AFP/ATL软件不仅有助于消除试运行操作和代价高昂的错误，还开始通过数字线程的互连性使整个产品生命周期受益。

数字价值

随着数百万美元的机器制造数百万美元的组件，如复合材料机身，编程和模拟在AFP/ATL 操作中发挥着重要作用。早期进入者CGTech于2005年开发了第一个独立于机器的程序VERICUT Composites 软件。

优化运营

在确保满足设计要求的同时最大限度地提高效率，Autodesk的TruFIBER软件优化了操作参数，并为AFP/ATL制造生成了NC代码。

导航曲线

MikroPlace和其他AFP/ATL软件包逐层数字化构建AFP程序，分析纤维路径，以有效地穿过曲面，同时放置具有可接受纤维方向、重叠和间隙的材料。

光纤路径分析

AFP/ATL软件包包括纤维取向的分析，当上篮头通过曲面和复杂几何形状时，纤维取向偏离了理想。Autodesk TruPLAN软件在此处用红色表示偏差超过制造公差的区域。

模拟不同的机器

NCSIMUL软件首先应用于细丝缠绕，然后应用于AFP/ATL模拟，而其他软件提供商在开始使用AFP/ATL后扩大了其复合材料制造产品组合。

为多台机器编程

AFP/ATL软件不断发展，并添加了与AFP/ATL硬件保持同步的功能。例如，MikroPlace4.0 版支持多台机器或机器人在同一项目的不同方面工作。

“设计往往被抛到制造业的九霄云外。”Autodesk（美国加利福尼亚州圣拉斐尔市）制造和生产行业战略及业务发展总监Robert Yancey 巧妙地总结了一种常见但不受欢迎的情况，他接着谈到了他的公司正投入大量资源的“设计和制造的融合”。这些努力是构建数字线程的关键要素，数字线程旨在提供通信框架，最终将连接产品生命周期中的功能。

被称为“智能制造”、“工业物联网（IIoT- Industrial Internet of Things）”或“工业 4.0”，当今制造业运营的数字化在许多领域都在顺利进行。在某些情况下，如位于德国安贝格的全自动化西门子（德国慕尼黑）Simatic 可编程逻辑控制器（PLC- programmable logic controller）工厂，或复合材料技术中心（CTC，Stade，Germany；Airbus Operations GmbH 的子公司），从近乎清洁的设计中有意实现了全面数字化。然而，更常见的是，制造商必须从现有运营逐步过渡到完全数字化的未来。

在自动纤维铺设（AFP）和自动胶带铺设（ATL）系统的情况下，复合材料制造的数字化落后于其他制造操作几步，这是有充分理由的。CGTech（美国加利福尼亚州欧文市）的复合材料产品经理Andre Colvin指出：“复合材料制造业与金属切削业截然不同，也不如金属切削业成熟。”他补充道，“机器制造商和用户都非常谨慎。他们希望在竞争中保持一切可能的优势。”

然而，AFP/ATL数字化在两个方面取得了明显的进 展。首先，独立于机器的软件不断成熟，使复合材料制 造商能够在不同的AFP/ATL品牌上使用相同的软件包。

这种成熟还意味着在软件包中开发对新的AFP/ATL或类似技术的支持。其次，软件开发人员正在努力实现数字线程，以便设计和制造中的不同功能组更直接、更高效地进行通信和交互。

 

AFP/ATL数字自动化件

为了优化AFP/ATL或类似系统的效率，制造商努力实现双重目标：（1）尽可能经常以最大进给速度运行机器，同时（2）通过在重复进行多次材料切割和添加的叠层区域或高轮廓区域放慢速度，最大限度地减少生产误差。在 2017 年 CGTech 白皮书《自动化复合材料路线图》中描述，这些目标正在推动机器本身的持续发展，从铺设材料的末端执行器到机器人和新型高速连续纤维预成型方法。然而，同样重要的是正在进行的软件开发，该软件使机器能够按照设计生产部件，或者提醒设计者所需的可制造性变化。

