波音X-32飛機(jī)S型進(jìn)氣道也采用自動鋪絲技術(shù)
自動鋪絲技術(shù)（AFP）以其鋪放靈活性和更低的廢料率拓寬了復(fù)合材料的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的“低成本、高性能”制造。近年來，用于制造大型復(fù)雜復(fù)合材料構(gòu)件的自動鋪絲技術(shù)獲得了快速發(fā)展并得以工業(yè)化應(yīng)用，其裝備形式也呈多樣化發(fā)展?；跈C(jī)器人平臺的自動鋪絲技術(shù)以其高效鋪放復(fù)雜構(gòu)件的優(yōu)勢，受到了航空制造領(lǐng)域的高度關(guān)注。
應(yīng)用背景
復(fù)合材料在航空工業(yè)中用量的大幅提升離不開自動化制造技術(shù)的強(qiáng)力支撐，如纖維纏繞、自動鋪帶、自動鋪絲等技術(shù)。其中，自動鋪絲，逐漸成為大型復(fù)合材料復(fù)雜部件的典型制造技術(shù)。典型的自動鋪絲設(shè)備主要由機(jī)床主體、紗架系統(tǒng)、鋪絲頭三部分組成，根據(jù)機(jī)床主體的不同可分為立式、臥式和龍門式。
但受裝載鋪絲頭的運(yùn)動平臺限制，對于不規(guī)則曲面類構(gòu)件，機(jī)床型鋪設(shè)設(shè)備往往無法滿足軌跡、姿態(tài)調(diào)整與參數(shù)控制等方面的要求。此外，機(jī)床型鋪絲裝備體積大，面對小型、小批量部。相比之下，工業(yè)機(jī)器人手臂能夠提高鋪絲頭在可控空間范圍內(nèi)的姿態(tài)調(diào)整能力，增加了鋪放過程中的柔性，可以滿足回轉(zhuǎn)部件的鋪絲成型，提高鋪放生產(chǎn)效率，降低設(shè)備運(yùn)行成本。另一方面，各大機(jī)器人廠商如KUKA、ABB、FANUC等公司可以提供產(chǎn)品化的成熟機(jī)器人及控制系統(tǒng)，搭控制方案，既可靠穩(wěn)定，。因此，搭載機(jī)器人平臺的鋪絲裝備因具備明顯優(yōu)點(diǎn)而逐漸成為發(fā)展與應(yīng)用的熱點(diǎn)。近年來，歐美各裝備制造公司都針對搭載機(jī)器人平臺的自動鋪絲技術(shù)與生產(chǎn)模式展開了研究。
機(jī)器人自動鋪絲的主要形式
根據(jù)平臺主體與鋪設(shè)模式的不同，機(jī)器人鋪設(shè)可以分為單機(jī)器人模塊化鋪設(shè)、多機(jī)器人協(xié)同鋪設(shè)以及可移動機(jī)器人自動化鋪設(shè)三種類型。
1.單機(jī)器人模塊化鋪設(shè)單機(jī)器人鋪設(shè)是目前應(yīng)用最廣且穩(wěn)定高效的鋪設(shè)形式。在進(jìn)，鋪絲頭通過末端法蘭與機(jī)器人平臺連接，可以為不同模具分別設(shè)計(jì)可拆裝的鋪絲頭。這種模塊化的鋪放系統(tǒng)更具針對性，能更好地適應(yīng)不同情況下的鋪放需求。
法國CoriolisComposites公司是開發(fā)機(jī)器人自動鋪絲設(shè)備的先行者，其研發(fā)的機(jī)器人式自動鋪絲機(jī)功能強(qiáng)大，集成了預(yù)浸紗的儲藏、輸送、引導(dǎo)與切斷等功能，鋪絲頭的運(yùn)動功能通過一臺KUKA或ABB機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)。目前，Coriolis的新型鋪絲頭可以兼容鋪放熱固性、熱塑性材料和干纖維，只要更換相應(yīng)的加熱模塊，就能夠一頭多用。
為了進(jìn)一步打入，Coriolis開發(fā)了新款C5自動鋪絲機(jī)。C5自動鋪絲機(jī)具備極高的鋪絲效率、極低的廢料產(chǎn)生率，是世界最先進(jìn)、靈活的干纖維鋪放系統(tǒng)之一，充分滿足了幾何形態(tài)高度復(fù)雜的零部件的生產(chǎn)需要，保證了航空工業(yè)對精度和重復(fù)生產(chǎn)的要求。
