高端自動鋪帶機

1、高端自動鋪帶機 /鋪絲機 （ATL/AFP） 的最新發(fā)展作者：北京航空制造工程研究所 林勝 來源：雅式工業(yè)專網(wǎng)高端自動鋪帶機 /自動鋪絲機（ ATL/AFP ）已成為現(xiàn)代大型飛機制造的關鍵設備。最近幾年在其得到持續(xù)快速發(fā)展與更廣泛工業(yè)應用的過 程中，涌現(xiàn)出新的技術概念，一批新型 ATL/AFP 機床得以面世。本文將聚焦高端 ATL/AFP 機床的最新發(fā)展趨勢。自動鋪帶機 /自動鋪絲機 ATL/AFP 的發(fā)展具有高強度低密度特性的復合材料（Composites ,下文簡稱復材）取代傳統(tǒng)鋁合金材在現(xiàn)代大型飛機結構件設計制造中得到了廣泛應用，并已漸成為現(xiàn)代大型飛機的主結構用材。 如波音 787“夢想

2、”大型客機和空客 A350 XWB 寬體客機復材用材重量比都已超過了50% 。這種趨勢仍在持續(xù)發(fā)展，據(jù)預測到 2015-2020 年將達 70%-80% 。一些具有創(chuàng)新性的全復材或準全復材機身構件的無人機、直升機和商務機 已研制成功，釆用復材作為主結構件的飛機時代已經(jīng)來臨。在現(xiàn)代大型飛機批量生產(chǎn)中，用於復材整體構件制造的自動鋪帶機ATL/自動鋪絲機AFP則成為關鍵設備。20世紀90年代末本世紀初（2001 年）前，基本上僅有美國 Cincinnati 機床公司和 Ingersoll 公司能向航空飛機制造業(yè)提供大型 ATL/AFP 機床，美國 ADC （ Automated Dynamics C

3、orp. ）公司能夠提供 AFP 機床。最近 10 多年來，航空飛機制造業(yè)對 自動化復材構件制造技術的迫切需求推動了 ATL/AFP 機 床得到長足發(fā)展和更廣泛工業(yè)應用。但是和金切數(shù)控機床相比，能向航空飛機制造業(yè)提供ATL/AFP 機床的制造商仍然極為有限。最近 35 年，一些復材構件鋪放設備制造商推出了一些具有創(chuàng)新性的 ATL/AFP 機床，提出了一些新技術概念，推動著 ATL/AFP 機床持 續(xù)發(fā)展與進步。 ATL/AFP 機床這種發(fā)展新趨勢在技術層面上看，主要表現(xiàn)為：高速/高生產(chǎn)率鋪放機床；多鋪放頭集成復合鋪放機床；熱塑性纖維鋪放機床；商用 機器人平臺鋪放機床； ATL-AFP 混合鋪放

4、機床；多機鋪放生產(chǎn)環(huán)境。目前，對 ATL/AFP 機床技術發(fā)展最主要的目標是提高鋪放生產(chǎn)率和降低設備費用，且主要呈現(xiàn)在兩個不同發(fā)展方向以適應兩種不同復材構件鋪放應用領域需求：（1） 用於航空飛機制造業(yè)的大型復雜復材整體構件鋪放的高端ATL/AFP 機床，進一步向大型化、高速化、自動化和集成復合化方向發(fā)展，以提供高生產(chǎn)率、高自動化、高性能和寬鋪放應用范圍的ATL/AFP 機床。本文將對此做詳細介紹與討論。（2）面向具體應用的中小型復材整體構件鋪放機床朝著模塊化、自動化、恰好規(guī)模和柔性化方向發(fā)展，以提供高生產(chǎn)率、高自動化、低 費用和有限鋪放應用范圍的 ATL/AFP 機床。有關這種低費用適應型 A

5、TL/AFP 機床本文不作討論。高端 ATL/AFP 機床趨向大型化與高效化 現(xiàn)代大型飛機主結構件設計制造已越來越多釆用復材整體構件已是明顯發(fā)展趨勢，并已從大型機翼長梁、蒙皮壁板等相對簡單復材構件 發(fā)展到大型飛機整體筒殼機身段及中小型飛機整體筒殼機身等復材構件，且構件尺寸越來越大，整體結構越來越復雜。為適應航空飛機制造業(yè)這種實際發(fā)展需求，諸如Cincinnati、Ingersoll和Forest-line公司等一些大型數(shù)控機床制造商借助其在大型數(shù)控機床結構設計技術的優(yōu)勢，最近幾年都紛紛推出其配有高鋪放進給率鋪放頭的新一代大型高端(High level)ATL/AFP機床，其結構尺寸越來越趨向大

