復(fù)合材料構(gòu)件手工成型時，根據(jù)鋪放形面特征和預(yù)浸帶寬度經(jīng)剪裁后通過手工鋪疊到模具表面完成復(fù)合材料構(gòu)件的成型制造，其生產(chǎn)效率低、廢料率高、產(chǎn)品質(zhì)量也難以保證。自動鋪放技術(shù)(包括自動鋪帶技術(shù)和自動鋪絲技術(shù))利用專用鋪放設(shè)備，采用數(shù)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鋪疊的自動化和預(yù)浸帶剪裁的自動化，突破了大型復(fù)合材料構(gòu)件手工成型難以克服的瓶頸，具有高效、高質(zhì)、高精度和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于大型飛機(jī)、運(yùn)載火箭等各類航空航天飛行器中多種結(jié)構(gòu)部件的制造，成為發(fā)達(dá)國家航空航天工業(yè)領(lǐng)域中大型復(fù)合材料構(gòu)件的典型制造工藝(如圖1所示)。

　　方向性要求：纖維鋪放方向必須滿足復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計方向。復(fù)合材料既是一種材料也是一種結(jié)構(gòu)，其突出優(yōu)點(diǎn)之一是性能的可設(shè)計性，不同的鋪層方向與鋪層形式可以形成不同性能的復(fù)合材料。因此，按結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計要求的纖維方向進(jìn)行鋪放是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的基礎(chǔ)，也是設(shè)計鋪放軌跡規(guī)劃算法的基本準(zhǔn)則。

　　可鋪性要求：鋪放過程中預(yù)浸料不褶皺、不撕裂。自動鋪放技術(shù)采用一定寬度的預(yù)浸帶：自動鋪帶技術(shù)采用75/150/300mm等3種寬度的預(yù)浸帶，自動鋪絲技術(shù)采用3.2/6.4/12.7mm等3種寬度的窄帶。預(yù)浸帶可變形范圍很小，復(fù)雜曲面鋪疊時只能沿特定的軌跡，否則會導(dǎo)致褶皺或撕裂，繼而影響構(gòu)件的鋪放質(zhì)量，甚至導(dǎo)致鋪放過程無法順利進(jìn)行(如圖2所示)。在復(fù)雜曲面構(gòu)件自動鋪放軌跡規(guī)劃時，其算法必須根據(jù)構(gòu)件曲面外形綜合考慮預(yù)浸帯在鋪放過程中的變形因素。

　　圖2 預(yù)浸帶撕裂與褶皺

　　間隙質(zhì)量要求：單層鋪放時滿足間隙容差設(shè)計要求，滿覆蓋、不重疊。自動鋪放時，由于構(gòu)件形面的復(fù)雜性，按照一定算法求解所形成的鋪放軌跡并不一定能保證鋪放軌跡中心線間的距離保持恒定，間隙可能過小或過大，如不進(jìn)行適當(dāng)處理，將導(dǎo)致材料局部重疊或空缺(如圖3所示)，從而降低制造精度，影響構(gòu)件性能。

　　經(jīng)濟(jì)性要求：在滿足上述要求的基礎(chǔ)上盡可能節(jié)約材料、降低成本，提高效率。根據(jù)鋪放軌跡并按照鋪放構(gòu)件曲面邊界特性進(jìn)行預(yù)浸帶邊界形狀規(guī)劃，生成預(yù)浸帶切割與預(yù)浸帶輸送(自動鋪帶)或絲束增減切斷(自動鋪絲)的特殊指令代碼，同時根據(jù)鋪疊順序進(jìn)行整合優(yōu)化，降低成本，提高效率。如圖4所示為自動鋪帶中預(yù)浸帶切割示意圖。

