樹脂基復(fù)合材料領(lǐng)域機器人加工的應(yīng)用與發(fā)展趨勢

王秋野 趙浛宇 韓琳

摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，目前各行業(yè)對于材料綜合性能的要求也越來越高，樹脂基復(fù)合材料因自身的結(jié)構(gòu)和性能特點，正逐漸替代傳統(tǒng)材料。特別是在航空航天、汽車和工業(yè)等領(lǐng)域，樹脂基復(fù)合材料因其成本優(yōu)勢、性能特點，應(yīng)用占比逐年提高。在復(fù)合材料加工成型的過程中，機器人有著顯著的優(yōu)勢，可以使整個材料加工的自動化水平顯著提升。尤其是一些難度較高的部件，也可以借助機器人順利完成多道復(fù)雜加工工序。本文從復(fù)合材料的應(yīng)用入手，分析復(fù)合材料加工技術(shù)，探索機器人在復(fù)合材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞 樹脂基復(fù)合材料；機器人；自動化；加工

Application and Development Trend of Robot Processing in

the Field of Resin Matrix Composites

WANG Qiuye， ZHAO Hanyu，HAN Lin

（Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT With the continuous development of science and technology， the requirements of various industries for the comprehensive properties of materials have become higher and higher， resin matrix composites can gather the advantages of all parties， more and more popular with the public. Especially in aerospace， industry， automobile and other fields， resin matrix composites 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 resin matrix composites; robot; automation; processing

1 引言

樹脂基復(fù)合材料具有高比強度、高比剛度、耐疲勞、耐腐蝕、性能可設(shè)計等優(yōu)點，性能優(yōu)于鋁合金材料，可被用于制造關(guān)鍵結(jié)構(gòu)零部件，因此復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、醫(yī)學(xué)、建筑和車輛等行業(yè)。傳統(tǒng)的手工加工方法無法滿足日益增長的需求，因此對復(fù)合材料的生產(chǎn)加工提出了低成本、自動化、大型化等更高的要求。低成本復(fù)合材料技術(shù)包括低成本的設(shè)計技術(shù)、制造技術(shù)和材料技術(shù)，核心是低成本的制造技術(shù)［1］。以美國為代表的西方發(fā)達國家已經(jīng)制訂了低成本復(fù)合材料計劃，復(fù)合材料的低成本化已形成了當(dāng)今世界復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展研究的核心問題［2］。美國國防部聯(lián)合NASA，F(xiàn)AA和工業(yè)界共同發(fā)起并制訂了低成本復(fù)合材料計劃，目標是降低成本的50%［3］。為此西方發(fā)達國家發(fā)展了自動鋪放技術(shù)研究，包括自動鋪帶技術(shù)和自動纖維鋪放技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了各種復(fù)合材料自動化成型加工專用設(shè)備，并將機器人技術(shù)廣泛地應(yīng)用于復(fù)合材料的加工工藝中。我國的復(fù)合材料加工技術(shù)與國外還存在較大差距。在先進的復(fù)合材料加工制造技術(shù)，如自動鋪帶技術(shù)、自動鋪絲技術(shù)和機器人加工復(fù)合材料技術(shù)等方面，只進行了一定的理論研究，大部分的研究還未投入到實際生產(chǎn)中轉(zhuǎn)化為效益。

機器人加工無疑給復(fù)合材料加工帶來了更多好處。機器人是一種高度自動化柔性設(shè)備，相對于專用加工制造設(shè)備，其具有通用性強、成本低廉和性能指標穩(wěn)定等優(yōu)點，可以大幅度提高復(fù)合材料的生產(chǎn)效率，有利于實現(xiàn)復(fù)合材料制造的低成本化。本文探討了復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域，分析了復(fù)合材料機器人加工技術(shù)，并探索機器人在復(fù)合材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展趨勢。