AFP/ATL制造软件由多个模块组成。机器控制软件——数字代码（NC- numerical code），最常见的“G代码”——指导机器的运动和操作设置。机器编程软件或路径规划软件通过后处理向控制器提供每个待构建组件的操作数据。该软件规定了材料放置的方向和位置。它旨在优化铺放头路径、进给速率和其他操作参数。仿真软件与机器编程协同工作，使生产运行的工程离线，并使制造商能够在屏幕上可视化生产。它通过处理后处理器生成的G代码来实现这一点。数字模拟取代了实际生产设备上的试运行，节省了大量时间和成本。Yancey说：“这些都是高价值的机器，铺设的材料很昂贵。”“因此，机器上任何不生产产品的活动都是昂贵的。”

十年前，“ CW-Composite World”报道了AFP/ATL控制、编程和模拟软件，即使在那时，这些产品也遵循了工业软件解决方案的熟悉路径。首先，新生产技术的发明者雇佣了一个内部软件开发团队（或紧密合作的软件开发合作伙伴）来创建适合正在开发的特定生产系统的机器控制程序。当其他公司创建类似的竞争技术时，他们也会生成专门为每个系统设计的专有软件。随着编程和控制软件的建立，机器制造商希望减轻客户对机器本身进行干式测试的需求，因此创建了模拟软件，以实现机器程序的离线测试和验证。

 

机器独立性

 

AFP/ATL软件的基本目标是从CAD 系统中读取复合材料零件的设计数据，然后为自动铺放创建和模拟数控程序。从 CAD 到成功的 NC 程序是一个迭代的多步骤过程。当然，甚至在 CAD 文件首次发送到制造软件之前，设计中通常会出现多个步骤，包括层压板和帘布层的设计、分析和模拟。接下来，使用 CAD 数据设计工具表面，生成与零件信息一样对叠层的至关重要的信息。机器编程导入零件和刀具信息并创建 NC 路径。在这一点上会发生一些迭代：满足材料和 AFP/ATL 工艺要求的路径会反馈给 CAD 程序，以确保设计能够产生。该过程考虑了材料转向极限、工具曲率、重叠和间隙以及最小牵引长度等因素。

一旦机器编程和设计修改达到令人满意的结果，后处理器就会生成特定于所使用的 AFP/ATL 机器的代码。科尔文指出：“在创建这些零件程序的每一步中，都有可 能出现错误。”“如果有丢失的丝束或材料放置在您预 期之外的其他地方，则必须报废部件的成本非常高。”因 此，接下来将使用NC代码通过制造模拟程序模拟铺放 过程。这是另一个迭代点，在这里可以验证过程，检测 问题，并可以再次调整和模拟机器编程，直到对NC程序的最终版本有很高的置信度，最终将其发送到机器。随着提供类似生产技术的公司数量的增长，原始设备制 造商和其他大型制造商不希望他们的工程团队必须从 一台机器到另一台机器学习和维护多个软件包，因此对 机器独立软件的需求也在增长。这就是CGTech最初参与AFP/ATL软件开发的方式。2004 年，当波音公司（美国伊利诺伊州芝加哥）为787梦想客机的主要部件实施 AFP 技术时，很明显，波音内部团队及其层级供应商将采用多种AFP/ATL机型。因此，CGTech开发软件的方式使其能够与任何AFP/ATL系统协同工作。

2005年发布的VERICUT AFP/ATL满足了波音公司的要求，因为它成功地对 Electroimpact 公司（美国华盛顿州穆基尔特奥）的AFP机器进行了编程和模拟，但可以定制为与其他系统一起工作。不久之后，该公司发布了带有两个模块的 VERICUT 复合材料应用程序：VERICUT组合编程（VCP- VERICUT Composite Programming）和VERICUT合成模拟（VCS- VERICUT Composite Simulation）。VCP 读取 CAD 表面和帘布层边界信息，并根据用户指定的制造标准和要求创建纤维放置路径以填充帘布层。叠层路径链接在一起以形成特定的叠层序列，并作为AFP机器的NC程序输出。

VCS 读取铺放工具和夹具的CAD模型，并直接从NC程序文件中模拟铺放顺序。在 VERICUT 的虚拟数控仿真环境中，通过数控程序指令将丝束材料应用于叠层形式。应用于模具的模拟材料可以进行测量和检查，以确保NC程序符合制造标准和要求。可以自动创建显示模拟结果和统计信息的报告。

