基于RTM工藝航天大型異形回轉體防隔熱構件自動合模成型裝備開發

Abstract：In the manufacturing process of resin transfer molding（RTM）technologyforlarge aerospace irrgular rotating bodyanti thermal insulationcomponents，the problems of low molding acuracy，por sealing，and low molding effciency seriouslyrestrict their high-quality production.Therefore，thispaper developsanautomaticmolding equipment basedon RTMtechnology.Inresponsetothedificulties inthe processof moldforming，research hasbeenconductedonhigh-precisionmoldforming rotaryworktableandspecializedmold formingroboticarm.Combinedwithoptimized moldformingprocess anddetectiontechnology，thetechnicalbotleneckofautomaticmoldformingofaerospacelargeirregularrotatingbodiescontaining complex surfaces hasbeen overcome.The experiment shows thatthe precision of the equipments mold forming can reach ±0.10mm ， which meets the requirements of mold forming precision for aerospace large -scale irregular rotating body anti insulation components，and provides a practical andfeasible solution forthe productionand manufacturing of suchcomponents.

Keywords：composite materials；RTM process； irrgular rotating body；automatic clamping equipment.

1引言

航天大型防隔熱構件作為航天器熱防護系統的核心部件，其性能直接決定了航天器在極端環境下的可靠性與安全性[1]。此類構件需承受劇烈溫度變化、高速氣流沖刷及空間碎片撞擊等復雜載荷，其重要性隨航天任務復雜度提升愈發顯著[2]。隨著航天技術向高性能、高可靠性方向發展，對大型防隔熱構件的需求持續增長[3]

RTM工藝是從濕法鋪層和注塑工藝演變而來的復合材料成型工藝。在一定溫度和壓力下，將低粘度樹脂注人密閉模腔浸潤纖維增強材料織物，然后固化成型[4]。憑借其在復雜構件成型方面的獨特優勢，成為航天復合材料防隔熱構件制造的主流技術[5]，也是目前航空航天先進復合材料的發展方向之一[6]。在航天防隔熱大型構件采用RTM工藝成型過程中，傳統人工合模成型方式存在顯著技術瓶頸：其一，陰模單體質量常超過1T，人工搬運與定位效率低且難以保證裝配精度；其二，人工操作易導致模具配合面間隙不均，引發樹脂滲漏或纖維預成型體壓縮不足，進而降低構件的力學性能與防隔熱效果[7]。在RTM工藝生產過程中，合模成型環節的精度與自動化程度對產品質量和生產效率起著決定性作用，研發具備自動化控制功能且能夠實現高精度合模成型的裝備，已成為突破技術壁壘、推動RTM生產技術廣泛應用的關鍵所在。本文研發的自動合模成型裝備集多軸運動控制、高精度檢測等技術，實現模具自動定位、抓取、搬運、裝配等操作，有效提高了合模成型效率，提升了工藝過程的穩定性。試驗表明，相較于傳統人工操作，該技術可縮短合模周期 80% 以上，顯著降低人為操作誤差導致的廢品率，并規避重型模具搬運過程中存在的多種安全風險。

2智能合模成型裝備設計

目前，在實際生產中，超重、超大、異形回轉體陰模與陽模的合模過程主要依賴人工操作，操作人員必須借助吊車等起重設備輔助完成作業，因缺乏精確的定位手段，模具很難達到必要的定位精度。此外，受人為操作經驗差異與吊裝設備慣性影響，需經歷多次試裝、調整方能滿足合模成型要求，單次合模耗時往往長達數小時，不僅嚴重制約生產效率，且存在重物墜落、擠壓碰撞等安全和質量隱患。本文研發的自動合模成型裝備采用模塊化集成設計，由旋轉合模工作臺、多自由度專用合模機械手、伺服驅動的自動擰緊系統及在線檢測系統構成。其中，旋轉合模成型工作臺通過伺服電機驅動實現 360^° 高精度回轉，專用合模成型機械手集成抓取、搬運、升降等多種功能；在線檢測系統實現抓取定位、裝配間隙/形位公差的在線檢測。該裝備的結構布局如圖1所示，各子系統通過工業以太網實現信號交互與操作協同控制。

圖1合模裝備總體布局示意圖

2.1旋轉合模成型工作臺

2.1. 1 旋轉合模成型工作臺設計

旋轉合模成型工作臺作為自動合模成型裝備的核心執行部件，其設計需滿足重載承載與高精度運動的雙重需求。該工作臺主要由旋轉定位機構與推模機構組成，通過二者協同動作實現模具的精準定位與高效合模成型操作。工作臺中心配置高剛性回轉支承，可實現 ±15 \"的回轉定位精度，有效抑制旋轉過程中的徑向跳動與軸向竄動，為陰模合模操作提供精確且穩定的運動基準。驅動系統采用伺服電機與精密減速機，通過閉環控制算法實現速度與位置的精確調節，滿足重載陽模在 0.1-20r/min 轉速范圍內的平穩旋轉需求。