2 復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域

樹脂基復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料經(jīng)歷了從非承力結(jié)構(gòu)、次承力結(jié)構(gòu)到主承力結(jié)構(gòu)的發(fā)展階段，應(yīng)用復(fù)合材料制造精密結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，可以大大提升機械設(shè)備整體性能。同時由于復(fù)合材料的層合結(jié)構(gòu)和材料可設(shè)計性的特點，復(fù)合材料的應(yīng)用不僅可以滿足承力結(jié)構(gòu)需求，還可以滿足功能需求，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)-功能一體化。目前，樹脂基復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域。

2.1 航空航天領(lǐng)域

樹脂基復(fù)合材料能夠使飛機自身的結(jié)構(gòu)重量大幅降低，同時提升飛機飛行的穩(wěn)定性和可靠性。如波音B777就使用了大量的復(fù)合材料，如圖1所示，占到了結(jié)構(gòu)總重的11%，A380大型客機將復(fù)合材料應(yīng)用到了中央翼盒，總用量達25%左右。由于樹脂基復(fù)合材料在航空領(lǐng)域取得的突破性進展，人們逐漸探索將復(fù)合材料應(yīng)用于導(dǎo)彈及相關(guān)發(fā)射領(lǐng)域。如用復(fù)合材料來設(shè)計制作導(dǎo)彈發(fā)射筒，可以減重20%以上。復(fù)合材料應(yīng)用于火箭或?qū)椀呐擉w結(jié)構(gòu)，使得火箭或?qū)椀目傊亓看蠓陆?，這樣火箭發(fā)射時所需要的推動力就可以大幅降低，導(dǎo)彈的射程也能夠變得更遠，整個導(dǎo)彈的機動性能得到了顯著提升。應(yīng)用復(fù)合材料制作火箭機身上的排氣錐體、人造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體、太陽能電池板、運載火箭和彈殼的一些零部件，也可以在柔韌性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、可塑性等方面獲得顯著增強。

2.2 汽車工業(yè)領(lǐng)域

復(fù)合材料良好的性能在汽車工業(yè)領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的特點，可以更好地實現(xiàn)減震或降低噪音，另外，復(fù)合材料的抗疲勞性能比較好，這也是在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的一大優(yōu)勢?，F(xiàn)在很多汽車都追求流線造型，對部件的整體性要求較高，應(yīng)用復(fù)合材料可以更好地完善整體結(jié)構(gòu)，造型損傷后也能進行快速修復(fù)?，F(xiàn)在很多汽車內(nèi)部的一些受力構(gòu)件，如傳動軸、發(fā)動機架及內(nèi)部構(gòu)件等也開始應(yīng)用復(fù)合材料，使汽車性能更加優(yōu)越。同時由于新能源車的普及，樹脂基復(fù)合材料作為輕量化材料，在汽車領(lǐng)域?qū)⒂兄鼜V泛的應(yīng)用。碳纖維汽車傳動軸如圖2所示。

2.3 能源工業(yè)領(lǐng)域

復(fù)合材料的優(yōu)異特性使其在能源領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如在儲能裝置、儲氫壓力容器領(lǐng)域等方向；火力發(fā)電工業(yè)方面的通風(fēng)系統(tǒng)、排煤灰渣管道、循環(huán)水冷卻系統(tǒng)、屋頂軸流風(fēng)機、電纜保護設(shè)施以及電絕緣制品等方向；水力發(fā)電工業(yè)中的電站建設(shè)、大壩和隧道中防沖、耐磨、防凍、耐腐蝕過水面的保護、閥門、發(fā)電和輸電中的各種電絕緣制品等；以及在新能源方面，用于復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機葉片、電桿及電絕緣制品等。樹脂基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)-功能一體化特點有著廣闊的應(yīng)用和發(fā)展空間。

2.4 化工紡織制造領(lǐng)域

與傳統(tǒng)材料相比，新型復(fù)合材料具有良好的耐腐蝕性，而且比強度和比剛度高，可被應(yīng)用于化工領(lǐng)域的一些化工設(shè)備，如紡織機械、造紙及復(fù)印機、高速機床等精密儀器。這些復(fù)合材料可以更好地提升設(shè)備性能，使得機器制造的成本大大降低，性能也更加優(yōu)越。

