【中國機床商務網】導讀：復材構件手工成型時，預浸帶經剪裁后手工鋪疊、壓實到模具表面。隨著復材構件在現代大型飛機上廣泛應用，人工鋪放工藝已難以滿足實際需要，急需自動鋪帶技術來提高生產效率，改善制造過程的可控制性，降低成本以及提高產品質量。
　　
　　自動鋪帶技術利用數控技術實現預浸帶剪裁、定位、鋪疊的自動化。與手工相比，自動鋪帶技術可降低制造成本30%~50%，主要適用于各種大尺寸、小曲率部件的制造。與傳統的數控加工不同，自動鋪帶技術屬于典型的增料制造技術，由裝備技術、軟件技術和工藝技術構成，國外均已形成相關的工業產品。在自動鋪帶CAD/CAM軟件方面，西方發達國家經過幾十年的研究，已經開發了多套商用自動鋪放CAD/CAM軟件，并形成了完備的復合材料設計制造解決方案。其中，Tapelay軟件應用比較成熟，Tapelay軟件是由空中客車公司（AIRBUS）與法國應用數學中心（CIMPA）以航空航天領域廣泛采用的CATIAV5軟件為平臺，基于CATIACAAV5技術聯合開發的自動鋪帶CAD/CAM軟件。該軟件可直接集成到CATIAV5系列軟件中，包括自動鋪帶CAD部分的TapeGeneration模塊和CAM部分的TapeManufacturing模塊。TapeManufacturing模塊則能針對部分一步法鋪帶機與兩步法鋪帶機生成相應的加工NC代碼[1]。目前，國內報道可見的自動鋪帶CAD/CAM技術研究主要集中在軌跡規劃和加工仿真的基礎理論方面。
　　
　　CATIA/CAA二次開發
　　
　　自動鋪帶數控編程系統采用組件應用架構（ComponentApplicationArchitecture，CAA）C++二次開發實現。AutomationAPI（自動化應用接口）與CAAC++是CATIA二次開發常用的兩種方法，AutomationAPI入門容易，但功能限制大，CAAC++入門困難，但提供的接口全面，開發的程序效率高，能夠滿足用戶深層次專業化的要求。
　　
　　CAAC++是基于組件的定制開發，是對其組件對象的組合和擴展，采用了組件對象模型（COM）技術。CAAC++這種組件式的解決方案采用的開放式、可擴展的模塊化開發架構，使得諸多軟件開發商可以參與達索系統（DassaultSystemes）產品的研發。CAAC++在具有更大的復雜度和難度的同時它也能夠實現更強大的功能。CAA的實現，是通過提供的快速應用開發環境RADE（RapidApplicationDevelopmentEnvironment）和不同的API接口程序來完成的。
　　
　　自動鋪帶規劃與編程軟件概述
　　
　　自動鋪帶規劃與編程軟件的主要功能模塊包括鋪帶規劃、鋪帶編程、后置處理3部分[2]。
　　
　　鋪帶規劃是自動鋪帶支撐軟件的CAD部分，是自動鋪帶軟件中基礎數據的準備。在鋪層中確定每條鋪帶位置（即鋪帶中心線所處位置）、輪廓邊界，以及鋪帶展平數據，并能夠適當調整鋪帶位置、寬度，以提高鋪放效率和質量。
　　
　　鋪帶編程模塊是自動鋪帶支撐軟件的CAM部分，是本文的研究范疇，主要實現鋪帶鋪放過程數據文件的輸出，文件輸出格式為APT。這種文件可讀性強，容易及時發現問題。
　　
　　后置處理工具通過對鋪帶編程中輸出APT文件進行處理，輸出鋪帶設備鋪放、切割、檢測所需NC文件與其他數據文件。
　　
　　自動鋪帶數控編程系統實現
　　
　　鋪帶規劃完成之后進行自動鋪帶的數控編程。自動鋪帶的數控編程設置工藝參數，生成鋪帶編程模型，然后進行軌跡計算并輸出APT文件。自動鋪帶數控編程系統結構如圖1所示，包括機床加工模式定義、加工操作創建、鋪放操作加工軌跡計算、超聲切割操作加工軌跡計算、激光檢測操作加工軌跡計算與加工軌跡保存與仿真。