2.1. 2 旋轉定位機構

在安裝每一塊陰模時，需要準確控制陽模在工作臺上旋轉到指定的位置。預先設置好每塊陰模合模裝配時陽模所需旋轉的角度值，當進行某一塊陰模裝配時，根據預設的角度值控制工作臺旋轉。在旋轉過程中，旋轉編碼器實時反饋工作臺的旋轉角度，當角度達到預設值時，伺服電機停止轉動，此時陽模理論上處于該陰模設定的裝配位置。為消除因機械振動、外力擾動等因素導致的定位誤差，系統集成了機械定位鎖緊機構。該機構采用楔形卡緊結構設計，陽模到位后，通過氣缸將定位銷插入到旋轉部件的定位槽，形成剛性約束，將旋轉自由度限制在 0.05^° 角度精度范圍內。“伺服控制 + 機械鎖緊”的雙重保障機制，有效規避了裝配過程中的位置偏移風險，確保陰模與陽模的配合精度，其結構設計如圖2所示。

圖2旋轉定位機構結構圖

2.1.3 陰模的模塊化設計

陰模的結構對合模成型裝備的整體技術方案具有決定性作用。大型異形回轉體的陰模常采用可拆卸模塊化設計，這種設計旨在應對異形回轉體復雜幾何結構特征帶來的對制造難度的挑戰，同時兼顧模具裝配、調整與維護的便利。陰模一般由多個可拆卸模塊構成，常見的如東、南、西、北四向分塊以及頂部模塊。這種分塊結構有效化解了大型構件整體成型時面臨的工藝瓶頸。通過模塊化設計，將原本復雜的整體模具拆解為多個相對簡單的部分，降低了模具制造難度，提高了制造精度的可控性。同時，各模塊的獨立制造與裝配，便于針對不同模塊的特點進行優化設計和加工，提升了模具的整體性能。各模塊結合面設計有高精度定位槽與導向機構，可將合模時的尺寸誤差嚴格控制在 ±0.15mm 以內。除了滿足型腔的精度要求外，在陰模合理的位置設計專門的抓取基準，用于配合專用合模成型機械手對陰模的抓取。同時，在陰模外部加工明顯的定位凹槽，便于該模塊的檢測定位。通過定位標識與機器視覺的有機結合，構建具有高魯棒性的合模精度檢測系統。

2.1.4推模合模成型機構

本文設計的合模成型裝備，其陰模采用前述的模塊化結構設計，由東、南、西、北四個方向的分塊模塊以及頂部模塊構成。四個側部分塊模塊主要負責產品側壁成型，頂部模塊則承擔產品頂面成型與合模定位功能，頂部設置高精度定位銷孔與設備基座對接，確保合模精度。針對4塊陰模的合模方向，工作臺上設計了4套推模機構。推模機構主要由直線模組、伺服驅動電機和推模力臂構成。直線模組作為運動導向部件，具備高精度線性運動特性，能夠確保在推模過程中運動的直線度與穩定性，為陰模的精確推送提供可靠的機械支撐。伺服電機作為動力源，通過高精度編碼器實現位置和速度的精確反饋控制，具備高扭矩輸出和快速響應能力，可提供穩定且可控的驅動力矩，以滿足不同工況下對推模的動力需求。推模力臂作為力的傳遞部件，經過優化的力學結構設計，具備良好的剛度和強度，能夠在傳遞動力的同時減少變形，確保力的傳遞效率和準確性。在工作過程中，伺服驅動電機根據預設的參數（如速度、位移等）驅動直線模組做直線運動，直線模組帶動推模力臂推動陰模沿預定方向運動，實現精確的推模與合模成型操作。通過這種設計，4套推模機構既能獨立運動，又能相互協同，為陰模的高效、精確裝配提供可靠保障，其結構如圖3所示。

2.2專用合模成型機械手

2.2.1專用合模成型機械手設計

專用合模成型機械手集成多自由度，實現陰模從緩存區抓取、提升、搬運、位姿調整、精確裝配的全流程自動化操作。其結構設計包含抓取、升降、行走及旋轉四大核心機構，如圖4所示。

