1、高端自动铺带机/ 铺丝机(ATL/AFP)的最新发展 作者：北京航空制造工程研究所 林胜 来源：雅式工业专网 http:/ 高端自动铺带机/ 自动铺丝机 （ATL/AFP ） 已成为现代大型飞机制造的关键设备。 最近几年在 其得到持续 快速发展与 更广泛工业 应用的过程 中，涌现出 新的技术概 念，一批新 型ATL/AFP 机床 得以面世。本文将聚焦高端ATL/AFP 机床的最新发展趋势。 自动铺带机/ 自动铺丝机ATL/AFP的发展 具有高强度 低密度特性 的 复合材料 （Composites，下文简称 复材）取代 传统铝合金 材在现代 大型飞机结构件设计制造中得到了广泛应用，并已渐成为现代
2、大型飞机的主结构用材。如波音 787“ 梦想” 大型客机和空客A350 XWB 宽体客机复材用材重量比都已超过了 50% 。 这种趋势仍在 持续发展， 据 预测到 2015-2020 年将达 70%-80% 。 一 些具有创新性的全复材或准全复材机身构件 的无人机、直升机和商务机已研制成功，釆用复材作为主结构件的飞机时代已经来临。 在现代大型 飞机批量生 产中，用於 复材整体构 件制造的自 动铺带机ATL/ 自动铺丝机AFP 则成 为关键设备。20 世纪 90 年代末本 世纪初（2001 年）前， 基本上仅有美国Cincinnati 机床公司和 Ingersoll 公司 能向 航空飞机制造业提
3、供大型ATL/AFP 机床， 美 国ADC （Automated Dynamics Corp. ） 公司能够提供AFP 机床。 最近 10 多年 来， 航空飞机制造业对自动化复材构件制造技术的迫切需求 推动了ATL/AFP 机床 得到 长足发展和 更广泛工业 应用。但是 和金切数控 机床相比， 能向航空飞 机 制造业提供ATL/AFP 机床的制造商仍然极为有限。 最近 35 年 ， 一些复材构件铺放设备制造商推出了一些具有创新性的ATL/AFP 机床， 提出了 一些新 技术 概念， 推动 着ATL/AFP机床持 续发 展与进 步。ATL/AFP 机床 这种发 展新 趋势在 技术 层 面上看，
4、主要表现为： 高速/ 高生产率铺放机床； 多铺放头集成复合铺放机床； 热塑性纤维铺放 机 床；商用机器人平台铺放机床；ATL-AFP 混合铺 放机床；多机铺放生产环境。 目前， 对 AT L / A F P 机床技术发展最主要的目标是提高铺放生产率和降低设备费用， 且主要呈 现在两个不同发展方向以适应两种不同复材构件铺放应用领域需求： （1 ）用於航 空飞机制造业的大型复杂复材整体构件铺放的高端 ATL/AFP 机床，进一 步向大 型化、高速化、自动化和集成复合化方向发展，以提供高生产率、高自动化、高性能和宽铺放应 用范围的 ATL/AFP 机床。本文将对此做详细介绍与讨论。 （2 ）面向具体
5、应用的中 小型复材整 体构件铺放 机床朝着模 块化、自动 化、恰好规 模和柔性 化方向发展， 以提供高生产率、 高自动化、 低费用和有限铺放应用范围的 ATL/AFP 机床。 有关这 种低费用适应型 ATL/AFP 机床本文不作讨论。 高端ATL/AFP 机床趋向大型化与高效化 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已是明显发展趋势， 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。 为适应航空飞机制造业这种实际发展需求， 诸如 Cincinnati 、Ingersoll
6、和 Forest-line 公司等一 些大型数控机床制造商借助其在大型数控机床结构设计技术的优势， 最近几年都纷纷推出其配有 高铺放进给率铺放头的新一代大型高端 （High level ） AT L / A F P 机床， 其结构尺寸越来越趋向大型 化。 美国 MAG Cincinnati 机床 公司的 CHARGER 系列 AT L 机床和 Viper1200/3000/4000/6000 系列 AFP 机床发 展历程可作为这种趋向大型化发展的典型实例。 图 1 为 MAG Cincinnati 公司 和 MTorres 公司两款高端大型 AT L 机床；图 2 左为 Hawker Beec
