國產大型雙柱立式數控七軸聯動鋪纏一體化成型裝備研究開發應用

湖北三江航天紅陽機電有限公司 王華僑

湖南江南四棱數控機械有限公司 蘇國榮

武漢華中數控股份有限公司 鄭武

華中科技大學 楊建中

南京航空航天大學 王顯峰

本文在對異形艙體采用傳統鋪纏裝備成型時暴露的缺陷基礎之上，系統介紹了七軸聯動鋪纏裝備的核心關鍵技術，從雙柱立式鋪纏主機、鋪纏頭核心功能部件、華中數控HNC848 系統、RTCP鋪纏成型控制、異形艙體鋪放軌跡設計及鋪放軟件功能模塊等進行了簡略介紹。最后對某異形艙體進行了鋪纏試驗驗證和RTCP 控制的優勢進行了分析，并從鋪纏程序軌跡優化、數控系統、鋪纏頭功能部件等三個方面提出了改進意見。全球首臺套雙柱立式鋪纏成型裝備突破了系列裝備主機、功能部件、數控系統、鋪放編程、鋪放工藝等關鍵技術，取得并展示了較多的技術創新點。

一、異形艙體傳統鋪纏成型的缺陷

艙體熱防護層是飛行器在飛行過程中的外保護層，保證飛行器在惡劣的環境中穩定可靠的工作。傳統的三軸數控纏繞機，能夠完成筒形、錐形、冪次曲線形回轉體的防熱層纏繞成型，但無法完成異型曲面的防熱層成型。使用傳統三軸布帶纏繞機僅能完成模具旋轉及預浸帶固定，防熱層的鋪放成型靠人工完成，預浸帶在鋪放中人為施加張力，導致防熱層之間貼合不實，比理論圓周偏大，在后續加壓固化過程中容易形成較大褶皺，影響防熱層防熱效果。成型效率低下且預浸布浪費嚴重，產品質量不高。通過平行重疊纏繞、斜紋布斜疊纏繞成型固化后，進行外防熱層的加工后，表觀質量如圖1 所示。

通過平行重疊纏繞、斜紋布斜疊纏繞成型固化后加工存在的主要缺點有三個方面。首選，固化成型加工后存在皺褶、架橋、分層、開裂等多種質量缺陷，導致產品質量可靠性、穩定性和一致性差；其次是材料利用率低下導致材料成本高，傳統纏繞成型的材料利用率不到30%，大面積材料在固化后切削掉，浪費極其嚴重；第三是需要通過機械切削加工去除，存在加工成本高、切削粉塵污染嚴重、工序周轉周期長導致總體成本高周期長等眾多缺點。

圖1 傳統鋪纏裝備產品缺陷示意圖

除回轉體類熱防護零件采用布帶纏繞機纏繞成型外，其余產品成型均無自動化裝備，需要靠手工成型。復雜內網格筋結構件是起承載作用，纖維鋪放方向、精度及鋪放質量對艙段承載能力影響較大。手工鋪放首先需要對模具進行預熱，保證預浸料可以較好地貼模；預浸絲束鋪放的角度、縫隙拼接均由人工控制；為了保證預浸料之間貼合良好，每鋪2 ～3層，需要包真空進行一次預壓；下次鋪層前需要再對模具進行預熱，已鋪層在模具上的預浸料時常需經歷多次加熱過程。該成型過程周期漫長，動輒數月才能完成1 件大型復合材料構件的鋪層成型，且手工成型的復合材料結構件的纖維鋪放角度、纖維束之間的拼縫、預浸料的樹脂含量、纖維拉直程度等均無法保證，產品質量時好時壞，無法滿足航天產品對質量穩定性的高要求，更無法適應現代化的高效率生產節奏。

二、數控雙柱立式鋪纏主機結構

國內較早就對自動絲束鋪放技術進行了技術跟蹤和探索研究，南京航空航天大學、西北工業大學、哈爾濱工業大學、武漢工業大學等開展了一些理論和實驗室研究。自動絲束設備、工藝技術及相應的預浸絲束制備等技術都沒有進行過系統研究，這為該成型技術的工程化應用帶來了很大難度。目前，國內未研制出一臺能夠完全滿足工程應用的自動絲束鋪放設備，而必要的配套技術，如絲束預浸技術、驅動軟件、鋪放工藝和模具設計技術等的研究也不多，這主要是因為國內缺乏必要的絲束鋪放設備作為研究平臺，無法做到對自動絲束鋪放技術系統深入的研究。

