【摘 要】本文对飞机天线罩传统下料和数字化下料模式进行了对比分析，简要阐述了利用CAM优化天线罩下料设计的方法及步骤及需关注的几个关键技术。

　　【关键词】天线罩；优化设计；下料

　　0 引言

　　飞机天线罩外形设计指标是多方面的，主要有总体布置、气动外形、电性能、结构、强度、重量等方面的要求，需要进行总体-气动-结构强度-电性能一体化设计。这些要求有时是相互制约的。目前在企业实际生产中，天线罩的设计制造仍处于手工的单学科设计阶段，主要依赖于经验。天线罩毛料数字化展开系统计算毛料所需的有关数据由CAD系统CATIA处获取，计算完成后所建立的毛料数模通过PDM系统添加到工艺数据库中。

　　1 天线罩传统下料和数字化下料模式对比

　　1.1 传统下料模式

　　传统工作模式中，采用模拟量传递，天线罩下料必须要有下料样板。现有技术难以进行复杂型面毛料计算，常常通过在零件成型工装型面上取实样的方法来进行毛料展开和下料样板的制造。复合材料天线罩制造过程中，除了数字化控制的热压罐、激光定位装置之外，从结构铺层设计、展开、排样的下料过程都是手工劳动，采用模拟量传递的过程。目前天线罩典型下料流程：天线罩模型设计、铺层结构设计、工装型面取实样、毛料展开、组合排样、预浸料画线、下料加工。对于型面复杂的天线罩，毛料的展开与计算便于实施，下料样板的制造亦相对简单。但大多天线罩的型面都很复杂，不便于通过计算进行毛料展开与下料样板制造，因此常常通过在零件成型工装型面上取实样的方法来进行下料样板的制造及毛料展开，同时下料样板留有一定的工艺余量，便于铺贴时进行工艺补偿。采用这种方法，下料样板数量较多，工作量较大，由于缺乏相关数字化技术的支持，工艺准备周期长，预浸料利用率和加工效率低下，导致天线罩的生产周期长、成本高、加工质量也不稳定。

　　1.2 数字化下料模式

　　天线罩数字下料是指依据数字模型，进行工件坯料铺层和芯层的离散、优化设计、展开排样、预浸料数控切割下料得到复合材料铺层和芯层坯料的过程。通过开发与现有的CATIA系统相集成的天线罩蒙皮铺层数字化展开系统，根据天线罩结构铺层的外形数据来反算毛料外形与尺寸。结构铺层的型面数据通过对结构铺层CAD模型型面划分网格后获取；根据复杂曲面类复合材料构件成形过程中曲面变形的特点，采用基于单元等变形协调展开算法，以统一的形式快速展开天线罩各种形状结构铺层，得到毛料外形数据。天线罩数字化下料技术是实现天线罩设计制造一体化的关键技术。采用这种方法，下料样板数量非常少，工艺准备和生产周期周期都短，预浸料利用率和加工效率高，成本低、加工质量也稳定。

　　2 利用CAM优化天线罩下料设计

　　围绕数控切割机，数字化下料包括结构铺层/芯层离散与优化设计、毛料展开、组合排样、切割路径规划编程与仿真和数控切割加工等内容。依据数字样机中的天线罩工件数模进行结构铺层和芯层的离散和优化设计；毛料展开系统对各个结构铺层进行展开，得到结构铺层的分片毛料外形；组合排样根据生产计划展开毛料品种和数量信息、预浸料信息、以及结构铺层的纤维方向等工艺要求和切割机的技术要求，综合考虑进行排样优化使材料利用率最大，得到排样图；排样图经过路径规划，得到实际可用的下料图，利用CAM生成数控代码，切割仿真对代码进行校核；数控切割机执行数控指令进行下料加工。系统运行以天线罩工件模型和下料工艺过程数据为核心展开。产品数据库中存储结构铺层的外形数据、毛料外形数据；下料工艺过程数据库存储排样图、下料图和数控代码，实现从天线罩设计到下料加工的数字化集成，从而降低材料消耗、缩短制造周期、提高加工质量和生产效率。

