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1、 . 直升机复合材料构件数字化生产线技术研究 薇 秀芝楠楠 高大伟飞机工业集团摘要:本文研究了飞机复合材料构件数字化生产线的体系结构，指出打通数字化生产线的关键在于实现数字化设计中心和数字化制造中心部各环节数据与之间数据的顺畅流动。介绍了飞机复合材料构件的数字化产品定义、数字化工装设计、数字化工艺设计、数字化制造和生产组织管理以与打通复合材料构件数字化生产线数据流等方面所做的工作和实施效果。关键词:直升机复合材料数字化生产线设计制造1概述先进复合材料具有比强度和比刚度高、性能可设计、抗疲劳、耐腐蚀性能好和易于整体成形等诸多优点，将其用于航空航天结构上，可比常规的金属结构减重25%30%，并可明
2、显改善其气动弹性特性，提高飞行性能，这是其它材料无法或难以达到的。随着计算机技术和数控技术的不断发展，各种各样的软件和数控设备相继出现，使复合材料构件研制过程以数字量传递成为可能,为复合材料构件实现数字化制造创造了良好的条件。另一方面，在国飞机制造业中，复合材料构件的设计制造大多仍沿用传统的模拟量尺寸传递体系，数字化设计制造技术虽得到了实际应用，并取得了一定的效益，但基本处于孤立的状态，尚未实现复合材料构件从设计、工艺、工装、制造到检测整个过程中的信息共享，没有打通整个数字化设计制造环节，致使现有的数字化设计制造技术不能充分发挥其应有的作用。美国波音公司在波音777型飞机型号研制中采用数字化技
3、术，使研制周期缩短50%，出错返工率减少75%，成本降低25%，已经成为数字化设计制造技术在飞机研制中应用的标志和里程碑。在波音787飞机项目中采用FiberSIM软件进行复合材料构件产品的数字化设计，并将设计数据向全球的合作伙伴进行发放，保证了复合材料构件数据的唯一性和准确性。飞机复合材料构件数字化生产线技术，重在将复合材料构件设计制造技术与数字化技术相结合，实现复合材料构件设计与制造各环节数字化、各环节之间的数据流畅通和复合材料构件在并行工作模式下的设计、工艺、制造、检测、装配全过程的集成。2飞机复合材料构件数字化生产线总方案飞机复合材料构件数字化生产线总方案如图1所示。本工程以计算机网络
4、环境和并行工作模式为基础，在企业工程数据管理系统支撑下，由两个大的环节构成数字化设计中心和数字化制造中心。其中数字化设计中心主要完成复合材料构件的相关设计任务，包括构件的数字化定义、铺层设计与排样、铺放与缠绕轨迹设计、CAE分析与仿真、工装设计、工艺设计与制造过程仿真等，数字化制造中心主要完成毛料剪裁（预浸料和蜂窝）、激光铺层定位、自动铺放、自动铺丝与缠绕、固化成型、切边钻孔、部件装配、质量检测等制造任务。 / 图1 飞机复合材料构件数字化生产线总方案从图1中可以看出，构建复合材料构件数字化生产线，除实现两大环节的数字化外，还必须保证各环节之间数据流畅通。基于数字化生产线总方案，围绕复合材料构
5、件数字化设计、数字化工艺设计、数字化工装设计、数字化制造、数字化检测、并行工作管理、工作流程管理和质量控制等开展研究，并将精益制造理论和思想融合到整个生产体系中。3复合材料构件数字化生产线技术研究3.1 复合材料构件数字化生产线体系飞机复合材料构件数字化生产线体系研究主要围绕复合材料构件数字化产品设计、数字化工艺设计、数字化工装设计、数字化制造、数字化检测、并行工作管理、工作流程管理、质量控制等开展，并将精益制造理论和思想融合到整个生产体系中。（1） 复合材料构件数字化生产线构成复合材料构件生产线平面布置图如图2所示：图2 复合材料生产线平面布置图从图2中我们可以看到：复合材料构件生产线由9个
