机器人纤维缠绕装备的研究进展

机器人纤维缠绕工艺是以传统缠绕技术为基础，将机器人融入到纤维缠绕设备中，以更高的精度和更高的效率完成制品成型。本文根据纤维缠绕芯模的配置情况，将机器人纤维缠绕技术分为三种类型，即有芯模纤维缠绕工艺、无芯模纤维缠绕工艺以及空间纤维缠绕工艺[11]。

对于芯模纤维缠绕工艺来说，可分为两种技术形式，一是通过机械臂牵引纤维，并缠绕在固定于机床旋转装置的芯模上,如图1（a）所示；一是通过机械臂旋转芯模，从线轴筒上牵引出纤维并缠绕在芯模上，如图1（b）所示。

无芯模纤维缠绕工艺最初是由斯图加特大学的计算设计研究所（ICD)和建筑结构与结构设计研究所（ITKE)提出，主要由工业机器人和预制框架构成主要设备。采用定制的钢框架（或脚手架）作为支撑，根据结构设计要求在钢框架（或脚手架)上布置锚点。机器人末端执行器牵引浸渍树脂的增强纤维，按照规划好缠绕现象铺放纤维，通过纤维在锚点之间移动和跨越，在锚点处形成缠绕节点，如图2所示，待固化后拆除框架（或脚手架），完成纤维缠绕工作[11]。 1.3 空间纤维缠绕工艺 空间纤维缠绕工艺基于无芯模纤维缠绕技术，增加了空间中的纤维缠绕，通过纤维之间交错形成缠绕节点，各纤维相互作用仅限于各纤维之间的表面接触。空间纤维缠绕扩展了缠绕节点的技术思想，不依赖于框架工装，纤维可以下在空间内实现自由移动，设备结合了机器人和可移动的龙门架的功能，龙门架上安装有附带锚点的刚性框架。适用于制造大跨度的空间框架结构部件[12]。 2 国内外机器人纤维缠绕装备的发展现状 工业机器人技术的蓬勃发展推动了将机器人技术应用于传统纤维缠绕工艺场景的步伐。相较于传统的数控式缠绕机而言，将工业机器人融入到缠绕装备中具备着重复精度高、加工空间大、灵活性强和功能多样化等优势，不仅提高了纤维缠绕装备的柔性，而且改善了纤维缠绕装备在不同制造场景中的适用性。所以，工业机器人技术的飞速发展为纤维缠绕制造装备的升级带来了新的契机。目前，机器人缠绕技术的研究方向逐渐趋于高速、高精度缠绕以及复杂形状构件的缠绕，很多国际著名的复合材料缠绕成型设备厂商在机器人缠绕装备、机器人缠绕线型设计和运动规划软件等方面开展了广泛的探索和研究，并取得了丰硕的研究成果。 2.1 国外机器人缠绕装备的发展现状 2.1.1 机器人纤维缠绕装备发展情况

法国MF-Tech公司是世界首家研究机器人缠绕装备并将其商业化的企业，如图3（a）所示。公司开发了Pitbull和Fox机器人多轴缠绕控制系统，利用机器人的柔性实现模具抓取和导丝头驱动。Fox控制系统利用机器人驱动导丝头运动，将芯模固定在机器人外部可旋转的轴上，二者相互配合，实现纤维缠绕加工，如图3（b）所示；Pitbull控制系统利用机器人驱动芯模移动，而导丝头固定，如图3（c）所示[13]。该装备极大的提升了制造柔性和生产效率，适用于管道、压力容器（天然气、氢气储罐）以及复杂异形结构件的成型。 荷兰Delft大学开发了集合缠绕/焊接/缝合等工艺操作的多功能机器人工作站[14]，如图4所示。意大利Cassino大学开发了基于机器人技术进行复杂异形构件的缠绕成型装备，设计了一种具有纤维进料和缠绕功能的丝嘴机构，可获得均匀纤维含量的缠绕制品[15]，如图5所示。雅典National Technical大学将丝嘴机构和六轴机器人末端建立连接，实现了圆柱体和圆锥体构件的缠绕成型，同时也开发了非轴对称的缠绕工作模式，如图6所示。

加拿大Compositum公司将ABB、KUKA等品牌机器人配合Entec缠绕机结合，开发了全自动缠绕控制系统，适用于天然气储罐、氢气储罐等复合材料制品的制造，如图7所示[16]。荷兰Taniq公司开发了集成纤维、金属线、橡胶和包装带（顶部）的机器人缠绕系统，用于增强特种橡胶软管和压力容器（中间和底部），采用Scorpo机器人以及采用专用缠绕工具和控制策略，将导丝头安装于机器人上，实现干纤维缠绕于橡胶层表面，完成典型橡胶复合材料中所有材料的自动缠绕，如图8所示[17]。 英国Cygnet Texkimp公司提出了定制化的多丝嘴缠绕解决方案3D Winder，其原理来源于9轴机器人缠绕概念，将旋转装置和纤维导入系统结合在一个机械机构上，并围绕在一个静态芯轴上自动移动，进行缠绕。多个工作头或锭位（每一个带一卷筒纱）安装在一个旋转环上。环的大小及其安装的工作头数量是可扩展的，且取决于所制造构件的尺寸，最多能够容纳16个筒纱，极大的提升了缠绕效率，缠绕碳纤维可达1公斤/分钟，几分钟内就可以缠绕成型一个飞机翼梁，具备降本增效的优势，适用于各种复杂弯曲形状构件制造。