馬其頓Mikrosam公司研發(fā)的自動鋪絲系統(tǒng)可以在平面、彎曲和圓柱面上加工熱塑性材料，并實(shí)現(xiàn)原位固化。這種8軸的機(jī)器人AFP系統(tǒng)能夠自動精確地實(shí)現(xiàn)纖維鋪放、預(yù)浸料放置，為采用復(fù)合材料制備復(fù)雜3D零件等提供可能。此外，該系統(tǒng)使用激光加熱源，可實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制及熱固性預(yù)浸帶的自動雙向鋪放。近年來，Mikrosam也積極開發(fā)工藝集成化鋪絲機(jī)器人裝備，先后推出了創(chuàng)新的AFP/ATL與AFPFW解決方案。AFP/ATL方案分別適用于熱固性和熱塑性預(yù)浸料，可以通過簡單地更換鋪放頭，使設(shè)備在鋪絲和鋪帶作業(yè)之間雙向自如切換。
美國EI公司研制的機(jī)器人自動纖維鋪放系統(tǒng)包括鋪放導(dǎo)軌以及安裝于其上的機(jī)器人，導(dǎo)軌上設(shè)有可安裝AFP接頭的接口。EI公司對高速AFP接頭進(jìn)行了一系列升級，使其自動化鋪放速度達(dá)到傳統(tǒng)AFP接頭的2倍，生產(chǎn)的復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量提升了近3倍。新的高速AFP接頭還具有更高的加工精度，監(jiān)控的功能，支持更多樣化、復(fù)雜、精密的復(fù)合材料零部件自動化生產(chǎn)
2.多機(jī)器人協(xié)同鋪設(shè)隨著對機(jī)器人相關(guān)交叉技術(shù)的深入研究，為滿足實(shí)際生產(chǎn)中相對復(fù)雜的任務(wù)需求，可使用多個(gè)機(jī)器人相互協(xié)調(diào)工作，共同完成加工任務(wù)。多機(jī)器人方法意絲束，從而提高制造效率和靈活性。
德國航空航天中心（DLR）首次測試了雙工位生產(chǎn)法，兩臺機(jī)器人在具有重疊工作區(qū)域。數(shù)據(jù)表明，如果只采用一臺機(jī)器人逐層鋪設(shè)碳纖維，即使采用三班制工作也需要7，延緩了新飛機(jī)的制造進(jìn)程，而此項(xiàng)目首次測試即縮短了38%，通過進(jìn)一步優(yōu)化程序以及固化工藝，將進(jìn)一步有效縮。
為開發(fā)高速率、大型結(jié)構(gòu)的航空復(fù)合材料制造技術(shù)，DLR啟動了GroFi項(xiàng)目，即多機(jī)器人AFP/ATL制造單元。在DLR構(gòu)造的GroFi單元中，可以使用五，通過在帶電軌道上移動免去了繁瑣的布線。在GroFi模式下，機(jī)翼蒙皮制造單元包括一個(gè)垂直方向的機(jī)翼蒙皮工件，工件被線性軸和轉(zhuǎn)盤包圍，機(jī)器人單元在其上進(jìn)行操作以放置膠帶和絲束。每個(gè)機(jī)械手單元均包括AFP/ATL接頭，多軸機(jī)械臂以及紗架。該系統(tǒng)的目標(biāo)是生產(chǎn)下一代單通道商用飛機(jī)機(jī)翼。目前，項(xiàng)目仍處于攻克機(jī)器人單元協(xié)同編程障礙階段，但其傳達(dá)給商業(yè)機(jī)翼制造計(jì)劃的潛在優(yōu)勢是顯而易見的。
類似地，Mikrosam也提出了新型纖維鋪放多機(jī)器人工作單元概念。
目前，雙機(jī)器人鋪設(shè)模式已經(jīng)具備了投入生產(chǎn)應(yīng)用的較為成熟的解決方案，多機(jī)器人鋪設(shè)方法則仍需進(jìn)一步開發(fā)與優(yōu)化?？偟膩碚f，多機(jī)器人鋪設(shè)模式是倍速提高生產(chǎn)效率的有效方法，標(biāo)志著航空復(fù)材制造朝著生產(chǎn)中的冗余性和魯棒性邁出了巨大的一步。
