2021年17期
科技创新与应用
Technology Innovation and Application
应用科技
复合材料加工领域机器人的应用与发展趋势
张玉锋
（江苏安全技术职业学院，江苏徐州221100）
复合材料主要是指用碳纤维等高性能增强材料复合而成的一种新型材料。与传统的材料相比，复合材料具有强度高、刚度高、耐疲劳、耐腐蚀、可设计性能佳等多方面的优势。对于一些精密结构的关键部件应用复合材料，可以大大提升机械设备整体性能。因此，复合材料被广泛应用于航空航天、军事、医学、建筑、汽车等多个领域，研究复合材料的加工与优化路径也成为当前的一项热点。1复合材料在多个领域的广泛应用
复合材料最初应用在第二次世界大战时期，那时候美
方飞机的雷达罩使用玻璃纤维强化塑料制作而成，虽然只是一种比较普通的复合材料，但是它为复合材料的研究奠定了良好基础。与金属制品相比，这一复合材料的应用使得整个飞机的结构大大减轻。随后复合材料的应用范围得到了进一步拓宽，战斗机和客机等都开始应用复合材料，分别减重达到了11%和17%。后来，欧洲研究出了台风战斗机，复合材料的使用占比达到40%左右，从此复合材料在航空航天的应用受到广泛关注。1.1航空航天领域
复合材料也能够使飞机自身的重量大大降低，飞机飞
行的稳定性也逐步提升。
如波音B777上就使用了大量的复合材料，占到了结构总重的11%，A380大型客机上将复合材料应用到了中央翼盒，总用量达到了25%左右。得益于复合材料在航空领域取得的突破性进展，人们逐渐探索将复合材料应用于导弹发射领域。如用复合材料来设计制作的导弹发射筒，可以减轻总重量20%以上。这样火箭发射时所需要的推动力就可以大幅降低，导弹的射程也能够变得更远，整个导弹的机动性能得到了显著提升。在火箭机身上的排气锥体、人造卫星结构体、太阳能电池板、运载火箭和弹壳的一些零部件等应用复合材料来制作，也可以在柔韧性、结构稳定性、可塑性等方面获得显著增强。
1.2汽车工业领域
汽车工业领域对于复合材料的应用也有很大的依赖
性。首先借助性能优良的复合材料，可以更好地实现减震或降低噪音，
另外，复合材料的抗疲劳性能比较好，也是在汽车领域广泛应用的一大优势。现在很多汽车都追求流线造型，因此前后的一些部件造型都比较别致，应用复合材料可以更好地完善整体结构，造型损伤后也能进行快速修复。现在很多汽车内部的一些受力构件，如传动轴、发动机架及内
摘要：随着科学技术地不断发展，目前各行各业对于材料综合性能的要求已经越来越高，复合材料因其可以集合各方的优势，越来越受到公众的欢迎。尤其是在航空航天、工业、汽车等领域，复合材料因其成本低廉、性能优越，已经成为自动化应用的首选。在复合材料加工成型的过程中，机器人具有显著的优势，可以使整个材料加工的自动化水平显著提升。尤其是一些难度较高的部件，也可以借助机器人顺利完成多道复杂加工工序。文章从复合材料的广泛应用入手，分析复合材料加工的技术，并探索机器人在复合材料加工领域的应用与发展趋势。
关键词：复合材料；加工；机器人；自动化；应用中图分类号:TB33
文献标志码:A
文章编号:2095-2945(2021)17-0154-03
Abstract :With the continuous development of science and technology,the requirements of various indu
stries for the comprehensive properties of materials have become higher and higher,composite materials can gather the advantages of all parties,more and more popular with the public.Especially in aerospace,industry,automobile and other fields,composite materials have become the first choice for automation applications because of their low cost and superior performance.In the process of composite molding,the robot has significant advantages,which can improve the automation level of the whole
material processing.In particular,some difficult parts can also be successfully completed with the help of robots.Starting with the wide application of composite materials,this paper analyzes some technologies of composite materials processing,and
explores the application and development trend of robots in the field of composite materials processing.