　　自動鋪帶中預(yù)浸帶切割示意圖

　　完善的自動鋪放CAD/CAM軟件主要包括如下幾個功能模塊，其軟件流程圖如圖5所示：(1)軌跡規(guī)劃：根據(jù)輸入的預(yù)浸帶(料)鋪放工藝信息(如預(yù)浸帶帶寬、預(yù)浸紗絲寬、橫向最大可變性度等)、構(gòu)件外形曲面幾何信息特性和機(jī)器特性信息(最大可鋪放絲束數(shù)等)，按照構(gòu)件加工信息(如鋪放方向、鋪疊順序和鋪放層數(shù)等)建立相應(yīng)的規(guī)劃算法，生成自動鋪放軌跡中心線;(2)覆蓋性分析：根據(jù)輸入的設(shè)計鋪放間隙容差和相鄰軌跡中心線在曲面上距離，構(gòu)造相應(yīng)的算法進(jìn)行覆蓋性判斷與處理，完成帶形切割或絲束增減判定，實(shí)現(xiàn)對模具的滿鋪疊;(3)邊界處理：根據(jù)構(gòu)件內(nèi)外邊界的幾何信息和自動鋪放設(shè)備的工作特性，建立相應(yīng)的算法，完成預(yù)浸帶的切割(自動鋪帶)或絲束增減(自動鋪絲)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料剪裁的自動化、數(shù)字化;(4)基于Fiber steer的結(jié)構(gòu)優(yōu)化：結(jié)合變剛度復(fù)合材料設(shè)計理論，采取連續(xù)變角度鋪放，滿足構(gòu)件在不同方向上的承載要求，實(shí)現(xiàn)按結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的纖維分布，充分發(fā)揮材料效率，進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)重量，降低復(fù)合材料制造成本;(5)鋪層仿真技術(shù)：由于鋪放過程的復(fù)雜性，軟件的人工交互不可或缺。提供一定設(shè)計規(guī)劃中的人機(jī)交互，也是軟件靈活性的重要體現(xiàn)。根據(jù)修改后的數(shù)據(jù)，采取相應(yīng)的可視化技術(shù)，完成針對某鋪層的軌跡及帶形仿真，以便使用者對前述功能的有效性、正確性做出初步判斷;(6)后置處理：根據(jù)鋪放設(shè)備的機(jī)器特性和工作模式，將軌跡規(guī)劃生成軌跡中心線離散數(shù)據(jù)、覆蓋性分析所生成的絲束增減數(shù)據(jù)、邊界處理所生成的預(yù)浸帶切割(增減)數(shù)據(jù)通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與坐標(biāo)分解生成可供專用鋪放設(shè)備進(jìn)行生成的NC 代碼;(7)鋪層代碼合成：為了減少構(gòu)件多層鋪放過程中的無效過程，降低成本，提高鋪放效率，將多個單層鋪放的NC代碼進(jìn)行整合優(yōu)化;(8)干涉與避碰檢驗(yàn)：利用計算機(jī)三維圖形技術(shù)，通過布爾運(yùn)算判斷機(jī)器是否干涉，通過對NC代碼的調(diào)整(主要是人工交互)實(shí)現(xiàn)避碰;(9)加工仿真：根據(jù)前述步驟生成的NC代碼，利用計算機(jī)三維圖形技術(shù)對整個加工過程進(jìn)行仿真，供使用者對所生產(chǎn)NC代碼進(jìn)行最終效驗(yàn)。

　　自動鋪放CAD/CAM軟件技術(shù)的發(fā)展

　　西方發(fā)達(dá)國家經(jīng)過幾十年的研究，特別是隨著專業(yè)軟件開發(fā)商的加入，已經(jīng)開發(fā)了多套商用自動鋪放CAD/CAM軟件并形成了完備的復(fù)合材料設(shè)計制造解決方案。1987年，美國的H.W.Lewis等首次提出了“自然路徑”(Natural Path)的概念以保證預(yù)浸帶在自動鋪放過程中變形最小，建立了通過將xoy平面中獲得的初始點(diǎn)和由鋪放角度計算得到的初始方向投影到曲面，再利用多次投影進(jìn)行近似求解“自然路徑”的軌跡規(guī)劃算法。在該專利的基礎(chǔ)上，美國Cincinnati公司于1989年開發(fā)了ACES(Advanced CompositesEnvironment Software)離線編程與仿真軟件系統(tǒng)，ACES系統(tǒng)將“自然路徑”算法應(yīng)用于自動鋪絲軌跡規(guī)劃，形成了用于自動鋪帶的ACRAPATH模塊和用于自動鋪絲的ACRAPLACE模塊，具有CATIA V5模型數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、軌跡規(guī)劃、后置處理、加工仿真和NC代碼生成等功能，并成功應(yīng)用于長度為4.21m的美國V-22“鶚”式軍用飛機(jī)后機(jī)身復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制造，通過軌跡優(yōu)化減少勞動力53%，廢料率降低了90%。隨后，日本的N.Shinno等于1991年提出了利用四邊形網(wǎng)格化曲面，通過求解給定初始點(diǎn)和初始方向的測地線迭代算法進(jìn)行軌跡規(guī)劃，提高了“自然路徑”軌跡規(guī)劃算法的精度和效率。

　　此外，針對自動鋪絲技術(shù)的特性，美國的Waldhart等提出了根據(jù)相鄰鋪層角度構(gòu)造分段函數(shù)的方法求得初始參考線，再按初始參考線法線方向投影作等距平移得到參考線族進(jìn)行自動鋪絲軌跡規(guī)劃的方法;Hale等在此基礎(chǔ)上開展了以0°軌跡為基礎(chǔ)構(gòu)造分段曲線再擬合得到初始參考線的研究工作;Shirinzaden等提出了利用特征平面與鋪放曲面的交線作為初始參考線的方法。