1.數控雙主鋪纏裝備主機結構

國內首臺數控雙柱立式布帶鋪纏一體化成型主機采用華中數控HNC848 數控系統及伺服驅動。各坐標軸定義如圖1 所示：鋪纏頭徑向移動—X 坐標，鋪纏頭橫向移動—Y 坐標，鋪纏頭升降—Z 坐標；工作臺（芯模）旋轉—C 坐標；鋪纏頭旋轉—A 坐標，鋪纏頭俯仰—B 坐標，鋪纏頭偏航—C1 坐標；鋪纏頭送帶—U 坐標。

機床床身為雙立柱，橫梁沿立柱上下移動，方滑枕沿橫梁左右移動，方滑枕前后移動的龍門落地式結構，中心懸掛方滑枕。工件放置在工作臺上，與工作臺一起旋轉。雙立柱采用對稱布置的形式，立柱上通過直線導軌安裝橫梁，橫梁上下移動采用雙電機驅動、雙精密減速機及高精度滾珠絲杠傳動機構，并配有氣液動平衡系統。數控同步保證左、右兩根滾珠絲杠同步運轉。裝備主機總體結構及裝備實物如圖2何圖3 所示。

圖2 雙柱立式鋪纏機結構設計示意圖

圖3 數控雙立柱鋪纏帶機實物圖

橫梁上通過直線導軌安裝方滑臺，方滑枕移動采用電機驅動、雙精密減速機及高精度齒輪齒條傳動機構。方滑枕上通過直線導軌安裝伸臂，伸臂移動采用電機驅動、雙精密減速機及高精度齒輪齒條傳動機構。伸臂裝有高精度的鋪纏頭重心平衡補償系統及滑枕伸出自重變形補償系統，消除鋪纏頭及方滑枕前移而產生的下垂變形，確保鋪纏頭系統的精度及剛度。

伸臂前端面安裝鋪纏頭，鋪纏頭采用三軸旋轉手腕結構，可完成異形回轉體的自動鋪年纏成型，具備大范圍鋪纏張力自動控制功能、預浸帶自動糾偏功能、熱風加熱溫度自動控制功能和預浸帶覆膜自動卷繞功能，具備鋪纏壓力可調的雙壓輥系統。

工作臺采用雙電機消隙驅動，結構簡單、承載大、精度高。機床操作站采用獨立吊掛的可伸縮以及旋轉的操作站臺，操作簡單方便。橫梁兩側配有隨橫梁上下升降的操作維修平臺，平臺亦可沿橫梁手動移動靠近鋪纏帶頭，方便更換料卷以及檢測和觀察鋪纏質量狀態。立柱兩側安裝有上到立柱頂部的安全通道，方便安裝以及維修更換立柱兩側的驅動電機及絲杠。

復合材料鋪纏帶機是復合材料自動化高效成型工藝的主要裝備之一，通常由鋪纏頭，鋪纏手腕，床身、芯模回轉系統以及機床控制系統等幾部分組成。輔助設備各包括壓輥裝置、預浸帶加熱裝置，布帶張力控制系統、布帶切斷裝置，紗架、糾偏裝置等。機床主要關鍵技術指標規格如表1 所示。

表1 數控雙柱立式鋪纏主機技術規格

2.主機綜合實驗及精度檢測

（1）運動控制綜合試驗。

①各運動軸動作試驗，試驗其動作的靈活性和可靠性。主軸進行正轉、反轉、停止及變換轉速試驗(無級變速機構作低、中、高速，有級變速機構作各種轉速)。其他運動軸做低、中、高運轉速度及快速運轉變換試驗。

②各運動軸的聯動試驗：試驗各運動軸坐標的超程保護、手動數據的輸入、坐標位置顯示、回基準點、程序序號指示和檢查、程序暫停、程序結束、程序消除、單步進給、直線插補、圓弧插補、螺距補償、間隙補償等功能的可靠性和動作的靈活性。

③空運轉功率試驗(抽查)：各運動軸傳動系統空運轉功率應符合設計文件低于5%的規定。空運轉實驗：最大速度下的空載功率。

④整機連續空運轉試驗：用數控程序在全部功能下模擬工作狀態做不鋪纏連續空運轉試驗，整個運轉過程中不應發生故障。連續空運轉時間為8 小時，每個循環時間不大于15分鐘，每個循環之間休止時間不得超過1 分鐘。