Keywords :composite material;processing;robot;automation;application
作者简介：张玉锋（1987-），男，本科，助教，研究方向：
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部构件等也开始应用一些复合材料，使得整个汽车性能更加轻便优越。
1.3化工纺织制造领域
与传统材料相比，新型复合材料具有良好的耐腐蚀性，而且成型更加容易，所以在化工领域的一些化工设备，如纺织机、造纸及复印机、高速机床等精密仪器对于复合材料的应用也有很大的依赖性。这些复合材料可以更好地提升设备通用性，而且使得机器制造的成本大大降低，性能也更加优越。
1.4医疗卫生领域
复合材料进入医疗应用领域，是医学研究的一项重点，现在很多假肢、人造骨骼、关节等都是用复合材料来制作，可以极大地减轻患者病痛，而且让他们的出行更加轻便灵活。
3d走视图
此外，复合材料在乐器、体育运动器材、建筑等领域也有很大的应用空间。现在很多精致乐器，如大提琴、吉他、笛子等轻便精巧，都得益于复合材料的应用，而且乐器本身的音响效果可以大大提升。另外，体育领域人们用复合材料制作而成的很多体育用品都为人们运动健身出行带来了极大的便利，如复
合材料制作而成的自行车，棒球棒等被人们广泛接受。现在很多特殊的服饰，如潜水设备、高档运动服饰等也都是用复合材料制作而成，他们在透气性、防水性、保暖性等多个方面都具有显著优势。
人们对复合材料的需求量越来越大，这就对复合材料的加工提出了更高的要求。当前，复合材料的加工已经由传统的机械加工向机器人加工领域有效迈进，以机器人来完成复合材料的加工，可以使整个加工过程大大简化，而且因为机器人的编程可控制性，使得复合材料加工的性能更加稳定，成本也能变得低廉。这为后续复合材料研究提供了一个新的方向。
2复合材料加工成型的主要方法
2.1自动铺放成型技术
很多复合材料加工都是从液体的树脂，铺放与传递模以成型，由此衍生出了复合材料加工的自动铺放成型技术。这一技术是一种闭模成型技术，主要是借助自动投放、自动传动带、自动纤维缠绕技术、自动铺丝技术等进行一些大面积复合材料的制作与加工。
2.23D打印复合材料技术
当前，人们对复合材料的需求量越来越高，所以除了传统的铺放成型加工外，人们对于一些小型复合材料的研究越来越细致，3D打印就成为复合材料成型加工探索的一个重要方向。借助3D打印技术，可以
获得一些精度比较高的复合材料，已应用于航空航天、工业制造等多个领域。经由3D打印制作而成的一些复合材料，结构小巧轻便。尤其是一些内部相对复杂的结构，由3D打印技术制作而成，可以实现精确控制。
2.3复合材料自动加工技术
随着复合材料生产技术的逐步发展，当前很多金属材料已经被复合材料所取代，这类复合材料在缠绕成型、热压成型、压力成型、精密铸造成型等方面都有一些特殊要求，很多复合材料在加工成型之后，还要进行制孔、铣削、磨削、激光加工、超声波加工、电火花加工等多项复合加工工序。这些加工工序的完成，如果以人工来达成，就会存在一致性不高、加工时间较长等问题，而且还会产生一些有毒物质，对身体健康造成一定影响。所以在复合加工方面，人们对于自动化技术的应用有着很高的要求。机器人的出现很好地解决了加工过程中出现的一些问题。为更好地保证加工工件的稳定性，降低复合材料生产成本，现在国内外都在探索以机器人来完成复合材料的自动加工工作。
图1
3国外机器人加工复合材料的发展现状
当前，复合材料在各个领域的应用范围被大幅度拓宽，人们对复合材料的需求量越来越大，这就驱动在
制造上要能够以更高的效率、较低的成本来完成复合材料的加工工作。机器人技术的应用具有通用性强、效率较高、规模统一等优势，是未来复合材料加工发展应用的主流趋势。当前国外关于复合材料的机器人加工主要有以下几个方面。3.1机器人自主铺丝技术
自主铺丝应用于复合材料加工，是一个相对比较成熟的技术，而自主铺丝应用过程中需要大量进行反复操作。人工落实这一步工作量比较大，而且容易出错，以机器人来进行同步协作可以大大提高生产效率。借助机器人的自主铺丝技术，可以将复合材料放置在工业机器人手臂之上，应用编程技术让机器人自动完成铺丝。以精确控制来设置铺丝角度，可以使产品质量更高，机器人的活动空间也能控制的更加精确。借助机器人铺丝，可以将整个构建划分为多个单元，批量生产一些复合构件。
3.2机器人加工复合材料
机器人除了可以完成一些多人协作的铺丝工作外，还可以进行一些复合材料的加工。主要有以下几个方面：第一，机器人钻孔。在复合材料加工过程中，钻孔是