7、hcraft（ 豪客比奇）公司应用 Cincinnati 公司 Viper AFP 机 床铺放制造豪客 4000 超 中型级别公务机复材机身整体构件情况，机身最大直径已超 过 2m 。 据报 道， 目前豪客 4000 公 务机 的订单已超过了 100 架。 MAG Cincinnati 公司最新 Viper 6000 AFP 机床铺 放复材整体筒形构件直径可达 6.3m ，驱动心模重量达 86.3t 。 图 1 大型高 端 AT L 机床 图 2 MAG Viper 大型 AFP 机床 法国 Forest-line 公司和西 班牙 MTorres 公司新近推出的 AFP 机 床可作为高端 AF
8、P 机床 大型化 的另一典型实例。 图 3 左为法 国 Forest-line 公司 2007 年 推出的高端大型 AFP 机床 FPH A TLAS ， 主要用於大型 飞机机身段复材构件和类似零件铺放制造，并可适应半径达 1m 以上 的内曲面（凹模）构件的铺 放加工。据称其特别设计的紧奏型热固性铺丝头，维护方便，使用 6.35mm 束宽 32 束或 12.7mm 束宽 24 束纤 维束料， 允许最短铺放纤维长度仅 80mm ， 铺放进 给速度达 60m/min （直线 电机驱动） 。 图 3 右为西班 牙 MTorres 公 司新推出的高端大型 AFP 机床 TORRESFIBERLAYUP
9、 ， 用於 A350 XWB 机翼前/ 後梁和 15 段机身 复材整体构件制造， 紧奏 型热固性铺丝头可配置使用 3.2mm 、 6.35mm 或12.7mm 束宽 32 束纤维束 料， 铺放速度达 60 m/min ， 最高铺放生产率可达 45-50kg/hr 。Forest-line 公司和 MTorres 公司这两 款高端大型 AFP 机床总 体结构都可根据实际需求， 或者说根据复材零件 结构需要而设计为立柱移动式的，并可带或不带卧式转台驱动结构，或者设计为龙门横梁移动式 结构。 图 3 用於大 型飞机复材构件铺放加工的 AFP 机床 目前， 用於航空飞机复材构件制造领域的高端 ATL/
10、AFP 机床发展除其趋向更加大型化外， 并 出现如下若乾发展新趋势： （1 ）大型 AT L 机床多趋於釆用低轨龙门移动结构设计，以取得更佳开放性，多设计有可选 择配置不同规格（宽带或窄带）的铺带头，以实现铺放构件复杂度与生产率两者得以兼顾； （2）大 型 AFP 机床多设计配置有紧奏型热固性铺丝头， 通过可选择的“ 窄带多束” 或“ 宽带少 束” 铺丝头配置以满足不同用户需求，实现铺放生产率与制造构件复杂度两者得以兼顾； （3 ）大型 ATL/AFP 机床进给高速化（5060m/min ） ，以取得 高铺放生产率（2550kg/hr ） ； （4 ）大型 AFP 机床多数设计有专用纤维束经轴
11、架辅助装置； 大型 ATL/AFP 铺放机床的总体结构设计， 通常是考虑到被铺放零件的实际结构类型和尺寸大 小，一般为高专用性设备，尽管它仍具有一定宽的应用范围； 现代数控机床的多主轴加工、加工单元以及复合加工等技术概念被扩展应用到 ATL/AFP 机床上， 以实现进一步提高其铺放生产率。 在风力发电设备制造领域，用复合材料制造的大型风力发电设备螺旋桨叶片的巿场需求急速增 长，且随着 发电功率的 增大，所需 的风机桨叶 尺寸也越来 越大，其长 度可达 3050m 。人们对 大 型螺旋桨叶 复材整体构 件的铺放制 造需求也是 促进 ATL/AFP 铺放设备 趋於大型化 发展的另一 个 推动力。图
12、 4 所示为美国 Entec 公 司制造的用於大型风力发电设备螺旋桨叶复材构件铺放加工的 低轨龙门结构复材铺放机床和用户化定制的专用复材铺放机床。 图 4 Entec 公 司大型 AFP 机床 集成复合化ATL/AFP 机床成为新趋势 ATL/AFP 机床高铺放生产率对实现复材构件批量生产和提高用户投资回报率（ROI ）是至关 重要的。 对一个具体 ATL/AFP 铺放机 床而言， 通常很难对所有复材构件的制造中使高铺放生产率与制造复材构件复杂度两者得到兼顾，导致用户往往需要购置不同规格铺放头的 ATL/AFP 机床。 对用户而言，这不仅意味着要增加很大设备费用的负担，而且还意味着要消耗更多的
