复合材料自动铺放CAD∕CAM软件技术.pdf

l 灞 万方数据 复合材料 动化制造技术 随着复材行业迅猛的发展，在世界范 围内，自动化制造技术的推广和应用已经 成为一种趋势。复合材料自动化制造技术 可以降低制造成本、缩短生产周期、提高产 品质量，自动化技术及相关设备的发展将 促进复合材料在航空领域更广泛的应用。 栏目策划：泰山金9 口晓立 万方数据 三三丝显m 。 复合材料自动铺放C A D C A M 软件技术 C A D C A MS o f t w a r eT e c h n o l o g yf o rC o m p o s i t e sA u t o m a t e dP l a c e m e n t 南京航空航天大学还太军肖军李勇 南京航空肮 村# # ； 木学院博士H 女￥M * 台材# 自自* 威# # $ m 女 寰论i 缸蕾鹱# # f H4 目# 科拄进步一肆# I ( 2 0 0 9 4 ) 自动铺放C A D C A M 技术概述 复合材料构件手 成型时根曲 铺放形面特征和预浸带宽度经辨敲 后通过手工铺叠到横具表面完成复 合材料构件的成型制造，其生产效牢 低、废料率高、产品质量也难以保证。 自动铺放技术( 包括自动铺带技术和 自动铺丝技术) 利用专用铺放i 殳备 采用数控技术实现了铺叠的自动化 4 2 舡窀鞠盎拄术2 0 1 0 年苹1 7 期 自动铺放C A D C A M 软件根据材料铺放工艺特性和 构件外形特征，按照构件结构设计要求，依照铺放设备机 器结构和工作模式，生成可供专用铺放设备实现复合材 料构件成型制造的N C 加工代码。在满足设计要求的基 础上。自动铺放C A D C A M 技术尽可能提高了铺放效率。 保证了铺放质量，节约了材料降低了制造成本。 和顶浸带剪裁的自动化，突破了大型 复合材料构件手T 成型难以兜服的 瓶颈，具有高效高质、高精度和高可 靠性的优点，已广泛应用于大型E 机运载火箭等各类航空航天飞行器 中多种结构部件的制造，成为发达 同家航空航天工业领域中大型复合 材料构件的典型制造工艺( 如图I 所 不】。 I 动铺放技术包括材料工艺技 术、装备技术和C A D C A M 软件技术 C A D C A M 技术主要指软件相关群 法的研究和软件开发技术，包括轨迹 规划技术、覆盖性分析技术、边界处 理技术和后处理技术等4 项荚踺技 术。与传统机械加工不同自动铺放 t j 秉月m * # $ M 请B “ 7 n i( b * 月n 自# $ m B 7 8 7 目n g 1 自动铺m 拄 # m l m 的月 鬟爹 万方数据 蛐删叫删小。圳们m ；复合材料自动化嗣造拄术 | 黧C A D 滋C A M 篡熏黪 术传统的 软件主要利用算法求解所形成严。葛酋I 豇Z j I i 矗l 、三孽巧i 簖 P 算机图形技术进行产品设计生成的铺艘轨迹井不X V 鼍曩yj K 氐、) 文g 町供数控系统执行的刀具加工运动一定能保证铺放* 、b ，一7 、4 峄S ， 黼CC A D C A 燃| I 鬻膨 放设备实现复合材料构件成型糊造 降低制造精座，影响构件性能 ，V 捌礴焉穗鬈猫t 矿，一一i 的N 加T 代码。在满足设计要求 经济性要求：在满足上述要求 。，忉蟹狮昭菊鼬蔓7 的基础上自动铺放 M 拄术的基础上尽可能节约材料、降低成 ? 埘弼鼢城嘲爱萝、。 珲可能提高了铺放效率保证了铺放 本提高效率? 根据铺放轨迹并按照值睨槲甥f a 蟹，+ j ，i 质量，节约丫材料，降低r 制造成本。铺放构件曲面边界特性进行预浸带 。崩隧叠颤缁；搿，- ， 根据自动铺放技术的丁作模式和技边界形状规划，生成预浸带切割与预，埘强S 礤钟1 2 妒，7 ， i 2 0 1 0 邙第1 7 期靛空翻造拄术4 3 万方数据 ：i i i i ；：! 垒量e 。s - u 目4 自自* * 十* * 日 际i 五k _ 一_ i i 圆 亨 一当型 隰蕊弭匦趋卜画 翌 f ：泸 镕0 臣壶口 目5 自动铺m c A 吣M 鞋件t $ 目 成的N C 代码利用计算机三维图形 技术对整个加工过程进行仿真，供使 用者对所生产N c 代码进行最终效 验。 自动错放C A D I C A M 较件技术的发展 西方发达国家经过几十年的研 究，特别是随着专业软件开发商的加 已经开发丁多套商用自动铺被 C A D ，c A M 软件井形成了完备的复合 材料设计制造解决方案。