　　目前，自動鋪絲常見的軌跡規(guī)劃方法包括：根據(jù)初始參考線在曲面上進(jìn)行等距平移法(Parallel Path)、與某一參考軸線成固定角度規(guī)劃法(FixedFiber Orientation Path)、針對回轉(zhuǎn)體環(huán)向鋪放的等距螺旋法(基于纏繞技術(shù))和給定點(diǎn)纖維方向進(jìn)行軌跡規(guī)劃(基于變剛度鋪放理論)等4種方法。在上述算法的基礎(chǔ)上，專業(yè)軟件開發(fā)商結(jié)合自身軟件產(chǎn)品與設(shè)備制造商聯(lián)合開發(fā)了商用自動鋪放CAD/CAM軟件。如美國VISTAGY公司的FiberSIM軟件(如圖6所示)提供了多種復(fù)合材料設(shè)計制造解決方案。其中Tape Laying Interface模塊用于自動鋪帶，F(xiàn)iber Placement Interface模塊用于自動鋪絲。該軟件可讀取CATIA、UG、Pro/E 等通用CAD/CAM/CAE軟件文件中構(gòu)件幾何信息以及構(gòu)件模具面、層位置和邊界信息等，準(zhǔn)確生成滿足鋪層邊界要求的平面展開圖樣，根據(jù)設(shè)計要求自動生成NC加工代碼文件，還可以完成復(fù)合材料部件的可制造性評估，精確模擬纖維的材料特性，完成復(fù)合材料部件的分析、設(shè)計和制造，將層合板的設(shè)計信息與有限元分析軟件和制造設(shè)備形成無縫連接，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計制造過程一體化、自動化，降低制造成本。

　　美國CGTech公司在原有數(shù)控加工仿真軟件VERICUT的基礎(chǔ)上開發(fā)了獨(dú)立于CNC機(jī)床環(huán)境的自動鋪帶和自動鋪絲的離線NC 編程及仿真軟件VCP & VCS(VERICUT Composite Programming and Simulation) 軟件，該軟件可讀取CAD文件中的曲面模型和鋪層邊界信息，生成鋪放軌跡，整合單層軌跡，進(jìn)行鋪層順序優(yōu)化。生成NC代碼，同時提供了通用CAD/CAM軟件接口，能實(shí)現(xiàn)CATIA、UG、MasterCAM等軟件的嵌入運(yùn)行。AFPT/Koeirit公司即采用該軟件用于熱塑性鋪帶系統(tǒng)的開發(fā)。

　　2004年，空中客車公司(AIRBUS)與法國純粹和應(yīng)用數(shù)學(xué)中心(CIMPA)以航空航天領(lǐng)域廣泛采用的CAITA V5軟件為平臺，基于CATIA CAA V5技術(shù)聯(lián)合開發(fā)了自動鋪帶CAD/CAM的TapeLay軟件。該軟件可直接集成到CAITA V5系列軟件中，包括自動鋪帶CAD部分的Tape Generation模塊和CAM部分的Tape Manufacturing模塊。TapeGeneration模塊直接獲取CATIA CPD(Composite Design)模塊的鋪層設(shè)計數(shù)據(jù)，完成鋪層展開、軌跡規(guī)劃、帶形切割設(shè)計、實(shí)時三維仿真等步驟;TapeManufacturing模塊則主要針對法國Forest Line公司的一步法鋪帶機(jī)、兩步法鋪帶機(jī)和雙工位鋪帶機(jī)生成相應(yīng)的加工NC代碼。該軟件已成功應(yīng)用于法國Rafale戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼蒙皮的制造，西班牙M-Torres公司也采用了該軟件用于自動鋪放設(shè)備的開發(fā)，美國Ingersoll公司則開發(fā)了同樣基于CATIA CAA V5技術(shù)的自動鋪絲CAD/CAM軟件ICPS(Ingersoll Composite Programming System)軟件。

　　國內(nèi)自動鋪放CAD/CAM軟件技術(shù)的研究現(xiàn)狀

　　由于相關(guān)技術(shù)封鎖，加之缺乏相應(yīng)的工藝技術(shù)和裝備條件，國內(nèi)目前尚未擁有商用的自動鋪放CAD/CAM軟件，相關(guān)技術(shù)仍處于積極探索研究之中。目前，報道可見的自動鋪放CAD/CAM技術(shù)研究主要集中在軌跡規(guī)劃和加工仿真的基礎(chǔ)理論，對于自動鋪放CAD/CAM技術(shù)后續(xù)模塊功能及整體設(shè)計的研究鮮有報道。

