機(jī)器人纖維纏繞工藝是以傳統(tǒng)纏繞技術(shù)為基礎(chǔ)，將機(jī)器人融入到纖維纏繞設(shè)備中，以更高的精度和更高的效率完成制品成型。本文根據(jù)纖維纏繞芯模的配置情況，將機(jī)器人纖維纏繞技術(shù)分為三種類型，即有芯模纖維纏繞工藝、無芯模纖維纏繞工藝以及空間纖維纏繞工藝[11]。

對于芯模纖維纏繞工藝來說，可分為兩種技術(shù)形式，一是通過機(jī)械臂牽引纖維，并纏繞在固定于機(jī)床旋轉(zhuǎn)裝置的芯模上,如圖1（a）所示；一是通過機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)芯模，從線軸筒上牽引出纖維并纏繞在芯模上，如圖1（b）所示。

圖1基于機(jī)器人的芯模纖維纏繞技術(shù)

圖2 無芯模纏繞錨點

2.1.1 機(jī)器人纖維纏繞裝備發(fā)展情況

（a）纖維纏繞機(jī)器人

（b）Fox纏繞控制系統(tǒng)

（c）Pitbull纏繞控制系統(tǒng)

圖3 法國MF Tech公司機(jī)器人纖維纏繞系統(tǒng)

荷蘭Delft大學(xué)開發(fā)了集合纏繞/焊接/縫合等工藝操作的多功能機(jī)器人工作站[14]，如圖4所示。意大利Cassino大學(xué)開發(fā)了基于機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜異形構(gòu)件的纏繞成型裝備，設(shè)計了一種具有纖維進(jìn)料和纏繞功能的絲嘴機(jī)構(gòu)，可獲得均勻纖維含量的纏繞制品[15]，如圖5所示。雅典National Technical大學(xué)將絲嘴機(jī)構(gòu)和六軸機(jī)器人末端建立連接，實現(xiàn)了圓柱體和圓錐體構(gòu)件的纏繞成型，同時也開發(fā)了非軸對稱的纏繞工作模式，如圖6所示。

圖4 多功能機(jī)器人工作站

圖5 復(fù)雜纖維零件纏繞技術(shù)

圖6雅典國家技術(shù)大學(xué)機(jī)器人纖維纏繞技術(shù)

加拿大Compositum公司將ABB、KUKA等品牌機(jī)器人配合Entec纏繞機(jī)結(jié)合，開發(fā)了全自動纏繞控制系統(tǒng)，適用于天然氣儲罐、氫氣儲罐等復(fù)合材料制品的制造，如圖7所示[16]。荷蘭Taniq公司開發(fā)了集成纖維、金屬線、橡膠和包裝帶（頂部）的機(jī)器人纏繞系統(tǒng)，用于增強(qiáng)特種橡膠軟管和壓力容器（中間和底部），采用Scorpo機(jī)器人以及采用專用纏繞工具和控制策略，將導(dǎo)絲頭安裝于機(jī)器人上，實現(xiàn)干纖維纏繞于橡膠層表面，完成典型橡膠復(fù)合材料中所有材料的自動纏繞，如圖8所示[17]。

圖7加拿大Compositum公司全自動纏繞控制系統(tǒng)

圖8 Scorpo機(jī)器人纏繞模式

英國Cygnet Texkimp公司提出了定制化的多絲嘴纏繞解決方案3D Winder，其原理來源于9軸機(jī)器人纏繞概念，將旋轉(zhuǎn)裝置和纖維導(dǎo)入系統(tǒng)結(jié)合在一個機(jī)械機(jī)構(gòu)上，并圍繞在一個靜態(tài)芯軸上自動移動，進(jìn)行纏繞。多個工作頭或錠位（每一個帶一卷筒紗）安裝在一個旋轉(zhuǎn)環(huán)上。環(huán)的大小及其安裝的工作頭數(shù)量是可擴(kuò)展的，且取決于所制造構(gòu)件的尺寸，最多能夠容納16個筒紗，極大的提升了纏繞效率，纏繞碳纖維可達(dá)1公斤/分鐘，幾分鐘內(nèi)就可以纏繞成型一個飛機(jī)翼梁，具備降本增效的優(yōu)勢，適用于各種復(fù)雜彎曲形狀構(gòu)件制造。