　　2.1 结构铺层优化设计

　　结构铺层设计就是指对铺层角、铺层比以及铺层顺序的选择。既是工艺问题，也是设计问题，两者会互相耦合作用。工艺部门根据产品图纸和技术条件进行结构铺层设计。对于型面复杂的天线罩构件来说，进行结构铺层设计工作量很大，工艺人员不仅要进行结构铺层界面的分析与选择，同时要考虑界面选择对产品性能的影响。受工作手段的限制，主要依靠工艺和操作人员个人的素质和经验，并通过实物性能对结构铺层设计的合理性进行验证。因此不利于天线罩的质量控制和批量生产。

　　结构铺层优化设计需要重点解决的问题有4个：一是，面向制造工艺的夹芯和蒙皮铺层单元划分；二是，铺层单元的拼接或对接方式、方位的设计；三是，铺层单元的铺层方位与次序优化；四是，铺层单元的铺层定位技术等。结构铺层优化设计需要将CATIA、ANASYS和FibSim等应用系统的集成应用，结合知识库技术，建立集成应用的解决方案。

　　2.2 毛料数字化展开

　　天线罩在下料之前需要确定结构铺层毛料的外形和尺寸。通过开发与现有的CATIA系统相集成的天线罩蒙皮铺层数字化展开系统，根据天线罩结构铺层的外形数据来反算毛料外形与尺寸。结构铺层的型面数据通过对结构铺层CAD模型型面划分网络后获取；根据复杂曲面类复合材料构件成形过程中曲面变形的特点，采用基于单元等变形协调展开算法，以统一的形式快速展开天线罩各种形状结构铺层，得到毛料外形数据。

　　2.3 组合排样

　　开发天线罩铺层组合排样系统，面向数控切割下料，根据下料计划在预浸料上对多种类、不同数量结构铺层排样，同时提高材料利用率和加工效率，生成排样图和排样结果清单。天线罩结构铺层的组合排样不同于纯粹的二维几何排样优化问题，必须考虑生产计划（铺层的种类和各自数量）、各个铺层的纤维方向、预浸料的种类和数量等制造约束条件，采用包络、分组和排样的三阶段组合排样算法，得到近似最优的解决方案。天线罩结构铺层毛料和预浸料的二维几何信息以标准交换格式读取；开发与生产管理系统的接口，读取下料计划信息；预浸料信息、排样图、排样结果报表等通过工艺过程数据库存储和管理。

　　2.4 切割路径规化、编程与仿真

　　数控切割机是沿着毛料外廓连续进行切割，切割路径规化是对天线罩铺层毛料进行工艺设计，包括轮廓切入切出线、切割顺序、切割方向等设计与优化。在生成数控指令之前，对排样图进行规划，生成下料图和规划路径的数据文件，供数控编程系统使用。应用CAM系统将下料图自动转变为数控程序，支持标准数控代码格式；并根据已生成的NC代码模拟实际加工过程，对自动生成的代码进行校核和可靠性检验，实现规划、编程和仿真的一体化。数控指令存储到工艺数据库中，以备加工调用。

　　2.5 结构铺层控制

　　根据下料样板外形及纤维铺贴方向在预浸料上画线下料便做好铺层标记，因为铺层层数很多，因此下料工作极为繁琐，工作量大；同时受预浸料供应状态限制，虽进行铺层套裁，但难以做到科学合理，因此预浸料难以合理利用，造成一定的浪费。

　　结构铺层时必须对预浸料的方向进行控制。以往，对于复杂型面，通过操作工人来定位，受操作工人本身素质、水平、情绪及环境影响较大，铺层质量呈现一定的分散性，从而使产品的性能呈现一定的分散性。

　　3 需关注的问题

　　3.1 通过自动下料机下料并自动标示不同铺层的位置、方向，解决铺层过程中错料问题。

　　3.2 通过引进激光定位仪，开发定位模型转换和生成工具，在结构铺层中明确标示不同结构层每块预浸料铺层铺贴的位置与方向，使操作工人只需根据激光定位系统投影出的标示进行铺贴，因而实际铺层与工艺设计铺层基本一致，使天线罩的外形尺寸、电性能和力学性能基本与仿真分析和计算结果吻合，可减少性能的离散性。

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