最新自动铺丝机AFP调研报告——复合材料自动铺丝机的结构和工作原理综述

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釆用复材整体构件，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美国ElectroImpact公司开发了一种新概念的模块化铺丝头（ModularFiberHeadPlacement），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½”和¼”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，每台机床大约是64’x21’x14’(19.5mx6.4mx4.3m)，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¼和½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2000IPM，在倾斜复杂的表面上。所有的接头处可以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。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。1.2.2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，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ElectroimpactAFP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)，并消除人工误差。1.3技术特点1.3.1Electroimpact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1/8AFP，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）。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头或超声波探测器1.3.4AFP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VIPER1200，被用于V-22Osprey军用飞机4.21m长的复材後机身结构件的制造。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机床公司先後开发了AFP系列产VIPER1200/3000/4000/6000设备。使用中型AFP机床VIPER3000，能够铺放生产大型商用飞机A380的CFRP复材尾锥构件。CincinnatiVIPER6000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。该系统铺丝头可以输送4~16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