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1、自动铺丝机AFP调研报告复合材料自动铺丝机的结构和工作原理综述摘要：本文是关于不同铺丝机产品结构和工作原理调研的一篇综述。先介绍了项目的 研究意义和内容，接着详实细致的调研了现有的各类铺丝机产品的结构和工作原理， 包括剪切，重送，张力控制，铺压和加热几个部分。最后通过对比与研究，发现问题， 找出不同产品的共同性与差异性。为之后的项目研究作铺垫。关键词：复合材料；自动铺丝机；铺丝头；丝束引言复合材料作为现代先进大型飞机主结构用材已是明显的发展趋势。作为铺放制造 复材整体构件的自动铺带机与自动铺丝机则随之得到极为快速发展和广泛应用，成为 现代先进大型飞机制造的关键设备之一，其应用日益完善，并开始向
2、非航空应用领域 扩展现代大型飞机主结构件设计制造已越来越多采用复材整体构件，并已从大型机 翼长梁、蒙皮壁板等相对简单复材构件发展到大型飞机整体筒壳机身段及中小型飞机 整体筒壳机身等复材构件，且构件尺寸越来越大，整体结构越来越复杂。传统AFW和 ATL已很难满足航空飞机制造的实际应用需求。因此产生了将AFW机床缠绕功能和ATL 机床层铺、压紧、切割和重铺等加工能力融合集成在一台设备上，也就是高端自动铺 丝机(AFP)。今天自动铺丝机和软件有很多相似之处。因为基础设施的高成本，除了最大的制 造商以外技术很难采用。工艺的复杂性以及不同厂家的AFP要求不同的软件，导致软件 实现和升级受限。与高速数控铣
3、床“ cm/min ”的切割速度相同，自动铺带机/自动铺 丝机(ATL/AFP)是促进复材“kg/hr”的铺放生产速率的基础,而往往忽略必须解决 快速铺放等其他重要过程的复杂性。然而相似之处还不止这些，就像计算机辅助设计 (CAD)和计算机辅助制造(CAM)软件必须不断地随着新加工技术发展,AFP软件编程法 也必须发展以适应技术的进步发展。软件如果只支持一个品牌、时代、或一种AFP模 型机,很快就会变得不适用和过时。因此本项目对不同铺丝机产品结构和工作原理调 研，最后通过对比与研究，发现问题，找出不同产品的共同性与差异性，提出解决方案为之后的项目研究作铺垫。1、美国 Electroimpact
4、美国ElectroImpact公司开发了一种新概念的模块化铺丝头(Modular Fiber H ead Placement)，并通过设计有可自动交换铺丝头的AFP机床以期解决此实际难题。 1.1产品介绍：这种AFP机床对给定的一种纤维铺放应用需要的所有纤维束料都被放在模块化铺 丝头上，取消了传统AFP机床上专设的纤维经轴架辅助装置。所有纤维束铺放操作都 集中在该铺丝头上实现，包括纤维束供料卷轴、牵丝辅助装置、剪切刀具、张力控制 和固化加热等装置。同时，铺丝头和控制它进行铺放运动的平台是分离的，类似金切 数控加工中心机床中自动刀具交换功能一样，铺放加工需要的铺丝头能够实现快速被 交换到“运动平
5、台”上。这样一来，复材构件制造用户只需购置一台基础机床(运动 平台)和多个铺丝头就可适应不同复杂度的复材构件铺放加工应用，即在满足高铺放 生产率前提下适应不同应用对象的铺放制造。1.2工作原理：双铺丝头AFP机床一个双铺丝头AFP铺放单元机床可以以1800”/min(45.7m/min)的速率铺放” 和”丝束，包括反馈和剪切，已经在大型飞机结构制造业中被实施。单 元的控制结构，部分加工程序是独立于机械的，可以在任何一个机床上有运行或者在 两个机床上同时运行。中央单元控制器将部分加工程序给每台AFP来协调各个单元。在整个补偿封装中两台机床的体积精确度在0.008” (0.2mm)的径向误差以内，
6、 每台机床大约是64 x 21 x 14 (19.5m x 6.4m x 4.3m)，它通过利 用线性数值求解来完成动态体积最优化补偿。这种机床引用普通的坐标系以确保在部 分加工程序中的灵活性。采用可分离头部的设计可以让机器在120s内在和的牵引宽度之间来回工作。 头部纱架的牵引宽度很短而且使AFP过程与可分离的工具相互独立，这样的设计保证 了纱架的重填(纱)，AFP头部的维持，修理以及升级的AFP头部可以在线下单独工 作，不用停下整个生产过程。1.2.1剪切：Electroimpact的AFP技术允许在客户端位置公差内切割和添加的速率达到2000 IPM，在倾斜复杂的表面上。所有的接头处可以