6、型化。美國MAG Cincinnati機床公司的 CHARGER 系列ATL機床和Viper1200/3000/4000/6000 系列AFP機床發(fā)展歷程可作為這種趨向大型 化發(fā)展的典型實例。圖1為MAG Cincinnati公司和MTorres公司兩款高端大型 ATL機床；圖2左為Hawker Beechcraft (豪客比奇)公司應用Cincinnati公司Viper AFP機床鋪放制造豪客 4000超中型級別公務機復材機身整體構件情況，機身最大直徑已超過 2m。據(jù)報道,目前豪客4000公務機的訂單已超過了100架。MAG Cincinnati公司最新Viper 6000 AFP 機床鋪放

7、復材整體筒形構件直徑可達6.3m，驅動心模重量達86.3t。圖1大型高端ATL機床圖2 MAG Viper大型AFP機床法國Forest-line公司和西班牙 MTorres公司新近推出的 AFP機床可作為高端 AFP機床大型化的另一典型實例 圖3左為法國Forest-line公司2007年推出的高端大型 AFP機床FPH ATLAS，主要用於大型飛機機身段復材構件和類似零件鋪放制造，并可適應半徑達1m以上的內(nèi)曲面（凹模）構件的鋪放加工。據(jù)稱其特別設計的緊奏型熱固性鋪絲頭，維護方便，使用6.35mm束寬32束或12.7mm束寬24束纖維束料，允許最短鋪放纖維長度僅80mm，鋪放進給速度達 60

8、m/min （直線電機驅動）。圖3用於大型飛機復材構件鋪放加工的 AFP機床圖3右為西班牙 MTorres公司新推出的高端大型 AFP機床TORRESFIBERLAYUP ，用於A350 XWB機翼前/後梁和15段機身復材整體 構件制造，緊奏型熱固性鋪絲頭可配置使用3.2mm、6.35mm或12.7mm束寬32束纖維束料，鋪放速度達60 m/min，最高鋪放生產(chǎn)率可達45-50kg/hr 。Forest-line公司和MTorres公司這兩款高端大型 AFP機床總體結構都可根據(jù)實際需求，或者說根據(jù)復材零件結構需要而設計為立柱移動式的，并可帶或不帶臥式轉臺驅動結構，或者設計為龍門橫梁移動式結構。

9、目前，用於航空飛機復材構件制造領域的高端ATL/AFP機床發(fā)展除其趨向更加大型化外，并出現(xiàn)如下若乾發(fā)展新趨勢:（1）大型ATL機床多趨於釆用低軌龍門移動結構設計，以取得更佳開放性，多設計有可選擇配置不同規(guī)格（寬帶或窄帶）的鋪帶頭, 以實現(xiàn)鋪放構件復雜度與生產(chǎn)率兩者得以兼顧；（2）大型AFP機床多設計配置有緊奏型熱固性鋪絲頭，通過可選擇的窄帶多束”或寬帶少束”鋪絲頭配置以滿足不同用戶需求，實現(xiàn)鋪放生產(chǎn)率與制造構件復雜度兩者得以兼顧；（3）大型ATL/AFP機床進給高速化（5060m/min ），以取得高鋪放生產(chǎn)率（2550kg/hr）；（4）大型AFP機床多數(shù)設計有專用纖維束經(jīng)軸架輔助裝置;大型

10、ATL/AFP鋪放機床的總體結構設計，通常是考慮到被鋪放零件的實際結構類型和尺寸大小，一般為高專用性設備，盡管它仍具有一定寬的應用范圍;ATL/AFP機床上，以實現(xiàn)進一步提高其鋪放生產(chǎn)率?，F(xiàn)代數(shù)控機床的多主軸加工、加工單元以及復合加工等技術概念被擴展應用到在風力發(fā)電設備制造領域，用復合材料制造的大型風力發(fā)電設備螺旋槳葉片的市場需求急速增長，且隨著發(fā)電功率的增大，所需的風機槳葉尺寸也越來越大，其長度可達3050m。人們對大型螺旋槳葉復材整體構件的鋪放制造需求也是促進ATL/AFP鋪放設備趨於大型化發(fā)展的另一個推動力。圖4所示為美國Entec公司制造的用於大型風力發(fā)電設備螺旋槳葉復材構件鋪放加工的