圖3推模合模成型機構

圖4專用合模成型機械手結構設計

抓取機構采用浮動式設計，以緩沖抓取瞬間的機械沖擊，確保陰模在抓取過程中的穩定性。手爪部分采用“V”字形自動對中結構，配合上方平面壓緊裝置，有效抑制陰模在抓取及搬運過程中的旋轉運動。同時，引入螺旋角自鎖及氣動插銷固定雙重防松機制，確保陰模在轉運過程中的安全性；升降機構采用雙螺旋輪式升降機左右對稱布局，通過同步驅動提供穩定的升降力，有效應對偏載工況，提升系統整體穩定性與安全性；行走機構配備側向導軌，采用輪式伺服電機直驅方案，精確控制機械手的線性運動，防止設備在運行過程中產生側向滑移，保證運動軌跡的準確性；旋轉機構基于軸系結構設計，采用圓錐滾子軸承作為支撐部件，由下方伺服電機直接驅動，實現陰模在裝配前的精確角度調整，滿足復雜裝配工況對位姿精度的嚴苛要求。

2.2.2 抓取點檢測定位機構

專用合模機械手的精準抓取對提升生產效率與質量至關重要。在針對陰模的抓取作業中，專用合模機械手通過其末端“V”字型手爪對陰模實施抓取操作。陰模表面預設的抓取點作為關鍵定位基準，為機械手提供了抓取著力點。本文搭建了基于二維激光傳感器的抓取點檢測系統，如圖5所示。二維激光傳感器對陰模外表面進行全方位掃描，獲取其表面輪廓數據并生成高精度點云模型，通過對點云數據分析，準確確定抓取點在空間中的具體位置。專用合模成型機械手通過精確規劃運動路徑，實現對陰模的精準、高效抓取。

圖5抓取點激光檢測系統

2.3陰模裝配工藝與定位控制

2.3.1 單塊陰模抓取與裝配順序研究

在模具設計階段，需充分考慮單塊陰模的抓取和多塊模具的裝配順序，以避免結構干涉。本文通過建立三維模型模擬裝配過程，確定陰模在裝配運動軌跡中的空間位置關系，識別并解決潛在的干涉點；合模成型過程中需控制裝配的順序和精確規劃裝配路徑，防止密封條的損壞，進而影響陰模的密封性能。

2.3.2 自動合模成型策略

人工合模成型受人為因素影響較大，難以保證每次合模成型的精度和一致性。通過對比分析，明確自動合模裝備在精度、效率和穩定性控制方面的優勢，為優化自動合模策略提供依據。在自動合模成型策略中，綜合考慮陰模的幾何形狀、重量分布以及合模成型的要求，設計合理的合模成型路徑和合模成型速度曲線。利用傳感器實時監測陰模的位置、姿態和受力情況，動態調整合模成型參數，確保合模成型過程的平穩和準確。同時，結合自動合模成型裝備在使用大量的工程應用數據，不斷優化合模成型策略，提高合模成型的成功率。

2.3.3 陰模預合模成型工藝

在預合模成型作業中，陰模與陽模的相對運動以及預制體自身的松軟特性，極易引發壓縮褶皺缺陷，進而對構件的質量與性能產生不利的影響。通過優化預合模成型工藝參數，如精準調控合模成型速度與預合模時間，并與模具的特殊結構設計相結合，有效降低預制體在預合模成型過程中的變形量，抑制褶皺產生。具體而言，合模成型速度的合理設置可避免預制體因受力沖擊過大而變形；預合模成型時間的精確控制則確保預制體在適宜的受力狀態下完成預成型。與傳統人工預合模成型方式相比，陰模預合模成型自動工藝展現出顯著優勢。陰模預合模成型自動工藝憑借精確的參數控制與實時監測技術，能夠實現預制體預合模成型過程的標準化生產，顯著提升合模成型過程的質量一致性，降低廢品率，為批量化制造提供可靠保障。

2.3.4 合模定位檢測

如前文所述，模具在模塊化設計中已設計了凹槽定位標識，并確保定位標識與模具本體輪廓形成顯著光學差異。通過控制模具和凹槽表面的粗糙度、色彩對比度等參數，提升定位標識在復雜工業環境下的視覺辨識度，為機器視覺檢測提供穩定的

特征識別對象。

綜合考慮檢測視場覆蓋范圍、空間分辨率及測量精度等參數，在設備關鍵位置安裝工業級機器視覺傳感器。實時采集4塊陰模表面定位標識的視覺圖像，經圖像去噪、邊緣檢測、特征匹配等算法處理[8-10]，獲取定位標識的空間坐標。將實測坐標與設計基準進行三維空間配準，計算每塊陰模的位置與姿態，進而量化評估合模成型精度。控制系統根據檢測結果，驅動執行機構對模具位姿進行調整，實現合模成型精度的實時補償。