7、通过操作者对反馈速率的控制以完全 双向的方式操作而对剪切精度没有影响。传统的刀片排列如图1.在纤维抽出的方向，剪切边缘是第一个，其次是刀片。 在切割时，材料被持续的推着穿过铺丝头，所以在刀片切割进入移动的材料时，还没 有被切割的纤维继续被提取。这个萌芽状态中的结果被拉离了剪切边缘。由于在刀片 操作中需要有一些空隙，一个间隙被引入而减少了切割质量，树脂在高速运行中快速 积累，最后切割失败(纤维束没有完全分开)。一个可以阻止刀片被拉离剪切边缘的 新奇方法首先从本质上在现有的刀片周围翻转系统如图2。当丝束被剪切，刀片被推 进剪切边缘。这样保证了在正要剪切时，刀片边缘和剪切边缘相互接触，类似于如何 完
8、成很好的剪刀功能。因此，剪切的质量可以被提升因为沉积速率增强了。成功的剪 切已经以超过2500IPM的速度被演示，仍然保留顾客自定义位置公差。刀片在这种结 构下，丝束引导和斜槽设计需要改变。在丝束被剪切后，需要反馈到下一个部分启动 新程序。由于丝束不一定是直的，如果没有合适的引导会很容易被切边绊到。那就会 在导致在下一个程序的开始被卡住。有几个影响的高速切割和添加定时的几个因素。这些因素包括程序执行，输出 模块反应，电磁阀驱动，气流，驱动惯性反应机制，等等。每个这些因素提供一个切 割的执行的滞后或相对增加标称信号。如果滞后是可预测的和可重复的，切割定时可 以补偿。这些滞后也需要在可能的地方减少
9、。通过从大量的发展和在Electroimpact 公司测试，在进料和切割滞后变化已降至低于1毫秒，再剪切的开始和结束时，让铺 放在高速行驶时非常准确。Figure 2 - Optimized for cutting on-the-fly1.2.2加热：高速铺丝机的钟波红外加热器Electroimpact和大型的机身制造商合作，发明了可以以2000英尺每分钟铺放 材料的的AFP设备。每当机器沉积一层材料的时候，被机器往前传动的沉积物就会被 加热，然后用胶带覆盖在基底上。因此设计了快速响应，高能量的红外线发射器快速 安全的夹着这块区域。通过更高的机器速度超过2000ipm碳纤维沉积速率得到的提高，
10、产生了对新的加 热器选择的需求来把纤维束粘附到基底上。Electroimpact公司开发了可简单伸缩的 系统，使用红外线发射器在运用丝束前迅速加热基板。这使得可以高度控制小包装区 域的局部加热。1.2.3整定方法：用激光探测仪整定自动铺丝机Electroimpact AFP机床通过精确放置碳纤维丝束在模型上来铺叠复合材料（浸渍带 碳纤维），为了能够在高速运行中更加精确，反馈和剪裁丝束的过程需要被整定。一 直以来，整定是一个很耗时间的手工过程。这篇文章将会展现一个方法论来用自动激 光器代替手工测量，提高一个数量级的测试速度，将精确度从+/- 0.020”（手工）到 +/- 0.015” （激光）
11、，并消除人工误差。1.3技术特点1.3.1 Electroimpact公司模块化铺丝头AFP的特性：完全模块化，30秒自动转化的铺丝头为了资本利用率达到最高，采用脱机材料加载为了资本利用率达到最高，脱机清洗为了尽可能提高效率，允许多个材料在相同的部分形成（在高轮廓区域1/4或1/8 A FP，在低轮廓区域，1/2或者更宽）简单、可靠36 “长纤路独立与机器配置使之可以接触到地面简单地被动支持电影删除100%无扭曲操作100%没有接头破损完全双向操作监督过程和材料部分特定机器设计可能对核心的AFP技术或者纤路没有影响 程序设计是运用GGTech提供的VERICUT综合编程和仿真套件1.3.2铺丝
12、头优越的特点，包括：离散：头部包含所有纤维布置相关的元素如丝束线轴，导向路径，切割器，加热器， 和一个压紧辊。模块化：模块化头是一个完整的功能单位，使得它可以被定位为一个单元，而不用依 赖于牵引路径和不用考虑加捻丝束的可能性问题。这种模块化还可以双向铺层而不用 考虑头部方向或路径的方向。可拆卸：因为是使用机器工具改变硬件，头部可以在两分钟内被拆除或更换。硬件允 许电气和气动连接都通过连接口，且被安装在一个旋转轴。可互换：标准化的连接，严格的公差和强大的头校准方法使得头部是可更换的。这反 过来又允许对铺放头的离线维护，并允许在一台机器上使用多个丝束宽度（1/8, 1/4 和1/2宽度丝束的头目前