3.可移動機(jī)器人自動化鋪設(shè)DLR在巴黎發(fā)布了一款極具創(chuàng)新性的可移動纖維鋪放單元設(shè)備，該款移動單元在進(jìn)行纖維自動鋪放過程中可以自由移動，且纖維可直接鋪放在模具中。該項(xiàng)目在JECWorld2019展出了樣機(jī)，這一項(xiàng)目目前仍處于早期開發(fā)階段，代號為Flappybot，意為靈活的自主生產(chǎn)鋪設(shè)機(jī)器人。Flappybot源自GroFi項(xiàng)目，是一款三輥?zhàn)詣幽K化AFP/ATL機(jī)器。與GroFi項(xiàng)目類似，DLR設(shè)想Flappybot，以制造大型商用飛機(jī)結(jié)構(gòu)。
Flappybot集成了AFP/ATL系統(tǒng)的所有設(shè)備和功能，并將其封裝在一個(gè)模塊化的自驅(qū)動、可編程無線機(jī)器人中，該機(jī)器人通過在工件上移動將纖維和膠帶放置在制造中的結(jié)構(gòu)體上，該技術(shù)可以在現(xiàn)有的生產(chǎn)車間內(nèi)使用?？梢苿訖C(jī)器人鋪設(shè)方法創(chuàng)新地開辟了機(jī)器人自動鋪絲的新模式，為未來大型商用飛機(jī)結(jié)構(gòu)的高效靈活鋪設(shè)帶來無限可能。
關(guān)鍵技術(shù)
一是高精度鋪絲頭硬/軟件研發(fā)。鋪絲頭作為鋪絲設(shè)備的核心結(jié)構(gòu)，其精度直接決定了材料的鋪設(shè)精度與質(zhì)量。航空工業(yè)對構(gòu)件精度要求極高，提升和優(yōu)化鋪設(shè)精度是自動鋪絲技術(shù)發(fā)展的永恒話題。硬件方面可以通過優(yōu)化鋪絲頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低鋪放的操作難度，從而提高鋪放精度；軟件控制方面，需要通過增加傳感器等閉環(huán)反饋手段完善絲束張力、模具標(biāo)定、環(huán)境溫濕度等工藝參數(shù)的控制，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)模厚度。
二是鋪絲頭模塊化、集成化研究。模塊化可更換的鋪絲頭是簡化裝備結(jié)構(gòu)、提高鋪設(shè)效率的重要手段，目前已被多數(shù)機(jī)器人公司與航空制造公司所應(yīng)用。集成化一方面體現(xiàn)在鋪絲頭的一頭多用性，另一方面則是功能完整性，例如集成鋪帶、纏繞、缺陷檢測、在線質(zhì)檢等功能，將上游或下游工序一體化不僅可以提高生產(chǎn)效率，也可以大大降低生產(chǎn)成本。
三是機(jī)器人平臺軌跡規(guī)劃與后處理。機(jī)器人平臺的末端執(zhí)行軌跡與定位精度會直接影響產(chǎn)品的成型精度。在現(xiàn)有定位的基礎(chǔ)上，需要改進(jìn)各關(guān)節(jié)運(yùn)動控制算法，優(yōu)化針對不同區(qū)域的鋪設(shè)軌跡規(guī)劃算法，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)高效鋪設(shè)。
四是多機(jī)器人協(xié)同控制與管理。目前，如何精確控制多機(jī)器人的協(xié)作系統(tǒng)也成為機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題之一，與之相關(guān)的調(diào)配管理與監(jiān)控技術(shù)有待進(jìn)一步研究與驗(yàn)證。
航空制造中的自動鋪絲機(jī)器人應(yīng)用
各工業(yè)科技公司的自動鋪絲機(jī)器人產(chǎn)品銷量不斷增加，基于工業(yè)機(jī)器人平臺的自動鋪絲裝備在機(jī)翼、機(jī)身、整流罩等復(fù)合材料構(gòu)件的鋪設(shè)上已得到成功應(yīng)用。
