本文探討研究了飛機(jī)壁板上的復(fù)合材料數(shù)字化制造技術(shù)應(yīng)用相關(guān)內(nèi)容。

　　由于具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、重量輕等優(yōu)良的性能，先進(jìn)復(fù)合材料在航空器結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用已經(jīng)與鋁合金并駕齊驅(qū)，成為當(dāng)今材料技術(shù)發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域。航空復(fù)合材料性能水平及其在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用水平，已經(jīng)成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的一個(gè)重要標(biāo)志。但是復(fù)合材料設(shè)計(jì)/制造的復(fù)雜性和獨(dú)特性，使復(fù)合材料構(gòu)件的成本、性能受到一定的影響，大量復(fù)合材料的應(yīng)用更是對(duì)制造能力提出了巨大的挑戰(zhàn)。為迎接這一挑戰(zhàn)，構(gòu)建復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化設(shè)計(jì)/制造環(huán)境，實(shí)施復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化設(shè)計(jì)/制造技術(shù)，已成為國(guó)內(nèi)外航空企業(yè)的必然選擇。

　　工藝方案的探索與制定

　　某壁板長(zhǎng)4m，寬1.2m，鋪層為29層，材料為碳纖維單項(xiàng)帶材料。與以往零件不同，該壁板不但尺寸大，而且加強(qiáng)層多，占到所有鋪層的1/2，且每一層加強(qiáng)層的輪廓都不相同，還有7根長(zhǎng)度不等的長(zhǎng)桁，定位難度非常大。壁板鋪層如圖1所示。

　　壁板零件制造的傳統(tǒng)方法是工裝定位長(zhǎng)桁，鋪貼樣板定位加強(qiáng)層。但是經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)方法在該壁板零件的制造上不可行，不僅耗費(fèi)在定位上的時(shí)間長(zhǎng)，并且定位精度達(dá)不到設(shè)計(jì)圖紙的要求。而且每層加強(qiáng)層的形狀都不相同，如何準(zhǔn)確下料也是需要攻克的難題之一。

　　采取數(shù)字化生產(chǎn)能很好地解決零件精度的難題，應(yīng)用數(shù)控下料機(jī)精確下料，應(yīng)用激光定位鋪層系統(tǒng)進(jìn)行加強(qiáng)層和長(zhǎng)桁的定位，不但可以提高零件的質(zhì)量，還節(jié)約了昂貴的原材料，省去下料、定位樣板，節(jié)省了工裝成本，而且也大大減少工人操作的時(shí)間，提高了勞動(dòng)效率。該壁板是采用CATIA CPD軟件完成復(fù)合材料零件的工藝數(shù)模設(shè)計(jì)的，使用MAGSTIC軟件完成排料優(yōu)化及工藝數(shù)模信息與加工設(shè)備的接口輸出，生成數(shù)控下料及激光投影程序，并將數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)控下料機(jī)和激光定位鋪層系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn)。

　　建立分層數(shù)模

　　建立復(fù)材分層數(shù)模是第一階段，由于這一技術(shù)還未在國(guó)內(nèi)大規(guī)模推廣，設(shè)計(jì)下發(fā)的數(shù)模只有實(shí)體模型和一些加強(qiáng)層的定位線、輪廓線。要想走通這條數(shù)字化流程，就必須在設(shè)計(jì)實(shí)體模型的基礎(chǔ)上再次建立復(fù)材分層數(shù)模。作為工藝人員，不能改變?cè)O(shè)計(jì)者的意圖。所以在零件實(shí)體模型已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的情況下，只能在實(shí)體模型基礎(chǔ)上，結(jié)合圖紙，進(jìn)行逆向建立復(fù)材工藝模型。因此，在建立模型時(shí)就不能基于區(qū)域設(shè)計(jì)，而必須逐層做出每一層鋪層的輪廓線，再進(jìn)行手動(dòng)鋪層，完成數(shù)模的建立工作。

　　設(shè)計(jì)數(shù)模轉(zhuǎn)制造數(shù)模

　　在分層數(shù)模建立好之后，下一步是進(jìn)行工藝性修改，包括加放工藝余量，在鋪不平、展不開(kāi)的地方開(kāi)剪口，對(duì)超過(guò)材料幅寬的料片進(jìn)行切片以及可制造分析和料片展開(kāi)。對(duì)于該壁板零件來(lái)說(shuō)，由于其尺寸大，就必須將每一層都分割成材料幅寬范圍內(nèi)的小的切片。

