本文探討研究了飛機壁板上的復合材料數字化制造技術應用相關內容。

　　由于具有高強度、耐高溫、耐腐蝕、重量輕等優良的性能，先進復合材料在航空器結構上的應用已經與鋁合金并駕齊驅，成為當今材料技術發展最為迅速的領域。航空復合材料性能水平及其在結構中的應用水平，已經成為飛機結構先進性的一個重要標志。但是復合材料設計/制造的復雜性和獨特性，使復合材料構件的成本、性能受到一定的影響，大量復合材料的應用更是對制造能力提出了巨大的挑戰。為迎接這一挑戰，構建復合材料構件數字化設計/制造環境，實施復合材料構件數字化設計/制造技術，已成為國內外航空企業的必然選擇。

　　工藝方案的探索與制定

　　某壁板長4m，寬1.2m，鋪層為29層，材料為碳纖維單項帶材料。與以往零件不同，該壁板不但尺寸大，而且加強層多，占到所有鋪層的1/2，且每一層加強層的輪廓都不相同，還有7根長度不等的長桁，定位難度非常大。壁板鋪層如圖1所示。

　　壁板零件制造的傳統方法是工裝定位長桁，鋪貼樣板定位加強層。但是經過試驗，發現這個方法在該壁板零件的制造上不可行，不僅耗費在定位上的時間長，并且定位精度達不到設計圖紙的要求。而且每層加強層的形狀都不相同，如何準確下料也是需要攻克的難題之一。

　　采取數字化生產能很好地解決零件精度的難題，應用數控下料機精確下料，應用激光定位鋪層系統進行加強層和長桁的定位，不但可以提高零件的質量，還節約了昂貴的原材料，省去下料、定位樣板，節省了工裝成本，而且也大大減少工人操作的時間，提高了勞動效率。該壁板是采用CATIA CPD軟件完成復合材料零件的工藝數模設計的，使用MAGSTIC軟件完成排料優化及工藝數模信息與加工設備的接口輸出，生成數控下料及激光投影程序，并將數據傳遞到數控下料機和激光定位鋪層系統，實現數字化生產。

　　建立分層數模

　　建立復材分層數模是第一階段，由于這一技術還未在國內大規模推廣，設計下發的數模只有實體模型和一些加強層的定位線、輪廓線。要想走通這條數字化流程，就必須在設計實體模型的基礎上再次建立復材分層數模。作為工藝人員，不能改變設計者的意圖。所以在零件實體模型已經設計完成的情況下，只能在實體模型基礎上，結合圖紙，進行逆向建立復材工藝模型。因此，在建立模型時就不能基于區域設計，而必須逐層做出每一層鋪層的輪廓線，再進行手動鋪層，完成數模的建立工作。

　　設計數模轉制造數模

　　在分層數模建立好之后，下一步是進行工藝性修改，包括加放工藝余量，在鋪不平、展不開的地方開剪口，對超過材料幅寬的料片進行切片以及可制造分析和料片展開。對于該壁板零件來說，由于其尺寸大，就必須將每一層都分割成材料幅寬范圍內的小的切片。

　　制造信息輸出

　　由CATIA CPD軟件設計完成的復合材料數據需通過接口導入自動下料機和激光定位鋪層系統，用于下料和鋪層定位，數據接口是連接設計數模與制造設備的關鍵。MAGESTIC公司針對此項需要開發了Trunest和TruLaser/view第三方軟件，Trunest軟件分為2部分，一部分為集成在CATIA內的，主要是將展開的料片外形導出為排料軟件可識別的文件，另一部分為排料軟件，進行復合材料料片的排料優化。TruLaser/view集成在CATIA環境內，主要用于將工藝數模設計完成后的三維數據生成為激光投影定位鋪層系統進行激光投影儀投影時的程序。圖2~3是制造信息輸出時軟件的截圖。

　　TRUNEST 軟件的應用

　　排料優化有2種方式：一是手工方式，二是采用MAGESTIC軟件。手工優化方式：從CATIA下導出每一層料片的文件，再用AUTOCAD軟件把每一層料片排在一張下料圖上，此時需要為每一個鋪層手工加上編號，之后導入數控下料機下料。這種方式費時費力，材料的利用率也不是最高，還容易出錯。采用MAGSTIC軟件方式需要先將所有鋪層的信息從CATIA下導出，導入MAGESTIC排料軟件，需要預先設定好材料幅寬、材料屬性，點擊軟件進行排料，就可以完成所有鋪層的排料。排出的材料利用率比手工排料要高，節約了昂貴的材料，每一層都自動生成對應的鋪層編號，節省了工藝人員的時間。

　　TruLaser軟件的應用

　　完成復合材料零件的制造數模設計后，將激光投影定位設備需要的文件通過數據接口傳遞到激光投影定位儀中，傳遞數據有手工方式和采用第三方軟件2種方式。

　　手工方式是從CATIA下導出每一層料片的數據，依靠手工編輯得到的投影文件，雖然經過了生產驗證，但存在的問題有手工編輯非常復雜，準確性很差，耗時非常長，一個零件投影程序的編制所用時間平均為10h以上，而且每做一次試驗就需要重新再編輯一次。

