導語：航空航天領域加工機器人發(fā)展趨勢一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：隨著科學技術地不斷發(fā)展，目前各行各業(yè)對于材料綜合性能的要求已經(jīng)越來越高，復合材料因其可以集合各方的優(yōu)勢，越來越受到公眾的歡迎。尤其是在航空航天、工業(yè)、汽車等領域，復合材料因其成本低廉、性能優(yōu)越，已經(jīng)成為自動化應用的首選。在復合材料加工成型的過程中，機器人具有顯著的優(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雜加工工序。文章從復合材料的廣泛應用入手，分析復合材料加工的技術，并探索機器人在復合材料加工領域的應用與發(fā)展趨勢。

關鍵詞：復合材料；加工；機器人；自動化；應用

復合材料主要是指用碳纖維等高性能增強材料復合而成的一種新型材料。與傳統(tǒng)的材料相比，復合材料具有強度高、剛度高、耐疲勞、耐腐蝕、可設計性能佳等多方面的優(yōu)勢。對于一些精密結構的關鍵部件應用復合材料，可以大大提升機械設備整體性能。因此，復合材料被廣泛應用于航空航天、軍事、醫(yī)學、建筑、汽車等多個領域，研究復合材料的加工與優(yōu)化路徑也成為當前的一項熱點。

1復合材料在多個領域的廣泛應用

復合材料最初應用在第二次世界大戰(zhàn)時期，那時候美方飛機的雷達罩使用玻璃纖維強化塑料制作而成，雖然只是一種比較普通的復合材料，但是它為復合材料的研究奠定了良好基礎。與金屬制品相比，這一復合材料的應用使得整個飛機的結構大大減輕。隨后復合材料的應用范圍得到了進一步拓寬，戰(zhàn)斗機和客機等都開始應用復合材料，分別減重達到了11%和17%。后來，歐洲研究出了臺風戰(zhàn)斗機，復合材料的使用占比達到40%左右，從此復合材料在航空航天的應用受到廣泛關注。

1.1航空航天領域

復合材料也能夠使飛機自身的重量大大降低，飛機飛行的穩(wěn)定性也逐步提升。如波音B777上就使用了大量的復合材料，占到了結構總重的11%，A380大型客機上將復合材料應用到了中央翼盒，總用量達到了25%左右。得益于復合材料在航空領域取得的突破性進展，人們逐漸探索將復合材料應用于導彈發(fā)射領域。如用復合材料來設計制作的導彈發(fā)射筒，可以減輕總重量20%以上。這樣火箭發(fā)射時所需要的推動力就可以大幅降低，導彈的射程也能夠變得更遠，整個導彈的機動性能得到了顯著提升。在火箭機身上的排氣錐體、人造衛(wèi)星結構體、太陽能電池板、運載火箭和彈殼的一些零部件等應用復合材料來制作，也可以在柔韌性、結構穩(wěn)定性、可塑性等方面獲得顯著增強。

1.2汽車工業(yè)領域

汽車工業(yè)領域對于復合材料的應用也有很大的依賴性。首先借助性能優(yōu)良的復合材料，可以更好地實現(xiàn)減震或降低噪音，另外，復合材料的抗疲勞性能比較好，也是在汽車領域廣泛應用的一大優(yōu)勢?，F(xiàn)在很多汽車都追求流線造型，因此前后的一些部件造型都比較別致，應用復合材料可以更好地完善整體結構，造型損傷后也能進行快速修復?，F(xiàn)在很多汽車內(nèi)部的一些受力構件，如傳動軸、發(fā)動機架及內(nèi)部構件等也開始應用一些復合材料，使得整個汽車性能更加輕便優(yōu)越。

1.3化工紡織制造領域

與傳統(tǒng)材料相比，新型復合材料具有良好的耐腐蝕性，而且成型更加容易，所以在化工領域的一些化工設備，如紡織機、造紙及復印機、高速機床等精密儀器對于復合材料的應用也有很大的依賴性。這些復合材料可以更好地提升設備通用性，而且使得機器制造的成本大大降低，性能也更加優(yōu)越。

