复合材料因其优异的综合力学性能在航空航天等领域应用广泛,人工铺放复合材料费时费力且铺放质量难以得到保证,复合材料自动铺放技术包括自动铺带、自动铺丝和自动铺布,可提高铺放效率与铺放质量,是复合材料构件成型过程的关键技术。本文以小曲率航空航天复合材料构件为对象,设计自动铺带机器人,该机器人由六轴机械臂搭载自主研发的铺带头。本文搭建了铺带头控制系统,研究并实现铺带头内部输带工艺参数的控制以及平面和曲面的的复合材料自动铺带。本文在分析国内外复合材料自动铺带机器人的研究现状、复合材料自动铺带工艺流程的基础上,明确自动铺带机器人的功能需求,提出总体技术方案。完成的主要工作有:(1)自动铺带机器人及控制系统设计。首先采用模块化设计思路,设计复合材料自动铺带机器人的核心部件铺带头,分别完成铺带头收放卷装置、主压实装置、辅压实装置、超声切割装置、加热装置和限位导向装置,形成铺带头样机;然后,进行铺带控制系统设计,包括六轴机械臂的铺带运动控制和I/O控制、铺带头控制器的硬件选型和通信流程设计、上位机软件设计三个方面。(2)输带工艺参数控制。输带系统是铺带头的核心,主要铺带工艺参数有输带速度和输带张力。首先建立输带系统的动力学模型,即收卷与放卷电机转矩为输入、输带速度与张力为输出的双输入双输出交叉耦合非线性系统模型;针对该系统的耦合非线性特点,采用融合PI控制与解耦控制的控制策略,实现输带速度和输带张力的解耦控制;最后,分别在Matlab/Simulink仿真环境和物理样机上进行实验,结果表明:解耦控制下输带速度和张力的均方根误差(RMSE)分别为0.0085m/s和0.5931N,相较于未加入解耦控制,相对均方根误差(RRMSE)分别为47.9%和36.2%,验证了控制策略的有效性。(3)复合材料铺带试验研究。首先分析复合材料成型过程工艺,以及缺陷形成机理;设计并完成平面多角度铺带和曲面多角度铺带试验,通过分析铺层的切口状态、孔隙率、拼接间隙和搭接缺陷,评价铺带质量:铺层平整无明显孔隙,最大拼接间隙小于0.762mm,且无搭接缺陷,满足使用要求。本文的研究有助于中国复合材料自动铺放装备技术的发展,设计的复合材料自动铺带机器人稳定性强且曲面适应性好。