薄壁结构作为一种质量轻、材料利用率高、承载力强的空间结构,已广泛应用于航空、航天等产业。薄壁结构具有曲率复杂,尺寸参数多的结构特征,传统数控加工方法难以兼顾精度和成本,而碳纤维自动铺放型技术具备成型效率高,成本低,加工灵活等优点,可以很好地解决这一问题。目前碳纤维自动铺放技术,应用最广泛的是诸如风机叶片、飞机蒙皮等低曲率、大尺寸薄壁结构件,对于大曲率的小尺寸薄壁结构相关研究较少。故本文以碳纤维无人艇船艏结构件为对象,设计了可用于小尺寸薄壁结构的碳纤维铺放平台,并完成相关铺放软件、控制方案以及轨迹铺放算法的研究。主要研究内容如下:首先,完成面向薄壁结构碳纤维铺放系统的整体方案设计。按功能模块划分完成铺放头结构设计;采用拓扑优化方法对铺放头支撑件进行轻量化;完成机械臂的选型,并基于Matlab软件采用改进型D-H算法对铺放设备的可达空间进行分析;对铺放平台进行有限元校核;设计了用于薄壁结构碳纤维总体控制系统,并完成相关硬件的搭建;并完成铺放平台温度控制方案、丝束控制方案如气动、张力控制方案的设计。其次,为提高铺放效率和成型质量,且结构件不同曲率处对应的铺放温度也不同,故需对过程温度进行实时控制。结合红外加热的非线性特性,提出了一种模糊自适应滑模温控方案,并与其他常用非线性温控如模糊PID控制方案进行比较。使用Simulink进行温控模型仿真对比实验,确定模糊自适应滑模控制方法的温控性能优势,并对此控制方案的响应速度和鲁棒性进行校核。再次,为解决面向薄壁结构碳纤维铺放的路径规划问题,提出了一种基于拉普拉斯光顺的自然路径算法。算法通过薄壁曲面结构的离散化获得网格曲面,利用拉普拉斯法对网格进行光顺,采用自然路径法得到铺放轨迹,同时算法也考虑了铺放路径边界和铺层设计等问题,通过纤维路径辅助生成软件完成轨迹规划并与传统曲面网格法进行轨迹点对比,验证轨迹算法的合理性。最后,针对铺放平台构建数字化系统的需求,完成上位机交互界面设计,并进行相关模块设计,如纤维路径辅助生成软件的开发以及机器人与铺放头的联控设置;完成铺放平台样机的搭建,采用BP神经网络对铺放平台进行误差补偿;对薄壁曲面碳纤维铺放系统进行验证,并进行实物样机验证。