美国Tennessee大学研究了纤维复合材料多节点构件的制造技术，采用KUKA机器人实现空间纤维的自动缠绕轨迹，如图10所示[18]。德国FibR GmbH公司采用高度资源节约型机器人缠绕工艺制造了建筑用复合材料立面构件，将参数化设计工具应用于构件设计和机器人运动编程中，实现了高效的设计迭代及其代码的自动更新。这种无芯模的机器人缠绕工艺通过缠绕销之间自由空间中的纤维相互作用获得构件的几何形状，该产品荣获2024年法国JEC创新奖，并在JEC world展会上展出，如图11所示。 另外，Roth复合材料机械公司开发的机器人缠绕设备采用模块化设计，包含了六轴机器人，以及浸渍站、纤维解卷装置和纤维输送装置等，如图12所示。比利时鲁汶大学为了实现多种类型构件的缠绕成型，将PUMA-762机器人与传统数控缠绕机配合共同完成[19]。意大利COMEC公司研发了纤维缠绕机器人，可以实现复杂形状制品的高速缠绕[20]。

2.1.2 机器人纤维缠绕软件的发展情况 机器人缠绕技术中的末端执行轨迹和定位精度对产品成型精度具备最直接的影响。国外装备厂家也在不断改进纤维缠绕装备配套的软件研发，通过改进机器人各关节运动控制的算法，优化针对不同区域的缠绕轨迹的规划算法。英国诺丁汉大学和Crescent Consultants公司联合开发了CADFIL软件系统，是集成了CAD/CAM/CAE的3D纤维缠绕的专业模拟软件，通过芯模曲面的离散化，把纤维路径的几何计算转化为三角片上的连续轨迹搜索[21]。比利时Leuven大学和Materials公司联合开发了CADWIND，采用基于离散曲面的线型计算模式，实现了芯模的CAD建模，具备了纤维缠绕线型生成，缠绕过程的三维动态仿真等多样化的功能，适用于二至六轴缠绕机的机器路径生成[22]。荷兰TANIQ公司在2024年JEC World展会期间展示了其最新的TaniqWindPro软件，扩展了有限元分析功能，支持HyperWorks和Abaqus的外壳、2DA和3D元素，允许用户在软件中预览和优化网格质量,提供了机器人纤维缠绕装备的集成解决方案。

2.2 我国机器人纤维缠绕装备的发展 2.2.1 机器人纤维缠绕装备的发展情况

近年来我国纤维缠绕技术高速发展，缠绕设备自动化创新不断加快，缠绕装备也向着多自由度、多主轴、高精度缠绕方向发展。哈尔滨理工大学研制了我国首台套基于KUKA机器人的缠绕工作站,开发了机器人末端扩展驱动轴及相关夹具,适用于小型复杂形状制品的芯模抓取缠绕,也适用于大型构件的抓取导丝头缠绕两种缠绕模式，并研究了哑铃型部件缠绕工艺，纤维线型稳定，无滑纱、无架空，机器人的关节运动平稳，缠绕精度满足设计要求，如图13所示[23]。武汉理工大学通过设计由微机控制的五轴缠绕机来实现复合材料弯管的缠绕，并利用Pro/E中机构运动仿真模块对弯管缠绕机的缠绕过程进行了仿真，如图14所示[24]。河北工业大学基于ABB4400型工业机器人设计出硅橡胶管自动化缠绕工作站，能够有效提高硅管的生产效率与质量稳定性[25]。 2.2.2 机器人纤维缠绕软件的开发情况 目前国内在机器人缠绕技术以及缠绕软件方面进行了广泛的开发。其中，哈尔滨工业大学深入在缠绕工艺设计、缠绕轨迹规划及程序优化的研究基础上，开发了Windsoft、SimWind1.0等缠绕仿真软件，并通过不断升级换代，与CAD/CAM等软件的差距逐步缩小。浙江大学研发了用于弯管缠绕CAD/CAM系统Elbow CAD，是我国首个实现弯管缠绕的CAD/CAM软件。哈尔滨理工大学开发了主要应用于玻璃钢管道自动化生产的CAD/CAM软件[26]。 3 结语及展望 综上所述，我国在机器人纤维缠绕技术方面的研究相比国外还处于起步阶段，尤其在人工智能、机器视觉感知、精密快速定位、视觉/力传感融合协调控制等智能制造关键技术、智能装备及全自动生产线研发方面与国外存在一定的差距。 未来，基于机器人的多轴、多运动轴联动的缠绕机逐渐成为缠绕装备发展趋势，机器人具有自由度多、通用性好、精度高和可扩展性强等优点，尤其适用于复杂形状部件的高精度自动缠绕成型，将机器人技术应用于缠绕工艺已经成为复材制造装备的发展趋势之一。随着机器人交叉技术的深入研究，为满足实际生产中相对复杂的制造需求，可使用多个机器人相互协调工作，共同完成加工任务。多机器人方法意味着可以同时部署不同数量和宽度的丝束，从而提高制造效率和灵活性。如何精确控制多机器人的协作系统成为机器人缠绕工艺研究的热点问题之一。