3集成控制系統的開發

為實現自動合模成型裝備在復雜工業場景下的精準控制，本文構建了基于“工業 PC+PLC^′ ’的協同控制架構，如圖6所示。該控制系統采用分層式設計，工業PC作為上位機，承擔核心數據處理與人機交互功能，負責執行抓取點檢測、合模精度檢測等任務，支持參數配置、狀態監控與系統標定等操作，并通過工業以太網與下位機PLC進行數據通訊；PLC作為下位機，主要負責實時運動控制與設備協同，通過EtherCAT總線驅動伺服電機實現多軸運動，完成陰模抓取與合模成型相關的動作；同時，通過與擰緊機器人建立通訊，實現多設備間的協同作業。

在合模精度控制方面，工業PC通過機器視覺系統采集陰模定位標識的位置信息，結合預設模型進行偏差分析，實現合模精度檢測；PLC則通過激光傳感器實時獲取陰模位姿數據，經運動學解算生成控制指令，驅動伺服電機完成位姿調整。工業PC端人機交互界面（HMI）如圖7所示，支持用戶進行系統標定、參數下載及運行控制及狀態監控等功能，為操作人員提供直觀的操作接口。

圖6整體控制系統結構圖

圖7人機交互界面

4試驗驗證

為驗證陰模自動合模成型裝備的工程適用性，本研究以某典型航天大型異形回轉體防隔熱構件生產過程為應用案例。在完成4塊陰模基礎裝配后，通過頂部部署的機器視覺檢測系統對裝配質量進行量化評估，檢測結果顯示陰模間縫隙寬度均控制在0.10mm 以內，滿足航天防隔熱構件對密封性的工藝要求。待檢測4塊陰模合模精度滿足要求后，由合模成型機械手安裝頂部最后一塊陰模，從而完成全部合模成型工序。該工程實例表明，所研發的陰模自動合模成型裝備，實現了陰模自動高效精準裝配，顯著提升了裝配效率與精度，為航天防隔熱構件的標準化批量制造提供了可靠的技術保障。

5結語

本文成功開發出基于RTM工藝的自動合模成型裝備，集成了旋轉合模成型工作臺高精度運動控制、陽模空間位置定位、陰模高精度裝配控制及在線檢測等核心模塊，實現了噸級陰模的自動化裝配。

（1）解決了傳統人工合模成型存在的精度低、密封性差及效率低等問題，合模成型精度可達 ± 0.10mm ，滿足航天大型異形回轉體防隔熱構件的合模精度要求，顯著提升裝配效率與精度，降低廢品率。

（2）基于“工業 PC+PLC ”構建的協同控制架構，能有效實現裝備各項設計功能，提升裝備自動化水平與復雜任務處理能力，為工業自動化生產提供可靠技術方案。

（3）此裝備為航天大型異形回轉體防隔熱構件的批量化生產提供了切實可行的解決方案，具備顯著工程應用價值與推廣潛力。

參考文獻

[1］吳大方，林鷺勁，吳文軍，等． 1500^qC 極端高溫環境下高超聲速飛行器輕質隔熱材料熱/振聯合試驗［J]．航空學報，2020，41（7）：210-219.

[2]胡澤輝，李勇，還大軍，等．Z-pin增強防隔熱復合材料研究現狀及發展趨勢[J]．復合材料科學與工程，2024（9）：125-132.

[3］李亮，任智毅，王鵬，等．輕質樹脂基防隔熱一體化材料研究進展［J]．空天防御，2024，7（6）：58-75.

[4］王興忠，薄東海，馬吉川．基于RTM工藝的復合材料成型模具設計研究［J]．纖維復合材料，2021，38（3）：47-51.

［5］羅楚養，江晟達，陳夢熊，等．基于高溫樹脂傳遞模塑工藝的碳纖維/聚酰亞胺復合材料連接環制備與驗證［J]．航空學報，2021，42（7）：62-74.

[6］趙大鵬．RTM—三維編織技術的發展及應用［J]．纖維復合材料，2005，22（4）：50-52.

[7]趙川濤，賈志欣，劉立君，等．環氧樹脂/碳纖維復合材料模壓制品力學性能影響因素分析［J]．中國塑料，2024，38（2）：26-32.

[8］王元才，馮小輝，史卜凡，等．基于機器視覺的注塑件缺陷檢測系統研究[J].化工自動化及儀表，2024，51（1）：113-119.

[9］郝大鵬，丁琦．基于Prewitt算子的量子邊緣檢測算法［J]．西安航空學院學報，2019，37（3）：71-74.

［10]梁利利，高楠，李建軍．基于小波變換和均值濾波的圖像去噪方法[J].計算機與數字工程，2019，47（5）：1229-1232.