1 9 8 7 年，美 国的H WL e w i s 等首次提出了“矗然 4 4 航4 捌遗技术2 0 1 8 年第1 7 埘 路径”( N 虮哪IP a t b ) 的 概念以保证预浸带在自 动铺放过程中变形最小， 建立了通过将聊r 平面 中获得的初始点和由铺 放角度计算得到的初始 方向投影到曲面再利用 多次投影进行近似求解 “自然路径”的轨迹规划 算法。在该专利的基础 上，美国C i n c i n n a t i 公司 于1 9 8 9 年开发了A C E S E n v i m n m e mS o f t w a m ) 离 线编程与仿真软件系统 A C E S 系统将“自然路 径”算法应用于自动铺 鲢轨迹规埘形成了用于 自动铺带的A C R A P A T H 模块和用于自动铺丝的 A C R A P L A C E 模块具 有C A T I AV 5 模型数据 的导 、轨迹规埘、后置 处理、加工仿真和N c 代 码生成等功能并成功应 用于长度为4 , 2 1 m 的美 周V - 2 2 “鹗”式军用飞 机后机身复合材料结构 件的制造通过轨迹优化 减少劳动力5 3 废料 率降低了9 0 。随后 日本的NS h i n n o 等于 1 9 9 1 年提出了利用四边形陶格化曲 面通过求解绐定初始点和初始方向 的测地线选代算法进行轨迹规划提 高r “自然路径”轨迹规划算法的精 度和效率。 此外针对自动铺丝技术的特 性美国的W a l d h a r t 等提出了根据相 邻铺层角度构造分段函数的方法求 得初始参考线再按初始参考线法线 方向投影作等距平移得到参考线族 进行自动铺丝轨迹规划的方法；H a l e 等在此基础上开展了以酽轨迹为基 础构造分段曲线再拟台得到初始参 薯线的研究【作，S h i r i n z a d e n 等摊 了利用特 i f _ 平面与铺放曲面的尘线 作为韧始参考线的方法。 日前+ 自动铺筵常见的轨迹规划 方法包括：根据初始参考线在| | 1 f 日J 进行等距平移法( P a r a l l e IP a t h 】、与某 一参弩轴线戚固定角度规划法( F i x e d F 】k rO r i e n t a t i o nP a l h ) 、针对同转体环 向铺放的等距螺旋法( 基于缠绕技术】 和给定点纤维方向进行轨迹规划( 萆 于变目崾铺放理论) 等4 种方法， 在上述算法的基础上专业软件 开发商结台自身软件产品与设薪制 造商联合开发了商用自动铺放C A D C A M 软件。如美国V I S T A G Y 公司的 F i h e r S I M 软件( 如罔6 所示) 提供r 多种复合材料设计制造解决方案其 中T a p eL 8 y i o g I n t e r f a c e 模块用于自动 铺带，F i l e rP l “* m e n tI n l e d 蚋模块川 于自动铺丝。该软件可读取C AJ I A 、 U G ，P r d E 等通用C A D C A M C A E 软 件文件中构件几何信息以及构件模 具面，层位置和边界信息等准确生 成满足铺层边界要求的平面展开图 样，根据设计要求自动生成N C 加工 代码文件还可以完成复合材料部件 的可静J 造性评估，精确横拟纤维的材 料特性，完成复合材科部件的分析、 设计和制造，将层合板的设计信息与 有限元分析软件和制造设备形成无 缝连接，可实现i 殳计制造过程一体 化，自动化，降低制造成本。 美国C G T e e h 公司在原有数控加 工仿真软件V E R I C U T 的基础上开发 了独立于C N C 机床环境的自动铺带 和自动铺丝的离线N C 编程及仿真 软件V C P V C 日v E R I C U T m p o s i t e P r o g r a m m i n ga n dS i m u l a t i o n l 软件 该软件可读取C A D 文件中的曲面 模型和铺层边界信息，生成铺放轨 迹整台单层轨迹，进行铺瑶顺序优 化。生成N c 代码同时提供了通用 C A D C A M 软件接口，能实现C A T I A ， U G 、M a s t e r C A M 等软件的嵌入运行。 A F F T K o e i r i t 公司即采用该软件用于 一誉 鎏 = 一r 。 