11、低軌龍門結構復材鋪放機床和用戶化定制的專用復材鋪放機床。圖4 Entec公司大型AFP機床集成復合化ATL/AFP機床成為新趨勢ATL/AFP機床高鋪放生產(chǎn)率對實現(xiàn)復材構件批量生產(chǎn)和提高用戶投資回報率(ROI )是至關重要的。對一個具體ATL/AFP鋪放機床而言,通常很難對所有復材構件的制造中使高鋪放生產(chǎn)率與制造復材構件復雜度兩者得到兼顧，導致用戶往往需要購置不同規(guī)格鋪放頭的ATL/AFP機床。對用戶而言，這不僅意味著要增加很大設備費用的負擔，而且還意味著要消耗更多的能源、占用更多的車間場地和維護 費用。實際上，ATL/AFP機床的鋪放制造能力在很大程度上取決於其鋪放頭的功能與性能，如何在提高

12、ATL/AFP機床鋪放生產(chǎn)率同時又擴展制造復材構件適用范圍則是航空飛機制造業(yè)所迫切希望的。為此，復材構件鋪放設備制造商將現(xiàn)代數(shù)控機床的多主軸加工、加工單元以及復合加工等技術概念擴展應用到ATL/AFP機床上，通過集成復合化鋪放工藝技術以進一步提高復材構件鋪放生產(chǎn)率，并已成為大型ATL/AFP機床發(fā)展一種新趨勢。1. 多鋪帶頭ATL機床對ATL機床，解決制造復材構件復雜度與鋪放生產(chǎn)率兼顧的一種簡單方法是：將不同規(guī)格的鋪帶頭集成在一起形成一種復合化鋪帶頭，取代傳統(tǒng)多臺ATL機床，使一臺ATL機床就能實現(xiàn)多種帶寬鋪帶工藝并可取得滿意的高鋪放生產(chǎn)率。FOREST-LINE 公司推出的雙鋪帶頭結構的AT

13、LAS鋪帶機可作為這類機床一種典型實例。該公司雙鋪帶頭 ATL機床，同時配置了一個單工序鋪帶頭和一個雙工序鋪帶頭，前者可直接用於鋪放制造構件簡單輪廓外形的區(qū)域，使150mm帶料，實現(xiàn)了 雙鋪帶工藝"的集成復合化，兩個鋪用寬300mm帶料，後者則可用於鋪放制造構件復雜輪廓外形的區(qū)域，使用寬 帶頭可交替工作，見圖 5左半所示。圖5復合化鋪帶頭該ATLAS鋪帶機XYZ三軸驅動均釆用直線電機，X軸行程可達40m、Y軸（高架龍門內(nèi)寬）8m ,重25t龍門移動速度可達到 60m/min ,加速度1.5m/s2，寬300mm帶料卷盤盒容量可擴展到800-900m，并具有高度復雜的切割功能以適應大型

14、飛機復雜復材構件制造，確保飛機結構滿足設計重量要求。實際上，這種雙鋪帶頭的ATLAS鋪帶機，配合 FOREST-LINE 公司ACCESS 機床（用於150mm 帶料預先剪裁）可快速實現(xiàn)大型復雜形狀復材構件的快速層鋪制造。和該公司單鋪帶頭的 ATL機床相比，用於大型機翼復材構件的層鋪制造可提高鋪放生產(chǎn)率24倍。日本三菱重工（MHI ）從Forest-Line公司購置了 4臺雙鋪帶頭ATLAS鋪帶機，2臺ACCESS機床，用於波音787客機機翼上下翼面復 材蒙皮壁板層鋪制造，壁板長36.5m，最寬處6.5m，為雙曲率復材整體構件。日本富士重工（FHI）也從Forest-Line公司購置了 1臺雙

15、鋪帶頭ATLAS鋪帶機，1臺ACCESS機床，用於波音787客機復材翼盒層鋪制造。北京航空制造工程研究所和法國FOREST-LINE公司合作正在研制這種 雙鋪帶頭”的大型ATL機床，用於大型復材構件開發(fā)研究，目前已基本完成調(diào)試，即將投入實際使用。西班牙MTORRES公司則釆用和上述不同的技術途徑來實現(xiàn)鋪放制造零件復雜度與高鋪放生產(chǎn)率兩者良好兼顧：通過將傳統(tǒng)大型ATL機床單帶結構的鋪帶頭改成釆用多帶結構的鋪帶頭（見圖5右），并應用於 A350客機機翼制造。該多帶結構鋪帶頭允許裝載4X75mm寬帶料，其鋪放生產(chǎn)率和裝載單一300mm寬帶料鋪帶頭一樣，但由於每條帶料均可單獨控制，因此多帶鋪帶頭可鋪放