13、就在生产中）。丝束校准参数存储在AFP头。可维修：整个牵引路径设计为暴露而便于清洁的，不需要借助工具并且只要几分钟。 牵引路径长度约为36”，所以维修人员不用挪动脚步就能维修整个牵引路径。1.3.3模块化AFP头的优势-可拆卸的模块化头提供了该设计所特有的优点。铺放提供了有关C轴的360度定位，因此是真正的双向铺层。因为整个纤维铺设系统 是对机器独立的，所以头部不用考虑它的方向，并且牵引路径也不会被头部方向因素 所影响。这种可拆卸的头提供了带120秒变化的丝束宽度多样性。每个头使用一种丝 束宽度，16线轴。至今，1/8, 1/4和1/2宽度的头已经在使用（1/8宽度的在其他机 械单元上使用）。
14、其他的丝束宽度和其他材料也有可能应用于可拆卸头的设计上。无论何时，只要需要穿新的线束，很短的牵引路径（大约3个宽度每1m长）能提供 很大的好处。所有的纤维铺放元件位于手臂的每一个动作的范围之内-穿线，清洗， 诊断，换刀等被大大简化。快速头的发展意味着，几乎所有的纤维铺放设备的维护任务（装载新丝束，清洗，更 换刀具等）都可以离线进行，而用另一个铺放头连接到设备并开始铺丝。铺丝头设计的未来发展比实施简单。新一代铺丝头头已经被开发出来。这样的改进头 可以联机，并根据需要和现有的铺丝头一起使用。其他特殊用途的铺丝头也是可能的。目前探针头用于模具定位和机器补偿。其他可能 存在的铺丝头，如NDI头或超声波
15、探测器1.3.4 AFP系统的特点传统的AFP机床是大型结构特点的多轴机器，有着一个末端执行器和一个长，阀 芯导向，牵引路径回到冷却的“经轴架屋”，一般附属于安装在一个直线轴上的主要 构件，其中拖车的主要结构件线轴被存储。这种设计为丝束等待铺放时万一停机提供 了很好的保护，并为随车携带的丝束提供了可能。缺点是，在很长的纤维束路径-也 许只要30-费时线程，冷却的经轴架屋可能会在机器或丝束到时不好的后果，而且 引导线轴，切割机，压实辊或其它AFP路径元素没有离线维护。通常，这些机器被设 计为使用只有一个纤维束宽度。新的AFP机单元是专为纤维铺放大直径飞机。该系统由两个六轴（线性X，Y和Z， 并旋
16、转A，B，C），后风格的机器，旋转机身模具，维护区域和控制站。AFP机器 有64的补偿工作信封的Y X轴，21 和14 Z轴，并在“涂漆”的模式提供足 够的A，B和C轴运动来操作超过135度的部分。该机器运行在伺服控制旋转器需要 不同路径的机身模具那一侧。每一个机床都能够相互连接到。2. 美国 Cincinnati2.1产品介绍：1985年，波音公司研发了第一台AFP样机，其设计的铺丝头已基本上解决了预浸料、 切断与重送以及集束压实等技术问题。此后，Cincinnati机床公司在1989年推出了 第一台商品化AFP机床VIPER 1200，被用于V-22 Osprey军用飞机4.21m长的复材
17、彳复 机身结构件的制造。随着铺放制造的飞机复材整体构件尺寸越来越大，为满足不同航 空用户需求,Cincinnati机床公司先废开发了 AFP系列产VIPER1200/3000/4000/6000 设备。使用中型AFP机床VIPER 3000，能够铺放生产大型商用飞机A380的CFRP复材 尾锥构件。Cincinnati VIPER 6000大型AFP机床铺丝头可装载32束12.7mm宽纤维 束，纤维束带宽达406mm，能铺放直径6.5m、长达17m的复材构件，控制转动心轴重 量可达86.3t。该公司还有一台小型机器人自动铺丝系统，是专门为那些通常用手工 铺层的小型零件而开发的。该系统铺丝头可以
