飞机进气道采用基于自动丝束铺放技术的复合材料整体成型方案。

该技术在国外始于20世纪60年代[1]，在美国空军实验室的支持下起步，后经计算机辅助设计等方面支持迅速发展[2]。

目前，自动铺带机、自动铺丝机、各种预浸带/纱已经形成系列产品供应，广泛应用于多种航空航天器的树脂基复合材料成型制造[3]。

由于自动铺丝技术采用的材料体系成熟度高，设计成型方法继承性好，易于数字化和自动化制造[4]，已经成为发达国家飞机复合材料大型复杂构建件的主要成型方法，获得了广泛的应用，并且在具有复杂曲面结构复合材料整体成型的制造中具有明显优势，但是该技术受到发达国家对我国的严密封锁，在国内应用尚属空白，需要从结构设计到试验进行一系列的验证。

丝束铺放技术是多轴联动的铺丝头进行传送，通过切割、重启、加热及压实等功能将不同数量的纤维窄带在压辊下集束成带，并按照程序设定的路径铺叠在模具上，制成零件的复合材料预成型体[5]。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010217731.7(22)申请日 2020.03.25(71)申请人 海鹰空天材料研究院（苏州）有限责任公司地址 215002 江苏省苏州市相城经济技术开发区漕湖街道春耀路18号3E产业园(72)发明人 陈超　张帅　郭长龙　唐中华　刘秀　张智佳　嵇培军　(74)专利代理机构 广州市红荔专利代理有限公司 44214代理人 关家强(51)Int.Cl.B29C 70/38(2006.01)B29C 70/54(2006.01)B29L 31/30(2006.01)(54)发明名称复合材料压力隔框的自动铺丝路径规划方法(57)摘要本发明公开了一种复合材料压力隔框的自动铺丝路径规划方法，包括以下步骤：步骤一：使用三维设计软件或铺层定义软件，提取所述压力隔框的各铺层贴模面与铺放边界并进行制造性优化处理；步骤二：定义主铺层方向，并对每层的所述贴模面进行边界、路径、方向等参数化定义；步骤三：根据预浸料带幅宽，将各所述贴模面微分为多个等幅宽的料带区；步骤四：通过集成式软件，对所述预浸料带的丝束进行密化；步骤五：根据自动铺丝机的最小铺丝长度、所述压力隔框的丢层边界，对所述丝束密化结果进行分析；步骤六：根据定义的所述路径将铺覆过程、实际结果进行模拟分析，检验所述路径过程是否合理。

其铺覆出的压力隔框纤维密实，内部质量高。

权利要求书1页 说明书3页 附图1页CN 111497283 A 2020.08.07C N 111497283A1.一种复合材料压力隔框的自动铺丝路径规划方法，其特征在于，包括：步骤一：使用三维设计软件或铺层定义软件，提取所述压力隔框的各铺层贴模面与铺放边界并进行制造性优化处理，所述铺放边界包括丢层边界和曲面边界；步骤二：定义主铺层方向，并对每层的所述贴模面进行边界、路径、方向等参数化定义，所述主铺层方向为所述曲面的任意径线方向，每层所述贴面膜的铺层方向在所述主铺层方向的基础上增加、减少经度；步骤三：根据预浸料带幅宽，将各所述贴模面微分为多个等幅宽的料带区，每个所述贴模面贴模面料带区的长度方向与所述贴模面铺层方向平行；步骤四：通过集成式软件，对所述预浸料带的丝束进行密化，具体到所述预浸料带的最小不可分单元均存在对应的路径定义；步骤五：根据自动铺丝机的最小铺丝长度、所述压力隔框的丢层边界，对所述丝束密化结果进行分析；步骤六：根据定义的所述路径将铺覆过程、实际结果进行模拟分析，检验所述路径过程是否合理，结果是否符合工艺需求。

