国产复合材料自动铺丝设备的路径规划及仿真技术软件新探索
导读：碳纤维预浸带复合材料是一种由碳纤维和树脂经过预浸渗透、干燥、卷绕等工艺制成的半成品，具有高强度、高模量、低密度、耐腐蚀、耐热等优点，早期由于成本较高，主要用于航空航天领域，如波音的大型科技，随着型号迭代，复合材料使用量占比也节节攀升。
随着技术的进步和材料成本的逐步降低，碳纤维也逐渐广泛的应用于高端的民用消费领域，比如碳纤维自行车架、钓鱼竿、箭杆、球拍等，因而如何高效低价的碳纤维复合材料构件自动化生产技术日益重要。
2025年1月9日20时，笔者受邀在成都市航空航天学会主办，仿真秀承办的“2024结构优化与智能制造创新技术报告会”第六期做《自动铺丝设备的路径规划及仿真技术》线上讲座，感兴趣的朋友可报名，详情见后文。
一、认识复合材料加工设备（自动铺丝机）
手工铺放成型是制造复合材料构件的最早技术，其原理是根据模型的曲面特征先裁剪出小块的碳纤维布，然后一点一点粘贴到模型表面，铺放过程中一般会使用吹风机、电熨斗等设备进行加热、平整。可以看出来这种生产方式是比较粗糙原始，对工人的工作技能、工作态度都有较高的要求，质量相对来说比较难以控制。
随着技术进步，逐渐出现了自动纤维缠绕机、自动铺带机以及自动铺丝机。缠绕机一般仅用于回转类零件的生产，如储油罐；铺带机铺放比较宽的预浸带，适用于平面、小曲率类零件；铺丝机铺放预浸窄带，典型的是6.35/12.8毫米，可以一次铺放8/16根，因为带比较窄，通过压辊碾压后，可以贴合在一些大曲率的零件表面，因此具有比铺带机更好的适用性。
一套典型的机器人式自动铺丝机主要包括导轨、机器人、芯模旋转支架等运动系统；用于储存碳纤维预浸带料卷的纱架；施行铺丝工艺的铺丝头机构；作为铺放模具的零件芯模等。
自动铺丝机按照运动系统大致可以分为机器人式和机床式（一般是龙门结构机床）。
不管哪种运动结构，自动铺丝机中核心的机构是自动铺丝头。
自动铺丝过程的具体流程为：机器人等运动载体带着自动铺丝头 移动到模具相应位置，重送机构开始将一定张力的预浸带从纱架沿着通道重送到压辊 下；加热装置产生热量，使预浸带温度升高保持一定粘性，压辊下压到模具表面压紧预 浸带，使预浸带紧密粘贴在模具上；然后按照一定的轨迹运动，压辊在芯模表面转动过 程中，将预浸带不断压紧粘贴到模具表面；接近轨迹终点时，剪切机构将预浸带剪断， 夹持机构夹紧预浸带；机器人继续运动铺放完这条预浸带。根据芯模表面形状，按照一 定轨迹运动，不断将预浸带贴合到芯模上，完成铺放过程。
二、自动铺丝轨迹规划及仿真软件
自动铺丝轨迹规划及仿真软件（Trajectory Planning & Simulation for AFP)是用于生成自动铺丝设备运行的轨迹以及对其运动过程进行仿真，同时兼具轨迹分析、优化等功能。它可以根据模具形状、预浸带宽度、铺层角度、设备运动学参数等，计算生成最优化的铺丝路径，并通过后处理生成数控加工程序，最终驱动自动铺丝设备完成复合材料零部件的生成加工。可以说，没有自动铺丝轨迹规划及仿真软件，自动铺丝机就只是一个“铁架子”，动不起来。
该类软件一般具有以下特点：
•支持离线仿真和在线监控，实现铺丝过程的可视化和可控制。
三、国产自主开发软件FiberArt软件
FiberArt软件是一款完全独立自主开发的国产化软件，它包含自动铺丝轨迹规划、轨迹分析及优化、铺丝工艺仿真、后处理生成数控程序等，一套软件可以实现自动铺丝机生产加工的全部需求。
