研制國產自動鋪絲設備,提升航空工業的核心競爭力

提供者:  來源:保定標正機床有限責任公司,組合機床,專用機床,數控機床,銑削頭,動力部件   時間:2019-06-05  

在“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項(以下簡稱“04專項”)的支持下,保定標正機床有限責任公司作為責任單位,聯合石家莊飛機工業有限責任公司、西安交通大學、河北科技大學和哈爾濱工業大學等單位,共同承擔了2014年度課題“航空復合材料構件自動鋪絲頭設備開發及應用”。該課題的目標是:針對航空復合材料構件制造對纖維自動鋪絲技術的迫切需求,研制具有自主知識產權的自動鋪絲設備。要求通過產、學、研、用相結合的方式,開展鋪絲設備技術的攻關,構建與纖維鋪絲設備相關的試驗、測試和制造平臺,完成小鷹500復合材料機身段殼體的整體鋪絲工程驗證,制定自動鋪絲設備制造技術標準和機身殼體自動鋪絲成型工藝規範,實現飛機復合材料構件的制造從傳統的手工鋪貼模式向先進的數字化制造技術跨越。以此,提升國內在飛機復合材料構件研制方面的水平,推動自動鋪絲設備的應用及產業化,增強航空工業的核心競爭力。該課題的起止時間是2014年1月至2017年12月。

開展的研究工作

首先,在對自動鋪絲工藝進行研究的基礎上,根據自動鋪絲不同的功能模塊,開展了工程化的樣機設計。通過有限元分析,以及對力、熱、材料特性和動剛度的分析,掌握了提高纖維鋪絲穩定性的關鍵因素,經不斷優化與完善,獲得了較為理想的設計結構。

其次,深入研究了關鍵零部件的制造和整機裝配工藝,自頂向下的開放式設計理念提高了拆機與維修的便捷性。

第三,針對纖維自動鋪放過程的特殊要求,深入研究了高效路徑生成算法,開發出纖維鋪放路徑規劃軟件。

第四,由於鋪絲設備的整體可靠性涉及到張力控制、伺服控制和誤差補償等多個關鍵技術環節,因此,在理論分析的基礎上,采用仿真和試驗相結合的方法,保證了各關鍵環節的工程可靠性。

第五,研制出專用的旋轉機身芯模以及調整、檢測儀器設備,對鋪絲工藝進行了試驗驗證。

第六,針對整體復合材料的機身,探索出合適的的鋪絲成型工藝,制定出纖維鋪放工藝標準規範以及自動鋪絲設備的工程化技術標準。

為此,重點劃分出以下10項任務:

1. 復合材料自動鋪絲設備總體方案設計;

2. 自動鋪絲頭結構設計優化;

3. 纖維自動鋪放路徑規劃軟件開發;

4. 纖維鋪放CAM軟件開發;

5. 在線實時監測與預警技術;

6. 多軸多系統整體控制技術;

7. 機身殼體整體鋪絲芯模設計與制造;

8. 機身殼體整體鋪絲工程設計及驗證;

9. 鋪絲設備工程化技術標準研究;

10. 鋪絲設備可靠性運行試驗、故障原因統計及分析。

突破的技術瓶頸

1. 自動鋪絲設備主體運動機構工程化設計及制造關鍵技術

要實現復合材料構件的整體鋪絲,僅靠鋪絲頭系統是無法完成的,需要采用大跨度、長距離的主體運動機構作為執行機構,來協助鋪絲頭完成復合材料構件的整體鋪絲。實際加工過程中,為保證鋪絲頭的空中姿態,要求設備在整個過程中可實現七軸同步聯動,確保鋪絲過程的連續性。整機結構如圖1所示。

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圖1整機結構

2. 鋪絲頭與主體運動機構的集成關鍵技術

鋪絲頭系統必須通過主體運動機構的動作來達到精確的鋪絲位置,因此,鋪絲頭系統與主體運動機構的集成是自動鋪絲設備的重中之重。經研究驗證,設計制造了A\C\C12軸回轉裝置(如圖2所示),與鋪絲頭系統連接,令鋪絲頭系統能夠圍繞C\C12軸實現±180°旋轉,圍繞A軸實現±45°擺動,從而保證了鋪絲頭在空間任意角度的旋轉姿態。

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圖2 A\C\C12軸回轉裝置

3. 自動鋪絲頭結構設計優化及制造關鍵技術

課題研制的自動鋪絲設備,是通過對復合材料預浸絲束的自動鋪放來實現復合材料構件的增材制造。在實際加工過程中,需要利用鋪絲頭來完成對預浸絲束的夾持、重送、剪切、加熱和壓緊等操作,因此,鋪絲頭是自動鋪絲系統的核心部件,也是鋪絲系統中最復雜的機械裝置。由西安交通大學負責開發研制的鋪絲頭,其結構如圖3所示,是復雜的機、電、熱壹體化裝置 對自動鋪絲頭的開發,需要從機械結構設計、控制方法以及鋪絲工藝等方面開展系統的研究,只有這樣,才能獲得高質量的自動鋪絲頭裝置。

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圖3 鋪絲頭三維模型及實物

4. 鋪絲頭與纖維紗架結構的集成

鋪絲頭與纖維紗架結構集成為壹體,可確保鋪絲頭與纖維紗架的運動保持壹致,即在鋪絲頭與纖維紗架之間無相對運動,同時可縮短和簡化紗架中纖維絲束輸送至鋪絲頭的路徑,以解決纖維鋪絲過程中因輸送距離長而導致的絲束張力波動大、實時控制難度大等問題,有效防止纖維帶因旋轉而出現扭曲和打撚,從而提高鋪絲過程的穩定性和可靠性。因此,對鋪絲頭及紗架進行輕量化的結構設計,優化鋪絲頭及紗架結構,從而獲得了結構緊湊、質量較小且布局合理的新型鋪絲頭結構,如圖4所示。

