在“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项的支持下，“国产高档数控装备在异形复合材料结构件制造的示范应用”课题（编号：2016ZX04002001），开展了基于国产华中数控系统HNC-848C控制的大型双柱立式七轴联动铺缠一体化成型装备主机及其总体设计、铺缠头核心功能部件、铺放轨迹设计流程及功能模块、异形舱体自动铺放工艺试验等研究工作，对自动铺放试验过程中出现的质量问题进行了结构树分析。以某异形舱为对象，进行了宽布带的自动铺放示范应用，对数控系统、程序轨迹、铺放张力、加热温度、抽真空预压等进行了分析验证，突破了国内首台立式铺缠成型装备及异形舱体铺放成型工艺等一系列关键技术。

异形舱体传统铺缠成型的缺陷

舱体热防护层是飞行器在飞行过程中的外保护层，保证飞行器在恶劣环境中稳定可靠地工作。传统的三轴数控缠绕机能够完成筒形、锥形和幂次曲线形回转体的防热层缠绕成型，但无法完成异型曲面的防热层成型。使用传统三轴布带缠绕机，仅能实现模具旋转及预浸带固定，而防热层的铺放成型则靠人工完成，在铺放中，人为对预浸带施加的张力，导致防热层之间贴合不实，比理论圆周偏大，在后续加压固化过程中易形成较大褶皱，影响防热层防热效果。因此，传统三轴布带缠绕机不仅成型效率低，且浪费严重，质量不高。在平行重叠缠绕、斜纹布斜叠缠绕成型、固化后，对外防热层进行加工，表观质量如图1所示，缺点是：存在皱褶、架桥、分层和开裂等质量缺陷，导致产品质量可靠性、稳定性和一致性差；材料利用率不到30%，浪费严重，成本高；固化后，需机械切削大面积材料，加工成本高，切削粉尘大，工序周期长。

图1 传统铺缠装备带来的产品缺陷                                    

除回转体类热防护零件采用布带缠绕机缠绕成型外，其余产品成型均无自动化装备，需手工成型。复杂的内网格筋结构件起承载作用，纤维铺放方向、精度及铺放质量对舱段承载力影响较大。手工铺放的特点是：首先预热模具，保证预浸料完好贴模；预浸丝束铺放的角度、缝隙拼接均由人工控制；为保证预浸料之间贴合良好，每铺2～3层，需包真空进行一次预压；下次铺层前，需再次预热模具，导致已铺层的预浸料在模具上多次受热。总之，手工铺放的成型周期长，数月才能完成一个大型复合材料构件的铺层成型，且无法保证纤维铺放角度、纤维束之间的拼缝、预浸料的树脂含量和纤维拉直程度，产品质量时好时坏，无法满足航天产品极高的质量稳定性要求，更谈不上现代高效率的生产节拍要求。

数控双柱立式铺缠主机结构

国内较早就对自动丝束铺放技术进行了跟踪和探索，南京航空航天大学、西北工业大学、哈尔滨工业大学和武汉工业大学等开展了一些理论和实验室研究，但虽然如此，都没有系统地研究过自动丝束设备、工艺及相应的预浸丝束制备技术，从而使该成型技术的工程化应用难度很大。由于目前国内尚未研制出一台能够完全适应工程应用的自动丝束铺放设备，缺乏必要的研究平台，导致对丝束预浸技术、驱动软件、铺放工艺和模具设计技术等一些必要的配套技术的研究也很少涉足。

1. 数控双柱铺缠装备主机结构

国内首台数控双柱立式布带铺缠一体化成型主机，采用华中数控HNC848数控系统及伺服驱动，各坐标轴定义为：铺缠头径向移动X坐标，横向移动Y坐标，升降Z坐标；工作台（芯模）旋转C坐标；铺缠头旋转A坐标，铺缠头俯仰B坐标，铺缠头偏航C1坐标；铺缠头送带U坐标。

机床床身为双立柱，横梁沿立柱上下移动，方滑枕沿横梁左右移动，方滑枕前后移动的龙门落地式结构，中心悬挂方滑枕。工件放置在工作台上，与工作台一起旋转。双立柱对称布置，通过直线导轨安装横梁，横梁的上下移动采用了双电机驱动、双精密减速机及高精度滚珠丝杠传动机构，并配有气液动平衡系统。数控同步保证左、右两根滚珠丝杠同步运转。装备主机总体结构及实物如图2和图3所示。