(10)授权公告号(45)授权公告日 (21)申请号 201520066477.X(22)申请日 2015.01.30B29C 70/38(2006.01)(73)专利权人武汉大学地址430072 湖北省武汉市武昌区珞珈山武汉大学(72)发明人王春喜 廖道坤 肖晓晖 刘胜(74)专利代理机构武汉科皓知识产权代理事务所(特殊普通合伙) 42222代理人鲁力(54)实用新型名称一种用于复合材料自动铺放的模块化铺丝头(57)摘要本实用新型涉及一种用于复合材料自动铺放的模块化铺丝头，基于6轴机器人平台设计，用于铺设复合材料构件。

其主要特征是，铺丝头基于完全模块化设计，包括丝卷安装模块(C)、收衬纸模块(D)、张力检测模块(B)、丝束转向模块(A)、剪切、夹紧、丝束重新输送模块(E)，加热器(F)，压辊等；具有同时铺设8束复合材料预浸丝的能力，每根丝束单独控制，可以独立的进行丝束的剪切和剪切后的重新输送；基于快速更换的结构设计，可方便的进行铺丝头的安装、拆卸，丝束的安装、更换；基于裸露的丝道设计，可以方便的进行铺丝头的清洁；使用的复合材料预浸丝束的宽度为3.17mm、6.35mm 和12.7mm 宽3种。

(51)Int.Cl.(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利权利要求书1页 说明书6页 附图6页CN 205058644 U 2016.03.02C N 205058644U1.一种用于复合材料自动铺放的模块化铺丝头，其特征在于，包括圆盘状背板(100)，以及设置在圆盘状背板(100)上的：周向均匀设置在圆盘状背板(100)上的至少八个丝卷安装模块(C)：包括用于调节丝束张力的磁粉制动器(1)，用于安装轴承的轴承座(4)，用于轴承外圈定位的轴承端盖(9)，角接触球轴承(5)，将轴承端盖(9)和磁粉制动器(1)连接在一起的垫环(13)，丝卷(2),用于安装丝卷(2)的中间轴(6),将磁粉制动器(1)的扭矩传递给中间轴(6)的联轴器(28)，用于丝卷(2)定位的挡圈(10)，固定丝卷的螺母(11)；与丝卷安装模块数量对应的收衬纸模块(D)：包括用于收衬纸的套筒(8)，角接触球轴承(5)，轴承座(4)和轴承端盖(3)，用于套套筒的轴(12)，固定套筒(8)用的螺母(7)；与丝卷安装模块数量对应的张力检测模块(B)：能够自由地上下运动，包括固定整个模块用的基板(19)，滑轨(17)，在滑轨(17)上运动的滑块(14),固定在滑块(14)上的连接块(16)，固定在连接块(16)上且与滑块(14)垂直的用于丝束导向的张力检测轴(18)，弹簧(50)，检测张力检测轴(18)位置的位置传感器(51)；所述弹簧(50)一端固定在基板(19)上，另一端固定在滑块(14)上；一丝束转向模块(A)：用于将沿圆盘状背板走向的8束丝的方向改变为垂直于圆盘状背板的方向，并且分为两排，包括导向轮连接架，用于与圆盘状背板(100)连接的连接板(22)，若干导向轮(20)，用于固定导向轮(20)的对称的连接架(21)，固定连接架的螺栓(23)；所述导向轮(20) 为上下两排且上下两排交错设置；剪切、夹紧、丝束重新输送模块(E)：包括气缸，用于夹紧丝束(102)的上下两排夹紧装置(29)，用于丝束(102)输送的上下两排重送装置(27)，带有切刀的上下两排剪切装置(26)，用于提供动力的气缸(33、34、35)，带有送压缩风和冷却风的风道的丝束导向块(30)；加热器(F)：用于加热丝束(102)；驱动模块(G)：用于驱动剪切、夹紧、丝束重新输送模块(E)；以及一个设置在加热器(F)下方的压辊(101)。