　　南京航空航天大學(xué)從平面、可展曲面簡單復(fù)合材料構(gòu)件的自動鋪帶入手，積極開展自動鋪放研究工作。如胡翠玲等通過微分幾何原理證明了可展曲面上“自然路徑”與測地線的等價性;臧建峰等在此基礎(chǔ)上研究了平面、簡單可展曲面(如圓柱、圓錐面)的自動鋪帶問題，研究分析了自動鋪帶工藝過程并基于AutoCAD通用CAD平臺完成了自動鋪帶CAD/CAM軟件開發(fā)的探索工作;渠濤等開展了開孔圓柱兩步法自動鋪帶軌跡規(guī)劃和仿真的探索工作;王升等針對自動鋪帶“自然路徑”規(guī)劃算法數(shù)學(xué)模型和近似計算誤差分析等問題中，提出了基于測地坐標(biāo)系的“自然路徑”軌跡規(guī)劃方法并利用龍格—庫塔法數(shù)值求解“自然路徑”軌跡規(guī)劃算法中兩點(diǎn)間的測地線問題;羅海燕等受四邊形網(wǎng)格化求解“自然路徑”的啟發(fā)，利用STL文件對自由曲面進(jìn)行三角網(wǎng)格劃分，并平移軌跡中心線形成參考線的方法處理“奇異點(diǎn)”問題。

　　目前，自動鋪絲技術(shù)的研究主要集中在根據(jù)初始參考線在曲面上做等距平移進(jìn)行軌跡規(guī)劃和與某一參考軸線成固定角度進(jìn)行軌跡規(guī)劃。構(gòu)造合適的初始參考線，建立適當(dāng)?shù)那嫫揭品椒ê颓笕『线m的參考軸線并構(gòu)造曲面上與該參考軸線成固定角度的迭代格式成為了國內(nèi)研究的熱點(diǎn)。如李善緣等提出由一組數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合樣條曲線正交投影到鋪放曲面作為初始參考線的方法;黨旭丹等開展了基于測地線的平行等距規(guī)劃算法的研究工作，提出利用測地線偏移初始參考線，概念明晰但計算量甚大難以實(shí)際應(yīng)用;林福建等探索了利用三角面片進(jìn)行曲面離散、按與參考軸線成固定角度的方法進(jìn)行軌跡規(guī)劃;王念東等研究了管狀構(gòu)件的規(guī)劃方法，利用分片圓切法求得關(guān)鍵點(diǎn)構(gòu)造控制母線后，通過插值法求出所有控制母線作為參考軸線并按與參考軸線成固定角度的方法生成軌跡，并對可能出現(xiàn)的覆蓋性分析問題進(jìn)行了討論，探索了覆蓋性分析算法;周燚等提出了基于芯模中心軸線求得參考軸線，按與該參考軸線成固定角度的封閉曲面軌跡規(guī)劃算法，并利用等距點(diǎn)的投影插值求出等距線，根據(jù)當(dāng)前鋪絲路徑上各點(diǎn)與等距線的距離關(guān)系進(jìn)行覆蓋性分析;邵冠軍等提出了按構(gòu)件主應(yīng)力的大小和方向構(gòu)造基于等距線和等分點(diǎn)的軌跡規(guī)劃設(shè)想，但實(shí)際結(jié)構(gòu)均以多向?qū)雍习逍问匠霈F(xiàn)，層合板中每一鋪層的應(yīng)力狀態(tài)與剛度分配有關(guān)、不能預(yù)先設(shè)定，主應(yīng)力方向與鋪層纖維方向未必一致。

　　自動鋪放CAD/CAM軟件技術(shù)的展望

　　自動鋪放CAD/CAM軟件技術(shù)是實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件自動化制造的關(guān)鍵技術(shù)，軟件功能將直接影響復(fù)合材料構(gòu)件的制造效率和產(chǎn)品質(zhì)量，材料工藝技術(shù)和裝備技術(shù)研究的深入對自動鋪放CAD/CAM軟件技術(shù)提出了更高的要求。研究面向自動鋪放技術(shù)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計方法已成為自動鋪放CAD/CAM軟件技術(shù)的研究熱點(diǎn)：針對采用自動鋪放技術(shù)制造復(fù)合材料結(jié)構(gòu)所帶來的結(jié)構(gòu)變剛度的特征，開展自動鋪放復(fù)合材料變剛度理論、自動鋪放復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及其軌跡規(guī)劃設(shè)計算法的研究工作，進(jìn)一步發(fā)揮材料效率，降低復(fù)合材料構(gòu)件的成本。利用通用有限元分析軟件進(jìn)行二次開發(fā)，將自動鋪放CAD/CAM軟件與復(fù)合材料自動鋪放性能評價結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)自動鋪放CAD/CAM/CAE一體化，充分發(fā)揮復(fù)合材料結(jié)構(gòu)功能一體化和設(shè)計制造一體化的特點(diǎn)，也將是今后研究的重點(diǎn)。