    
图2 双柱立式铺缠机结构设计示意图        

图3 数控双立柱铺缠带机实物图

方滑枕上通过直线导轨安装伸臂，伸臂移动采用电机驱动、双精密减速机及高精度齿轮齿条传动机构。伸臂装有高精度铺缠头重心平衡补偿系统及滑枕伸出自重变形补偿系统，消除了铺缠头及方滑枕前移而产生的下垂变形，确保了铺缠头系统的精度及刚度。

伸臂前端面安装铺缠头，铺缠头采用三轴旋转手腕结构，可完成异形回转体的自动铺缠成型，具备大范围铺缠张力自动控制功能、预浸带自动纠偏功能、热风加热温度自动控制功能和预浸带覆膜自动卷绕功能，采用了铺缠压力可调的双压辊系统。

工作台采用双电机消隙驱动，结构简单、承载大且精度高。机床操作站采用独立吊挂的可伸缩及旋转站台，操作简单方便。横梁两侧配有随横梁上下升降的维修平台，平台亦可沿横梁手动移动靠近铺缠带头，方便更换料卷及检测、观察铺缠质量。立柱两侧装有上到立柱顶部的安全通道，方便安装及维修更换立柱两侧的驱动电机和丝杠。

复合材料铺缠带机是复合材料自动化高效成型工艺的主要装备之一，通常由铺缠头、铺缠手腕、床身、芯模回转系统及控制系统组成。辅助设备包括压辊装置、预浸带加热装置、布带张力控制系统、布带切断装置、纱架和纠偏装置等。机床关键技术指标见表1。

表1 数控双柱立式铺缠主机技术指标

2. 主机综合试验及精度检测

（1）运动控制综合试验：各运动轴动作试验，检验其灵活性和可靠性，包括：主轴正转、反转、停止及变换转速的试验，无级变速机构作低、中和高速试验，有级变速机构作各种转速的试验，其他运动轴做低、中、高转速及快速运转变换试验；各运动轴的联动试验，检验各运动轴坐标的超程保护、手动数据的输入、坐标位置显示、回基准点、程序序号指示和检查、程序暂停、程序结束、程序消除以及单步进给、直线插补、圆弧插补、螺距补偿、间隙补偿等功能的可靠性和动作的灵活性；空运转功率试验(抽查)，检验各运动轴传动系统空运转功率是否符合低于5%的设计要求以及最大速度下的空载功率；整机连续空运转试验，用数控程序在全部功能下模拟工作状态做不铺缠连续空运转，要求连续空运转8h，每次循环时间≤15min，每次循环之间休止时间≤1min，整个运转过程中不发生故障；机床铺缠试验，检验铺缠精度和厚度误差。

（2）机床综合精度检测：利用标准预浸带，通过运行铺带程序，在标准圆柱体芯模或平板类模具上连续铺带多次：用游标卡尺多次测量铺带之间的间距误差，取最大值，以检验铺缠带隙精度；用游标角度尺多次测量铺带之间的角度误差，取最大值，以检验铺缠角度偏差；用秒表计量时间，用游标卡尺多次测量铺带长度，或在料卷上测量退卷长度，计算并取最大值，以测量铺放速度。

自动铺缠头核心关键技术

铺缠头系统是一个集成系统，包括施压装置、加热装置、张力控制系统、收膜装置、检测系统和防撞报警装置等功能模块，各模块协同工作，实现特种料卷在复杂工件上的优质铺缠。图4所示的布带自动铺缠头能够实现大型异形回转体防隔热层的自动铺放和自动缠绕两种成型工艺。在自动铺放过程中，采用低张力铺放隔热带，对铺放张力的要求是隔热带张紧不松弛，能适度变形，实现“随形就位”，特别是在构件凹曲面处，铺放张力不能过大，否则会引起架桥缺陷。在自动缠绕过程中，预浸带的缠绕张力较大，控制精度较高，特别是在曲率半径较小的棱缘处，隔热带的缠绕张力需使隔热预浸带紧贴棱缘。该铺缠头具备大范围铺缠张力自动控制功能、预浸带自动纠偏功能、热风加热温度自动控制功能和预浸带覆膜自动卷绕功能，采用了铺缠压力可调的双压辊系统。另外，该铺缠头装有视频监控系统和成型工艺参数采集系统。