复合材料自动铺丝技术研究进展The Research Progress of Automated Fiber Placement Technology for Composites摘要：复合材料自动铺丝技术是在航空航天工业发展起来的一种“低成本，高性能”的先进复合材料自动化制造技术。

自动铺丝技术在降低复合材料构件制造成本，提高生产效率和构件性能等方面具有极大的潜力，得到工业发达国家的高度重视。

本文对自动铺丝的原理、特点、CAD/CAM核心技术以及自动铺丝技术的国内外发展历程与应用进行了全面的介绍，最后展望了自动铺丝的发展前景。

关键词：复合材料，自动铺丝，CAD/CAMAbstract：Automated Fiber Placement is a sort of automated manufacture technology which was raised first at the field of aeronautics and astronautics, and through it, thelow-cost and high-quality advanced composite material can be produced. Automated Fiber Placement has great potential in reducing manufacturing costs, improving efficiency and function, gaining much attention of industrial development countries. In this paper, the principle and characteristic of Automated Fiber Placement, the core technology of CAD/CAM, the domestic and foreign development process and application of Automated Fiber Placement is fully discussed. Finally, the development outlook of Automated Fiber Placement is prospected.Key words: composite materials, Automated Fiber Placement, CAD/CAM1.引言复合材料是指由两种或两种以上具有不同物理、化学性质的材料，以微观、介观或宏观等不同的结构尺度与层次，经过复杂的空间组合而形成的一种多相固体材料[1]。

自动铺带技术在航空复合材料制造领域的应用先进复合材料已经成为航空航天器主要结构材料，各类飞机的复合材料用量近年来迅速增加。

飞机复合材料主承力构件主要采用预浸料成形技术制造，而自动铺放成形是替代人工铺叠、提高质量和生产效率的关键，在制造大型复合材料构件时优势极为突出。

以大型飞机为例，从A380到B787，A350，其复合材料用量大幅度增加，正是由于自动铺放技术的发展与应用起到了关键作用。

为此，在接下来的文章中，将围绕自动铺带技术在航空复合材料制造领域的应用方面展开详细分析，希望能够给相关人士提供重要的参考价值。

标签：自动铺带技术;航空;复合材料引言：具有高效率、高质量和低成本优点的自动铺带铺放技术已经成为发达国家航空复合材料构件的成熟制造技术，这一制造技术在国内的引进和发展，也必将在国产大飞机的研制和生产中占有重要的地位，为国产大飞机的顺利升空提供强有力的技术支撑。

1. 自动铺带技术的发展所谓自动铺带技术，就是采用数控铺层设备，通过数字化、自动化的手段实现复合材料预浸布、带的连续自动切割和自动铺放。

主要工作过程为：将复合材料预浸料卷安装在铺放头中，预浸材料由一组滚轮导出，并由压紧滚轮或可随形机构压紧在工装或上一层已铺好的材料上，切割刀将材料按设定好的方向切断，能保证铺放的材料与工装的外形相一致。

铺放的同时，回料滚轮将背衬材料回收。

自动铺带作为典型的增料加工成型技术，其成型设备的制造技术涉及机电装备技术、CAD/CAM软件技术和材料工艺技术等多个研究领域，可实现：第一，大限度地利用单向预浸带（优于手工铺层采用的预浸布），并可减轻结构重量;第二，可更自由地设计铺层，发挥复合材料可设计性优势，在应力梯度和应力异常的区域选择性铺放补强，实现了整个结构的零剩余强度;第三，提高工作质量和铺放效率。

采用该技术，可提高复合材料裁片外形、纤维方向等几何参数的精确度和铺叠位置、方向、角度的准确性，从而避免了人为铺放产生的偏差，如产品出现缺陷的几率大、零件制造质量重复性差、质量分散性大，以及尺寸精度和铺放位置准确度不能满足大尺寸、高精度零件制造的要求等问题。