18、输送416束丝束，丝束宽度为3.18毫 米或6.34毫米。2.2工作原理：2.2.1张力系统：根据张力产生方式主要分由摩擦，由气缸或者弹簧配合电机以及单纯由电机产生张 力三大类，而根据张力反馈方法分类主要分为位移传感器和张力传感器两大类。2.2.2纤维束牵丝分配辅助装置：纤维铺放过程中，单根预浸料纤维一般被称为“纤维束”，由纤维经轴架中被引出， 通过牵丝装置引导在铺丝头处，若干并列的纤维束构成了具有特定宽度的“纤维束带” (Band/Tows)薄层。这种复材纤维束带薄层在AFP机床CNC系统控制下可被精确地铺 放在工件模具表面上某一确定的位置处。目前，AFP纤维束典型的是由12K单独的长纤维组
19、成的，纤维束标准宽度有 3.2/6.4/12.7mm三种，最常用的为3.2mm。通常，纤维束典型的是以螺旋形式绕制在 一种直径7.6cm和长达28cm的中空的线轴上。对宽度3.2mm材料IM7-12K纤维束线 轴，重量约为2.3kg，长度可达3350m。AFP应用中，纤维束宽度精度对控制两束间缝隙是很重要的。比如，一个被设计 用来装载3.20.38mm宽纤维束的铺丝头，意味着纤维束将被限制在3.2mm曲面空间 内。如果纤维束实际宽恰好为3.2mm，那么铺放的两纤维束间不存在有缝隙。如果实 际宽度仅为2.5mm，铺放的两纤维束间存在有0.7mm缝隙，如果实际宽度为3.8mm， 铺放的两纤维束间存
20、在有0.6mm重区。目前，纤维“束带”最多可由32根纤维束组成，束带最大宽度可达102/406mm。 通常每条纤维束都具有单独可编程张力控制功能和牵丝辅助装置，用以支持单独纤维 束铺放并保持精确的张力。一般地说，纤维束张力不超过0.23kg，过高的张力将会导 致在凹轮廓区铺放时产生桥接现象。2.2.3剪切装置:在纤维束铺放过程中，任意纤维束可被切断和调用，从而允许通过增减纤维束数 目来实现改变铺放的纤维束带宽度和构成形式。通过调整纤维束带宽度，就可以控制 相邻带间裂缝或相互交覆盖区的大小。2.2.4夹紧装置：在纤维束铺放过程中，任意一纤维束都具有一定张力，当需进行剪切时须夹住彳菱面 之纤维束，
21、以防止其回收而导致无法控制。通常，当要求切断纤维束前执行这种夹紧 操作，而当要求重送时松开夹紧装置。2.2.5重送装置：铺放过程中，需要对已切断的纤维束重新铺放到构件上时则通过重送装置实现。2.2.6滚压装置：通过滚压辊压实铺放的纤维束带并有效实现层间粘连且紧贴工件型面，其压紧压 力通常也是为可编程的，或为可设置的2.2.7加热装置：该装置用于控制纤维束的粘度，确保滚压装置能有效压紧铺放的纤维束紧贴模具 或工件型面，并挤走铺层间空气。典型AFP可控加热装置可控制纤维束升温（2732C） 产生必要的粘度，并在滚压辊作用下能良好地粘贴在工件型面上；而在这之前，纤维 束温度保持在不高于21C而处于低
22、粘度或基本上无粘性状态，确保控制纤维束能容易 地从经轴架的线轴中抽出和传送到铺放头。2.2.8软件部分：Cincinnati公司新一代ATL / AFP，均采用基于商品化标准PC硬件与Windows操 作系统的开放结构的新一代CNC系统：CM 一 100。CM 一 100系统可管理多达24个坐 标轴。并支持多达8个联动的坐标轴，4ms伺服更新周期。具有可编程的铺贴滚压力 和粘度控制功能以适应复杂复材构件铺放控制；配置有工业键盘和定位设备（鼠标类 产品），19时平面触摸屏彩色显示器和乙太网通信接口。用户可快速掌握系统并容易 将之集成在其它制造系统中。目前，多数ATL / AFP机床制造商在提供机
23、床硬件的同时.都能向用户提供用于 ATL / AFP加工应用的编程系统、后置处理和铺放仿真软件。如Cincinnati公司可向 用户提供ATL / AFP ACES编程应用系统。ACES系统是由美国辛辛那提公司自行开发的编程软件系统。Cincinnati公司于 1989年研发了先进复合材料环境软件系统。ACES软件系统由ACRAPATH和ACRAPLACE 这2个子系统构成，分别应用于ATL和AFP。2.3技术特点：Cincinnati机床公司的VIPER系列铺丝机系统是当今最常用和先进的复合材料 制造设备。VIPER系列机器结合了铺带和纤维缠绕的优点，与先进的计算机控制和软件实现无 与伦比的
