树脂基复合材料领域机器人加工的应用与发展趋势

王秋野 赵浛宇 韩琳

摘 要 随着科学技术不断发展，目前各行业对于材料综合性能的要求也越来越高，树脂基复合材料因自身的结构和性能特点，正逐渐替代传统材料。特别是在航空航天、汽车和工业等领域，树脂基复合材料因其成本优势、性能特点，应用占比逐年提高。在复合材料加工成型的过程中，机器人有着显著的优势，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。本文从复合材料的应用入手，分析复合材料加工技术，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 树脂基复合材料；机器人；自动化；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

树脂基复合材料具有高比强度、高比刚度、耐疲劳、耐腐蚀、性能可设计等优点，性能优于铝合金材料，可被用于制造关键结构零部件，因此复合材料被广泛应用于航空航天、军事、医学、建筑和车辆等行业。传统的手工加工方法无法满足日益增长的需求，因此对复合材料的生产加工提出了低成本、自动化、大型化等更高的要求。低成本复合材料技术包括低成本的设计技术、制造技术和材料技术，核心是低成本的制造技术［1］。以美国为代表的西方发达国家已经制订了低成本复合材料计划，复合材料的低成本化已形成了当今世界复合材料技术发展研究的核心问题［2］。美国国防部联合NASA，FAA和工业界共同发起并制订了低成本复合材料计划，目标是降低成本的50%［3］。为此西方发达国家发展了自动铺放技术研究，包括自动铺带技术和自动纤维铺放技术，设计开发了各种复合材料自动化成型加工专用设备，并将机器人技术广泛地应用于复合材料的加工工艺中。我国的复合材料加工技术与国外还存在较大差距。在先进的复合材料加工制造技术，如自动铺带技术、自动铺丝技术和机器人加工复合材料技术等方面，只进行了一定的理论研究，大部分的研究还未投入到实际生产中转化为效益。

机器人加工无疑给复合材料加工带来了更多好处。机器人是一种高度自动化柔性设备，相对于专用加工制造设备，其具有通用性强、成本低廉和性能指标稳定等优点，可以大幅度提高复合材料的生产效率，有利于实现复合材料制造的低成本化。本文探讨了复合材料的应用领域，分析了复合材料机器人加工技术，并探索机器人在复合材料加工领域的应用与发展趋势。

2 复合材料应用领域

树脂基复合材料代替传统材料经历了从非承力结构、次承力结构到主承力结构的发展阶段，应用复合材料制造精密结构的关键部件，可以大大提升机械设备整体性能。同时由于复合材料的层合结构和材料可设计性的特点，复合材料的应用不仅可以满足承力结构需求，还可以满足功能需求，实现结构-功能一体化。目前，树脂基复合材料被广泛应用于多个领域。

2.1 航空航天领域

树脂基复合材料能够使飞机自身的结构重量大幅降低，同时提升飞机飞行的稳定性和可靠性。如波音B777就使用了大量的复合材料，如图1所示，占到了结构总重的11%，A380大型客机将复合材料应用到了中央翼盒，总用量达25%左右。由于树脂基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及相关发射领域。如用复合材料来设计制作导弹发射筒，可以减重20%以上。复合材料应用于火箭或导弹的舱体结构，使得火箭或导弹的总重量大幅下降，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。应用复合材料制作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，也可以在柔韌性、结构稳定性、可塑性等方面获得显著增强。

2.2 汽车工业领域

复合材料良好的性能在汽车工业领域也有着广泛的应用。复合材料层合结构的特点，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，这也是在汽车领域应用的一大优势。现在很多汽车都追求流线造型，对部件的整体性要求较高，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、发动机架及内部构件等也开始应用复合材料，使汽车性能更加优越。同时由于新能源车的普及，树脂基复合材料作为轻量化材料，在汽车领域将有着更广泛的应用。碳纤维汽车传动轴如图2所示。

2.3 能源工业领域

复合材料的优异特性使其在能源领域有着广泛的应用，如在储能装置、储氢压力容器领域等方向；火力发电工业方面的通风系统、排煤灰渣管道、循环水冷却系统、屋顶轴流风机、电缆保护设施以及电绝缘制品等方向；水力发电工业中的电站建设、大坝和隧道中防冲、耐磨、防冻、耐腐蚀过水面的保护、阀门、发电和输电中的各种电绝缘制品等；以及在新能源方面，用于复合材料风力发电机叶片、电杆及电绝缘制品等。树脂基复合材料的结构-功能一体化特点有着广阔的应用和发展空间。

2.4 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，而且比强度和比刚度高，可被应用于化工领域的一些化工设备，如纺织机械、造纸及复印机、高速机床等精密仪器。这些复合材料可以更好地提升设备性能，使得机器制造的成本大大降低，性能也更加优越。

2.5 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的，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。

此外，复合材料在体育器材、建筑材料和海洋工程等多个方面的应用都有着显著优势。目前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，使得复合材料加工性能更加稳定，这为后续复合材料研究提供了一个新的方向。

3 利用机器人技术加工复合材料的发展现状

当前，随着技术进度和需求的牵引，复合材料的应用领域越来越广泛，对复合材料的需求量越来越大，这就需要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，越来越多的企业开始应用机器人加工技术，并将其用于不同的生产工序，这是未来复合材料加工发展应用的主流趋势。当前关于复合材料的机器人加工主要有以下几个方面。

3.1 机器人自动铺丝技术

复合材料自动化成型技术一直是业内研究的热点，其中自动铺放成型技术是目前自动化程度高且成型范围较广的典型制造技术［4-5］，包括了自动铺带和自动铺丝技术。自动铺带技术虽然成型效率高，但其应用范围因带宽和芯模复杂程度而受到限制［6］。自动铺丝技术丝束可控，可实时地增减预浸纱的数目来满足实际铺放需求，适合不规则外形和边界复杂的大尺寸构件的自动化成型，该技术现已成为大型复杂复合材料部件的典型制造工艺技术。