　　采用MAGESTIC軟件，投影文件可以直接由TruLaser生成，傳遞到激光投影定位鋪層系統中，按零件的鋪層和復雜程度所用的時間有所不同，但是平均1h 就能出完程序，并且正確率高。

　　數控下料機的應用

　　材料優化排料后就要進行數控下料，使用的設備為履帶式下料機，它可以識別dxf文件和g-code文件。dxf文件可由排料軟件直接生成，它是一種圖形文件，工藝人員可以方便地檢查零件料片的形狀和編號，在切割時可方便挑選料片進行補切，若有未完成的任務，也可方便找出斷點繼續下料。而g-code文件是由數字點位組成，沒有這些功能。因此我們采用dxf文件進行下料。

　　零件材料是通過真空吸附的方式固定在下料機臺面上的，下料機臺面寬度為1800mm，上面布滿了真空抽氣用的小孔，通過真空吸附使材料緊緊地吸附在平臺上，啟動裁割程序，實現自動下料。

　　激光投影鋪層系統的應用

　　采用激光投影定位技術鋪層時，需要工裝文件、料片數據文件以及系統配置文件3個文件，料片數據文件即為上面所做的工藝數模設計最后導出的數據文件，工裝數據文件是指工裝的三維空間坐標數據文件，該數據由測量機測量后導入激光投影定位儀中，系統配置文件為激光投影定位儀自身生成的文件，具備3個文件后就可以進行實際鋪層了。激光投影定位儀系統由一臺控制計算機、若干個激光頭和一系列的工裝定位頭(光敏元件)組成。使用該系統時，首先將鋪放工裝固定在激光頭下面，將工裝定位頭固定在工裝的定位點上，作為建立工裝三維空間準確位置的參考點，投影系統通過用光線掃描工裝表面的定位點進行自校準。工裝定位點通常要包含工裝上的最高點和最低點，其他點沿著工裝的邊緣均勻選取。控制計算機根據基于構件的CAD三維設計數據生成的激光投影文件，通過特殊反光鏡，控制激光束將構件鋪層形狀輪廓線上的點依次投影到模具表面，由于點投影的更迭移動速度極快(每秒300m以上)，在操作者眼中，模具或零件表面會生成相應的邊界輪廓線，操作者可根據該輪廓線進行有關的定位操作(如定位鋪疊等)，從而免除傳統的鋪疊樣板。在進行激光投影定位鋪層時，注意以下幾點：

　　(1)工裝數據。

　　工裝表面的定位頭數據必需測量準確才能得到好的校準結果。任何料片數據與工裝數據之間的誤差都會造成投影的不精確。料片數據和它的工裝是對應的。企圖將一個工裝的料片數據投影到另一個工裝上，將不會生成有用的圖像。

　　(2)定位頭。

　　定位頭是放置在工裝上已知位置的，它是帶有逆向反光材料的圓柱形零件，可將激光反射回激光頭，這樣，系統就能檢測到定位頭位置。激光系統在一定區域掃描定位頭，這樣在校核工裝過程中，操作員不需要精確定位激光的投射位置。激光找到定位頭的位置后，系統控制計算機利用定位頭的位置，計算出工裝的空間位置。

　　(3)劃分投影區。

　　當用多個激光頭進行投影時，激光頭可在2種模式下工作。一種是重疊模式，激光頭將投影它所能投射到的所有區域。另一種是分區模式，激光頭僅投影預先定義的區域。這個預先定義的區域叫做“ 剪裁區”。剪裁區可以人工定義，但如果料片文件包含法向量數據信息，投影系統可以自動生成剪裁區。采用分區模式進行投影的好處在于可以增加激光亮度和減小閃爍。TruLaser軟件生成的程序已經包含數據的法相量，再進行投影時不需要再進行額外的設置。

　　長桁定位

　　傳統的長桁定位方法，是利用工裝上的定位線，依照圖紙尺寸，用量具量出位置，再進行鋪貼。這種定位方法需要依次量取每一根長桁的位置，不僅耗費時間長，而且中間出現誤差的地方很多，很容易出現按照測量的距離鋪貼完成后，組合工裝時出現干涉。采取激光投影定位的方法可大大提高定位的準確度，提升產品質量，而且也可減少工人反復測量和挪動工裝的時間，提高勞動效率。

　　結束語

　　復合材料零件的數字化設計和制造技術，解決了高精度壁板零件在生產中的技術難題，提高了下料和定位精度，提高了產品質量和勞動生產率;節約了下料、定位樣板，降低了工裝成本;通過排料優化技術，提高了材料的利用率，從而降低了生產成本。該技術有效地推進了復合材料零件制造技術的迅速發展，并已成功應用于國內外各種飛機的復合材料構件，使國內的復合材料制造技術與國際接軌。