　　制造信息輸出

　　由CATIA CPD軟件設(shè)計(jì)完成的復(fù)合材料數(shù)據(jù)需通過(guò)接口導(dǎo)入自動(dòng)下料機(jī)和激光定位鋪層系統(tǒng)，用于下料和鋪層定位，數(shù)據(jù)接口是連接設(shè)計(jì)數(shù)模與制造設(shè)備的關(guān)鍵。MAGESTIC公司針對(duì)此項(xiàng)需要開(kāi)發(fā)了Trunest和TruLaser/view第三方軟件，Trunest軟件分為2部分，一部分為集成在CATIA內(nèi)的，主要是將展開(kāi)的料片外形導(dǎo)出為排料軟件可識(shí)別的文件，另一部分為排料軟件，進(jìn)行復(fù)合材料料片的排料優(yōu)化。TruLaser/view集成在CATIA環(huán)境內(nèi)，主要用于將工藝數(shù)模設(shè)計(jì)完成后的三維數(shù)據(jù)生成為激光投影定位鋪層系統(tǒng)進(jìn)行激光投影儀投影時(shí)的程序。圖2~3是制造信息輸出時(shí)軟件的截圖。

　　TRUNEST 軟件的應(yīng)用

　　排料優(yōu)化有2種方式：一是手工方式，二是采用MAGESTIC軟件。手工優(yōu)化方式：從CATIA下導(dǎo)出每一層料片的文件，再用AUTOCAD軟件把每一層料片排在一張下料圖上，此時(shí)需要為每一個(gè)鋪層手工加上編號(hào)，之后導(dǎo)入數(shù)控下料機(jī)下料。這種方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，材料的利用率也不是最高，還容易出錯(cuò)。采用MAGSTIC軟件方式需要先將所有鋪層的信息從CATIA下導(dǎo)出，導(dǎo)入MAGESTIC排料軟件，需要預(yù)先設(shè)定好材料幅寬、材料屬性，點(diǎn)擊軟件進(jìn)行排料，就可以完成所有鋪層的排料。排出的材料利用率比手工排料要高，節(jié)約了昂貴的材料，每一層都自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的鋪層編號(hào)，節(jié)省了工藝人員的時(shí)間。

　　TruLaser軟件的應(yīng)用

　　完成復(fù)合材料零件的制造數(shù)模設(shè)計(jì)后，將激光投影定位設(shè)備需要的文件通過(guò)數(shù)據(jù)接口傳遞到激光投影定位儀中，傳遞數(shù)據(jù)有手工方式和采用第三方軟件2種方式。

　　手工方式是從CATIA下導(dǎo)出每一層料片的數(shù)據(jù)，依靠手工編輯得到的投影文件，雖然經(jīng)過(guò)了生產(chǎn)驗(yàn)證，但存在的問(wèn)題有手工編輯非常復(fù)雜，準(zhǔn)確性很差，耗時(shí)非常長(zhǎng)，一個(gè)零件投影程序的編制所用時(shí)間平均為10h以上，而且每做一次試驗(yàn)就需要重新再編輯一次。

　　采用MAGESTIC軟件，投影文件可以直接由TruLaser生成，傳遞到激光投影定位鋪層系統(tǒng)中，按零件的鋪層和復(fù)雜程度所用的時(shí)間有所不同，但是平均1h 就能出完程序，并且正確率高。

　　數(shù)控下料機(jī)的應(yīng)用

　　材料優(yōu)化排料后就要進(jìn)行數(shù)控下料，使用的設(shè)備為履帶式下料機(jī)，它可以識(shí)別dxf文件和g-code文件。dxf文件可由排料軟件直接生成，它是一種圖形文件，工藝人員可以方便地檢查零件料片的形狀和編號(hào)，在切割時(shí)可方便挑選料片進(jìn)行補(bǔ)切，若有未完成的任務(wù)，也可方便找出斷點(diǎn)繼續(xù)下料。而g-code文件是由數(shù)字點(diǎn)位組成，沒(méi)有這些功能。因此我們采用dxf文件進(jìn)行下料。

　　零件材料是通過(guò)真空吸附的方式固定在下料機(jī)臺(tái)面上的，下料機(jī)臺(tái)面寬度為1800mm，上面布滿了真空抽氣用的小孔，通過(guò)真空吸附使材料緊緊地吸附在平臺(tái)上，啟動(dòng)裁割程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)下料。