13、能源、占用 更多的车间场地和维护费用。 实际上，ATL/AFP 机床的铺放制造能力在很大程度上取决於其铺放头的功能与性能， 如何在 提高 ATL/AFP 机床铺放 生产率同时 又扩展制造 复材构件适 用范围则是 航空飞机制 造业所迫切 希 望的。为此，复材构件铺放设备制造商将现代数控机床的多主轴加工、加工单元以及复合加工等 技术概念扩展应用到 ATL/AFP 机床上， 通过集成复合化铺放工艺技术以进一步提高复材构件铺放 生产率，并已成为大型 ATL/AFP 机床发展一种新趋势。 1、多铺带头 ATL 机床 对 AT L 机床 ， 解决制造复材构件复杂度与铺放生产率兼顾的一种简单方法是： 将不同
14、规格的 铺带头集成在一起形成一种复合化铺带头，取代传统多台 AT L 机床，使一台 AT L 机床就能实现 多种带宽铺带工艺并可取得满意的高铺放生产率。FOREST-LINE 公司推出的双铺带头结构的 ATLAS 铺带机可作为这类机床一种典型实例。 该公司双铺带头 AT L 机 床， 同时配置了一个单工序铺带头和一个双工序铺带头， 前者可直接用於 铺放制造构件简单轮廓外形的区域，使用宽 300mm 带料， 後者则可用於铺放制造构件复杂轮廓 外形的区域，使用宽 150mm 带料，实 现了“ 双铺带 工艺” 的集成复合化，两个铺带头可交替工作， 见图 5 左半 所示。 图 5 复合化 铺带头 该
15、ATLAS 铺带机 XYZ 三轴驱动均釆用直线电机， X 轴行程可达 40m 、 Y 轴 （高架龙门内宽 ） 8m ，重 25t 龙门移动速度可达到 60m/min ，加速 度 1.5m/s2 ，宽 300mm 带 料卷盘盒容量可扩展到 800-900m ， 并具有高度复杂的切割功能以适应大型飞机复杂复材构件制造， 确保飞机结构满足设 计重量要求。 实际上， 这种双铺带头的 ATLAS 铺带机， 配合 FOREST-LINE 公司 ACCESS 机床( 用 於 150mm 带 料预先剪裁) 可快速实现大型复杂形状复材构件的快速层铺制造。和该公司单铺带头 的 AT L 机床 相比，用於大型机翼复
16、材构件的层铺制造可提高铺放生产率 24 倍。 日本三菱重工 （MHI）从 Forest-Line 公司购置 了 4 台双铺 带头 ATLAS 铺带机， 2 台 ACCESS 机床， 用於波音 787 客 机机翼上下翼面复材蒙皮壁板层铺制造， 壁板长 36.5m ，最 宽 处 6.5m ，为 双曲率复材整体构件。 日本富士重工 （FHI）也 从 Forest-Line 公司购置 了 1 台双铺 带头 ATLAS 铺 带机，1 台 ACCESS 机床，用於波音 787 客机复材 翼盒层铺制造。 北京航空制造工程研究所和法国 FOREST-LINE 公司合作正在研制这种“ 双铺带头” 的大型 AT
17、L 机 床，用於大型复材构件开发研究，目前已基本完成调试，即将投入实际使用。 西班牙 MTORRES 公司 则釆用 和上 述不同 的技 术途径 来实 现铺放 制造 零件复 杂度 与高铺 放 生产率两者 良好兼顾： 通过将传统 大型 AT L 机床单带结 构的铺带头 改成釆用多 带结构的铺 带 头 （见图 5 右） ， 并应用於 A350 客机机 翼制造。 该多带结构铺带头允许装载 475mm 宽带料， 其铺 放生产率和装载单一 300mm 宽带料 铺带头一样，但由於每条带料均可单独控制，因此多带铺带 头可铺放制造轮廓更为复杂的复材构件。这种多带结构铺带头也可装载 2 条 150mm 宽带料。
18、实际上， MTORRES 公司这种多带结构铺带头可看成是等效於配置有 4 个 75mm 宽 的集成化 多铺带头的 AT L 机床， 或者说其铺放工艺本质上就是自动铺丝机 AFP 铺放工艺技术的简单应用。2、多铺丝头AFP 机床 从一般意义 上讲， AFP 机床由於 釆用多束纤 维铺放工艺 ，在一定程 度上解决了 高铺放生产 率与制造零件复杂度两者间的兼顾。但是，由 於使用的纤维束的宽度与数量之不同，高铺放生产 率与制造零件复杂度两者难以兼顾问题仍然存在。 美国 ElectroImpact 公司 2003 年开发了一种新概念的模块化铺丝头（Modular Fiber Head Placement