该软件可运行于Windows系统，同时也兼容Linux系统（如国内二次开发的UOS、麒麟等系统）；软件核心部分使用c++编程语言，同时支持使用python语言开发插件以及后处理脚本，兼顾软件运行效率与维护更新效率；用户界面基于行业主流的QT架构，简洁美观、容易上手；3D仿真系统采用通用的Open GL技术，实现机器人、零件等3D模型的显示及运动系统仿真；并利用业界稳定可靠的boost、Eigen、opencascade、ceres等开源软件库，实现高效率高精度高可靠性的铺放轨迹生成算法；基于李群理论实现铺放轨迹的平滑插值算法；基于PoE理论，实现多轴串联机器人的正逆运动学求解算法；基于非线性优化、动态优化等算法实现机器人、导轨、变位机多轴系统的联动求解。
基于以上技术路线，该软件具有操作简便、功能齐全、高效率、高可靠性、跨平台、自主可控的优点。经过日积月累的迭代更新，在功能上已经可以替代国外的VCP\VCS（ Vericut for Composite Planning & Simulation） 软件，同时在计算效率、操作便捷性上要优于该软件。
1、软件工作流程
自动铺丝路径规划软件的操作流程大致分为：1）导入待铺放的曲面模型；2）设置铺放参数；3）设置一些规划器需要的辅助线、辅助点等；4）选择规划算法，进行规划；5）检查分析规划结果，迭代优化规划参数；6）建立仿真环境，进行铺丝工艺仿真；7）选择合适的后处理器，后处理输出数控加工程序。
工作的流程图如下：
相应的，软件也基本可以划分为轨迹规划、铺丝仿真、后处理三大模块。
2、铺丝轨迹规划
轨迹规划可以读取CAD模型数据，显示到3D渲染中，支持的CAD格式应该包括：stl、ply、obj等mesh格式，以及step、iges等中间模型格式。常用的SolidWorks、ProE、CATIA等CAD格式可以转换为step、iges格式，然后导入软件之中。
轨迹规划算法支持自定义铺层角度、纤维带厚度、宽度、每组预浸带数量等参数；铺放边界可以支持添加孔洞等特征；轨迹生成算法支持固定角度、平行线偏移、零曲率轨迹等。
生成的铺层以树形层次进行显示，直观的展现了铺层组（laminate）、铺层（ply）、预浸带组（course）、单根预浸带（tow）的层次关系。对于生成的铺层，支持手工去除某一组、某一根预浸带，或者对预浸带进行重新排序组合，赋予使用者极高的灵活度。
对于规划好的铺层，可以进一步分轨迹的长度、铺放角度、转向半径以及压辊变形量，分析结果通过热力图进行直观显示，用户可以根据分析结果对轨迹规划参数进行调整优化。
3、仿真过程
FiberArt可以导入通用的URDF（Universal Robot Describe Format，通用机器人描述格式）机器人模型，可以在软件中修改调整各个模型的装配位置，建立与实际生产环境一致的仿真环境，然后导入规划好的铺丝轨迹，进行铺丝工艺仿真。
软件已经内置了KUKA、Comau等多款机器人模型，同时也支持用户自定义机器人、导轨、变位机模型。
4、路径后置处理
路径后处理可以将铺丝轨迹转换成G代码加工程序，从而实现最终的生产加工。FiberArt软件已经内置了G代码后处理器和KUKA机器人的KRL语言后处理。
四、自动铺丝设备的路径规划及仿真技术公开课
复合材料的广泛应用推动了自动铺丝技术的发展，在铺丝轨迹规划、仿真软件方面，国内目前成熟的产品很少，而国外软件已经面临技术禁运，在此形势下，FiberArt软件提供了一个可行的替代品，目前已经用于多个复材构件的实际生产，相信经过进一步的反馈优化，会更加完善。
2025年1月9日20时，由成都市航空航天学会主办，仿真秀承办的“2024结构优化与智能制造创新技术报告会”第六期讲座将邀请毕业于西安交通大学，在机器人离线编程、轨迹规划、运动规划、碰撞检测、运动仿真等领域有深厚经验肖振老师做《自动铺丝设备的路径规划及仿真技术》线上讲座。以下是具体安排：
3、如何观看
请识别下方二维码报名和回放，欢迎加入结构优化技术交流群。
2024结构优化与智能制造（六）：自动铺丝设备的路径规划及仿真技术-仿真秀直播