　　激光投影鋪層系統(tǒng)的應(yīng)用

　　采用激光投影定位技術(shù)鋪層時(shí)，需要工裝文件、料片數(shù)據(jù)文件以及系統(tǒng)配置文件3個(gè)文件，料片數(shù)據(jù)文件即為上面所做的工藝數(shù)模設(shè)計(jì)最后導(dǎo)出的數(shù)據(jù)文件，工裝數(shù)據(jù)文件是指工裝的三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件，該數(shù)據(jù)由測(cè)量機(jī)測(cè)量后導(dǎo)入激光投影定位儀中，系統(tǒng)配置文件為激光投影定位儀自身生成的文件，具備3個(gè)文件后就可以進(jìn)行實(shí)際鋪層了。激光投影定位儀系統(tǒng)由一臺(tái)控制計(jì)算機(jī)、若干個(gè)激光頭和一系列的工裝定位頭(光敏元件)組成。使用該系統(tǒng)時(shí)，首先將鋪放工裝固定在激光頭下面，將工裝定位頭固定在工裝的定位點(diǎn)上，作為建立工裝三維空間準(zhǔn)確位置的參考點(diǎn)，投影系統(tǒng)通過(guò)用光線掃描工裝表面的定位點(diǎn)進(jìn)行自校準(zhǔn)。工裝定位點(diǎn)通常要包含工裝上的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，其他點(diǎn)沿著工裝的邊緣均勻選取。控制計(jì)算機(jī)根據(jù)基于構(gòu)件的CAD三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)生成的激光投影文件，通過(guò)特殊反光鏡，控制激光束將構(gòu)件鋪層形狀輪廓線上的點(diǎn)依次投影到模具表面，由于點(diǎn)投影的更迭移動(dòng)速度極快(每秒300m以上)，在操作者眼中，模具或零件表面會(huì)生成相應(yīng)的邊界輪廓線，操作者可根據(jù)該輪廓線進(jìn)行有關(guān)的定位操作(如定位鋪疊等)，從而免除傳統(tǒng)的鋪疊樣板。在進(jìn)行激光投影定位鋪層時(shí)，注意以下幾點(diǎn)：

　　(1)工裝數(shù)據(jù)。

　　工裝表面的定位頭數(shù)據(jù)必需測(cè)量準(zhǔn)確才能得到好的校準(zhǔn)結(jié)果。任何料片數(shù)據(jù)與工裝數(shù)據(jù)之間的誤差都會(huì)造成投影的不精確。料片數(shù)據(jù)和它的工裝是對(duì)應(yīng)的。企圖將一個(gè)工裝的料片數(shù)據(jù)投影到另一個(gè)工裝上，將不會(huì)生成有用的圖像。

　　(2)定位頭。

　　定位頭是放置在工裝上已知位置的，它是帶有逆向反光材料的圓柱形零件，可將激光反射回激光頭，這樣，系統(tǒng)就能檢測(cè)到定位頭位置。激光系統(tǒng)在一定區(qū)域掃描定位頭，這樣在校核工裝過(guò)程中，操作員不需要精確定位激光的投射位置。激光找到定位頭的位置后，系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)利用定位頭的位置，計(jì)算出工裝的空間位置。

　　(3)劃分投影區(qū)。

　　當(dāng)用多個(gè)激光頭進(jìn)行投影時(shí)，激光頭可在2種模式下工作。一種是重疊模式，激光頭將投影它所能投射到的所有區(qū)域。另一種是分區(qū)模式，激光頭僅投影預(yù)先定義的區(qū)域。這個(gè)預(yù)先定義的區(qū)域叫做“ 剪裁區(qū)”。剪裁區(qū)可以人工定義，但如果料片文件包含法向量數(shù)據(jù)信息，投影系統(tǒng)可以自動(dòng)生成剪裁區(qū)。采用分區(qū)模式進(jìn)行投影的好處在于可以增加激光亮度和減小閃爍。TruLaser軟件生成的程序已經(jīng)包含數(shù)據(jù)的法相量，再進(jìn)行投影時(shí)不需要再進(jìn)行額外的設(shè)置。

　　長(zhǎng)桁定位

　　傳統(tǒng)的長(zhǎng)桁定位方法，是利用工裝上的定位線，依照?qǐng)D紙尺寸，用量具量出位置，再進(jìn)行鋪貼。這種定位方法需要依次量取每一根長(zhǎng)桁的位置，不僅耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，而且中間出現(xiàn)誤差的地方很多，很容易出現(xiàn)按照測(cè)量的距離鋪貼完成后，組合工裝時(shí)出現(xiàn)干涉。采取激光投影定位的方法可大大提高定位的準(zhǔn)確度，提升產(chǎn)品質(zhì)量，而且也可減少工人反復(fù)測(cè)量和挪動(dòng)工裝的時(shí)間，提高勞動(dòng)效率。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　復(fù)合材料零件的數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，解決了高精度壁板零件在生產(chǎn)中的技術(shù)難題，提高了下料和定位精度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率;節(jié)約了下料、定位樣板，降低了工裝成本;通過(guò)排料優(yōu)化技術(shù)，提高了材料的利用率，從而降低了生產(chǎn)成本。該技術(shù)有效地推進(jìn)了復(fù)合材料零件制造技術(shù)的迅速發(fā)展，并已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外各種飛機(jī)的復(fù)合材料構(gòu)件，使國(guó)內(nèi)的復(fù)合材料制造技術(shù)與國(guó)際接軌。