复合材料构件自动铺带数控编程系统研究

       复材构件手工成型时，预浸带经剪裁后手工铺叠、压实到模具表面。随着复材构件在现代大型飞机上广泛应用，人工铺放工艺已难以满足实际需要，急需自动铺带技术来提高生产效率，改善制造过程的可控制性，降低成本以及提高产品质量。

自动铺带技术利用数控技术实现预浸带剪裁、定位、铺叠的自动化。与手工相比，自动铺带技术可降低制造成本30%~50%，主要适用于各种大尺寸、小曲率部件的制造。与传统的数控加工不同，自动铺带技术属于典型的增料制造技术，由装备技术、软件技术和工艺技术构成，国外均已形成相关的工业产品。在自动铺带CAD/CAM软件方面， 西方发达国家经过几十年的研究，已经开发了多套商用自动铺放CAD/CAM软件，并形成了完备的复合材料设计制造解决方案。其中，Tapelay软件应用比较成熟，Tapelay软件是由空中客车公司（AIRBUS）与法国应用数学中心（CIMPA）以航空航天领域广泛采用的CATIA V5软件为平台，基于CATIA CAA V5技术联合开发的自动铺带CAD/CAM软件。该软件可直接集成到CATIA V5系列软件中，包括自动铺带CAD部分的Tape Generation 模块和CAM部分的Tape Manufacturing模块。Tape Manufacturing模块则能针对部分一步法铺带机与两步法铺带机生成相应的加工 NC 代码[1]。目前，国内报道可见的自动铺带CAD/CAM 技术研究主要集中在轨迹规划和加工仿真的基础理论方面。

CATIA/CAA二次开发

自动铺带数控编程系统采用组件应用架构（Component Application Architecture，CAA） C++二次开发实现。Automation API（自动化应用接口）与CAA C++是CATIA二次开发常用的两种方法，Automation API入门容易，但功能限制大，CAA C++入门困难，但提供的接口全面，开发的程序效率高，能够满足用户深层次专业化的要求。 
CAA C++是基于组件的定制开发，是对其组件对象的组合和扩展，采用了组件对象模型（COM）技术。CAA C++这种组件式的解决方案采用的开放式、可扩展的模块化开发架构，使得全球诸多软件开发商可以参与达索系统（Dassault Systemes） 产品的研发。CAA C++ 在具有更大的复杂度和难度的同时它也能够实现更强大的功能。CAA的实现，是通过提供的快速应用开发环境RADE（Rapid Application Development Environment）和不同的API接口程序来完成的。

自动铺带规划与编程软件概述

自动铺带规划与编程软件的主要功能模块包括铺带规划、铺带编程、后置处理 3 部分[2]。

铺带规划是自动铺带支撑软件的CAD部分，是自动铺带软件中基础数据的准备。在铺层中确定每条铺带位置（即铺带中心线所处位置）、轮廓边界，以及铺带展平数据，并能够适当调整铺带位置、宽度，以提高铺放效率和质量。

铺带编程模块是自动铺带支撑软件的CAM部分，是本文的研究范畴，主要实现铺带铺放过程数据文件的输出，文件输出格式为APT。这种文件可读性强，容易及时发现问题。

 后置处理工具通过对铺带编程中输出APT 文件进行处理，输出铺带设备铺放、切割、检测所需NC文件与其他数据文件。

自动铺带数控编程系统实现

铺带规划完成之后进行自动铺带的数控编程。自动铺带的数控编程设置工艺参数，生成铺带编程模型，然后进行轨迹计算并输出APT 文件。自动铺带数控编程系统结构如图1所示，包括机床加工模式定义、加工操作创建、铺放操作加工轨迹计算、超声切割操作加工轨迹计算、激光检测操作加工轨迹计算与加工轨迹保存与仿真。

 

1  机床加工模式定义

    机床加工模式定义一些基本信息，包括选择机床与加工坐标系等。机床有4种加工方式，分别为A工序、B工序、超声切割与激光检测。由这4种加工方式组合成6种不同的机床加工模式。机床的这6种加工模式中可包括A工序、B工序（可选项，有可能不包括）、超声切割与激光检测。A工序的加工模式根据带宽（300mm，150mm）的不同有两种，A工序、B工序都包含的加工模式，根据A工序的带宽（300mm，150mm）与B工序带宽（150mm，75mm）组合成4种。A工序、B工序中设置的参数包括压棍的直径与长度、压辊力、进给速度、进/退刀高度等信息。超声切割中设置调整点速度、进刀速度与切割速度。激光检测中设置进给速度。在零件操作（Part Operation）中设置加工坐标系。