嚣篷。 万方数据 竺竺：竺! 型竺! ! ! 竺! 坐! ! 竺e ! 量鱼塑塑鱼壁咝羹查 目6 女I t V I B T A G Y o 目R b e r S I M 较# # # $ 目 热塑性铺带系统的开发。 2 0 0 4 年，空中客车公司( A I R B U S ) 与法阑纯粹和应州数学中心 ：C I M P A ) 以航空航天领域广泛采 用的C A I T AV 5 软件为平台，基于 C A T I A C A AV 5 技术联合开发了自 动铺带C A D C A M 的T a p e L a y 敦件。 该软件可直接集成到C A I T AV 5 系 列软件中包括自动铺带C A D 部分 的T a p eD e n e r a t i n 模块和C A M 部 分的T a p eM a n u f a c t u r i n g 模块。T a p e G e n e r a t i o n 模块直接获取C A T I AC P D ( C p o s i tD e s i g n ) 模块的铺层没计 数据，完成铺层展开，轨迹规划、带形 切割设计、宴时= 维仿真等步骤；T a p e M f a c 【u r i ，g 模块则主要针对法周 F 0 r e s tL i n e 公司的一步法铺带机、两 步法铺带机和双工位铺带机生成相 应的加工N D 代码。该软件已成功应 用于法国R a f a l e 战斗机机翼蒙皮的 制造西班牙M T 0 珊s 公司也采用了 该软件用于自动铺放醴备的开发，美 同I n g e r s o l l 公司则开发了同样基于 C A T I A C A A V 5 技术的自动铺丝C A D c A M 软件I c P s 【l n g e m o HC o m p o s i t e P 珈胛r n 咄s y s I ) 软件。 国内自动铺放C A D C A M 赣件技术的研究现状 由于相关技术封锁，加之缺乏相 应的工艺技术和装备条件，国内目前 尚未掘有商用的自动铺放C A D C A M 软件，相关技术仍处于积极搽索研究 之中。目前报道可见的自动铺放 C A D C A M 技术研究主要集中在轨迹 规划和加工仿真的基础理论对于自 动铺放C A D D A M 技术后续模块功能 及整体堙计的研究鲜有报道。 南京航空航天大学 关键点构造控制母线后通过插值法 从平面、可展曲面简单复 合材料构件的自动铺带 人手，积极开展自动铺放 研究工作。如胡翠玲等 通过微分几何原理证明 了可展曲面上“自然路 径”与测地线的等价性；臧建峰等在 此基础上研究丁平面、简单可展曲面 ( 如圆柱、圆锥面) 的自动铺带问题， 研究分析j - 自动铺带工艺过程并基 于A u t o C A D 通用C A D 平台完成了 自动铺带C A D C A M 软件开发的探 索工作：槊涛等开展了开孔圆柱两 步法自动铺带轨迹规划和仿真的探 索 作王升等针对自动铺带“自然 路径”规划算法数学模型和近似讣 算误差分析等问题中提出了基于测 地坐标系的“自然路径”轨迹规划打 法并利用龙格一库塔法数值求解“自 然路径”轨迹规划算法中两点间的 谢地线问题；罗海燕等受四边形网 格化隶解“自然路径”的启发，利用 S T L 文件对自由曲面进行蔓角网格 划分，并平移轨迹中心线形成参考线 的方法处理“奇异点”同题。 目前，自动铺丝技术的研究主要 集中在根据初始参考线在曲面上做 等距平移进行轨迹规划和与某一参 考轴线成固定角度进行轨迹规划。 构造合适的初始参考线，建立适当的 曲面平移方法和求取合适的参考轴 线井构造曲面上与该参考轴线成同 定角度的迭代格式成为了国内研究 的热点。如李昔缘等提出由一组数 据点拟台样条曲线正交投影到铺放 曲面作为初始参考线的方法；党旭 丹等开展了基于穗地线的平行等距 规划算法的研究工作，提出利用溉地 线偏移初始参考线，概念明晰但计算 量甚大难“实际应用；林福建等探 索了利用三角面片进行曲面离散、按 与参考轴线成固定角度的方法进行 轨迹规划；王念东等研究了管状构 件的规划方法利用分片圆切法求得 求出所有控制母线作为参考轴线并 按与参考轴线成同定角度的方法生 成轨迹，并对可能出现的覆盖性分析 问题进行了讨论探索了覆盖性分析 算法；周簸等提出了基于芯模中心 轴线求得参考轴线，按与该参考轴线 成固定角度的封闭曲面轨迹规划算 法并利用等距