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分重要的工作，手工钻孔质量较差，而且效率比较低。为了更好地提升复合材料加工的效率，目前我们已经探索采用机器人钻孔。机器人本身关节非常的灵活，而且具有精度高的特点，所以我们可以借助机器人来完成一些特殊配置的钻孔任务，在自动测量孔位准确性、快速一致性打孔等方面具有突出优势。当前机器人打孔制作的一些复合材料在柔韧性、智能性、加工质量等多个方面都比较突出。
第二，机器人铣削。铣削对于加工精度要求非常高，铣削的力度要求比较大，而且要周期性工作，以人工来完成这一过程是不可能达成的。机器人的运用可以使复合材料的铣削加工高效快捷，以机器人来完成铣削过程，主要是要控制颤振现象。现在人们已经研发了利用机器人的实时位置补偿算法来调节机器人运动速度，减少颤振、摩擦等误差问题的出现。通过调整铣削过程的切向轴向力，使得复合材料加工质量大大提升。另外，人们还探索了借助螺旋铣削、循环铣削等方法减少机器人工作过程中的铣削压力，提升铣削加工的完整性。
第三，机器人磨削。磨削也是复合材料加工过程中非常重要的一步，尤其是对于一些磨风机叶片、发动机叶片、飞机舱盖等，借助磨削可以使物品表面的形状完整性、表面光滑度都得到有效保障。磨削技术的应用对于提升复合材料表面处理的一致性具有重要意义。当前，人们已经探索用机器人来完成磨削过
程，通过机器人确定好打磨轨迹，并确定好机器人的磨削控制力度，控制柔顺打磨装置等，使得机器人磨削工作精度更高，强度更大。对于航空航天领域所需要的一些高品质复合材料机器人的应用具有广泛的空间。
4国内机器人复合材料加工研究现状分析国内对于复合材料的机器人加工起步比较晚，但是在
复合材料的机器人加工领域也取得了一些突出成果。
4.1机器人自动铺陈成型技术
国内在复合材料自动缠绕成型加工方面的领先单位是
南京航空航天大学，他们在与上海万格复合材料合作的过程中，完成了国内的第一台八丝束预浸纱铺放试验系统，并形成了自主研发的自动铺丝及装备技术储备。后来人们又以动能为目标函数，对于自动铺成的成型路径进行了算法优化，对于自动铺成设备的功能需求也进一步进行了分析和调整。现在我国的机器人自动铺陈成型系统已经可以很好地完成一些运动处理问题，尤其是在多轴控制，铺放模具，拓扑结构，边界处理等方面都取得了显著成果。
哈尔滨工业大学对于纤维丝束的铺放路径进行了规划，由此引发了新的自动铺丝仿真系统。后来，人们还研究出了一系列的轨迹优化算法，设备后置处理技术，预浸丝变角度纤维铺放技术，张力控制系统等。
目前，多个大学研发
团队都对机器人的自动铺陈成型技术进行了突破研究。当前，我国的大型飞机项目得以不断推进，就是收益于机器人自动铺丝系统的设计和实现。
4.2机器人加工技术
当前国内从事机器人加工技术研究的单位也比较多，
其中北航机器人研究所与中航工业合作取得的机器人加工自动钻流系统比较先进，该多功能制孔执行器的孔定位精度达到了0.3毫米。浙江大学还对机器人自动钻孔技术进行了进一步的研究，制定了制孔定位误差补偿方法，可以实现更大范围的快速高精度钻孔定位。
近年来，国内的很多高校，例如清华大学、北京航空航天大学、华中科技大学等，在机器人的磨削加工系统方面也取得了突破性进展。尤其是在小型叶片空磨抛工工艺系统的设计和优化方面，有很多卓越成果，很好地解决了磨削控制的大尺寸刚修弱、空气动力稳定性差等问题。目前我们在机器人破削加工方面面临的难题还有以下几个方面：首先，是一些零件的加工面不够规则，这样就不能确定精确的加工轨迹；第二，一些加工工具的磨损会影响加工质量，如何更好地实现精确补偿成为加工的难点。第三，在快速打压过程中，如何获得精确的压力保障也成为提升机器人工作准确性的一个重点。未来我们还将继
续在机器人自动感知等方面进一步加大投入，以更好地提升机器人反应灵敏性，保证零件加工的精度。立足做到机器人快速反应、
高效加固。总之，复合材料当前在多个领域都有广泛的应用空间，可以预见未来机器人将在复合材料的加工中扮演重要的角。复合材料制造、成型、加工自动化是未来复合材料制造技术发展的必然趋势。现阶段复合材料加工过程中很多复杂曲面结构的磨抛，还需要依赖人工操作进行有效的调整和补偿。机器人在柔性磨抛方面还有很大的完善空间，这是未来我们需要进一步研究和探索的一项重点。当前国内对机器人加工领域的研究主要集中于高校实验室，还有很多实验成果没有投放到实际生产应用领域，为了更好地缩小我国复合材料在机器人加工方面与外国的差距，我们将进一步增强对机器人加工处理问题的研究，同时更好地拓宽机器人加工工作领域，推动我国复合材料加工再上新台阶。参考文献院
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