16、制造輪廓更為復雜的復材構件。這種多帶結構鋪帶頭也可裝載2條150mm寬帶料。實際上，MTORRES 公司這種多帶結構鋪帶頭可看成是等效於配置有4個75mm寬的集成化多鋪帶頭的 ATL機床，或者說其鋪放工藝本質上就是自動鋪絲機 AFP鋪放工藝技術的簡單應用。2. 多鋪絲頭AFP機床從一般意義上講，AFP機床由於釆用多束纖維鋪放工藝，在一定程度上解決了高鋪放生產(chǎn)率與制造零件復雜度兩者間的兼顧。但是，由於使用的纖維束的寬度與數(shù)量之不同，高鋪放生產(chǎn)率與制造零件復雜度兩者難以兼顧問題仍然存在美國ElectroImpact 公司2003年開發(fā)了一種新概念的模塊化鋪絲頭（Modular Fiber Head

17、 Placement ），并通過設計有可自動交換鋪絲頭的AFP機床以期解決此實際難題，見圖6圖6 ElectroImpact公司多鋪絲頭鋪絲機這種AFP機床對給定的一種纖維鋪放應用需要的所有纖維束料都被放在模塊化鋪絲頭上，取消了傳統(tǒng)AFP機床上專設的纖維經(jīng)軸架輔助裝置。所有纖維束鋪放操作都集中在該鋪絲頭上實現(xiàn)，包括纖維束供料卷軸、牽絲輔助裝置、剪切刀具、張力控制和固化加熱等裝置。同時，鋪絲頭和控制它進行鋪放運動的平臺是分離的，類似金切數(shù)控加工中心機床中自動刀具交換功能一樣，鋪放加工需要的鋪絲頭能夠實現(xiàn)快速被交換到 運動平臺”上。這樣一來，復材構件制造用戶只需購置一臺基礎機床（運動平臺）和多個鋪

18、絲頭就可適應不同復雜度 的復材構件鋪放加工應用，即在滿足高鋪放生產(chǎn)率前提下適應不同應用對象的鋪放制造。此外，ElectroImpact公司在研制上述 AFP機床成功基礎上還新開發(fā)了一種由6.4mm束寬12束和12.7mm束寬12束的雙鋪絲頭 AFP鋪放單元機床（Cell Machine ），兩個鋪絲頭可同時對大型飛機復材整體筒客機身段構件進行鋪放，以進一步提高鋪放生產(chǎn)率。同時，ElectroImpact公司還選擇了第三方公司（ CGTech ）的CAM軟件Vericut，作為該設備的編程系統(tǒng)Vericut ATL/AFP 軟件。圖6右面所示的即為應用Vericut ATL/AFP軟件仿真模擬雙

19、鋪絲頭 AFP鋪放單元工作場景。這種釆用獨立於ATL/AFP機床的復材構件加工編程軟件系統(tǒng)，也是ATL/AFP技術發(fā)展的一種新趨勢。3. 新ATL-AFP混合鋪放機床技術至此所介紹的多鋪放頭 ATL/AFP機床基本上均為同一類型鋪放工藝（鋪帶或鋪絲）的鋪放頭集成復合應用，以兼顧高鋪放生產(chǎn)率與制造構件復雜度。法國 Forest-line公司新近在其所屬的 Capdenac工廠復材驗證中心，配置了一臺新研制的雙鋪放頭鋪放機床，則是將ATL機床鋪帶頭和AFP機床鋪絲頭集成在同一臺復材鋪放加工設備上，形成一種ATL-AFP混合鋪放機床，實現(xiàn)了ATL和AFP復合應用，見圖7。圖7 ATL-AFP復合機床

20、實際上，該ATL-AFP混合鋪放機床是基於Forest-line公司傳統(tǒng)龍門移動式 ATL機床，在可移動運動的橫梁上再配置一可作YZ軸運動的立式鋪絲頭，構成了龍門移動式雙鋪放頭的鋪放機床。該ATL-AFP混合鋪放機床的鋪帶頭可選用75-300mm帶料，用於高生產(chǎn)率地鋪放制造簡單輪廓復材構件；鋪絲頭使用 6.35mm束寬32束纖維束料，可用於鋪放復雜輪廓復材構件。這種ATL-AFP混合鋪放機床特別適用於復材構件研究開發(fā)、試制、實驗和技術培訓應用，同時也可用於實際復材構件鋪放制造。最後還應指出是，實際上模塊化多鋪放頭技術在低費用適用型ATL/AFP機床上也得到了極為廣泛應用新概念AFP設備1.新型