图4 三自由度铺放图核心功能部件

1. 铺缠张力自动控制系统

铺缠张力控制系统能够实现大范围铺缠张力自动控制，最小5N，最大200N。为兼顾铺缠张力调节范围和铺缠成型工艺所需的控制精度，将系统铺缠张力分为两段：大张力段50～200N，用于自动缠绕成型；小张力段5～50N，用于自动铺放成型。

2. 热风加热系统

通过对预浸带和待铺缠区域加热，可增加预浸带黏性，热风加热具有加热均匀的优点。该铺缠头采用压缩空气作为气源，加热后，空气经笛形管喷射到待加热区。空气加热器的最高出口温度达400℃，加热温度可根据工艺需求自行设定，通过出口温度传感器进行闭环控制。此系统既可手动也可自动运行。

3. 双辊辊压系统

该铺缠头采用双辊辊压系统，提高了预浸带的贴合性。主辊和副辊均是柔性的橡胶辊，提高了对复杂型面的适应性。主辊可沿直线导轨平动，采用4个φ25mm的气缸提供辊压力，供气压力0.6MPa时，辊压力达1200N。副辊可绕主辊轴线摆动，采用2个φ25mm气缸提供辊压力，供气压力0.6MPa时，气缸推力达600N。模具表面法向的辊压力随副辊摆动角度而变化。副辊的摆动行程可适应凹面最小曲率半径R250mm、凸面最小曲率半径R15mm的外形轮廓。双压辊系统运动机构如图5所示。

图5 双压辊结构示意图

4. 自动纠偏系统

在铺缠缠绕成型中，受布带斜缠变形、导辊安装误差、布带速度及张力的波动等因素影响，预浸带会横向偏移，从而影响成型件的性能。因此，自动纠偏系统对于铺缠缠绕成型非常重要。如图6所示，铺缠头采用行进过程纠偏方式，即根据位置检测器的反馈，控制预浸带传送路径中两根平行导辊的偏转角度，实现对预浸带铺缠缠绕位置的控制。采用红外线纠偏传感器对预浸带边缘的位置偏差进行检测，并反馈给自动纠偏控制器进行闭环控制。

图6 自动纠偏系统

5. 自动收膜系统

预浸料卷中除了用于构件成型的预浸料外，还有用于隔离预浸料的PE膜。自动收膜系统的功能就是在铺缠过程中，将预浸料的背覆膜自动回绕成卷。该系统采用力矩电机驱动收膜气涨轴，通过铺缠速度和收膜转速，开环控制收膜张力。该系统的卷绕速度高于铺缠速度、卷绕张力低于铺缠张力，具有自动和手动控制两种方式。

6. 视频监控和工艺参数采集系统

铺缠头上的摄像头可拍摄铺放区域，操作人员通过操作台的监视器观察铺放区域的质量和现场状态，并储存视频，从而实现了质量和安全的闭路控制。铺层头上还装有温度、压力传感器，可记录铺缠成型温度、压力及环境温度、湿度等工艺参数，便于质量追溯。

自动铺缠轨迹规划与编程

轨迹设计系统是集轨迹设计、轨迹优化、后置处理和轨迹仿真等功能于一体的设计制造一体化软件系统，可针对不同的工件构型，提供不同的轨迹设计方案，并针对构件的复杂程度及铺缠效率，进行轨迹优化。基于冗余七轴的机床架构实现了后置处理算法，为便于轨迹设计与验证提供了轨迹仿真功能模块。根据自动铺放的工作模式和技术特点，铺放轨迹必须满足一定的设计要求，包括：方向性、可铺放性、满铺覆性和经济性等要求。

1. 可铺放性

轨迹的可铺放性保证了铺放过程中预浸料不畸变（褶皱、撕裂）。预浸料可变形范围很小，对复杂曲面进行铺放时只能沿特定的轨迹，否则会导致褶皱或撕裂，继而影响铺放质量，如图7所示。在规划复杂曲面构件的自动铺放轨迹时，其算法必须根据构件曲面外形，综合考虑预浸料在铺放过程中的变形因素。由于预浸料中的增强纤维弹性模量非常高，铺放过程中纤维纵向拉伸变形能力有限，而纤维纵向受压缩作用产生的微屈曲是预浸带变形的主要机制。