24、生产能力。提供各种各样的型号和配置，包括VIPER1200、4000、6000。2.3.1 VIPER系列特点：分段压实辊提供优越的核心和紧半径轮廓表面压实特性.双向张力器确保了对丝束精确的张力控制以及监控每个丝束的消耗重新定位辊系统通过保持一个平面纤维带降低了丝束扭曲的可能性动态增加或剪切纤维数来调整纤维带的宽度以增加每丝束剪切-夹紧-重送的 多功能性VIPER系列的优点在产品凸面和凹面的停止抗皱的灵活性上有很大优点，这些高效机器配有专利特 点，生产优质，同时大幅减少废料。有7个运动轴，VIPER适用于高曲度结构。在最初的停止和后处理加工操作阶段， 高轮廓、变壁厚和切断部分都使得材料浪费（低
25、至2%）大大减少。VIPER系列可同时铺放32根丝束，狭缝带生产“动态”可变带宽。铺丝头把缠绕 技术中不同纤维纱传送独立输送和自动铺带技术的压实、切割、重启功能结合在一起。 空白和重叠区域的最小化使得机器精确内部、外部轮廓边界。VIPER的先进设计为自动化生产提供其他重要优势，包括在一个复杂表面保持恒 定角度，进程内压实的材料，厚度方向没有限制。材料类型碳和玻璃纤维热固性环氧树脂双马来酰亚胺干纤维非热压罐材料规格宽度3.175 mm (.125 in), 6.35 mm (.25 in),12.7mm (.5 in)未处理厚度.152 到.254 mm (.006 in 到 0.010 in)
26、核心内径74.67 到 82.55 mm ( 2.94 in 到 3.25 in) 或 150.87 到 158 mm (5.94 in 到 6.25 in)核心长度230 到 406 mm (9 到 16 in)卷筒直径（最 大）200 mm (10 in)卷筒重量（最 大）5 磅(11.34 kg)丝束规格每根丝束 （x32）3.2 mm (0.125 in)6.4 mm (0.25 in)12.7 mm (0.5 in)平彳丁纤维带102 mm (4 in)205 mm (8 in)406 mm (16 in)VIPER 1200 部分直径2 m (80 in) 12 根丝束：3.2,
27、4.0, 6.4 mm (0.125, 0.157, 0.25 in)VIPER 4000 部分直径6 m (236 in) 24 或 32 根丝束；3.2 或 6.4 mm (0.125 或 0.25 in)VIPER 6000 部分直径8 m (315 in) 32 根丝束；3.2, 6.4 或 12.7 mm (0.125, 0.25 或 0.5 in)剪切，夹紧，重送(CCR)剪切、夹紧、重送对接系统可以在材料宽度相同的CCR进程之间进行自动切换。 因此，当机器仍在生产时，允许CCR发生线下服务。优点包括:通过缩短时间来提高 生产力，铺丝头的保养和维修可离线完成，最小化铺放时的中断。2
28、.3.2 GEMINI系列特点GEMINI是第一个在一个平台提供自动铺放和铺丝的系统。GEMINI是一个可控制和编程系统，有一个臂和多个可互换的头。Cincinnati GEMINI 优点：提供具有灵活性，可处理多种情况为材料加载消除了寄生时间灵活的平台来改善循环时间和材料使用利用ACES离线编程系统在一个机器平台上进行多个进程，使投资最小化，利润最大化。CM100控制系统Cincinnati的CM100控制系统是市面上唯一的针对自动复合材料铺放工艺而专门 开发的一款控制系统，这款系统基于开放式结构设计，性能强大而又容易使用，由最 新的工业芯片技术驱动，该技术与数字伺服驱动器一起共同执行快速、
29、稳定而又精确 的机器运动。ACESACES是Cincinnati专有的编程和仿真软件工具，专门用于自动铺放和铺丝。利用仿真功能来验证部分设想和排气机的功能精准的覆盖率分析 兼容 CATIA V4 和 V5,CATIA CWB / CD3 和 FiberSIM提供多种路径生成类型多核处理器使生产量提高x83、法国 Coriolis 3.1产品介绍：3.1.1自动铺放机器人概述：Coriolis复合材料纤维铺放技术是基于一套独特的专利：筒子架（或筒柜）位于 机器人的脚，灵活的纤维输送系统从筒子架的贴装头和紧凑的光铺放头。纤维铺放系统由科氏力复合材料开发安装在6轴多关节机器人，它可以增加所谓 的“外