先进树脂基复合材料制造技术进展摘要：先进的树脂基复合材料是一种新型材料，以有机聚合物材料为基体，以高性能连续纤维为增强材料，由复合技术制备，性能明显优于原组分。

目前，在航空航天领域广泛应用的先进树脂基复合材料主要包括环氧、双马来酰亚胺和高性能连续纤维增强聚酰胺基复合材料。

先进的树脂基复合材料具有较高的强度和比模量、疲劳强度、耐腐蚀性、高的可设计性和便于在大面积内进行整体成型。

它们已成为铝合金、钛合金和钢材后最重要的航空结构材料之一，并已广泛应用于航空航天等领域。

关键词：树脂基复合材料；制造技术；模拟与优化技术；自动化制造；国家先进的树脂基复合材料制造技术经过30多年的发展，初步形成了一个先进的树脂基复合材料制造系统，其表现形式是热熔预浸料的制造、自成型和树脂转移技术(RTM)，以及制备的先进树脂基复合材料在中得到广泛应用。

一、热压罐成型技术与数字化、自动化技术相结合热压罐成型技术的主要过程包括预浸料制备、切割、摊铺和固化。

热压罐成型技术的优点是:(1)纤维体积含量高；(2)质量稳定性好；(3)成型模具简单。

但热压罐成型工艺存在能耗高、设备投资成本高、零件尺寸受热压罐尺寸限制等问题。

20世纪60年代以来，我国热压罐成型技术有了很大发展，主要体现在热熔预浸料制备技术、预浸料铺切技术和数字化集成的建立，以及高韧性复合材料技术和复合材料结构集成技术的快速发展和广泛应用。

早期国产复合预浸料采用溶液法制造，由于有机溶剂的大量使用和生产的不连续，导致预浸料质量一致性差，生产效率低，污染严重。

20世纪90年代初以来，预浸料热熔制备技术得到发展，建立了热熔预浸料设备设计制造技术和预浸料热熔制备技术，实现了热熔预浸料的连续批量制造。

通过多层次增韧技术的发展，建立了高性能复合材料的增韧技术体系，开发出满足航空应用要求的高韧性环氧和高韧性双马来酰亚胺树脂基复合材料体系。

热压罐成型技术从最初以手工为主的铺切发展到与预浸料自动下料、激光辅助定位铺放等数字化技术相结合，提高了热压罐成型的技术水平，明显提高了预浸料的铺切精度，进一步提高了复合材料的制造效率和构件质量。

复合材料自动铺放设备——基于预浸料的复合材料结构高质高效制造平台复合材料自动铺放设备——基于预浸料的复合材料结构高质高效制造平台中航工业制造所孙年俊先进复合材料因比模量、比强度高，抗疲劳、耐腐蚀、可设计和工艺性好，成为飞机结构重要发展方向之一。

轻质、高强、性能优异的复合材料成为理想的结构用材，并逐渐从小型、简单、次承力结构向大型、复杂、主承力结构过渡。

国外军机上复合材料用量普遍占结构重量的25%～50%；在民用领域，波音公司787飞机的复合材料用量达到50%，而A350XWB复合材料用量达到了创纪录的52%。

用于复合材料结构制造的先进专用工艺装备在国外迅速发展，特别是基于预浸料的复合材料自动铺放设备，包括自动铺带机和铺丝机，已在国外最先进的战机和民机制造中得到广泛应用。

这些先进铺放装备具有人工/半自动人工铺放所不可比拟的优点（对比如表1所示）。

复合材料铺放制造技术包括铺放装备技术、铺放CAD/CAM技术、铺放工艺技术、预浸料制备技术、铺放质量控制、一体化协同数字化设计等一系列技术，主要是自动铺放装备技术、应用软件技术以及材料工艺技术的融合集成。

其中自动铺放装备技术是整个技术的基础和核心，而铺放装备技术中最关键的是铺放头多功能集成技术和多坐标、多系统运动协同控制技术。

复合材料铺放制造过程为铺放头在多坐标联动控制下，快速准确地运动到复合材料将要铺放的模具表面，并按照铺放程序的指令准确、无误、高效、自动地完成装在专用卷轴上的预浸料（带或丝束）的铺放，包括完成送料、定位、切割、加热、压紧、回收等动作，保证铺放质量满足工艺要求。