图7 曲线铺放时预浸带的变形

2. 满铺覆性

满铺覆性是指进行单层铺放时，丝束满足间隙容差设计要求，确保丝束的满覆盖、不重叠。在自动铺丝过程中，由于构件形面的复杂性，按照一定算法求解得到的铺放轨迹不一定能保证轨迹中心间距的恒定，如不适当处理，将导致丝束局部重叠或空缺，引起铺层厚度不一致，从而降低构件精度，影响构件性能，如图8所示。预浸料在压实力的作用下，带宽通常会发生微量变化，为精确控制预浸带或丝束间隙，规划轨迹时，中心轨迹间应预留一定余量的间距。

a.纱束切送操作前  

b.纱束切送操作后

图8 纱束切送前后效果图

图9所示为铺缠轨迹规划设计流程。设计铺缠轨迹规划软件时，为规避不同曲面类型、不同规划算法对软件通用性的影响，将软件分为七大模块进行编写：STL文件拓扑重建模块、参考线生成模块、参考轨迹生成模块、其他轨迹生成模块、轨迹边界处理模块、轨迹规划后处理模块和轨迹仿真模块。图10所示为自动铺丝轨迹规划软件功能模块组成。

图9 铺缠轨迹规划设计流程                    

图10 铺缠轨迹规划软件模块功能划分

自动铺缠成型工艺试验验证

自动铺放成型工艺试验可对设备功能、数控匹配、程序拟合、预浸布自动铺放可行性以及自动铺放工艺设计等进行摸索和验证，为后续型号产品的生产应用奠定基础。自动铺放工艺试验以具备一锥段结构和二锥段结构的某舱体为对象，通过对此试验件的铺放进行工艺摸索，实现一锥段结构和二锥段结构的自动铺放，并推广应用到三锥段结构的自动铺放成型，进而实现某异形型号全结构制品的自动铺放成型。

自动铺缠轨迹设计编程：三维模型（产品三维模型）-提取曲面-网格化（UG、SYSPLY和CATIE等）-数据重构-生成轨迹（AFP&ATL-Software1.0）-后处理（CAM软件）-自动铺放（自动铺放设备）。按照上述流程，在调试期间开展多轮自动铺放成型工艺试验，不断优化材料、工艺和程序。

1. 铺缠成型总体工艺原则

针对该产品异形锥度结构特点，从小端往大端进行平行重叠缠绕是可行的，但一次铺缠成型每个舱体的布带宽度及其重叠量却难以实现，而且难以在无需外形面加工的情况下一次到位。如果采用平行往复缠绕，布带宽度及其对应的重叠量同样很关键。在布带变形允许的情况下，往复平缠以双向为佳，只要层间强度够，开缝的影响可以将至最低。另外，对烧后试样的性能检测表明，平行往复缠绕比平行重叠缠绕好。因此，本试验主选平行往复缠绕成型，备选重叠缠绕成型。原则如下：

（1）纤维布带连续性：陶瓷化防热层近零烧蚀，带走热量少，且高温导热系数较大，必然导致表面层急剧温升而增大热应力。而防热层是热-力双功能服役，对复合材料的强度尤其是热强度的要求较高，因此要尽可能保证纤维连续，要求布带在成型方向上为连续结构。

（2）铺缠后不进行切削加工：平缠试样经高温试验后，树脂基本挥发殆尽。从截面观察其轴向结构，可见经外形切削后只余下短短的一截，这种纤维在高温及高速冲刷下肯定不堪一击。虽然环向是连续的，但轴向纤维长度太短，无法支持环向连续纤维形成整体效应。如果是斜缠结构，则纤维在轴向及环向均为短纤维结构，整体强度会更弱。因此，此非烧蚀复合材料防热层要尽量少加工或不加工。自动铺放成型目标是：外型面轮廓度＜0.5，可让步接受＜0.8。

