机器人化复合材料自动铺层技术

自上世纪五六十年代以来, 机械臂被发明并逐渐应用到工业生产、医疗辅助、空间技术等领域，机械臂的应用发展经历多个阶段,，第一阶段是上世纪五六十年代，机械臂首次被提出并应用在汽车工业方面, 是基于数控技术的末端工具与机械手臂的结合, 缺乏检测环境信息的工具, 仅能执行点对点的操作任务。第二阶段是上世纪七十年代，许多先进的传感设备集成到机械臂中，如视觉、力、力矩等，这使机械臂能够对环境做出反应；此外可编程逻辑控制器被应用到机械臂编程中，这大大降低了复杂任务的编程难度。第三阶段是上世纪八九十年代，机械臂配置专有的控制器并开发新的编程语言，这使得机械臂能够快速适应不同领域的任务，大大增强机械臂的通用性。第四阶段是二十世纪初至今，人工智能在机械臂领域不断发展，更强大的计算机使得机械臂不仅能够处理数据，还可以进行推理和学习，此外协作机器人也在这一阶段被提出。机械臂起源于工业应用，在工业中的应用也最广泛。根据《中国机器人产业发展报告 (2022 年)》的统计， 预计 2022 年中国机器人市场规模为 174亿美元, 占全球市场的 34%, 其中工业机器人市场87 亿美元, 位居中国机器人市场首位。根据亿欧智库的报告, 工业机器人主要应用在家电、汽车、金属加工和机械、塑料和化学产品、食品等制造业。在中国工业机器人市场中, 电气电子设备和器材制造、汽车制造业约占机器人应用的“半壁江山”。复材产品制造属于塑料和化学产品制造业, 全球市场中,工业机器人在该领域的应用仅占总规模的 5%, 中国市场中, 因市场规模太小故未单独统计。将机械臂引入复材产品制造领域, 不仅能够有效提高生产效率和产品质量, 也将成为机器人市场发展的新增长点.复材产品制造领域的机械臂应用主要有以下两种形式: 一是使用机械臂的拾取和放置操作铺放复合材料, 因复合材料是以片状形式直接覆盖在模具表面, 再使用按压等操作来使其紧密贴合, 故称其为铺片; 二是在自动铺带 (Automated tape laying,ATL) 和自动纤维铺放 (Automated fiber place-ment, AFP) 中使用机械臂, 因复合材料是以带状或丝状形式连续给进铺放在模具表面, 故称其为铺带 (丝)。

在复材产品制造时, 因复合材料一般是柔软且具有粘性的, 同时需要满足制造时加热、制造后无损检测等工艺要求, 使得复材产品制造中的机械臂应用与其他工业场景应用既有相同特点, 又有明显不同。表 1 为机械臂在传统工业场景和复材产品制造场景应用特点对比。机械臂应用广泛, 许多科研工作者对机械臂的应用和研究进行综述, 主要分两方面进行: 一是按照行业类别进行调研；二是针对机械臂中应用的单一技术进行调研, 视觉伺服是机械臂增强操作能力的重要基础。

简单了解复材产品制造工艺, 这是机械臂应用和研究的基础。复合材料自被开发以来，复材产品的制造一直都是科研人员十分关注的研究领域, 已开发出多种成型工艺, 如手糊成型、树脂传递模塑、自动铺带和自动纤维铺放等。下面将简单介绍上述制造工艺, 剖析其中涉及机械臂应用的主要环节

2.1 手糊成型

手糊成型是最早使用的复材产品制造工艺. 工人首先将已预浸渍树脂的纤维材料转移至切割平台, 经切割后运送至操作台, 使用定制的工具进行按压等操作使其紧密贴合在模具表面, 随后将其转移至高压釜内进行高温固化, 形成预制件.手糊成型是一项劳动密集型工作, 其所有工作均是由人工完成。经过自动化改造后, 可由机械臂完成复合材料转移至模具表面和按压紧密贴合表面的工序, 这即是本文定义的铺片操作中的一种形式。

2.2 树脂传递模塑

与手糊成型使用预浸料不同, 树脂传递模塑一般使用干纤维。干纤维经切割后被转移至两个匹配的模具腔内, 达到产品所需厚度后, 即可在高压作用下注入树脂进行固化, 形成预制件。在生产中使用机械臂取放操作将干纤维堆叠在模具腔内是一种能够提高生产效率的方式, 这即是本文所定义的铺片操作的另一种形式。

2.3 自动铺带和自动纤维铺放

自动纤维铺放是在自动铺带的基础上发展而来的, 自动铺带于上世纪七十年代被提出, 而自动纤维铺放则于上世纪八十年代末进入工业应用。它们具有一定的相似性, 但也有明显的不同。它们均使用预浸料作为铺放材料, 预浸料被卷成辊筒形状安装在铺放头上, 经过导向、切割、加热等步骤, 经由压实模块作用铺放在模具上, 切割模块工作以截断预浸料。铺放完成后再经过高压釜固化形成预制件。自动铺带和自动纤维铺放的主要区别是: 自动铺带常铺放宽度为 75 mm、150 mm 和 300 mm的带离型纸的单向预浸带, 自动纤维铺放可同时铺