　　
　　1機床加工模式定義
　　
　　機床加工模式定義一些基本信息，包括選擇機床與加工坐標系等。機床有4種加工方式，分別為A工序、B工序、超聲切割與激光檢測。由這4種加工方式組合成6種不同的機床加工模式。機床的這6種加工模式中可包括A工序、B工序（可選項，有可能不包括）、超聲切割與激光檢測。A工序的加工模式根據帶寬（300mm，150mm）的不同有兩種，A工序、B工序都包含的加工模式，根據A工序的帶寬（300mm，150mm）與B工序帶寬（150mm，75mm）組合成4種。A工序、B工序中設置的參數包括壓棍的直徑與長度、壓輥力、進給速度、進/退刀高度等信息。超聲切割中設置調整點速度、進刀速度與切割速度。激光檢測中設置進給速度。在零件操作（PartOperation）中設置加工坐標系。
　　
　　2加工操作創建
　　
　　自動鋪帶過程由鋪放、切割與檢測3部分構成，本文的加工操作相應地包括鋪放操作、超聲切割操作與激光檢測操作。
　　
　　自動鋪帶編程系統在CATIA平臺上運行，其編程操作的交互方式盡可能與CATIA數控加工模塊保持一致。CAA加工模塊中提供了加工操作的基本框架，分別為幾何、加工策略、刀具、進/退刀、進給速度與主軸轉速等。本系統開發過程中，根據鋪帶編程中加工特征屬性，建立既能滿足鋪帶編程需求，又可以合理利用CAA框架結構的加工操作。針對鋪帶編程中加工特征包含的各類屬性，將特征幾何、加工策略、進/退刀方式、加工軌跡離散參數、進給速度等屬性進行分類，確定各類屬性在加工操作框架中所屬位置，建立相應的加工操作。
　　
　　3鋪放操作加工軌跡計算
　　
　　根據預浸帶在自動鋪帶頭中切割、鋪疊的不同實現形式，自動鋪放有兩種工作模式，分別為一步鋪帶法、兩步鋪帶法。一步鋪帶法中鋪帶頭集成了切割系統和鋪疊系統，在鋪放過程中完成預浸帶的精密切割，即“邊切邊鋪”。兩步鋪帶法則將預浸帶切割與鋪放分離：在鋪放前，先由下料機按所需帶形完成預浸帶的切割與排序，然后再由鋪帶機完成預浸帶鋪放，即“先切后鋪”。
　　
　　鋪放操作主要實現工序分配（A工序與B工序）、鋪放方式（單向與雙向）、安全平面、進/退刀高度、進給速度、壓力、zui大步長、zui大弓高與zui大角度等信息的設置，并且能夠對鋪放順序與鋪放方向進行調整。
　　
　　鋪帶編程中關鍵控制點為鋪放數據點和切割數據點。鋪帶規劃（自動鋪帶軟件的CAD部分）生成每條鋪帶的中心線，鋪放操作實現按照鋪帶中心線進行鋪放的加工軌跡。
　　
　　鋪帶中心線上相鄰兩點的步長、弓高與角度的示意圖如圖2所示。
　　
　　（1）zui大步長：相鄰兩點的直線距離的zui大值，數學表達式為：


　　
　　（2）zui大弓高：相鄰兩點所夾的曲線段上的點到相鄰兩點所形成的直線的距離的zui大值，數學表達式為：


　　
　　（3）zui大角度：相鄰兩點在曲線上的切向所形成的角度zui大值，數學表達式為：


　　
　　zui大步長、zui大弓高與zui大角度，為求解鋪放軌跡的離散點提供依據，要求求解的鋪放軌跡任意相鄰兩點的步長、弓高與角度必須在zui大步長、zui大弓高與zui大角度范圍內。壓輥可以快速地從當前位置移動到安全平面，進刀/退刀高度是鋪放起始點沿法向方向上的距離。
　　
　　根據設置的鋪放工藝參數，結合CAA接口即可計算鋪放軌跡離散數據點。計算鋪放軌跡流程見圖3。
　　
　　4超聲切割操作加工軌跡計算
　　