（3）轴向性能优先：力学性能测试表明，不同结构试样在常温下的力学性能都差不多(树脂和纤维共同作用)，超过300℃后，树脂慢慢熔化，接近450℃后，出现急剧变化，总体趋势是：高温性能排序是整体平铺(布带太宽无法实现自动化)＞平行往复缠绕(布带越宽越好)＞平行重叠缠绕(需切削加工且浪费严重)＞斜纹布斜缠(纤维短高温下散架)＞整体模压。通过此次攻关，预计可提高环向整体强度，但在气动加热环境下，是否出现沿轴向脱开（整体环向裂纹）问题尚不确定，要求通过工艺设计来增强拉伸性能。

2. 自动铺放成型工艺参数

自动铺放试验目标包括：40mm宽大步距平行往复缠绕常规布带走通；40mm宽小步距平行重叠缠绕验证可行性；采用经验证的铺放工艺参数和正规的布带铺缠试验件，进行性能取样、检测和对比；依据第三步结果，解决工艺设备程序可靠性、工艺程序优化、RTCP应用、编程和工艺自动化及效率等问题。

铺缠过程中预期存在3方面的问题：一是两侧棱圆角处的加减速问题，二是背风面两个负曲率凹面的贴模问题，三是总体外形曲面特征条件下的布宽及其等量重叠度。第一个问题，使锐角处的R圆角偏置合适的距离进行铺缠，确保后面的弹性压辊在拐点处跟上节拍；第二个问题在于压辊的跟随节奏；第三个问题要对曲面进行直纹化拟合，拟合精度＜0.5，或者在＜1的前提下求解直纹长度，得到最佳布宽。重叠量影响到轴向拉伸性能，轴向性能跟不上，可能导致环向纤维散架而不耐冲刷。

自动铺放过程中，按照平行往复铺缠+重叠铺放设计结合的思路，设计铺缠轨迹。为避免气流冲刷，要求从大端向小端来收缠最后一层，以形成顺气流结构；为提高重叠铺放的表面轮廓度，需进行等距、错距循环铺放。对平行往复铺放的设计是：从上向下自动铺放一次，然后从下向上自动铺放一次，接着人工铺放一层以提高轴向性能；后续铺放按此重复，直至厚度满足设计值。铺放至最终厚度时，取消人工铺层那一张。从小端向大端的重叠铺放设计，布带宽度暂选40mm，采用55%的重叠量，按照4～8次错距循环铺放。铺缠顺利完成后，为提高整体铺放成型效率，逐步调整加宽布带到60～80mm，进给量由20mm/r逐步提升到30mm/r。

按照方案确定的铺放参数，对8mm厚防热层的自动铺放成型进行了摸索及验证，初步确定一锥和二锥段参数为：开启加热180℃（传感器显示温度为123℃），张力输出值14%，主压辊压力200N，辅压辊压力65N，收膜张力0.3N，缓冲张力1N，速度倍率100%。针对母线锥度较大部分，采用60mm布带铺放易形成褶皱或架桥，后采用40mm布带铺放成型；针对母线锥度较小部分，采用60mm较大宽度布带进行铺放，铺放周期从66min降为44min；非RTCP控制程序，单次铺放周期为77min+15s。图11和图12分别为铺放改进前后的实物效果。

图11 自动铺缠改进前试验效果

图12 改进后的自动铺缠表观质量

3. 异形舱体自动铺缠试验小结

针对目前的异形结构实现自动铺放是可行的，自动铺放程序和轨迹可行性基本得到验证，但效率亟待提高；不论往复铺放，还是重叠铺放，建议后续以40mm布宽为基础，布宽过大易形成大褶皱，布宽过小可能影响母向性能；往复铺放和重叠铺放的表观质量，通过调整重叠量为55%，同时在布宽范围内等距错位分4～8次循环，均匀化表观不平度，有效提高了表面轮廓度。

通过多次调试，对自动铺放成型的效率和质量（目前质量问题主要是褶皱、架桥和波纹状）这两方面的影响因素进行了初步摸索和验证，如图13所示。针对网格预浸布在不同结构锥段上的铺放工艺参数进行研究，掌握了异形结构防热层制品的自动铺放成型参数。图13为总结的铺缠试验工艺质量问题结构树，据此，可以针对铺放过程中的具体问题，采取有效的控制改进措施。