⑤機床鋪纏實驗：選定標準試件用數控程序在全部功能下模擬工作狀態做鋪纏連續運轉試驗，整個運轉過程中不應發生故障。連續運轉時間為8 小時，每個循環時間不大于15分鐘，每個循環之間休止時間不得超過1 分鐘。檢驗鋪纏精度和厚度誤差。

（2）機床綜合精度檢測。

①鋪纏帶隙精度的檢驗：在標準圓柱體芯模上或平板類模具，用標準預浸帶，通過運行鋪帶程序在芯模連續鋪帶多次。用游標卡尺測量多遍鋪帶之間的間距誤差，取最大值。

②鋪纏角度偏差的檢驗：在標準圓柱體芯模上或平板類模具，用標準預浸帶，通過運行鋪帶程序在芯模連續鋪帶多次。用游標角度尺測量多遍鋪帶之間的角度誤差，取最大值。

③鋪放速度的測量：在標準圓柱體芯模上或平板類模具，用標準預浸帶，通過運行鋪帶程序在芯模連續鋪帶多次。用秒表計量時間，用游標卡尺測量多遍鋪帶長度，或在料卷上測量退卷的長度，計算取最大值。

三、自動鋪纏頭核心關鍵技術

鋪纏頭系統是是一個集成系統，其包括施壓裝置、加熱裝置、張力控制系統、收膜裝置、檢測系統、防撞報警裝置等功能模塊，各模塊協同工作實現特種料卷在復雜工件上的優質鋪纏。如圖4 所示的布帶自動鋪纏頭能夠實現大型異形回轉體防隔熱層的自動鋪放和自動纏繞兩種成型工藝。在自動鋪放成型過程中，隔熱帶采用低張力鋪放，鋪放張力要求隔熱帶張緊不松弛，并能適度變形，實現“隨型就位”，特別是在構件凹曲面處的鋪放，過大的鋪放張力會引起凹面處的架橋缺陷。在自動纏繞成型過程中，預浸帶的纏繞張力較大，控制精度較高，特別是在曲率半徑較小的棱緣處，隔熱帶的纏繞張力需使隔熱預浸帶緊貼棱緣。該鋪纏頭具備大范圍鋪纏張力自動控制功能、預浸帶自動糾偏功能、熱風加熱溫度自動控制功能和預浸帶覆膜自動卷繞功能，具備鋪纏壓力可調的雙壓輥系統。另外，該鋪纏頭還安裝有視頻監控系統、成型工藝參數采集系統。各部分組成如下：

圖4 三自由度鋪放圖核心功能部件

（1）鋪纏張力自動控制系統：鋪纏張力控制系統能夠實現大范圍鋪纏張力自動控制，最小5N，最大200N。為了兼顧鋪纏張力調節范圍和鋪纏成型工藝所需的控制精度，該鋪纏頭將系統鋪纏張力分為兩段：大張力段50N～200N 和小張力I 段5～50N，大張力段主要用于自動纏繞成型，小張力段主要用于自動鋪放成型。

（2）熱風加熱系統：通過對預浸帶和待鋪纏區域的加熱，增加預浸帶黏性。熱風加熱方式具有加熱均勻的優點，該鋪纏頭采用壓縮空氣作為空氣加熱器的氣源，加熱后的空氣經過笛形管噴射到待加熱區域。空氣加熱器的最高出口溫度可達400℃，加熱溫度可根據工藝需求進行自行設定，通過出口溫度傳感器進行閉環控制。此系統既可手動運行，也可自動方式運行。

（3）雙輥輥壓系統：該鋪纏頭采用雙輥輥壓系統提高預浸帶的貼合性。其主輥和副輥均采用橡膠制成的柔性輥，以提高復雜型面的適應性。主輥可沿直線導軌平動，采用4個φ25mm 氣缸提供輥壓力，供氣壓力0.6MPa 時，輥壓力可達1200N。副輥可繞主輥軸線擺動，采用2 個φ25mm氣缸提供輥壓力，供氣壓力0.6MPa 時，氣缸推力可達600N，模具表面法向的輥壓力大小隨副輥擺動角度的變化而變化。副輥的擺動行程可滿足凹面最小曲率半徑R250mm，凸面最小曲率半徑R15mm，滿足目標產品的外形曲率。雙壓輥系統運動機構如圖5 所示。