30、部”轴，例如对模具或为机器人轨道定位器。集，通常由8个插轴，被称为“一 个机器人单元”。这些机器人和纤维铺放细胞有效地满足航空规范和期望，如精密切 割，以及可重复性和可靠性。这种模块化和灵活的概念提供了一个大的范围的可能性，并提供客户应用的最佳 配置。3.1.1、2、2控 纤3、4、Coriolis Composites新恢复生产，拼接必须由新到旧的纤维纤维铺放头-现纤维数：1，8，16纤维宽度：1/4每个纤维可以单独切割头部的重量：45公斤和90公斤之间切削和进给速度：最大0.6米/秒重复切削速度与进给量：2.5mm重复磁带之间的差距：+ 2 - 0毫米最小长度的接合纤维在一个平面上：100
31、毫米最大浇筑速度：1米/秒最大速度为链接路径之间的2位置：2米/秒垂直性吸收表面的变化：+ / - 5毫米压紧力可设定5 ET 10N /毫米的带的宽度之间铺设了一个蜂巢，灵活的插入和复 杂的形式加热系统快速变化（红外线或激光）模块化设计的头能够快速拆卸和离线维护：加热、引导、切割、夹紧、压模头冷却系统在13C兼容的热固性和热塑性预浸材料以及干纤维5、直线轴6、激光加热装置7、定位器3.2工作原理：3.2.1剪切（超声波）：科氏提供了可选的设备可以安装在纤维铺放头使用超声波切割。技术特点：安装在AFP头装置手动可拆卸装置由PLC控制装置修整速度：高达250mm / s修剪深度：达到20mm的一
32、步，多个步骤让上修整深度设备的频率：20千赫半径：半径最小推荐100，根据不同的材料和要求，半径较小的微调可以实现位移传感器得到的切削深度信息存在传感器处理过程垫安装在两个气缸管理应用于工件修整压力定制垫取决于材料裁剪冷却装置导向叶片3.2.1铺压：使用C形梁或钢筋生产。一个板可以提供可选的来启用控制压实对磁带的整个宽 度，即使轨迹在45凸半径小于5mm。3.2.3加热（激光加热）：该系统采用高功率二极管达到最大速度的同时保证铺层之间良好的粘结力。激 光源（栈）的应用，已在工业部门，如焊接在汽车部门的证明，确保可靠性和寿命最 大化。3.3技术特点3.3.1 Coriolis Composite
33、s 公司产品特点：1、 Coriolis 复合材料公司是开发基于商用机器人平台的自动铺丝机开发的先行 者，它的基于机器人的复合材料自动铺层设备被庞巴迪C系列支线飞机项目选择作为 复合材料零件制造装备。2、Coriolis Composites公司几年来已经供应了更小、低成本复合材料铺层设备， 这些供应的产品中许多都是基于机器人平台的。3、Coriolis 复合材料公司以标准的多关节机械手，作为八轴向运动的纤维铺放系 统的基础。4、自动化纤维带铺放（ATL）和纤维缠绕技术是复合材料部件实现大量生产的关 键，同时保证了生产的可靠性、连续性和成本效益。AFP与ATL有许多相同之处，但 是，后者更适合
34、生产表面相对较平坦的部件，AFP则可用于几何形状更加复杂的部件。 这是因为，AFP可以铺放更窄的丝束，并可以在尖锐的曲面上操控丝束；但宽一些的 纤维带则需要弯曲一部分纤维才能铺放，而这会降低层压板的强度。如果采用旋转工 具或芯轴，AFP则更像是纤维缠绕，但采用丝束会使这一工艺过程的速度加快。5、在AFP系统中，大量预浸丝束或纤维窄带被供给铺放头，铺放头将他们铺放 成一个连续的预浸料层。先进的机械设备可以同时铺放32根丝束，丝束是由位于铺 放头或其附近的纱架供应给铺放头的AFP铺放头可以安装在绕着模具/芯轴移动的多 轴关节臂上，或者由起重机支撑。另一种选项是，模具在静止的铺放头上旋转，或铺 放头
35、和芯轴按照软件程序的精心设计双双“共舞”。3.3.2自动铺放机器人及其特点：下面介绍该公司的产品自动铺放机器人及其特点：自动铺放机器人灵活，结构紧凑，多功能，我们的纤维铺放系统可以轻易地适应 不同的几何形状和范围（IML，OML）。它使复杂零件的制造，适用于工业应用以及研 究中心，他们可以轻松地管理大量的选择中的应用。它的可靠和强大的设计与生产维 护和高生产水平的要求是通过对其运动速度的保证。精度和重复性的基本标准，航空 市场放心，通过光灵活接合头。最后，具有很高的生产率和可靠性。科氏纤维铺放系统提供的最新一代的库卡QUANTEC机器人。这些标准的机器人提 供一个很好的刚度和精度高，所有相结合