2.5 醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域

復(fù)合材料進入醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域，是醫(yī)學(xué)研究的一項重點，現(xiàn)在很多假肢、人造骨骼、關(guān)節(jié)等都是用復(fù)合材料來制作的，可以極大地減輕患者病痛，而且讓他們的出行更加輕便靈活。

此外，復(fù)合材料在體育器材、建筑材料和海洋工程等多個方面的應(yīng)用都有著顯著優(yōu)勢。目前對復(fù)合材料的需求量越來越大，這就對復(fù)合材料的加工提出了更高的要求。當(dāng)前，復(fù)合材料的加工已經(jīng)由傳統(tǒng)的機械加工向機器人加工領(lǐng)域有效邁進，以機器人來完成復(fù)合材料的加工，可以使整個加工過程大大簡化，而且因為機器人的編程可控制性，使得復(fù)合材料加工性能更加穩(wěn)定，這為后續(xù)復(fù)合材料研究提供了一個新的方向。

3 利用機器人技術(shù)加工復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，隨著技術(shù)進度和需求的牽引，復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，對復(fù)合材料的需求量越來越大，這就需要在制造上要能夠以更高的效率、較低的成本來完成復(fù)合材料的加工工作。機器人技術(shù)的應(yīng)用具有通用性強、效率較高、規(guī)模統(tǒng)一等優(yōu)勢，越來越多的企業(yè)開始應(yīng)用機器人加工技術(shù)，并將其用于不同的生產(chǎn)工序，這是未來復(fù)合材料加工發(fā)展應(yīng)用的主流趨勢。當(dāng)前關(guān)于復(fù)合材料的機器人加工主要有以下幾個方面。

3.1 機器人自動鋪絲技術(shù)

復(fù)合材料自動化成型技術(shù)一直是業(yè)內(nèi)研究的熱點，其中自動鋪放成型技術(shù)是目前自動化程度高且成型范圍較廣的典型制造技術(shù)［4-5］，包括了自動鋪帶和自動鋪絲技術(shù)。自動鋪帶技術(shù)雖然成型效率高，但其應(yīng)用范圍因帶寬和芯模復(fù)雜程度而受到限制［6］。自動鋪絲技術(shù)絲束可控，可實時地增減預(yù)浸紗的數(shù)目來滿足實際鋪放需求，適合不規(guī)則外形和邊界復(fù)雜的大尺寸構(gòu)件的自動化成型，該技術(shù)現(xiàn)已成為大型復(fù)雜復(fù)合材料部件的典型制造工藝技術(shù)。

機器人自動鋪絲技術(shù)是復(fù)合材料鋪絲技術(shù)的延伸，該技術(shù)將一個纖維鋪放工作頭安裝在工業(yè)機器人手臂上，工作頭用于鋪放碳纖維增強的復(fù)合材料［7］。機器人自動鋪絲技術(shù)有許多傳統(tǒng)成型技術(shù)不具備的優(yōu)點，包括節(jié)省勞動力和原材料，精確控制纖維的鋪放角度，鋪放質(zhì)量高，自動壓實。此外機器人具有更大的靈活工作空間，可以制造尺寸更大、形狀更加復(fù)雜的零件。

機器人自動鋪絲系統(tǒng)通常單獨適用于特定的應(yīng)用程序，但這些系統(tǒng)有一個典型的子組件，如圖3所示［8］。主要結(jié)構(gòu)包括：纖維鋪放工作頭、送料系統(tǒng)、機器人本體和控制系統(tǒng)。圖中的機器人系統(tǒng)由于機器人是固定在地面上的，限制了機器人的移動，也限制了機器人加工零件的最大尺寸，因此只適用于加工小型復(fù)材零件，通常只適用于研發(fā)工作。為了減少鋪放的時間，同時鋪放數(shù)條平行的纖維束。工業(yè)應(yīng)用的工作頭上通常有16或32個纖維束。