2015年1月，美國國家航空航天局蘭利研究中心啟用了EI公司開發(fā)的先進(jìn)復(fù)合材料集成結(jié)構(gòu)裝配設(shè)備，如圖所示，ISAAC機(jī)器人具有加載了16個(gè)碳纖維絲軸的可替換鋪絲頭，旨在為航空航天飛行器開發(fā)更輕、強(qiáng)度更高的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和材料，用于航空研究任務(wù)部的先進(jìn)復(fù)合材料項(xiàng)目和空天技術(shù)任務(wù)部的復(fù)合材料上級探索項(xiàng)目。
2019年6月，英國國家復(fù)合材料中（NCC）斥資購入了Coriolis公司的新款C5自動鋪絲機(jī)用于研發(fā)下一代機(jī)翼制造系統(tǒng)。Coriolis公司已在全球范圍內(nèi)安裝了60多臺機(jī)器人，這些機(jī)器人大多用于生產(chǎn)FAA和EASA認(rèn)證的商用飛機(jī)，如空客A320，A350和A220（前龐巴迪C系列）。
2019年5月，美國SpiritSystem接收了EI公司最新研制的機(jī)器人自動纖維鋪放系統(tǒng)，進(jìn)一步鞏固了其作為全球最大AFP技術(shù)應(yīng)用廠商的優(yōu)勢地位。Spirit的研究和技術(shù)團(tuán)隊(duì)正在利用機(jī)器人AFP技術(shù)擴(kuò)展可自動化制造的零部件類型，以擺脫零部件復(fù)雜程度和成本的限制。
對于多機(jī)器人鋪設(shè)模式，空客A350旗艦機(jī)型上已經(jīng)采用了DLR測試的雙機(jī)器人新技術(shù)鋪設(shè)機(jī)翼部件，使用碳纖維增強(qiáng)材料（CFK）完成了輕質(zhì)機(jī)翼部件的鋪設(shè)，生產(chǎn)效率得到顯著提高。總之，基于機(jī)器人平臺的自動鋪設(shè)技術(shù)與裝備在歐美都得到了良好地發(fā)展與應(yīng)用，并積極向更高效的方向研發(fā)。隨著研究的深入，自動鋪絲機(jī)器人裝備及系統(tǒng)會更加趨于穩(wěn)定、成熟。
趨勢與展望隨著商用飛機(jī)與戰(zhàn)斗機(jī)部件小型化、復(fù)雜曲面化發(fā)展，大型鋪絲裝備的適用性將逐漸降低，為機(jī)器人鋪絲裝備帶來廣闊的應(yīng)用前景，并向著小型化、協(xié)作化、數(shù)字化的方向發(fā)展。
一是鋪絲機(jī)器人趨于小型化、敏捷化。利用機(jī)器人作為小尺寸復(fù)合材料鋪層裝備的平臺正在成為設(shè)備供應(yīng)商的基本做法。在實(shí)現(xiàn)高定位精度與協(xié)同控制的技術(shù)基礎(chǔ)上，將機(jī)器人小型化有利于提高平臺運(yùn)動的敏捷度，從而更高效地適應(yīng)小批量、小尺寸的部件，基安裝等成本，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。
二是協(xié)作機(jī)器人走進(jìn)自動鋪絲車間。具有高安全性、高靈活性和高精度的協(xié)作機(jī)器人近年來得到了快速發(fā)展并成功運(yùn)用于焊接、裝配等領(lǐng)域。在飛機(jī)部件小型化的趨勢下，利用成熟的協(xié)作機(jī)器人作為鋪絲頭平臺成為可能。協(xié)作機(jī)器人可應(yīng)用于多機(jī)器人鋪設(shè)模式，在機(jī)器人進(jìn)，工藝人員可以安全地并行工作，這將進(jìn)一步保障生產(chǎn)質(zhì)量，提高鋪設(shè)效率。
三是建成數(shù)字化智能鋪設(shè)“未來工廠”。多機(jī)器人鋪設(shè)模式與可移動鋪設(shè)模式未來會廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)車間，運(yùn)用數(shù)字化手段可以使生產(chǎn)過程穩(wěn)定可控，高效智能。過程進(jìn)行仿真與反饋，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的高質(zhì)量鋪設(shè)；通準(zhǔn)控制管理與監(jiān)測維護(hù)，提高裝備與生產(chǎn)流程的智能化程度。