正如VERICUT复合材料应用程序系列设计用于任何 AFP/ATL机器一样，VCS 也可以直接从 VCP 或其他复合材料叠层路径生成离线编程应用程序进行模拟。

在开发复合材料制造软件之前，CGTech通过其 VERICUT 金属加工软件建立了自己的声誉，波音公司自 1989 年以来一直是该软件的客户。另一家公司， NCSIMUL 软件制造商，现为 Hexagon Manufacturing Intelligence Division（美国马萨诸塞州波士顿）所有，也在 CNC 加工软件的基础上开发了其复合材料制造包。NCSIMUL Composites 创建于 2014 年，专注于 AFP/ATL（以及细丝缠绕）编程中的模拟功能，包括 NC 程序分析、材料叠层模拟和结果分析。

在一位客户要求提供模拟线缠绕的能力后， NCSIMUL 增加了复合材料制造模拟。该公司抓住机遇，将计划扩展到包括复合材料丝束叠层在内，从数控加工转向添加工艺。Hexagon 生产软件业务总经理 Silvère Proisy 解释道：“这两种技术相似，只是纤维必须被视为矩形（即占宽度）。”“挑战在于了解如何沉积材料，而不是将其带走。我们需要了解很多关于放置头使用的技术。”

然而，并不是所有的复合材料制造软件都是从金属加工开始的。TruComposites 软件工具套件不是在CNC软件基础上工作，而是从刀具嵌套和激光投影软件扩展到自动化复合材料制造。该套件由 Magestic Systems（美国新泽西州韦斯特伍德）创建，现在归 Autodesk 所有，包括AFP/ATL相关模块：TruPLAN 分析和优化软件，其中包括用于AFP/ATL应用程序的光纤路径生成；以及TruFIBER，其优化 AFP/ATL 操作参数并生成用于制造的NC代码。

在 2009 年“CW-Composite World”专题报道时，Makidea（马其顿普里勒普）正在测试其 MikroPlace 软件包，该软件包是为与姊妹公司 Mikrosam（马其顿普里勒普）当时的新AFP 机器一起使用而编写的。MikroPlace从一开始就采用模块化结构，因此可以容纳其他 AFP 和 ATL。MikroPlace 4.0 版现在由 Mikrosam 提供，支持纤维缠绕和3D打印以及AFP/ATL，还支持多台机器或机器人在同一项目的不同方面工作。

这些生产软件开发人员强调了机器独立软件的优势，指出金属切削行业经历了类似的转变，从机床制造商创建的软件转向单独开发的软件。Yancey 回忆道：“Magestic 意识到，需要在多台机器上使用更复杂的路径规划。我们的系统考虑了影响速度和质量的不同搁置策略。这涉及到权衡，我们可以考虑设计并确定最适合这项工作的机器。”

Colvin 同意，制造商可以自由选择特定零件、零件系列或制造工艺的最佳机器，而无需在每个品牌的机器的工程流程中引入不同的软件。他补充道，“当软件与机器分离并应用于各种应用时，软件会提高整个制造过程的效率和灵活性。”

当然，一些 AFP/ATL制造商保留了他们的专有软件。Automated Dynamics（美国纽约州尼斯卡尤纳）是 选择在内部进行软件开发的几家 AFP/ATL 制造商之一。该公司的 FPM（Fiber Placement Manager）支持 AFP 构 建的复合结构的规划、开发和模拟，FPS（Fiber Placement Software）自动化机器控制是基于 Windows 的程序，为专有套件提供了易用性。机器制造商开发的专有软件的 一个优点是，所有故障排除都由一个供应商负责。有趣 的是，在金属加工领域也存在着同样的哲学分歧：大久马（日本东京）选择为其机床中心构建和维护自己的控 制器和机床编程软件。

无论是专有的还是独立于机器的，AFP/ATL 软件都已准备好与其他软件系统进行更充分的集成，以实现完整的数字线程。

 