放多条宽度为 3 ~ 25 mm 的窄丝束且每条丝束能够被单独切割、重送。自动纤维铺放相比自动铺带能够更好适应曲率更大表面的制造。

图 2 所示为上述 4 种复材产品制造工艺的简易生产流程图, 由虚线所框出的工艺阶段即是本文重点讨论的铺片和铺带 (丝) 操作。铺片和铺带 (丝) 的主要区别是: 铺片动作主要由机械臂取放操作完成, 搭配合适的末端工具, 能够铺放双曲率或曲率较大的复杂几何构件且生产成本低, 主要缺点是铺放效率不高。铺带 (丝) 操作主要依靠结构严谨的铺放末端完成, 一般用于铺放单曲率或曲率较小的简单几何构件且铺放速率高、产品质量好, 主要缺点是系统造价高, 单位成本随同一产品产量提升而降低, 不适合个性化少量生产。目前关于复材产品的自动化制造只是针对单个工艺或生产流程的自动化, 还不能实现整个制造流程的自动化。虽然如此, 但机械臂在生产过程中已经解决了较为关键的工艺环节, 进一步剖析机械臂所发挥作用并总结机械臂应用的经验, 能够指导我们构建多机器人系统以协同完成整个复材产品制造流程。

3 机械臂铺片制造方法

即将预浸渍的或干的编织纤维片无缝隙地直接铺放在模具上, 根据所铺放“片材”占模具表面积大小的比例, 可以划分为以下三类主要形式:一是铺放大型片材, 即所铺放片材与模具表面积大致相当，如图 3(a) 所示。手糊成型一般采用此种形式, 将手糊成型直接进行自动化改造, 需要使用机械臂取放操作完成片材的转移和悬垂操作,即将片材拾取移动并覆盖到模具上, 对其进行剪切、拉伸和平滑等操作, 使其与模具充分接触, 并且不出现气泡、褶皱等缺陷。二是铺放中型条状片材, 即每次铺放的片材占表面积中等比例, 如图 3(b) 所示。操作中型条状片材一般需要双机械臂协作, 根据模具的表面形状, 从卷材上切割出条状片材, 使用两个机械臂夹持以提供张力, 一个机械臂进行悬垂操作。使用条状长片材进行铺放能够提升铺放效率, 达到与ATL、AFP 相当的铺放效率且具有低成本的优势,并能够制造复杂几何构件。三是铺放小型片材, 即每次铺放的片材仅占模具表面积较小比例, 如图 3(c) 所示, 这是将纤维短切成小型片材后再进行铺放的工艺。该工艺最初由EADS Innovation Works 与自动化公司 Manz 于2008 年合作发明, 专门用于制造具有复杂几何结构的复材产品，从纤维卷材中切割出贴片, 经过检测、加热等工序, 使用机械臂拾取片材, 并将其按压粘贴在模具表面上。贴片纤维形状短小, 模具形状复杂多变, 需要通过纤维的拼接组成产品机械性能的基础, 同时由于使用的预浸材具有粘性, 该铺放系统需解决的关键问题是: 合理设计贴片纤维的拼接规划, 并解决末端结构与片材间的粘结问题。

此外, 定制纤维铺放也是一种能够制造复杂几何构件的工艺, 其利用三维增材构造原理, 纤维以指定路径缝合在基材上, 再进行树脂浸渍和固化后形成构件。可以用于制造三维复杂构件, 也可用于构件的局部加强， 目前工业上常使用缝纫机进行干纤维的缝合, 具有成本昂贵的缺点, 开发一种使用机械臂进行缝制的生产方式能使定制纤维铺放得到进一步推广和应用。

4 机械臂铺带 (丝) 制造方法

本节介绍机械臂铺带 (丝) 制造方法, 即自动铺带和自动纤维铺放系统, 采用连续给进方式铺放带状预浸材或丝状预浸材，铺放时机械臂末端带动定制的铺放头进行铺放作业。自动铺带和自动纤维铺放作业的主要流程是:自动铺带作业时, 机械臂接收到铺放指令, 铺带头调整到合适位姿, 铺带头中各模块开始工作, 保持铺放作业中预浸带的传输速度、张力、压实力和温度的稳定, 铺放结束前, 铺带头内部模块切断复合材料, 机械臂运动到目标点时, 铺带头停止作业, 同时机械臂将铺放头沿模具法向抬升, 并移动到后续铺带起点。自动纤维铺放作业时, 与铺带作业流程基本一致, 但应考虑对各路纤维丝束的精确控制, 使其能够合理排布, 满足构件结构设计的要求.自动铺带最早是为航空航天产业的生产需要提出的, 经改进后成为自动纤维铺放, 自动铺带铺放速率高, 自动纤维铺放可以制造曲率稍大的构件,目前均得到大范围推广和应用。由于所制造的航空航天产业部件通常尺寸较大, 故龙门架形式的铺放设备最为常用, 对于筒形体构件, 可使用卧式龙门架。近年来, 机械臂平台式的铺放设备由于成本低、自由度高且易于更换模块化铺放头等优势, 在工业生产中的应用逐渐增多。