21、AFP設備用於復雜曲面，特別是復材整體筒殼構件鋪放制造的傳統(tǒng)自動鋪絲機（FAP）機床總體結構設計中都繼承了傳統(tǒng)復材構件自動纏繞機（AFW ）鋪放工藝基本技術思想，在FAP機床前都設計有一個旋轉心軸裝置驅動芯模轉動進行零件曲面鋪放，也就是說傳統(tǒng)FAP機床結構設計中都要考慮復材構件回轉結構裝置設計/制造的技術問題。但是，這種機床總體結構存在有明顯的不足之處：旋轉心軸驅動裝置費用高，Ingersoll公司認為鋪放復雜曲面復材構件，釆用有轉動陽模鋪放的AFP機床其費用要比釆用陰模鋪放的AFP機床貴710倍；需要專用的凸芯模裝置， 對復雜復材構件芯模設計制造技術難度較大，且費用高；為確保在旋轉芯模上進行

22、纖維束鋪放的良好貼合，F(xiàn)AP機床需具有較大的熱壓能力；增加設備車間占地面積和維護費用。為此，一些復材構件鋪放設備制造商推出了一種新概念的AFP機床，通過在現(xiàn)場安放簡單的凹（陰）模具，取消了傳統(tǒng)AFP機床旋轉 顯減少傳統(tǒng)AFP機床尺寸，增強窄腔復材構件鋪放加工能力，并能同時顯著減少設備車間占地面積。心軸驅動凸芯（陽）模轉動裝置，從而可降低設備成本實現(xiàn)低費用AFP鋪放技術。這種沒有旋轉心軸驅動陽模轉動的機床結構設計可明Ingersoll公司推出的第2/3代AFP機床Mongoose就是基於這種新概念設計的。圖 8左為美國Goodrich航空構件公司配置的雙龍門雙 鋪放頭的Ingersoll公司AF

23、P機床Mongoose （第二代），使用 12.7mm 寬32束的鋪放頭，鋪放速度達 40m/min，切割速度30m/minGoodrich公司準備應用這種 AFP機床來生產(chǎn)GEnx和用於波音787客機的Trent 1000發(fā)動機短艙復材內(nèi)涵道支撐結構件自動化鋪放生 產(chǎn)，以前該構件釆用人工鋪放。圖8右為Ingersoll公司最新推出的第三代AFP機床Mongoose及其新設計的鋪放頭。該鋪放頭由於釆用模塊化設計容易根據(jù)用戶需要而構成立式或臥式 AFP機床，同時可適用於凸模、凹?；蚱桨迥脠龊稀．斒褂?.74mm寬16束復材纖維，鋪放速度達60m/min，切割速度50m/min，鋪放復材表面積

24、速率達720m2/hr，鋪放生產(chǎn)率 27kg/hr。圖 8 Ingersoll 公司 AFP 機床 Mongoose2.高生產(chǎn)率AFP設備提高ATL/AFP機床鋪放生產(chǎn)率是目前 ATL/AFP機床最新發(fā)展的最基本趨勢，其釆用的技術途徑主要是通過提升自動化、高速化和鋪放工藝集成復合化水平來取得高鋪放生產(chǎn)率。此外，一些大型ATL/AFP機床制造商將大型金切數(shù)控機床雙龍門雙主軸頭并行加工思想同樣應用在ATL/AFP機床上，向用戶提供高鋪放生產(chǎn)率的雙龍門雙鋪放頭ATL/AFP機床。在宇航和國防工業(yè)應用領域，ATL/AFP機床取得2550 kg/hr鋪放生產(chǎn)率應算是為高鋪放生產(chǎn)率了。但對完全商品化（通常指非宇航和國防工業(yè)應用領域的普通民用工業(yè)）應用領域而言，這種鋪放生產(chǎn)率仍然不能滿足用戶的實際需求。為此，在普通民用工業(yè)應用領域，人們釆用了另一種技術途徑：通過使用先進的更大質量的纖維束料來取得AFP機床高鋪放生產(chǎn)率。宇航和國防工業(yè)應用領域的AFP機床，典型多使用12K根獨立長纖維組成一根 纖維束”結構的復材料。而用於風力發(fā)電設備風力渦輪