結構示意圖結構示意圖

圖4 紗架和鋪絲頭壹體式結構示意圖

5. 多軸多系統協同控制與集成技術

課題研制的鋪絲頭設備系統具有7個自由度,其中,鋪絲頭水平移動與鋪絲頭垂直升降屬於高速大慣量系統,要求運行速度快、能承受大慣量並可實現多任務協調及多軸聯動控制。

後置處理是纖維鋪放的核心技術之壹,是根據纖維鋪放設備的結構及控制形式,將路徑規劃所生成的軌跡信息,轉化為可以被纖維鋪放設備識別的各軸運動指令的過程。後置處理的好壞,直接影響零件的加工質量、加工效率以及機床的可靠運行。

6. 纖維自動鋪絲路徑規劃及CAM軟件開發

纖維自動鋪放路徑規劃軟件是研制復合材料自動鋪放設備的關鍵技術之壹。與傳統的機加工不同,自動鋪絲技術采用按設計方向逐層鋪疊的增料加工模式。而自動鋪絲路徑規劃軟件,是根據纖維鋪放工藝特點和構件外形特征,按照構件結構設計要求,依照鋪放設備的結構和工作模式,生成可供專用鋪放設備實現復合材料構件成型制造的NC 加工代碼。在滿足設計要求的基礎上,應盡可能提高鋪放效率,保證鋪放質量,節約材料,降低制造成本。

7. 在線實時監測與預警技術

在線實時監測與預警技術是復合材料自動鋪放設備研發過程中壹個重要的功能模塊。為提升自動鋪絲設備的鋪絲效率和鋪絲質量,需要發現並解決鋪絲頭在絲束帶鋪放過程中存在的問題,這就需要開發針對鋪絲過程的在線實時監測技術。主要監測內容包括:纖維絲束帶的鋪放精度、纖維絲束帶的剪斷狀態、纖維絲束帶的打撚、鋪絲過程溫度、纖維絲束張緊力以及纖維絲束帶的用量。通過對上述鋪放信息進行實時監測,可以及時發現並解決鋪絲過程中存在的問題,保證纖維絲束帶的鋪放質量、均勻性及可靠性。

8. 飛機復合材料機身殼體整體鋪絲芯模設計及制造技術

為了適應小鷹500飛機機身段雙曲率封閉曲面復合材料構件的工程化整體鋪絲制造,針對飛機的結構特點,設計制造了壹套可拆式組合芯模。該芯模能夠根據生產需求,快速組合、裝配成滿足要求的模具。

9. 整體機身殼體纖維絲束鋪放工藝技術研究

目前,國內尚無相關絲束鋪放的工藝規範。依托石家莊飛機工業有限責任公司在復合材料構件的設計、制造方面多年積累的經驗及其形成的工藝方法,形成了航空復合材料構件絲束鋪放工藝規範體系和質量保證體系,以及從纖維處理、樹脂體系、纖維絲束制備到鋪絲過程與監測的完整的工藝規範,從而制定出航空復合材料構件(如飛機機身殼體)纖維絲束鋪放的技術標準,保證了復合材料構件的高效、高質量制造。

取得的成效

該課題已於2018年6月13日順利通過了任務終驗收,並於2018年8月29日順利通過了財務驗收。課題所研制的鋪放系統在壹些關鍵指標(如鋪放穩定性、鋪放精度等)上與國外同類產品相當。所開發的纖維鋪放路徑規劃軟件操作性好,打破了自動鋪絲設備及軟件的進口壟斷,從而有助於推動我國新型號航空產品的研制,提高我國大型高性能航空復合材料構件的制造水平,對保障國防安全意義重大。

通過課題的實施,共申報了13項國家專利,其中9 項發明專利。

制定了6項企業技術標準,初步形成了以自動鋪絲頭為核心的知識產權體系。後續將根據研究進展,加強知識產權保護和運行,力爭早日實現國產自動鋪絲裝備的大批量工程化應用。目前,課題成果通過了國家機床質量監督檢驗中心的檢驗。

產業化情況

到目前為止,課題成果龍門式自動鋪絲機滿足了石家莊飛機工業有限責任公司小鷹500機身段殼體的鋪放技術要求,如圖5、圖6所示。

鋪絲機自動鋪絲機
圖5 龍門式自動鋪絲機

使用情況

使用情況
圖6 設備使用情況                  

2016年,為中航復合材料有限責任公司研制了8絲束的機器人式自動鋪絲機,如圖7所示。

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圖7 工業機器人式自動鋪絲機          

目前正在為北京衛星制造廠有限公司研發8絲束臥式纖維自動鋪纏壹體設備。

社會意義

目前,國內尚無國產大型自動鋪絲設備,而在我國航空工業快速發展的今天,此類設備必不可少。因此,該課題成果不僅為企業和國家節省了購買昂貴的進口設備所需的外匯,降低了設備的采購、維護和配套成本,還有助於推進纖維增強復合材料在大飛機、風力發電葉片和汽車輕量化部件等領域的應用,尤其是將為大型飛機、高性能軍用飛機和大型運輸機的發展提供重要的裝備支撐。

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