圖5 雙壓輥結構示意圖

圖6 自動糾偏系統

（4）自動糾偏系統：在鋪纏纏繞成型過程中，由于布帶斜纏變形、導輥的安裝誤差、布帶速度及張力的波動等因素影響，預浸帶會發生橫向偏移，即跑偏現象。預浸帶跑偏會影響成型制件的性能。因此，自動糾偏系統是鋪纏纏繞成型的關鍵之一。該鋪纏頭采用行進過程糾偏方式，如圖6 行進過程糾偏是根據位置檢測器的反饋控制預浸帶傳送路徑中兩根平行導輥的偏轉角度，實現預浸帶鋪纏纏繞位置的控制。采用紅外線糾偏傳感器進行預浸帶邊緣位置偏差檢測，并反饋給自動糾偏控制器進行閉環控制。

（5）自動收膜系統：預浸料卷中除了用于構件成型的預浸料外，還有用于隔離預浸料的PE 膜。自動收膜系統的功能就是在鋪纏成型過程中將預浸料的背覆膜自動回繞成卷。該系統采用力矩電機驅動收膜氣漲軸，通過鋪纏速度和收膜轉速進行收膜張力的開環控制，力矩電機的驅動電流與驅動力矩的關系需提前校準。該系統能夠實現卷繞速度高于鋪纏速度，且卷繞張力低于鋪纏張力；具有自動和手動控制兩種方式。

（6）視頻監控和工藝參數采集系統：在鋪纏頭上安裝攝像頭拍攝鋪放區域，操作人員通過操作臺的監視器觀察鋪放區域的質量和現場狀態，同時將鋪放過程視頻存儲，從而實現質量和安全控制的閉路電視系統。另外，該鋪層頭上安裝溫度、壓力傳感器，可實現鋪纏成型溫度、壓力以及環境溫度、濕度等工藝參數的記錄，便于產品質量系統的追溯。

圖7 曲線鋪放時預浸帶的變形

四、自動鋪纏軌跡規劃與編程

軌跡設計系統是集軌跡設計、軌跡優化、后置處理、軌跡仿真等功能于一體的設計制造一體化軟件系統，針對不同的工件構型提供了不同的軌跡設計方案、針對構件的復雜程度以及鋪纏效率進行了軌跡優化、基于冗余七軸的機床架構實現了后置處理算法、為便于軌跡設計與驗證提供了軌跡仿真分析功能模塊。根據自動鋪放的工作模式和技術特點，鋪放軌跡須滿足一定的設計要求，主要包括以下幾方面：方向性要求、可鋪放性要求、滿鋪覆性要求和經濟性要求等。

（1）可鋪放性要求：軌跡的可鋪放性即保證鋪放過程中預浸料不發生畸變（屈皺、撕裂）的能力。預浸料可變形范圍很小，對復雜曲面進行鋪放時只能沿特定的軌跡，否則會導致褶皺或撕裂，繼而影響構件的鋪放質量；如圖7 所示。在復雜曲面構件自動鋪放軌跡規劃時，其算法必須根據構件曲面外形綜合考慮預浸料在鋪放過程中的變形因素。由于預浸料中增強纖維彈性模量非常高，鋪放過程中纖維縱向拉伸變形能力有限，而纖維縱向受壓縮作用產生的微屈曲是預浸帶變形的主要機制。

（2）滿鋪覆性要求：滿鋪覆性要求是指進行單層鋪放時絲束滿足間隙容差設計的要求，實現絲束的滿覆蓋、不重疊。在自動鋪絲過程中，由于構件形面的復雜性，按照一定算法求解得到的鋪放軌跡并不一定能保證軌跡中心線間的距離保持恒定，間距可能過小或過大，如不進行適當處理，將導致絲束局部重疊或空缺，如圖8 所示引起鋪層厚度不一致，從而降低構件的制造精度，最終影響構件性能。預浸料在壓實力的作用下，帶寬通常會發生微量的變化，為了更精確的控制預浸帶或絲束的間隙，在進行軌跡規劃時中心軌跡間應預留一定余量的間距。