36、的高动态运动。具体特点如下：（1）可以简化结合处的3D形状和2D空白；（2）二维平面坯料产品可以被雕刻加工；（3）及时地使用许多纤维来达到产品要求；（4）使占用的面积最优化；（5）铺压机器可以很容易地在一周内准备好；（6）产生的废料少；（7）具有各种铺放功能，包括：自动干纤维铺放、自动热塑性纤维铺放、自动 化热固性纤维铺放。4、西班牙Mtorres4.1产品介绍：TORRESFIBERLAYUP纤维铺丝机是由MTorres公司设计和开发的，在CATIA环境允 许程序员生成、模拟和分析的部分项目，能够执行测试、试验、调查不同的解决方案 不同的材料和制造工艺。机器的尺寸使组件的制造可达长10米宽4
37、.5米深1.5米。用于A350 XWB机翼前/后梁和15段机身复材整体构件制造。A350是碳纤维结构的飞 机，根据具体要求使用不同的技术，每个元件必须符合生产标准。层压过程的预浸渍 纤维，这是在航空航天中用于制造复合元件最常见的材料。有两种不同技术：1、自动 铺带机ATL技术，自动分层带宽度150毫米(6”)或300毫米(12”)； 2、AFP技术(自 动铺丝机)，同时分层几个预浸渍材料条缝成一个狭窄的格式，通常宽度为1/8” 1/4” 或 1/2”。TORRESFIBERLAYUP纤维铺丝机提供最高效率制造高轮廓碳纤维飞机组件。其独特 的牵引切割和添加系统全速设计理念允许机器切割，添加和放下
38、一致性和准确性，确 保在市场上纤维铺放的最高生产能力。4.2工作原理：4.2.1加热：系统在头部位置安装了一个加热装置；4.2.2张力：目前国外已经有很成熟的纤维自动铺放设备，西班牙的MTORRES公司所生产的纤 维自动铺放机床拥有自己配套的纤维张力控制系统。4.2.3铺丝头：使用32束任选3.2/6.4/12.8mm宽纤维铺束丝头，铺丝头由铝合金材料制成，尺 寸小、惯量小。依据片层形状和纤维重量，其单头设计可以实现以每小时45.4kg或 者更高速度对多达32束12.8mm、6.4mm、3.2mm的纤维带进行铺放。时间-高效缠绕- 装载策略能够实现片层的快速剪裁、补充以及重启动，铺放头能够独立
39、于纤维束操作 运动。4.2.4旋转切割系统：TORRESFIBERLAYUP纤维铺放机基于其已获得专利权的旋转切割概念，能够随时全 速切割和添加任何纤维带，而且在切割和添加纤维带时完全不需要减速。旋转切割系 统运行中依靠单独伺服电机进行切割。最常见的是guillotine-style切割系统，包括 一个驱动叶片和剪切边缘。它的简单性使最佳包装、高度可靠性的和最小的控制系统 成为可能，而且在本质上是可扩展的。4.2.5铺带头:MTORRES 公:用多带结构的铺，并应用于A350客机机翼制造。该多带结构铺带头允许装载4X 75mm宽带料，其铺放生产率和装 载单一 300mm宽带料铺带头一样，但由于
40、每条带料均可单独控制，因此多带铺带头可 铺放制造轮廓更为复杂的复材构件。这种多带结构铺带头也可装载2条150mm宽带料。 实际上，MTORRES公司这种多带结构铺带头可看成是等效于配置有4个75mm宽的集 成化多铺带头的ATL机床，或者说其铺放工艺本质上就是自动铺丝机AFP铺放工艺技 术的简单应用。MTorres为空中客车（大型中短程喷气客机）提供混合AFP/ ATL龙门机 器高效制造A350XWB翅膀面板。已经成功地开发并实现一个全新一代混合动力翼壳制 造的ATL/AFP解决方案。新平台结合包含宽为24-1/2 “的AFP终端执行器和ATL头， 它们能够在不到两分钟内互换。AFP终端执行器设
41、计包含高达9Kg的线轴，减少了末 端执行器的变化的需求。这个配置的灵活性提供了一个极好的性能来优化翼壳程序， 降低包括可能使用额外的末端执行器的其他复合材料如玻璃纤维，铜网等的最终组件 重量。西班牙MTORRES公司制造的配有11个数摔轴的开放低轨高速龙门移动式 TORRESLAYUP铺带机。该ATL机床采用模块化设计，可根据川户需求进行配置。使用 75 / 150 / 300mm标准宽度复材带料。机床X/y/Z轴行程30005000m 11 1000 6000mm / 300 一 1500mm，C 轴 1850，A 轴土22. 50；线 性轴进给速度 1545m / min， 定位精度0.