19、 ） ， 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，见图 6 。 图 6 ElectroImpact 公司多 铺丝头铺丝机 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
20、 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。 此外，ElectroImpact 公司在研制上述 AFP 机床成 功基础上还新开发了一种由 6.4mm 束宽 12 束和 12.7mm 束宽 12 束的双铺 丝头 AFP 铺放单元机床 （Cell Machine ） ， 两个铺丝 头可同时对大型飞机 复材整体筒客机身段构件进行铺放， 以进一步提高铺放生产率。 同时，ElectroImpact 公司还选 择 了第三方公司（CGTech ）的 CAM 软件 Ve r
21、i c u t ， 作为该设备的编程系统 Vericut ATL/AFP 软件。 图 6 右面所 示的即为应用 Vericut ATL/AFP 软件仿真模拟双铺丝头 AFP 铺放单元工作场景。这种 釆用独立於 ATL/AFP 机床的复材构件加工编程软件系统， 也是 ATL/AFP 技术发展的一种新趋势。 3、新ATL-AFP混合铺放机床技术 至此所介绍的多铺放头 ATL/AFP 机床基本上均为同一类型铺放工艺 （铺带或铺丝） 的铺放头 集成复合应用，以兼顾高铺放生产率与制造构件复杂度。法国 Forest-line 公司新近在其所属的 Capdenac 工 厂复材验证中心，配置了一台新研制的双铺
22、放头铺放机床，则是将 AT L 机床铺带头 和 AFP 机床 铺丝头集成在同一台复材铺放加工设备上，形成一种 ATL-AFP 混合铺 放机床，实现 了 AT L 和 AFP 复合应用，见图 7 。 图 7 A TL-AFP 复合机床 实际上，该 ATL-AFP 混 合铺放机床是基於 Forest-line 公司传 统龙门移动式 AT L 机床，在可 移动运动的横梁上再配置一可作 YZ 轴运动的立式铺丝头，构成了龙门移动式双铺放头的铺放机 床。 该 ATL-AFP 混合铺 放机床的铺带头可选用 75-300mm 带 料， 用於高生 产率地铺放制造简单轮 廓复材构件；铺丝头使用 6.35mm 束宽
23、 32 束纤维束料，可用於铺放复杂轮廓复材构件。这种 ATL-AFP 混 合铺放机床特别适用於复材构件研究开发、 试制、 实验和技术培训应用， 同时也可用 於实际复材构件铺放制造。 最後还应指出是， 实际上模块化多铺放头技术在低费用适用型 ATL/AFP 机床上也得到了极为 广泛应用。 新概念AFP设备 1、新型AFP设备 用於复杂曲面，特别是复材整体筒壳构件铺放制造的传统自动铺丝机（FAP ）机床 总体 结 构 设计中都继承了传统复材构件自动缠绕机 （AFW ） 铺放工艺基本技术思想， 在 FAP 机床前都设计 有一个旋转心轴装置驱动芯模转动进行零件曲面铺放， 也就是说传统 FAP 机床结构
24、设计中都要考 虑复材构件回转结构装置设计/ 制造的技术问题。 但是，这种机床总体结构存在有明显的不足之处：旋转心轴驱动装置费用高，Ingersoll 公司 认为铺放复杂曲面复材构件，釆用有转动阳模铺放的 AFP 机床其费用要比釆用阴模铺放的 AFP 机床贵 710 倍；需要专用的凸芯模装置，对复杂复材构件芯模设计制造技术难度较大，且费用 高； 为确保在旋转芯模上进行纤维束铺放的良好贴合，FAP 机床需具有较大的热压能力； 增加设 备车间占地面积和维护费用。 为此， 一些复材构件铺放设备制造商推出了一种新概念的 AFP 机床， 通过在现场安放简单的 凹 （阴） 模具， 取消了传统 AFP 机床旋
25、转心轴驱动凸芯 （阳） 模转动装置， 从而可降低设备成本 实现低费用 AFP 铺放技 术。 这种没有旋转心轴驱动阳模转动的机床结构设计可明显减少传统 AFP 机床尺寸，增强窄腔复材构件铺放加工能力，并能同时显着减少设备车间占地面积。 Ingersoll 公司 推出的第 2/3 代AFP 机床Mongoose 就 是基於这种新概念设计的。图 8 左为美国Goodrich航空 构件公 司配 置的双 龙门 双铺放 头的Ingersoll 公司AFP 机床Mongoose （第二 代） ，使用 12.7mm 宽 32 束的铺放头， 铺放速度达 40m/min ， 切割速度 30m/min 。Goodr