圖8 紗束切送前后效果圖

圖9 為鋪纏軌跡規劃設計流程，在軌跡規劃設計流程的基礎上進行鋪纏軌跡規劃軟件設計時，為規避不同曲面類型、不同規劃算法對軟件通用性的影響，將軟件分為六大模塊進行編寫：(1) STL 文件拓撲重建模塊、(2) 參考線生成模塊、(3) 參考軌跡生成模塊、(4) 其它軌跡生成模塊、(5) 軌跡邊界處理模塊、(6) 軌跡規劃后處理模塊、（7）軌跡仿真模塊。圖10 為自動鋪絲軌跡規劃軟件功能模塊組成。

圖9 鋪纏軌跡規劃設計流程

圖10 鋪纏軌跡規劃軟件模塊功能劃分

五、自動鋪纏成型工藝試驗驗證

通過自動鋪放成型工藝試驗，對設備功能情況、數控匹配性、程序擬合情況、預浸布自動鋪放可行性、自動鋪放工藝設計等方面進行摸索和驗證，為后續型號產品的生產應用奠定基礎。自動鋪放工藝試驗以具備一錐段結構和二錐段結構的某艙體為對象。通過此試驗件鋪放工藝摸索，實現一錐段結構和二錐段結構的自動鋪放可行性，從而推廣應用到三錐段結構的自動鋪放成型，進而實現某異形型號全結構制品的自動鋪放成型。

自動鋪纏軌跡設計編程：三維模型（產品三維模型）——提取曲面——網格化（UG、SYSPLY、CATIE 等）——數據重構——生成軌跡（AFP&ATL-Software1.0）——后處理（CAM 軟件）——自動鋪放（自動鋪放設備）。按照上述流程在調試期間開展多輪自動鋪放成型工藝試驗，不斷優化材料、工藝、程序等。

1.鋪纏成型總體工藝原則

針對該產品異形錐度結構特點，從小端往大端進行平行重疊纏繞是可以實現的，但平行重疊纏繞一次鋪纏成型每個艙體的布帶寬度及其重疊量等難以實現，且非常難以實現一次到位而不需要進行外形面加工；如果采用平行往復纏繞，其布帶寬度及其對應的重疊量同樣很關鍵……布帶變形容許情況，往復平纏以雙向為佳，只要層間強度夠，開縫的影響可以將至最低。另外通過前期檢測燒后試樣性能可以推出，平行往復纏繞比平行重疊纏繞好。因此本試驗主選平行往復纏繞成型，備選重疊纏繞成型。具體三條原則如下：

（1）纖維布帶連續性原則：陶瓷化防熱層近零燒蝕，帶走熱量少，且高溫導熱系數較大，必然導致表面層急劇溫升導致很大熱應力，防熱層是熱-力雙功能服役。對復合材料的強度尤其是熱強度提出較高要求，實現方式是盡可能保證纖維連續。原則上要求使用的布帶在成型方向上為連續結構，不能使用短纖維結構形式，因此預浸布帶要求為連續結構。

（2）鋪纏后不進行切削加工原則：通過前期平纏試樣經過高溫實驗后觀察可知，樹脂基本揮發殆盡；從截面觀察其軸向結構，可見經過外形切削后只余下短短的一截，這種纖維經過高溫及高速沖刷肯定不堪一擊；它的優點是環向是連續的，但是軸向纖維長度太短，無法支持環向連續纖維形成整體效應；如果是斜纏結構，則纖維在軸向以及環向均為短纖維結構，其整體強度理論上來講會更弱……因此，針對此非燒蝕復合材料防熱層另一個基本原則是盡量少加工或不加工。自動鋪放成型目標是外型面輪廓度要求＜0.5，＜0.8可讓步接受。

（3）軸向性能優先原則：通過力學性能測試可知，不同結構試樣常溫情況都差不多(樹脂和纖維共同作用)，超過300℃后樹脂慢慢融化，接近450℃后出現急劇變化，總體趨勢呈現為，高溫性能排序是整體平鋪(布帶太寬無法實現自動化)＞平行往復纏繞(布帶越寬越好)＞平行重疊纏繞(需要切削加工且浪費嚴重)＞斜紋布斜纏(纖維短高溫下散架)＞整體模壓。通過此次攻關預計可提高環向的整體強度，但是軸向在氣動加熱環境下是否出現沿軸向的脫開（整體環向裂紋）問題尚不能確定；因此要求通過工藝設計實現軸向拉伸性能增強。

