碳纤维复合材料具有高强度、耐疲劳、耐腐蚀、成型工艺好、设计能力强等优点。由于其优良的性能，它已成为军事、航空航天和航空航天领域不可替代的重要战略材料^[1]。当前的复合材料在一个蓬勃发展的新阶段中，其突出的特点应用于各个领域的开发，应用的规模越来越大，推动设计、制造工艺和设备以及各种原材料达到了相应的水平。

复合材料纤维铺放成型技术(Fiber placement) 是自动铺丝束成型技术(Automated tow placement) 和自动窄带铺放成型技术(Automated tap place— ment)的统称，是20世纪70年代作为对纤维缠绕和 自动铺带技术的改革而发展起来的全自动复合材料 加工技术，也是近年来发展最快、效率最高的低成本 复合材料自动化成型制造技术之一^[2，3]。该技术于上世纪70年代被提出，研究工作由美国Boeing公司和Hercules公司发起，后由专业数控设备制造商进一步完善^[4]。纤维铺放是将一组各自独立的纤维束并列的铺放在芯模上。一般在铺放机上有一个纱架，架上装有多卷预浸纤维束，每股纤维束被送往铺放头的速率都是单独控制的。铺放头内设置一套装置可以单独控制每一股纤维的铺放。对于送入的多股平行纤维束，铺放头把它们牵引到芯模表面，同时，铺放头上的压紧辊把所有的纱线紧紧地压在芯模上形成纤维带。铺放头还附有剪切和加纱装置，它可以任意剪断或从新输送某一股或多股纤维束^[5]。

复合材料纤维铺放成型技术是最近发展起来的复合材料自动化成型制造技术之一。该技术于上世纪70年代被提出，研究工作由美国Boeing公司和Hercules公司发起，后由专业数控设备制造商进一步完善。^[6]利用碳纤维等复合材料制成的网格筋结构，大大减轻了零件的重量，提高了零件各方面的性能，降低了复合材料的用量，从而节约了生产成本^[7]。

几年前，在商用飞机领域，波音和空客使用复合材料的比重都相当低，只有很少比例的商用喷气飞机零部件采用复合材料制造。然而，波音787的启动标志着一个新时代的开始。波音大量采用复合材料制造飞机，铝不再是用来制造飞机的主要材料，而几乎成了飞机制造过程中的边缘材料。值得一提的是787之后的空客350，这种机型虽然尺寸略小，但几乎完全采用碳纤维制造。除此之外，空客和波音还都考虑到了他们的最畅销产品，即波音737和空客320的更新换代产品。这两种换代产品很有可能采用垒复合材料制造^[8]。

铺设纤维带的过程是首先将预浸渍的胶带带到铺面。将压紧辊压紧送到铺放表面的纤维带，因为是预浸渍胶带的加热，使纤维带在压紧后，粘在模具上的模具或表面上。通过机器机身的运动，可以将纤维置于头部和模具的桌面上，以产生相对运动，从而使纤维带根据需要在模具上铺设。当完成一次铺放后把纤维带剪断。通过机身动作，把铺放头运动到预铺放位置。 再一次，加热的预浸渍磁带被发送到铺设表面，然后被压缩辊压缩。这就完成了循环^[9]。自动铺带过程的实现主要是依靠铺放头，铺放头是自动铺带技术^[10]。

中国启动的大飞机项目中明确规定要大量使用纤维复合材料^[11]，因此飞机复合材料零件的“低 成 本”制造成为亟待解决的问题^[12]。纤维铺放成型技术过程的实现主要是依靠铺放头，铺放头是自动铺带核心技术^[13]。

欧美发达国家于20世纪70年代就开始 研究它，已经取得了很大的进展，并开发出了多种纤维铺放机．由于只有少数发达国家掌握技术的核心，我 国纤维铺放技术及设备目前基本尚属空白，所以为了满足许多行业制造方面的需要，研发具有我国自主知 识产权的纤维铺放技术及设备成为必须解决的问题^[14]。

随着复合材米斗在航空航天领域的应用的推广，并且随着飞机等大型整体构件数量和尺寸也不断提高，复合材料自动铺放技术的应用迅速发展起来^[15]。迄今为止,我国的纤维铺放成型技术和国外比起来还很落后,因内还是主要以手工铺层的方式来生产复杂的纤维铺放制品,这种落后的生产方式严重制约了我国大型航空构件制造技术的发展和提高。而且生产周期长、效率低下、材料利用率不高、铺层质量不稳定、费用高且难以铺放成型复杂的结构^[16] 。我国要发展自己的复合材料商技术，必须立足于自己研制开发先进的制造工艺及其装备。经过二十多年的追赶，我们在纤维缠绕设备方面取得了长足进步，但在铺放技术领域发展才刚刚起步。

2. 研究的基本内容与方案

复合材料的纤维铺设技术是一种具有高可靠性、高实用性、快速发展的技术，正在迅速发展。与传统手工铺设相比，在节约成本、提高效率、保证质量稳定方面具有明显的效果。同时，为航空航天等先进机械的生产和制造，对推进光纤铺放技术的发展具有重要的意义。铺放头的结构设计在精度和相关性能方面起着重要的作用。铺放机在现代碳纤维制品或纤维强化制品中有着广泛应用。其核心元件铺放头决定了整机性能。在纤维铺放系统包含的运动中铺放头机构对连续纤维(预浸纱)要实现引出、导纱、重送、剪切、夹紧、加热、施压等功能，因此该机构由加料装置、加热装置、加压装置、剪切装置、重送装置等组成。各本项目研究铺放头原理，设计其工作流程，达到小型化轻量化多功能的目的。

通过对铺放头结构的设计可以达到本项目的研究目的，具体研究方案为：