26、ich公司准备 应用这种 AFP 机床来生 产GEnx 和用 於波音 787 客机的Trent 1000 发动机短舱复材内涵道支撑结构件自动化 铺放生产，以前该构件釆用人工铺放。 图 8 右为 Ingersoll 公司最 新推出的第三代 AFP 机床 Mongoose 及其新设计的铺放头。 该铺放 头由於釆用模块化设计容易根据用户需要而构成立式或卧式 AFP 机床， 同时可适用於凸模、 凹模 或平板模应用场合。 当使用 6.74mm 宽 16 束复材 纤维， 铺放速度达 60m/min ， 切割速度 50m/min ， 铺放复材表面积速率达 720m2/hr ，铺放生产率 27kg/hr 。
27、图 8 Ingersoll 公司 AFP 机床 Mongoose 2、高生产率AFP 设备 提高 ATL/AFP 机床铺放生 产率是目前 ATL/AFP 机 床最新发展的最基本趋势，其釆用的技术 途径主要是通过提升自动化、高速化和铺放工艺集成复合化水平来取得高铺放生产率。此外，一 些大型 ATL/AFP 机床制造商将大型金切数控机床双龙门双主轴头并行加工思想同样应用在 ATL/AFP 机床上，向用户提供高铺放生产率的双龙门双铺放头 ATL/AFP 机床。 在宇航和国防工业应用领域，ATL/AFP 机床取得 2550 kg/hr 铺放生产率应算是为高铺放生产率 了。但对完全商品化（通常指非宇航和
28、国防工业应用领域的普通民用工业）应用领域而言，这种 铺放生产率仍然不能满足用户的实际需求。为此，在普通民用工业应用领域，人们釆用了另一种 技术途径： 通过使用先进的更大质量的纤维束料来取得 AFP 机床高铺放生产率。 宇航和国防工业 应用领域的 AFP 机床， 典型多使用 12K 根独立长纤维组成一根“ 纤维束” 结构的复材料。 而用於风 力发电设备风力涡轮叶片制造的 AFP 机床，已出现趋向使用 24K 纤维束复材，以提高 AFP 机床 铺放生产率。釆用更大质量纤维束则是民用工业应用领域 ATL/AFP 机床发展的一种新趋势。 美国 Entec 公 司开发的用於大型民用风力涡轮发电机复材叶片
29、制造的 AFP 机床 （图 9 ） ，则 使 用 150K“ 纤维束” 、 束宽 18mm 。 铺 丝头设计为能容纳 32 根 纤维束， 即铺放复材束带宽达 576mm ， 且每根纤维束均可单独实现控制， 铺放精度可达1mm ， 铺放 生产率 341kg/hr 。 在某些 铺放应用场 合中， 如果 32 根纤维束始 终都被使用， 此时实际上是已将 AFP 机床转变为 AT L 机床 使用， 则甚 至可取得 680kg/hr 高铺 放生产率。这种高铺放生产率 AFP 机床供料卷轴一次可提供长达 2200m 纤维束。 图 9 Entec 公 司大型风轮机桨叶复材构件 AFP 机床 Entec 公司
30、这 种高铺放生产率 AFP 机床，由於纤维束带质量较大，不使用传统的超声波型剪切刀，改用工业激光切割技术来实现对单独纤维束或整个纤维束带切割，但要求预浸料纤维束背 料具有吸收激光能量的能力。应指出的是，Entec 公司这种高 铺放生产率 AFP 机床实 际上已是一 种高专利性的铺放设备。 把握时机 研发大型ATL/AFP 机床 目前，我国正在启动实施大飞机重大项目，并规划要釆用一定数量的复合材料整体构件（规 划其重量比可达约 25% ） 。 为此， 对 ATL/AFP 机床提出了迫切需要。 而我国在大型 ATL/AFP 机床 研制、生产和实际工业应用等基本上还处於起步阶段，与国际先进水平相比，仍存有较大差距。 同时， 国家已将大型 ATL/AFP 机床列入数控重大专项研制设备之类。 因此， 国内有实力的大型数 控机床制造企业应关注大型 ATL/AFP 机床技术发展和应用， 抓住难得历史性发展时机， 投入必要 的人力和物力尽快奋力研发自动铺带头/ 自动铺丝头关键功能部件以及国产大型 AT L / A F P 机床， 以满足国内航空飞机制造业的实际迫切需要，并尽快赶上国际先进水平。
