与热固性复合材料相比,热塑性复合材料具有成型工艺简单、可焊接、易于回收、制造成本低等突出优点,在航空、交通、体育等领域具有广阔的应用前景。通过近30年的探索,国外对于热塑性复合材料铺放技术的研究已经比较深入,多个研究机构和企业已研制出高性能的铺放设备。为跟进国外在该领域的研究,提高我国航空复合材料构件的制造水平,研发具有自主知识产权的热塑性复合材料铺放设备和相关工艺是十分有必要的。首先,本文以热塑性复合材料的“原位固化”为目标,设计了针对热塑性预浸带的铺放头,包括张力控制、夹紧、重送、剪断、加热、施压共6个机构。最终完成的铺放头最短铺放距离为132.07mm,可以铺放GF/PP、CF/PEEK等多种热塑性预浸带。其次,建立了铺放过程的有限状态机模型,采用状态切换的控制方法实现了铺放头与机器人的协调控制。利用机器人的开发接口计算铺放速度,实现了重送电机的跟随控制,解决了变速铺放重送困难的问题。利用跳滚反馈位移,使用微分先行PID算法实现了张力的闭环控制。铺放测试结果表明设备的重送误差为±1.5mm,剪断误差为±0.1mm。然后,选择加热温度、铺放速度、结合压力作为实验因素,设计了3因素3水平的正交实验,使用机器人铺放设备铺放了9组GF/PP层合板试件,并使用真空袋辅助成型工艺制备了对比试件。最后,对不同工艺制备的试样进行显微观察,得到了铺放工艺和真空袋辅助成型工艺制备试样外观差异的微观解释。使用极差分析法和响应面法分析了弯曲强度测试结果,建立了主要因素——加热温度和铺放速度,与试样弯曲强度的函数关系,进而得到了优化工艺参数组合。验证实验表明,使用优化工艺参数铺放的试件弯曲强度达到了真空袋辅助成型工艺的95.12%,并且表面质量良好。