自動鋪絲技術(shù)（AFP）以其鋪放靈活性和更低的廢料率拓寬了復合材料的應用范圍，實現(xiàn)了復合材料結(jié)構(gòu)的“低成本、高性能”制造。近年來，用于制造大型復雜復合材料構(gòu)件的自動鋪絲技術(shù)獲得了快速發(fā)展并得以工業(yè)化應用，其裝備形式也呈多樣化發(fā)展。基于機器人平臺的自動鋪絲技術(shù)以其高效鋪放復雜構(gòu)件的優(yōu)勢，受到了航空制造領(lǐng)域的高度關(guān)注。
第一臺國產(chǎn)商用自動鋪絲機
應用背景
復合材料在航空工業(yè)中用量的大幅提升離不開自動化制造技術(shù)的強力支撐，如纖維纏繞、自動鋪帶、自動鋪絲等技術(shù)。其中，自動鋪絲技術(shù)以其實時性與可控性的優(yōu)勢，逐漸成為大型復合材料復雜部件的典型制造技術(shù)。典型的自動鋪絲設(shè)備主要由機床主體、紗架系統(tǒng)、鋪絲頭三部分組成，根據(jù)機床主體的不同可分為立式、臥式和龍門式。
龍門式自動鋪絲機
但受裝載鋪絲頭的運動平臺限制，對于不規(guī)則曲面類構(gòu)件，機床型鋪設(shè)設(shè)備往往無法滿足軌跡、姿態(tài)調(diào)整與參數(shù)控制等方面的要求。此外，機床型鋪絲裝備體積大，面對小型、小批量部件鋪設(shè)需求時運行成本較高。相比之下，工業(yè)機器人手臂能夠提高鋪絲頭在可控空間范圍內(nèi)的姿態(tài)調(diào)整能力，增加了鋪放過程中的柔性，可以滿足回轉(zhuǎn)部件的鋪絲成型，提高鋪放生產(chǎn)效率，降低設(shè)備運行成本。各工業(yè)科技公司的自動鋪絲機器人產(chǎn)品銷量不斷增加，基于工業(yè)機器人平臺的自動鋪絲裝備在機翼、機身、整流罩等復合材料構(gòu)件的鋪設(shè)上已得到成功應用。
自動鋪絲技術(shù)是航空航天大型復合材料構(gòu)件高質(zhì)量成型制造的關(guān)鍵技術(shù)。長期以來，這項技術(shù)主要由美國、法國、西班牙等少數(shù)國家壟斷，國內(nèi)類似的研究起步較晚，目前還沒有與國外技術(shù)水平同等且成熟的國產(chǎn)自動鋪絲裝備在實際生產(chǎn)中得到工程化應用的案例。此外，國內(nèi)航空航天領(lǐng)域復合材料仍以手工鋪放為主，而國外一直對中國采取“技術(shù)封鎖”和設(shè)備禁運。因此，國內(nèi)一系列航空航天復合材料構(gòu)件的生產(chǎn)一直受制于人，無法滿足現(xiàn)實需求，也難以形成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。
正是在這種背景下，一直關(guān)注科技前沿動態(tài)的段玉剛教授團隊，把握航空航天市場需求，敏銳地抓住這一課題，從2005年就開始了自動鋪絲設(shè)備工藝及配套軟件的研制工作，現(xiàn)已成為國內(nèi)從事復合材料自動鋪絲技術(shù)研究最早的團隊之一，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)近50項。該團隊于2017年推出第一臺國產(chǎn)商用自動鋪絲機，目前已成功研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的機器人式自動鋪絲機、龍門機床式自動鋪絲機／鋪帶機、鋪纏一體機等系列產(chǎn)品及配套的軟件系統(tǒng)。不僅如此，團隊研發(fā)生產(chǎn)的自動鋪絲裝備也已迭代至第6代，有10余臺處于工程化應用階段，技術(shù)成熟度為國內(nèi)最高，且生產(chǎn)的裝備故障率低，同時配備自有軟件，能兼容進口和國內(nèi)主流廠家材料，競爭優(yōu)勢突出。
復材機器人式自動鋪絲機