6、区域组成，即材料存储区、预浸料下料区、蜂窝下料区、铺层区、固化区、复材机加区、复材检测区、复材部件装配区、喷漆区。总面积达5万余平方米，在亚洲是最大的。在企业近年的技术改造项目实施后每个区域都可实现数字化。（2）复合材料构件生产线流程复合材料构件数字化生产线典型流程如图3所示：激光定位系统复合材料构件三维模型建立预浸料剪裁预浸料铺叠固化无损检测修补切割胶接装配/组合胶接固化无损检测部件装配CATIA/UGCOVERS/FebSim数控下料机铺层结构设计下料排样/三维边界工装工具数控机床测厚仪声发射C扫描自动化热压罐热压床固化炉工装三维设计/数控编程/制造数控机床/数控测量修补仪自动铺放设备数据
7、接口图3 数字化生产线典型流程3.2 复合材料构件数字化设计技术复合材料构件的最显著工艺特点是在完成材料制造的同时完成产品的制造。因此，复合材料构件的数字化定义与其它材料零件的定义方法有明显的区别，其数据不仅包含构件的几何信息、铺层信息，还要包含相关的材料制造信息等非几何数据。3.2.1 FiberSIM解决方案FiberSIM可以完全集成于用户已有的CAD系统中，使CAD系统成为高性能的设计/制造复合材料构件的软件工具。该软件可以提供专业的工程设计环境，高效地处理复合材料与其结构的复杂性问题，能够捕捉CAD系统中复合材料构件的完整定义，管理复合材料数据，在项目部共享复合材料构件的定义。Fib
8、erSIM复合材料工程设计环境见图4。工程师CADFiberSIMSYSTEM企业捕获管理共享分析自动化连接图4 FiberSIM复合材料工程设计环境FiberSIM软件独有的铺层仿真技术，能够预测复合材料如何与复杂的表面贴合，支持整个复合材料的工程过程，该软件使工程师同时在构件几何、材料、结构要求以与工艺过程约束之间进行权衡，使用FiberSIM软件，工程师能快速可视化铺层形状和纤维方向，在设计阶段即发现制造问题，并采取相应的纠正措施，实现DFM。从初步设计、详细设计直至制造车间，设计师借助该软件很容易创建和转换设计、工程图以与相关的数据，并使零件数据在FiberSIM软件、设计、制造以与商
9、业应用之间进行交换和传递。FiberSIM可选模块有：分析接口模块、文档生成模块、平面图样输出模块、激光投影模块、纤维铺放接口等，以构件定义信息为源头，向强度分析、工艺设计、工装设计、制造过程仿真和相应的制造设备传递复合材料构件的几何信息、材料信息、铺层信息等。3.2.2 复合材料构件数字化定义在设计阶段的产品定义过程中是以工程数据集为核心来组织数据，是支持产品数字化设计、制造全过程的基础，是制造、检验的重要依据。一个数据集是包含产品的几何信息、绘图数据以与相关信息的一个或几个CAD模型，一般同时存在三维模型和二维模型，二者分别在三维空间工作模式和二维绘图工作模式中建立，但它们不是完全独立的，
10、二者之间存在着关联关系，二维视图中的元素由空间的实体或曲面引出，对原空间实体或曲面的任何修改都会自动反映在二维视图上。（1）复合材料构件的三维模型定义由于其定义方法的特殊性和复杂性，复合材料构件的最终形状是由许多铺放在模具表面的铺层固化形成的，每个零件的不同区域厚度会有所不同，而且是逐步变化的。座舱罩顶棚铺层定义如图5所示，通过从设定的铺层信息直接生成铺层表面和三维实体，这些表面可用于制造数字实物模型，生成零件铺叠表面，产生配套工装的表面和中间铺层表面等。座舱罩顶棚实体模型如图6所示，三维实体用于定义构件的形状以与定位特征（如成形面的参考曲面，零件模型的定位点等几何信息），以便在重量和重心分析