3.2 機器人加工復(fù)合材料

機器人除了可以完成多人協(xié)作的鋪絲工作外，還可以完成復(fù)合材料的加工工作。機器人加工，是以工業(yè)機器人為本體，手臂末端安裝具有不同功能的主軸加工系統(tǒng)或在手臂末端夾持被加工工件，完成鉆削、銑削、打磨等不同加工工藝［9-11］。

第一，機器人鉆孔。在復(fù)合材料加工過程中，鉆孔是十分重要的工作，由于復(fù)合材料難加工的特性，手工鉆孔質(zhì)量較差，而且效率比較低。為了更好地提升復(fù)合材料加工的效率，目前我們已經(jīng)探索采用機器人鉆孔，如圖4所示。機器人自動化鉆孔技術(shù)是指工業(yè)機器人手臂末端攜帶鉆孔執(zhí)行器實現(xiàn)鉆孔加工的一種技術(shù)。機器人本身關(guān)節(jié)靈活，而且具有精度高的特點，所以我們可以借助機器人來完成一些特殊配置的鉆孔任務(wù)，在自動測量孔位準確性、快速一致性打孔等方面具有突出優(yōu)勢。當(dāng)前機器人打孔制作的一些復(fù)合材料在柔韌性、智能性、加工質(zhì)量等多個方面都比較突出。

第二，機器人銑削。銑削對于加工精度要求非常高，銑削的力度要求比較大，而且要周期性工作，以人工來完成這一過程是不可能達成的。機器人的運用可以使復(fù)合材料的銑削加工高效快捷，以機器人來完成銑削過程，主要是要控制顫振現(xiàn)象，提升銑削加工的完整性。機器人切削顫振的產(chǎn)生原因是工業(yè)機器人固有的低剛度特性引起的；機器人的切削顫振主要是模態(tài)耦合顫振。若要將工業(yè)機器人用于裝配加工，必須解決切削顫振問題。目前，提高加工效果的兩種方法是通過機器人加工姿態(tài)優(yōu)化提高系統(tǒng)剛度或者采用螺旋銑削方法，減小切削量降低銑削力。

第三，機器人磨削。磨削也是復(fù)合材料加工過程中非常重要的一步，尤其是對于一些風(fēng)機葉片、發(fā)動機葉片和飛機艙蓋等，借助磨削可以使物品表面的形狀完整性、表面光滑度都得到有效保障。通過機器人確定好打磨軌跡，并確定好機器人的磨削力度，控制柔順打磨裝置等，使得機器人磨削工作精度更高，強度更大。機器人磨拋技術(shù)不僅保證了加工過程的準確性，也提高了表面一致性和生產(chǎn)效率。近些年機器人應(yīng)用于表面打磨領(lǐng)域取得的成果是巨大的，機器人代替人工打磨使得表面粗糙度從15μm降至0.1μm［12］。而且，利用一種氣囊式末端執(zhí)行器，使得機器人打磨的表面粗糙度低至5nm［13］。風(fēng)電葉片打磨系統(tǒng)如圖5所示。

4 結(jié)語

綜上所述，復(fù)合材料當(dāng)前在多個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用空間，機器人由于其自身的工作空間大，通用性好、靈活性高、成本低等優(yōu)點，使它在未來復(fù)材加工領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用空間?？梢灶A(yù)見未來機器人將在復(fù)合材料的加工中扮演重要的角色。

復(fù)合材料制造、成型、加工自動化是未來復(fù)合材料制造技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。但是機器人本身的結(jié)構(gòu)特點也導(dǎo)致機器人的剛度較數(shù)控機床低，加工精度低，易發(fā)生切削顫振等。需要對機器人的剛度與精度進一步提升，使其適應(yīng)復(fù)合材料加工的需求。隨著技術(shù)的進步，對機器人加工處理問題的深入研究，將更好地拓寬機器人在復(fù)合材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用，將復(fù)合材料制造加工向數(shù)字化和智能化推進。

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