机器人自动铺丝技术是复合材料铺丝技术的延伸，该技术将一个纤维铺放工作头安装在工业机器人手臂上，工作头用于铺放碳纤维增强的复合材料［7］。机器人自动铺丝技术有许多传统成型技术不具备的优点，包括节省劳动力和原材料，精确控制纤维的铺放角度，铺放质量高，自动压实。此外机器人具有更大的灵活工作空间，可以制造尺寸更大、形状更加复杂的零件。

机器人自动铺丝系统通常单独适用于特定的应用程序，但这些系统有一个典型的子组件，如图3所示［8］。主要结构包括：纤维铺放工作头、送料系统、机器人本体和控制系统。图中的机器人系统由于机器人是固定在地面上的，限制了机器人的移动，也限制了机器人加工零件的最大尺寸，因此只适用于加工小型复材零件，通常只适用于研发工作。为了减少铺放的时间，同时铺放数条平行的纤维束。工业应用的工作头上通常有16或32个纤维束。

3.2 机器人加工复合材料

机器人除了可以完成多人协作的铺丝工作外，还可以完成复合材料的加工工作。机器人加工，是以工业机器人为本体，手臂末端安装具有不同功能的主轴加工系统或在手臂末端夹持被加工工件，完成钻削、铣削、打磨等不同加工工艺［9-11］。

第一，机器人钻孔。在复合材料加工过程中，钻孔是十分重要的工作，由于复合材料难加工的特性，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，如图4所示。机器人自动化钻孔技术是指工业机器人手臂末端携带钻孔执行器实现钻孔加工的一种技术。机器人本身关节灵活，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，提升铣削加工的完整性。机器人切削颤振的产生原因是工业机器人固有的低刚度特性引起的；机器人的切削颤振主要是模态耦合颤振。若要将工业机器人用于装配加工，必须解决切削颤振问题。目前，提高加工效果的两种方法是通过机器人加工姿态优化提高系统刚度或者采用螺旋铣削方法，减小切削量降低铣削力。

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，尤其是对于一些风机叶片、发动机叶片和飞机舱盖等，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。通过机器人确定好打磨轨迹，并确定好机器人的磨削力度，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。机器人磨抛技术不仅保证了加工过程的准确性，也提高了表面一致性和生產效率。近些年机器人应用于表面打磨领域取得的成果是巨大的，机器人代替人工打磨使得表面粗糙度从15μm降至0.1μm［12］。而且，利用一种气囊式末端执行器，使得机器人打磨的表面粗糙度低至5nm［13］。风电叶片打磨系统如图5所示。

4 结语

综上所述，复合材料当前在多个领域都有广泛的应用空间，机器人由于其自身的工作空间大，通用性好、灵活性高、成本低等优点，使它在未来复材加工领域拥有广阔的应用空间。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色。

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。但是机器人本身的结构特点也导致机器人的刚度较数控机床低，加工精度低，易发生切削颤振等。需要对机器人的刚度与精度进一步提升，使其适应复合材料加工的需求。随着技术的进步，对机器人加工处理问题的深入研究，将更好地拓宽机器人在复合材料加工领域的应用，将复合材料制造加工向数字化和智能化推进。

参 考 文 献

［1］张建宝，肖军，文立伟，等.自动铺带技术研究进展［J］.材料工程，2010（7）：87-91.

［2］王绍凯，马绪强，李敏，等.飞行器结构用复合材料四大核心技术及发展［J］.玻璃钢/复合材料，2014（9）：76-84.

［3］范玉青，张丽华.超大型复合材料机体部件应用技术的新进展—飞机制造技术的新跨越［J］.航空学报，2009，30（3）：534-543.

［4］肖军，李勇，文立伟，等.树脂基复合材料自动铺放技术进展［J］.中国材料进展，2009，28（6）：28-32.

［5］任晓华.复合材料制造装备向小型化和机器人化发展［J］.环球飞行，2012（6）：24.

［6］祁萌，李晓红，高彬彬.国外航空领域机器人技术发展现状与趋势分析［J］.航空制造技术，2018，61（12）：93-97.

［7］SHIRINZADEH B，ALICI G，FOONG C W，et al. Fabrication process of open surfaces by robotic fibre placement［J］. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2004，20（1）：17-28.

［8］KONRAD K. Automated fiber placement systems overview［J］.Transactions of the Institute of Aviation，2016，4（245）：52-59.

［9］崔楠.碳纤维复合材料制孔机器人视觉定位技术研究［D］.哈尔滨：哈尔滨理工大学，2019.

［10］张振甫， 肖军， 吴海桥， 等.复合材料锥壳0°铺层的自动铺放成型方法研究［J］.宇航材料工艺，2007（2）：55-57.

［11］郝大賢，王伟，王琦珑，等.复合材料加工领域机器人的应用与发展趋势［J］.机械工程学报，2019，55（3）：14-30.

［12］HAZEL B，COTE J，MONGENOT P，et al. Robotic polishing of turbine runners［C］// Applied Robotics for the Power Industry（CARPI），2012 2nd International Conference on. September 11-13，2012，Zurich，Switzerland. Piscataway：IEEE，2012：50-51.

［13］JIN M，JI S，ZHANG L，et al. Material removal model and contact control of robotic gasbag polishing technique［C］// Robotics，Automation and Mechatronics，September 21-24 2008，Chengdu，China. Piscataway：IEEE，2008：879-883.