图13 铺缠试验工艺质量问题结构树

铺缠轨迹优化与RTCP控制

1.自动铺缠RTCP控制优势

国内首台立式八轴控制七轴联动自动铺缠成型装备数控系统为华中数控HNC848，该系统具备多轴联动控制功能，如图14所示。经过试验验证，数控系统稳定可靠。采用RTCP控制和非RTCP控制的铺缠轨迹及产品铺缠质量和效率存在较大差异。

图14 华中数控HNC848自动铺缠控制系统

采用非RTCP控制铺缠时，铺缠效率不高且轨迹速度不稳定。铺缠经过工件棱角边缘的速度显著变缓，导致铺缠效率不高；铺缠工件其他区域的速度不稳定，在凹面的速度大于在凸面的速度，导致机床速度变化大，如图15所示。

压辊过楞缘     

压辊过凹面         

压辊过凸面
图15 铺缠过程中压辊姿态示意图

非RTCP铺缠时，整个铺缠过程速度不稳定，提速时部分联动轴会抖动，尤其是旋转工作台C轴抖动十分明显，如图16所示。由于计算轨迹弧长时没有考虑机床结构，导致铺缠表现为增材加工特点，压辊气缸浮动行程有限，铺到一定厚度后需修改类似于五轴机床切削的刀具长度，然后重新生成铺缠程序，操作较麻烦。此外，多轴小线段拟合是在多维空间下，速度规划受不正确的曲线拟合结果干扰，如图17所示。

图16 SSTT采集C轴速度和速度波动曲线     

图17 速度规划曲线拟合误差

采用RTCP功能进行七轴铺缠联动控制，在进行系统内部运动学求解运算时，考虑了机床的运动结构参数。RTCP功能控制原理是在工件坐标系下进行样条拟合与速度规划，使机床运动更平稳，没有频繁的加减速现象，加减速也不会出现抖动；提高了各运动轴的光顺性，令铺缠效率更高；进给量为2000mm/min 时，铺缠一圈的时间大约为68s；非RTCP的时间大约为110s。与此同时，RTCP可以做刀具长度补偿，解决厚度补偿问题，提高编程效率。

2. 铺缠系统设计改进措施

按照调试确定的状态对主压辊与辅压辊进行定型设计与完善，硬件改进包含压辊分段设计、勾腿间距优化、提体分离薄膜优化及主辅压辊压力优化组合等。同时，对双带铺放机头进行设计与验证，以进一步提高效率，且不减少预浸布预压时间。

数控系统方面，将多轴联动RTCP控制功能完善到铺缠轨迹控制程序中，以消除铺放过程中的“脉冲式”问题，实现铺放轨迹的连贯性与平顺性。自动铺放数控程序方面，进一步优化了程序点数，实现了更优的拟和效果。进一步研究铺放程序，设计了适应周向不同位置的张力输出值、铺放速度等，实现了参数动态自适应调整，以便合理控制不同位置的铺放质量。

总结与创新点

数控双立柱铺缠带机具备七轴联动功能，可实现绝大部分异形舱体结构复合材料壳体制品铺/缠带成型。以某异形舱金属壳体为对象，采用数控双立柱铺缠带机进行多轮自动铺放成型试验，通过采用不同布宽、不同铺放工艺参数、不同铺放程序控制的交叉组合，对自动铺放工艺进行了摸索。摸索过程中，对程序轨迹优化、数控系统匹配、铺放输出张力、热风温度、薄膜收卷方式、铺放参数等进行了较全面的验证，实现了某异形舱防热层试验件的自动铺放成型。

国内首台双柱立式大型数控铺缠一体化成型装备攻克了一系列关键技术，拥有较多自主知识产权的技术创新点。主机采用湖南江南四棱数控机械有限公司开发的立式双柱铺缠主机，增强了新型复合材料干法铺缠的适应性；铺带头核心功能部件全部为南京航空航天大学具有自主知识产权的铺缠头；自动铺缠编程与仿真采用南京航空航天大学自主二次开发的铺放软件；国产华中数控系统HNC848实现了八轴控制七轴联动铺放；配备30m/min高速进给系统，提高了异形曲面铺缠的适应性，通过RTCP控制，还有效地提高了铺放轨迹的光顺性和铺放效率；采用40～60mm宽布带，设置55%铺放重叠量，结合非重叠区等距细分进行往复循环铺缠成型，提高了铺放的轮廓度。