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。

图1基于机器人的芯模纤维缠绕技术

图2 无芯模缠绕锚点

2.1.1 机器人纤维缠绕装备发展情况

（a）纤维缠绕机器人

（b）Fox缠绕控制系统

（c）Pitbull缠绕控制系统

图3 法国MF Tech公司机器人纤维缠绕系统

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。

图4 多功能机器人工作站

图5 复杂纤维零件缠绕技术

图6雅典国家技术大学机器人纤维缠绕技术

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]。

图7加拿大Compositum公司全自动缠绕控制系统

图8 Scorpo机器人缠绕模式

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。

图9 Cygnet Texkimp公司的3D Winder装置

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。

图10美国Tennessee大学KUKA机器人缠绕

图11 FibR GmbH公司机器人缠绕现场及缠绕后的复合材料立面构件

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]。

图12 Roth公司机器人缠绕设备

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。

2.2.1 机器人纤维缠绕装备的发展情况

图13 哈尔滨理工大学机器人哑铃型芯模缠绕

图14 武汉理工大学缠绕机器人

参考文献

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