欧美少数几个国家已具有较为成熟的复合材料自动铺放设备设计制造能力，研制了立式、卧式、龙门式、集成工业机器人等各种结构形式的复合材料自动铺带机和铺丝机，在机身、机翼、进气道等飞机大型复杂复材结构制造中得到应用，为提升复合材料在军机和民机中的用量做出了重要贡献。

国内在该设备研制方面尚处于原理性研究和工程样机研制阶段。

FEATURE机器人高效自动铺丝技术研究进展*王显峰1，严 飙2，薛 柯1，肖 军1（1. 南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京 210016；2. 上海宇航系统工程研究所上海市空间飞行器机构重点实验室，上海 201108）[摘要] 以机器人为平台的自动铺丝设备可高效铺放复杂的复合材料构件，受到了国内外航空航天产业的高度关注。

根据目前机器人式自动铺丝技术的研究现状，介绍了机器人式自动铺丝机的发展历程，并对其核心结构——铺丝头和铺丝机器人的特点及发展进行了综述，分析了当前国内外机器人式自动铺丝软件技术及应用，最后对机器人式自动铺丝技术未来实现更高效铺放的发展趋势进行了展望。

关键词： 机器人；自动铺丝技术；复合材料；铺丝头；软件DOI:10.16080/j.issn1671–833x.2019.16.014的发展，其应用范围不断扩大，从大型航空航天整体结构件到小而复杂的功能部件均可采用铺丝技术成型；其装备形式也呈多样化发展，不再局限于传统数控装备形式，开始出现低成本小型的机器人式自动铺丝机[6]。

工业机器人具有自由度高、成本低廉、工作空间范围大等优点，能够很好地满足铺丝工艺需求，工业机器人与铺丝技术的结合可以大大降低装备成本，因此，以其作为运动平台的复合材料自动铺丝设备应运而生，如图1所示。

机器人式自动铺丝机能够兼顾复材构件的复杂程度和生产效率，实现复合材料构件的低成本高效制造。

本文将系统介绍机器人式自动铺丝机高效化铺放的研究进展，并就当前的发展现状做出总结与展望。

先进复合材料因其比强度和比模量高、耐蚀性好、抗疲劳特性优越等众多优点，在航空航天等很多领域得到广泛应用[1]。

复合材料自动化成型技术一直是业内研究的热点，其中自动铺放成型技术是目前自动化程度高且成型范围较广的典型制造技术[2–4]，包括了自动铺带和自动铺丝技术。

自动铺带技术虽然成型效率高，但其应用范围因带宽和芯模复杂程度而受到限制[5]。

（３）自动复材料带层铺机床（ＡＴＬ：ＡｕｔｏｍａｔｅｄＴａｐｅＬａｙｅｒ）简称自动铺带机。

主要用于平面型或低曲率的曲面型，或者说准平面型复材构件的层铺制造。

（４）自动纤维铺放机床（ＡＦＰ：ＡｕｔｏｍａｔｅｄＦｉｂｅｒＰｌａｃｅｍｅｎｔ）简称自动铺丝机，主要用于复杂曲面型复材构件的铺放制造。

早期飞机复材构件制造大部分采用手工铺放，劳动强度大，材料浪费严重，生产率低下，产品质量保证困难。

随着复材构件在现代大型飞机上广泛应用．完全人工铺放及半自动人工铺放工艺已难以满足实际需要。

急需解决应用自动化铺放设备来提高生产效率，增加产量，改善制造过程的可控制性，减少材料浪费，降低成本以及提高产品质量，从而推动了飞机复材构件制造设备的重大发展与创新．产生了自动铺带机（ＡＴＬ）和自动铺丝机（ＡＦＰ）。