2.自動鋪放成型工藝參數

自動鋪放試驗目標包含如下幾個方面：①40mm 寬大步距平行往復纏繞常規布帶走通；②40mm 寬小步距平行重疊纏繞驗證可行性；③采用通過驗證的鋪放工藝參數、使用正式布帶進行正式鋪纏試驗件，進行性能取樣、檢測、對比；④依據第三步結果，解決工藝設備程序可靠性、工藝程序優化、RTCP 應用、編程和工藝自動化以及效率等問題。

鋪纏過程中預期存在三個方面的問題：第一是兩側棱圓角處的加減速問題，第二是背風面兩個負曲率凹面貼模問題，第三是總體外形曲面特征條件下的布寬及其等量重疊度。第一個問題，將銳角處的R 圓角偏置合適的距離進行鋪纏，考慮后面的彈性壓輥能夠在拐點處跟上節拍；第二個問題主要還是壓輥的跟隨節奏；第三個問題需要對曲面進行直紋化擬合，擬合精度＜0.5 或者＜1 的前提下求解直紋的長度，從而得到最佳布寬。重疊量影響到軸向拉伸性能，軸向性能跟不上可能導致環向纖維散架而不耐沖刷。

圖11 自動鋪纏改進前試驗效果

自動鋪放過程中按照平行往復鋪纏+重疊鋪放設計結合的思路進行鋪纏軌跡設計。原因是為避免氣流沖刷，因此收纏的最后一層要求從大端向小端進行，以形成順氣流結構；同時為提高重疊鋪放的表面輪廓度，需進行重疊鋪放等距錯距循環鋪放。平行往復鋪放設計為：自動鋪放從上向下進行一次，然后自動鋪放從下向上進行一次，接著人工鋪層一張用于提高軸向性能；后續則按此重復鋪放直至厚度滿足設計值，鋪放至最終厚度時取消人工鋪層那一張。重疊鋪放設計從小端向大端進行，布帶寬度暫選40mm，采用55%的重疊量進行鋪放，按照4-8 次錯距循環鋪放。鋪纏順利進行后為提高整體銷量，逐步調整加寬布帶到60-80mm；進給量為由20mm/r 逐步提升到30mm/r。

按照方案確定的鋪放參數設計進行了8mm 厚度防熱層的自動鋪放成型摸索及驗證，初步確定一錐和二錐段參數如下：開啟加熱180℃（傳感器顯示溫度為123℃），張力輸出值為14%，主壓輥壓力為200N，輔壓輥壓力為65N，收膜張力為0.3N，緩沖張力為1N，速度倍率為100%。針對母線錐度較大部分，采用60mm 布帶鋪放易形成褶皺或架橋，后采用40mm 布帶鋪放成型；針對母線錐度較小部分，采用60mm 布帶進行鋪放，采用較大寬度布帶進行鋪放，鋪放周期從1h6min 降低為44min；非RTCP 控制程序，單次鋪放周期為1 小時7 分鐘15 秒。如圖11 和圖12 分別為鋪放改進前后的實物效果對比示意圖。

3.異形艙體自動鋪纏試驗小結

針對目前的異形結構產品實現自動鋪放是可行的，自動鋪放程序和軌跡可行性基本得到驗證，但效率亟待提高；不論往復鋪放，還是重疊鋪放，建議后續以40mm 布寬為基礎，布寬過大易形成大褶皺，布寬過小可能影響母向性能；往復鋪放和重疊鋪放表觀質量通過調整重疊量為55%，同時在布寬范圍內等距錯位分4-8 次循環，均勻化表觀不平度，有效的提高了表面輪廓度。

通過多次調試，對自動鋪放成型的效率和質量（目前質量問題主要包含褶皺、架橋和波紋狀）兩方面影響因素進行了初步摸索和驗證，詳見下圖所示。針對網格預浸布在不同結構錐段上的鋪放工藝參數進行了研究，掌握了異形結構防熱層制品的自動鋪放成型參數。如圖13 為總結的鋪纏試驗工藝質量問題結構樹，根據質量故障結構樹可以針對鋪放工藝過程中的具體問題采取有效的控制改進措施。

六、鋪纏軌跡優化與RTCP 控制

1.自動鋪纏RTCP 控制優勢

國內首臺立式八軸控制七軸聯動自動鋪纏成型裝備數控系統采用華中數控HNC848，系統具備多軸聯動控制功能，如圖14 所示。經過試驗驗證，數控系統穩定可靠。采用RTCP 控制和非RTCP 控制的鋪纏軌跡及產品鋪纏質量和效率存在較大差異。