功能数据集成

在 AFP/ATL 操作中构建数字线程不仅需要集成制造软件模块，还需要集成整个产品生命周期，从设计到每个组件的制造和检查，最终到最终产品生命周期的组装和 MRO- maintenance, repair and overhau（l 维护、修理和大修）操作。这种集成的主要挑战是智能制造社区所说的“传统上孤立的”功能。也就是说，设计功能是与制造功能分开开发和发展的，因此将信息从一个功能移动到另一个功能绝非自动。一个功能齐全的数字线程将消除功能之间的通信障碍，使应用程序开发成为一个更加精简的过程。

然而，有两个因素使复合材料部件的制造比金属、塑料和其他材料的制造更难实现互连。首先，AFP/ATL仍然是一项相对年轻的技术。对于独立于机器的AFP/ATL 软件来说，15年的开发时间听起来可能很长，但与20世纪70年代推出的用于金属加工操作的CNC软件相比，这听起来并不长。此外，AFP/ATL硬件仍在不断发展，并进行了大量定制，Colvin 指出。“为了取得成功，公司通常需要对机器进行定制，以适应他们的零件和工艺-每台机器都有定制的东西。每个人的工艺都是不同的：不同的滚筒、单独的压实（ debulk） 等等。”AFP/ATL软件设计师必须继续专注于支持核心、通用功能，并适应不断发展的机器定制，也许比与其他系统集成更重要。

其次，由于复合材料的各向异性和非均匀性，复合材料设计和制造中相对较多的变量导致了比使用金属和其他各向同性、同质材料制造更多的功能零件。科尔文说：“对于金属切削，只要零件与最终设计相匹配，你是如何到达那里的并不重要，但复合材料编程中的不同程序将导致完全不同的零件。”

在设计制造周期中，显然需要在功能之间进行通信。Yancey问道：“如果我做出改变来帮助制造，这对设计有什么影响？”他强调了必须在两个方向上都可移植的数据类型。

软件提供商正在为此努力工作。Yancey继续说道：“我们正在更好地展示可以制造的产品，并回去确保它符合设计规范。”。“例如，这使我们能够减少过度设计，以考虑搭接和间隙，并制造重量更轻的复合材料结构。” Yancey特别提到了 Autodesk推出的Fusion 360，这是一个连接设计和制造工作流的基于云的通用数据环境。最初，Fusion 360 支持制造业的数控加工，“但增材制造是下一个需要解决的问题， ”Yancey 说。这包括 AFP/ATL 编程以及 3D 打印软件。Autodesk 目前正在开发的是 Fusion Production，这是一种额外的产品，将使制造商能够规划、 监控和优化生产性能。Fusion Production 创建了制造过程的数字视图，从调度和调度工作到跟踪和分析生产和工业物联网（IIoT-- Industrial Internet of Things）数据。

同样，CGTech与西门子PLM软件公司（美国得克萨斯州普莱诺）合作，将 VERICUT 与西门子Teamcenter数字生命周期管理软件集成。据这些公司称，这种集成使CGTech 用户能够与旨在增强产品开发决策和生产更好产品的技术无缝互动。按照 Fusion 360 的历史趋势， VERICUT金属切割软件目前正在与 Teamcenter 集成；CGTech 报告称， VERICUT Composites软件尚未与Teamcenter 集成。

最终，智能制造的目标是完全关闭设计-制造循环。Yancey 说：“今天有很多传感器数据主要用于识别问题，以便在过程的早期进行纠正。”“数据就在那里，我认为我们可以用它做更多的事情，这样我们就可以改进，而不是一开始就引入缺陷。”

Yancey不仅期望设计和制造之间的融合，而且期望制造方法的融合。“如果我们有一个机器人切割材料，我们能从中学到什么，并将其应用于机器人铺设材料？”他预见到混合工作流程和更大的能力来研究不同制造方法的权衡。“CW-Composite World”采访的所有机器独立软件开发人员都报告了对新制造方法的关注，尤其是机器人技术，以及为每种制造方法带来最佳性能的混合制造方法的机会。

注：原文见《Smarter, integrated data for ATL/AFP》2019.5.1

杨超凡 2023.6.24