ＡＴＬ／ＡＦＰ铺放设备是根据复材整体构件铺层设计要求．将碳纤维预浸料带或预浸料纤维束逐层铺叠在模具表面，并进行在线或离线热压固化。

因此，复材整体构件制造技术是装备技术、应用软件技术和制造工艺技术的融合集成。

应用ＣＦＲＰ进行复材整体构件制造。

除需要研究解决共固化、共胶接和二次胶接等若干基本的复材成型工艺技术外，还需要研究解决用于制造复材整体构件的下料剪裁、铺放、铣钻削修整以及无损检测等关键制造装备及其相关应用软件。

而用于制造复材整体构件的ＡＴＬ／ＡＦＰ机床已成为现代大型飞机生产的关键制造设备。

２．自动铺带机（ＡＴＬ）２．１ＡＴＬ机床基本结构航空制造业。

早于２０世纪６０年代就已出现应用碳纤维预浸料单向带制造军用飞机结构件。

在飞机制造业要求实现复材带料层铺工艺自动化推动下，２０世纪６０年代中期航空飞机工业就研制了自动铺带机。

第一台Ａ－ＩＬ机床由美国Ｖｏｕｇｈｔ（沃特）公司在２０世纪６０年代中开发．用于Ｆ一１６战斗机复材机翼的制造，使用７５ｍｍ宽带料。

到２０世纪７０年代末，一些著名机床制造商开始推出商品化的Ａ’ｒＬ机床。

包括平面型（ＦＴＬＭ：ｎａｔＴａｐｅＬａｙｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ）和曲面型（ＣＴＬＭ：ＣｏｎｔｏｕｒＴａｐｅＬａｙｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ）两种类型，复材带料宽度分为２５／７５／１５０／３００ｍｍ几种。

基于FiberSIM的复合材料设计制造一体化技术探讨作者：李林来源：《科学与信息化》2019年第06期摘要复合材料是材料与结构同时形成，材料性能与结构形式和工艺方法密不可分。

传统的模线/样板模拟量工作法已不适合现代大型飞机整体零件的加工需求。

基于FberSIM软件的复合材料设计制造一体化技术，以数字量传递信息更加准确、高效，与自动下料系统和激光铺层定位系统等的集成，打通了复合材料构件设计、工艺模拟、制造的数字化生产线。

关键词设计制造一体化；设计/制造数据转化；数字化制造复合材料有着良好的抗疲劳、抗腐蚀、可设计性和减重效果，其已成为先进飞机结构的必选材料。

随着飞机设计技术的飞速发展，复合材料结构也向着零件大型化、结构整体化方向发展。

结构尺寸的增大和集成程度的增加，对制造工艺提出了很高的要求。

本文以某民用飞机复合材料翼梁的研制，阐述复合材料数字化设计/制造技术。

1 复合材料数字化设计制造一体化技术与传统的顺行设计不同，数字化设计采用并行设计，对复合材料构件每一铺层进行数字化定义，将复合材料构件产品数字化定义数据从设计初期传递至工装设计、工艺设计、数字化剪裁设备和激光铺层定位系统，利用计算机软硬件及数字化设备，打通了复合材料构件从设计到制造过程的数据流[1]。

2 复合材料翼梁设计某民机中央翼盒翼梁由碳纤维预浸料铺贴的[型层压梁、共固化的2根水平加强筋和机械连接的4根垂直加强筋组成。

按结构形式，将层压梁的腹板看作柔性层压板，缘条看作刚性层压板。

根据经典层压板理论及铺层设计原则，通过受力分析、计算，层压梁划分为9个厚度区域并得出相应区域理论铺层总数。

通过对层压梁腹板、缘条失效分析，逐步修正、迭代计算确定层压梁几何尺寸及各区域相应铺层数、铺层比例和铺层顺序的正确性[2]。

3 翼梁的设计/制造数据转化翼梁三维模型建好后，可用于零件工装的设计制造，同时关联复合材料设计/制造软件-FiberSim，完成基于三维模型的经设计校核的每一铺层的数字化定义。