　　超聲切割根據切割輪廓等信息計算生成切割軌跡。超聲切割操作的結構包括4部分，分別為曲線輪廓、軌跡離散參數、安全平面/安全距離與進給速度。
　　
　　曲線輪廓設定參考鋪層，調整點與切割輪廓。參考鋪層，調整點均只能選一個，切割輪廓可以選多條曲線。曲線輪廓離散參數設定zui大步長、zui大弓高與zui大角度，為求解超聲切割軌跡的離散點提供依據，要求求解的超聲切割軌跡任意相鄰的兩點的步長、弓高與角度必須在zui大步長、zui大弓高與zui大角度范圍內。
　　
　　安全平面/安全距離設定切割過程中的安全平面與安全距離。鋪帶頭可以快速地從當前位置移動到安全平面。安全距離是切割起始點沿法向方向上的距離。進給速度設定調整點速度、進刀速度與切割速度。調整點速度是刀頭從調整點在安全平面映射點運動到真正切割的*點在安全平面映射點的速度。進刀速度是刀頭從切割的*點沿法向距離為安全距離的點運動到切割的*點的速度。切割速度是超聲切割時的速度。
　　
　　根據設置的超聲切割工藝參數，結合CAA接口即可計算切割軌跡離散數據點。計算切割軌跡的流程如圖4所示。
　　
　　5激光檢測操作加工軌跡計算
　　
　　激光檢測根據檢測輪廓等信息計算生成檢測軌跡。激光檢測操作的結構包括3部分，分別為曲線輪廓、軌跡離散參數與進給速度。
　　
　　曲線輪廓設定鋪層、檢測輪廓與輪廓類型。曲線輪廓離散參數設定zui大步長、zui大弓高與zui大角度，為求解檢測軌跡的離散點提供依據，要求求解的檢測軌跡任意相鄰兩點的步長、弓高與角度必須在zui大步長、zui大弓高與zui大角度范圍內。進給速度設定檢測的速度。
　　
　　根據設置的激光檢測工藝參數，結合CAA接口即可計算激光檢測軌跡離散數據點。計算激光檢測軌跡的流程如圖5所示。
　　
　　6加工軌跡保存與仿真
　　
　　加工軌跡（ToolPath）計算完成之后，CAA提供了刀軌生成類廠CATIMfgToolPathFactory進行加工軌跡的添加，通過接口CATIMfgCompoundTraject或是接口CATIMfgToolPathComponents查詢獲取相應的接口CATIMfgTPSaveData，進行加工軌跡保存，加工軌跡保存后將生成到加工操作下，可以進行仿真與APT文件輸出。
　　
　　加工軌跡計算完成并進行加工軌跡存儲之后，調用CATIA系統CAM部分已有的刀具軌跡仿真模塊進行加工軌跡仿真，實現了加工軌跡生成與CATIA系統仿真模塊的無縫集成。仿真以動畫形式展示鋪帶編程形成的軌跡，方便用戶方便檢查其操作的正確性。仿真界面見圖6。
　　
　　總結
　　
　　利用本系統進行了多個鋪層的鋪帶規劃與編程，并輸出了各鋪層的APT文件。并將本系統計算結果與法國TapeLay軟件計算結果進行比較，比較結果如下：
　　
　　（1）輸出的APT文件格式與TapeLay軟件格式*相同。
　　
　　（2）APT文件中鋪放軌跡點的輸出與TapeLay軟件輸出基本一致，zui大誤差為0.25mm，主軸方向、切線方向基本相同，誤差可忽略不計。
　　
　　自動鋪帶軟件技術是實現復合材料構件自動化制造的關鍵技術，軟件功能將直接影響復合材料構件的制造效率和產品質量，材料工藝技術和裝備技術研究的深入對自動鋪帶軟件技術提出了更高的要求。本文采用VisualStudio2005平臺運用CATIA/CAA二次開發技術實現了自動鋪帶的數控編程系統，并能夠輸出滿足鋪帶制造需求的APT文件，該系統完成了鋪帶編程的主要功能，相關功能的穩定性與方便性還有待進一步完善。
　　
　　（文章來源：中航工業北京航空制造工程研究所）