42、08 mm，配有两个超卢波小型切刀用于带料切割。此外，铺带头上设计 有内装式带料缺陷检测系统，并设计有构件轮廓检查的激光光幕装置等选件。MTORRES 铺带头能提供最大的压紧能力，不需频繁使用抽真空方法来取得最佳压紧效果。4.3特点：4.3.1 TORRESFIBERLAYUP 纤维铺丝机特性：执行机构：伺服执行机构（而不是气动执行机构）；铺放速度：61 m/min；纤维宽度：1/8”、1/4”、1/2”。进给轴的动力加速度：3g；精度：裁剪和加料的精度保持在1mm；生产率：最高铺放生产率可达45-50kg/hr；4.3.2 在AFP技术中动态切割和动态添加的概念是一个突破性的一步。TORRE
43、SFIBERLAYUP在业界首次实现对一个在独立牵引的切割和添加高效的动态系 统，不仅不用停止或者减小机器铺设速度，而且机器能够在全加速下运转，显 著 提高系统效率。4.3.3 TORRESFIBERLAYUP机的自动粘接系统进一步提高生产力。它通过自动拼接的上一个结束线轴和下一个开始的线轴，显著减少非生产性时间和保 存反复出现的废品成本。4.3.4 MTorres公司这款高端大型AFP机床总体结构可根据实际需求，或者说根据复 材零件结构需要而设计为立柱移动式的，并可带或不带卧式转台驱动结构，或者设计 为龙门横梁移动式结构。对于TORRESFIBERLAYUP纤维铺放机的高输出能力，更换丝 轴
44、成了瓶颈，因此MTorres公司为每根丝带安装一个自动粘接系统从而提高了生产效率。期刊论文自动纤维铺放机北京恒融达经贸有限公司5、美国 Ingersoll5.1产品介绍：美国 Ingersoll 机床公司拥有 Lynx (图 5.1(a)和 Mongoose (图 5.1(b) 两个系列的自动铺丝机，每个系列均有卧式和龙门式两种结构，并设计成可更换式铺 丝头，适用铺放1/8、1/4、1/2英寸的预浸窄带。Lynx系列铺丝机的独立纱箱安装 在铺丝小车或龙门式机床的横梁上，纱箱内的温度和湿度可控，铺丝头最多可同时铺 放32根预浸窄带；Mongoose系列铺丝机的纱箱安装在铺丝头上，该型铺丝机铺丝
45、头采用模块化设计，可在三分钟内快速更换，由于其纱箱集成在铺丝头上，受铺丝头 重量和空间的限制，一般最多可同时铺放16或24丝束。波音787客机，装备有Ingersoll公司的AFP Mongoose H3机床，应用32束12. 7mm宽纤维束的铺丝头，铺放速度和切割速度达30m/min，生产率可达720 m2/hr碳 纤维。5.2工作原理毕图 5. emcmgQg . . . r. :-. = -5.2.1. 铺放速度：床和自动铺丝机器人不同于一般的数控设备，它是把柔性的并且有相当粘性的预浸 窄带高速铺放到指定模具表面，高速度和高质量铺放是ACM低成本制造的关键之一， 美国Ingersoll机
46、床公司Lynx系列最大铺放速度60m/min，Mongoose系列可达7 5m/min。为实现高速、高质量的铺放，预浸窄带要有较好的可铺覆性，即铺放对预浸 料的粘性有要求，同时铺丝机丝束供给系统必须能够在高速下可靠、稳定的工作。5.2.2. 加热：美国Ingersoll机床公司研制的两种系列铺丝机均带有红外加热系统，系统加热 机构的辐射强度可随铺放速度自动调节。5.2.3. 张力：目前国外已经有很成熟的纤维自动铺放设备，比较有代表性的包括有美国的Cinci nnati公司，法国的Ingersoll公司以及西班牙的MTORRES公司。这些公司所生产 的纤维自动铺放机床都有自己配套的纤维张力控制系
47、统。纤维自动铺放机床起步于上世纪80年代，经过几十年的发展，国外共出现了多种 纤维张力控制系统。根据张力产生方式主要分由摩擦，由气缸或者弹簧配合电机以及 单纯由电机产生张力三大类，而根据张力反馈方法分类主要分为位移传感器和张力传 感器两大类。5.3技术特点：Ingersolls的自动铺丝机制造复杂，波状外形的形状大型曲线表面上使用环氧树 脂浸渍复合纤维材料。其纤维铺放过程的灵活性提供了先进的航空航天应用程序所需 的精度和性能。5.3.1产品特性 高速剪切，添加丝束双向铺放能力单个卷筒能缠绕长度超过4 km具有基膜检索系统纤维卷筒的快速切换可独立控制32束丝束 可处理多种丝束宽度(.125-.182/3.18-4.62mm)给铺丝头路径直接的经轴架动态“起轧点”加热+1.5” (+38mm)铺丝头浮点数(给超出规格的工具)直通机械臂的灵巧性水平、垂直铺放能力 支撑工具重量高达80000磅。(36吨)有驱动装置的主轴或有驱动装置的主轴&尾座 Carriage-Mounted 臂架智能前端基于PC的处理器 GE FANUC多轴数控控制和复合编程系统(CPS)