采用非RTCP 控制鋪纏時，主要存在鋪纏效率不高和軌跡速度不穩定。鋪纏經過工件棱角邊緣時，鋪纏速度顯著變慢，導致鋪纏效率不高；鋪纏工件其他區域速度不穩定，凹面的速度大于凸面的速度，導致機床速度變化大，如圖15所示。

圖15 鋪纏過程中壓輥姿態示意圖

非RTCP 鋪纏時整個鋪纏過程中速度不穩定，提速時部分聯動軸會出現抖動，尤其是旋轉工作臺C 軸抖動十分明顯，如圖16 所示。兩位一個方面是鋪纏表現為增材加工特點，壓輥氣缸浮動行程有限，鋪到一定厚度后需要修改類似于五軸機床切削時的刀具長度后重新生成鋪纏成型程序，操作比較麻煩。主要原因是計算軌跡弧長時沒有考慮機床結構。多軸小線段擬合是在多維空間下。速度規劃受不正確的曲線擬合結果的干擾，如圖17 所示。

圖16 SSTT 采集C 軸速度和速度波動曲線

圖17 速度規劃曲線擬合誤差

采用RTCP 功能進行七軸鋪纏聯動控制時，在進行系統內部運動學求解運算時，考慮了機床的運動結構參數。RTCP 功能控制原理是在工件坐標系下進行樣條擬合與速度規劃，使得機床運動更平穩，沒有頻繁的加減速現象，加減速也不會出現抖動的現象；提高了各運動軸的光順性從而纏效果效率更高；采用進給量為2000 時，鋪纏一圈時間大約為為1m8s；非RTCP 時間大約為1m50s。與此同時RTCP可以做刀具長度補償，解決厚度補償的問題從而提高編程的效率。

2.鋪纏系統設計改進措施

按照調試確定的狀態對主壓輥與輔壓輥進行定型設計與完善，硬件方面改進主要包含壓輥分段設計、勾腿間距優化、提體分離薄膜優化、主輔壓輥壓力優化組合等。同時規劃采用雙帶鋪放機頭設計及驗證，以便進一步提高效率。同時不減少預浸布預壓時間。

數控系統方面，將多軸聯動RTCP 控制功能完善到鋪纏軌跡控制程序中，以消除鋪放過程中的“脈沖式”問題，實現鋪放軌跡的連貫性與平順性。自動鋪放數控程序方面，需要對程序點數進行進一步優化，實現更優的擬和效果；進一步提高效率；同時需對鋪放程序進一步研究，設計適應周向不同位置的張力輸出值、鋪放速度等參數動態自適應調整，以便合理控制不同位置鋪放質量。

七、技術總結與創新點

數控雙立柱鋪纏帶機具備七軸聯動功能，可實現絕大部分異形艙體結構復合材料殼體制品鋪/纏帶成型。以某異形艙金屬殼體為對象，采用數控雙立柱鋪纏帶機進行了多輪自動鋪放成型工藝試驗，通過采用不同布寬、不同鋪放工藝參數、不同的鋪放程序控制交叉組合進行了自動鋪放工藝摸索。摸索過程中對程序軌跡優化、數控系統匹配、鋪放輸出張力、熱風溫度、薄膜收卷方式、鋪放參數設計優化等方面進行了較為全面驗證，最終實現了某異形艙防熱層試驗件的自動鋪放成型。

國內首臺雙柱立式大型數控鋪纏一體化成型裝備攻克了系列關鍵技術，擁有較多具有自主知識產權的技術創新亮點。主機采用湖南江南四棱數控開發的立式雙柱鋪纏主機，提高新型復合材料干法鋪纏適應性；鋪帶頭核心功能部件全部采用具有自主知識產權的南航鋪纏頭；自動鋪纏編程與仿真采用南航自主二次開發鋪放軟件；采用國產華中數控系統HNC848 進行八軸控制七軸聯動鋪放；系統配備30m/min高速進給系統提高異形曲面鋪纏的適應性，同時通過RTCP進行控制有效的提高了鋪放軌跡的光順性和鋪放效率；采用40-60mm 寬布帶，設置55%鋪放重疊量結合非重疊區等距細分進行往復循環鋪纏成型提高鋪放的輪廓度。