11、、数字化预装配、工装设计、运动部件的模拟运动分析等过程中应用。因此，复合材料构件三维实体建模的核心问题是表现材料制造信息的铺层设计。铺层设计中有两个重用的概念：铺层和铺层集，并且铺层集和铺层都有编号。图5座舱罩顶棚铺层定义 图6座舱罩顶棚实体模型（2）复合材料构件的二维模型定义在数据集中，三维模型是最主要的数据，但二维图纸模型也是必不可少的，一般由三维模型生成。在模型的二维视图中，需要完整的定义出复合材料构件的结构形式和几何外形尺寸等信息，在目前生产实际中，二维图纸仍然是进行复合材料构件制造加工、检验、质量保证的重要依据，也是供应商评估和投标的重要依据。在复合材料构件的二维图纸上，需要有剖面示
12、意图、铺层图、铺层标注、铺设取向标注以与铺层表等容，铺层表用来对照零件的铺层、材料、取向等信息，如图7所示。图7复合材料构件二维图纸与铺层表的放大图3.2.3复合材料构件工艺设计基于CAPPFrameWork和ORACLE， 结合企业复合材料工艺设计与管理的特点，开发了具有企业特点的复合材料构件快速工艺设计系统。系统主要功能模块包括：产品结构管理、工作任务分配、工艺设计审批、工艺知识管理、材料定额信息管理、工艺文档管理、用户角色管理、系统配置工具等。3.2.4复合材料构件工装快速设计工装的数字化设计是实现复合材料构件数字化生产线技术的关键环节之一，主要容包括标准件库、典型工装结构库的建立，快速
13、装配技术研究和复合材料工装快速设计系统开发等。在项目实施中，利用CATIA的建模功能建立组成组件的子零件，然后装配生成组件，组件为Product形式。这种解决方案可在CATIA交互环境下运行，使用标准件库时，提供三维预览窗口，并且预览模型能示意各主要参数，从而可以直观地了解各参数的意义，进而可以脱离手册的限制，能够在CATIA当前装配模型生成所选组件的实体模型。基于CATIA二次开发了标准件批装配模块，实现了基于装配特征的标准件的自动装配。图8所示为组件预览界面。3.3 复合材料构件数字化制造技术复合材料构件的数字化制造技术主要是结合我公司的软硬件的实际情况，包括复合材料自动下料、激光投影等各
14、方面技术。3.3.1预浸料数控下料复合材料构件生产过程中，预浸料下料是一个费时、费力、繁琐的工序，我公司采用专门的数控切割设备自动剪裁机进行预浸料的平面切割，实现预浸料的自动下料。应用FiberSIM软件设计的复合材料构件的每一三维铺层信息展开为二维铺层展开数据后，经铺层切割数据转换接口生成预浸料排样数据，直接输入自动剪裁机控制软件指导材料自动切割。自动剪裁的预浸料消除了手工下料样板，每一铺层的形状和纤维方向更加准确，并且都印有铺层编号，减少了铺放过程中的错误，其下料比手工下料效率可提高3倍以上，节约原材料20%左右，此外，排样是优化材料利用率的主要因素。图9是座舱罩顶棚的排样下料数据。 图8
15、 组件预览界面 图9下料数据3.3.2激光投影系统的应用复合材料专用设计/制造软件FiberSIM基于构件的CAD三维设计数据生成激光投影数据输入到激光投影系统中，通过特殊反光镜，控制激光束将构件铺层形状轮廓线上的点依次投影到模具表面，由于点投影的更迭移动速度极快（每秒300m以上），在操作者眼中，模具或零件表面会生成相应的边界轮廓线，操作者可根据该轮廓线进行有关的定位操作（如定位铺叠等），从而实现各铺层的精确定位，免除了传统的铺叠样板。图10是基于构件的三维实体模型生成激光投影数据的过程。图10 激光投影数据的生成3.4复合材料数字化生产线集成技术复合材料构件数字化生产线以全面采用数字化技术为主要标志，采用计算机定义、描述、管理和使用复合材料构件开发过程中所包含的数据以与这些数据之间的相互关联。复合材料构件数字化设计和数字化制造是复合材料构件数字化生产线的主要组成