圖9 Cygnet Texkimp公司的3D Winder裝置

美國Tennessee大學(xué)研究了纖維復(fù)合材料多節(jié)點構(gòu)件的制造技術(shù)，采用KUKA機(jī)器人實現(xiàn)空間纖維的自動纏繞軌跡，如圖10所示[18]。德國FibR GmbH公司采用高度資源節(jié)約型機(jī)器人纏繞工藝制造了建筑用復(fù)合材料立面構(gòu)件，將參數(shù)化設(shè)計工具應(yīng)用于構(gòu)件設(shè)計和機(jī)器人運動編程中，實現(xiàn)了高效的設(shè)計迭代及其代碼的自動更新。這種無芯模的機(jī)器人纏繞工藝通過纏繞銷之間自由空間中的纖維相互作用獲得構(gòu)件的幾何形狀，該產(chǎn)品榮獲2024年法國JEC創(chuàng)新獎，并在JEC world展會上展出，如圖11所示。

圖10美國Tennessee大學(xué)KUKA機(jī)器人纏繞

圖11 FibR GmbH公司機(jī)器人纏繞現(xiàn)場及纏繞后的復(fù)合材料立面構(gòu)件

另外，Roth復(fù)合材料機(jī)械公司開發(fā)的機(jī)器人纏繞設(shè)備采用模塊化設(shè)計，包含了六軸機(jī)器人，以及浸漬站、纖維解卷裝置和纖維輸送裝置等，如圖12所示。比利時魯汶大學(xué)為了實現(xiàn)多種類型構(gòu)件的纏繞成型，將PUMA-762機(jī)器人與傳統(tǒng)數(shù)控纏繞機(jī)配合共同完成[19]。意大利COMEC公司研發(fā)了纖維纏繞機(jī)器人，可以實現(xiàn)復(fù)雜形狀制品的高速纏繞[20]。

圖12 Roth公司機(jī)器人纏繞設(shè)備

機(jī)器人纏繞技術(shù)中的末端執(zhí)行軌跡和定位精度對產(chǎn)品成型精度具備最直接的影響。國外裝備廠家也在不斷改進(jìn)纖維纏繞裝備配套的軟件研發(fā)，通過改進(jìn)機(jī)器人各關(guān)節(jié)運動控制的算法，優(yōu)化針對不同區(qū)域的纏繞軌跡的規(guī)劃算法。英國諾丁漢大學(xué)和Crescent Consultants公司聯(lián)合開發(fā)了CADFIL軟件系統(tǒng)，是集成了CAD/CAM/CAE的3D纖維纏繞的專業(yè)模擬軟件，通過芯模曲面的離散化，把纖維路徑的幾何計算轉(zhuǎn)化為三角片上的連續(xù)軌跡搜索[21]。比利時Leuven大學(xué)和Materials公司聯(lián)合開發(fā)了CADWIND，采用基于離散曲面的線型計算模式，實現(xiàn)了芯模的CAD建模，具備了纖維纏繞線型生成，纏繞過程的三維動態(tài)仿真等多樣化的功能，適用于二至六軸纏繞機(jī)的機(jī)器路徑生成[22]。荷蘭TANIQ公司在2024年JEC World展會期間展示了其最新的TaniqWindPro軟件，擴(kuò)展了有限元分析功能，支持HyperWorks和Abaqus的外殼、2DA和3D元素，允許用戶在軟件中預(yù)覽和優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量,提供了機(jī)器人纖維纏繞裝備的集成解決方案。

2.2.1 機(jī)器人纖維纏繞裝備的發(fā)展情況

圖13 哈爾濱理工大學(xué)機(jī)器人啞鈴型芯模纏繞

圖14 武漢理工大學(xué)纏繞機(jī)器人

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