5 未来发展趋势

根据上述调研情况, 本文认为机械臂及其智能化应用在复材制造领域还有许多可以发展的空间,主要集中在以下方面:

1) 机械臂应用场景的进一步扩展

复材产品制造是一个多工序工作, 目前针对该工序的自动化改造仅是针对其中一个环节进行研究的，没有形成整体的自动化制造场景。本文只对机械臂在复合材料铺放场景中的应用做调研和回顾。分析复材产品制造的工序, 可以找到多个潜在的机械臂应用场景,如机械臂铺片制造方法中, 使用机械臂清洗模具、袋装密封、搬运预制件、脱模等; 在机械臂铺带(丝) 制造方法中, 使用带有视觉设备的机械臂扫描构件进行缺陷检测等。将机械臂应用引入上述场景中, 对于一些简单的工作, 如模具清洗、搬运、扫描等, 可以考虑直接应用机械臂, 对于复杂度较高的工作, 如袋装密封需要操作柔软材料、脱模需要考虑多机协作和力控应用, 则应从人机协作角度考虑,先减少人类的工作负担, 进而实现全自动化。此外,对于检测发现的缺陷进行处理, 目前常采用人工介入处理方式, 自动化缺陷处理技术研究仍比较空白,使用一些较为简单的缺陷处理操作, 如铺片制造中对气泡进行再次悬垂、铺带 (丝) 制造中对间隙进行补充铺放等, 也是未来的发展和应用方向之一.

在复材产品制造工序之外, 基于多机械臂协同配合操作提出无模具成型方法, 也是未来简化复材产品制造工序、提升机械臂应用潜力的发展方向之一。

2) 机械臂控制软件的进一步发展

目前复材产品制造领域的控制软件问题主要集中在仿真与控制之间的过渡、不同品牌之间的转化等,即, 进行轨迹规划和仿真后如何快速转化为机器人控制代码, 如何在不同机械臂品牌之间转换控制代码等。此外, 远期还应考虑复材产品制造多工序场景下各工序协作的控制软件或系统。控制软件的进一步发展有以下几个方面: 优化轨迹规划算法, 能够更便捷地生成针对大曲率构件的铺放轨迹以及能够自动生成机械臂取放操作中的悬垂轨迹; 机械臂生产商提供的编程软件中, 应考虑集成面向复材产品制造领域的轨迹规划及仿真模块, 提高机械臂编程软件在仿真和模拟中的精度; 同时由于各机械臂制造商已形成独特的控制编程语言, 有必要应用ROS 操作系统实现运动控制的转化。

3) 多机械臂的协同作业研究

机械臂铺片制造方法由于需要操作片材, 多机械臂协同是必要的,如机械臂铺片制造方法中德国宇航中心的双臂协作铺放系统、斯图加特大学“Low Flip”项目实现与自动纤维铺放相当的铺放效率等。机械臂铺带 (丝) 制造方法中, 实现多机同时铺放、铺放与检测同步进行等也有助于提高生产效率。此外, 引入机械臂以实现复材产品制造的全流程自动化铺放也是多机械臂协同作业的场景之一。多机械臂协同作业的研究可以从机械臂功能多样化和多机械臂并行工作研究着手。机械臂功能多样化, 即, 对机械臂铺片制造方法进行任务分配, 进一步优化机械臂拾取、悬垂、夹持功能, 实现大曲率构件的快速制造, 同时支持小批量、多品种快速制造。多机械臂并行工作, 即, 在机械臂铺带 (丝) 制造方法中, 对于铺放作业量大的工作, 划分工作区域, 并行铺放, 同时支持构件的局部加强、不同复合材料的使用, 实现构件的机械性能和铺放效率同步提升。

4) 智能化方法的进一步应用

虽然复材产品制造领域仍然处于自动化或半自动化阶段, 但智能化方法在其中应用前景广泛, 在一些自动化比较成熟的工序中应用智能化方法能够进一步推动科学研究、提高生产质量。目前智能化方法应用的主要表现为缺陷检测中使用计算机视觉方法, 这方面的发展方向是使用工艺参数实时监控, 建立铺放参数与故障类型之间的关系模型, 提前预测缺陷形成并调整工艺进行消除。其他方面的智能化方法应用还可以从以下几个方面考虑: 将计算机视觉技术拓展应用到复材产品制造场景, 如采取基于 3D 视觉的位姿估计方法进行片材与模具的位置匹配和基于计算机视觉建立数字孪生系统预测构件性能；将人机技能传递、智能规划等技术引入以提升系统智能水平, 如使用规划领域定义语言进行系统规划和调度, 使用模仿学习、强化学习 等方法将人类铺层技能传递给机器人.