1.4醫(yī)療衛(wèi)生領域

復合材料進入醫(yī)療應用領域，是醫(yī)學研究的一項重點，現(xiàn)在很多假肢、人造骨骼、關節(jié)等都是用復合材料來制作，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，復合材料在樂器、體育運動器材、建筑等領域也有很大的應用空間。現(xiàn)在很多精致樂器，如大提琴、吉他、笛子等輕便精巧，都得益于復合材料的應用，而且樂器本身的音響效果可以大大提升。另外，體育領域人們用復合材料制作而成的很多體育用品都為人們運動健身出行帶來了極大的便利，如復合材料制作而成的自行車，棒球棒等被人們廣泛接受?，F(xiàn)在很多特殊的服飾，如潛水設備、高檔運動服飾等也都是用復合材料制作而成，他們在透氣性、防水性、保暖性等多個方面都具有顯著優(yōu)勢。人們對復合材料的需求量越來越大，這就對復合材料的加工提出了更高的要求。當前，復合材料的加工已經(jīng)由傳統(tǒng)的機械加工向機器人加工領域有效邁進，以機器人來完成復合材料的加工，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，使得復合材料加工的性能更加穩(wěn)定，成本也能變得低廉。這為后續(xù)復合材料研究提供了一個新的方向。

2復合材料加工成型的主要方法

2.1自動鋪放成型技術

很多復合材料加工都是從液體的樹脂，鋪放與傳遞模以成型，由此衍生出了復合材料加工的自動鋪放成型技術。這一技術是一種閉模成型技術，主要是借助自動投放、自動傳動帶、自動纖維纏繞技術、自動鋪絲技術等進行一些大面積復合材料的制作與加工。

2.23D打印復合材料技術

當前，人們對復合材料的需求量越來越高，所以除了傳統(tǒng)的鋪放成型加工外，人們對于一些小型復合材料的研究越來越細致，3D打印就成為復合材料成型加工探索的一個重要方向。借助3D打印技術，可以獲得一些精度比較高的復合材料，已應用于航空航天、工業(yè)制造等多個領域。經(jīng)由3D打印制作而成的一些復合材料，結構小巧輕便。尤其是一些內(nèi)部相對復雜的結構，由3D打印技術制作而成，可以實現(xiàn)精確控制。

2.3復合材料自動加工技術

隨著復合材料生產(chǎn)技術的逐步發(fā)展，當前很多金屬材料已經(jīng)被復合材料所取代，這類復合材料在纏繞成型、熱壓成型、壓力成型、精密鑄造成型等方面都有一些特殊要求，很多復合材料在加工成型之后，還要進行制孔、銑削、磨削、激光加工、超聲波加工、電火花加工等多項復合加工工序。這些加工工序的完成，如果以人工來達成，就會存在一致性不高、加工時間較長等問題，而且還會產(chǎn)生一些有毒物質(zhì)，對身體健康造成一定影響。所以在復合加工方面，人們對于自動化技術的應用有著很高的要求。機器人的出現(xiàn)很好地解決了加工過程中出現(xiàn)的一些問題。為更好地保證加工工件的穩(wěn)定性，降低復合材料生產(chǎn)成本，現(xiàn)在國內(nèi)外都在探索以機器人來完成復合材料的自動加工工作。

3國外機器人加工復合材料的發(fā)展現(xiàn)狀

當前，復合材料在各個領域的應用范圍被大幅度拓寬，人們對復合材料的需求量越來越大，這就驅動在制造上要能夠以更高的效率、較低的成本來完成復合材料的加工工作。機器人技術的應用具有通用性強、效率較高、規(guī)模統(tǒng)一等優(yōu)勢，是未來復合材料加工發(fā)展應用的主流趨勢。當前國外關于復合材料的機器人加工主要有以下幾個方面。

3.1機器人自主鋪絲技術

自主鋪絲應用于復合材料加工，是一個相對比較成熟的技術，而自主鋪絲應用過程中需要大量進行反復操作。人工落實這一步工作量比較大，而且容易出錯，以機器人來進行同步協(xié)作可以大大提高生產(chǎn)效率。借助機器人的自主鋪絲技術，可以將復合材料放置在工業(yè)機器人手臂之上，應用編程技術讓機器人自動完成鋪絲。以精確控制來設置鋪絲角度，可以使產(chǎn)品質(zhì)量更高，機器人的活動空間也能控制的更加精確。借助機器人鋪絲，可以將整個構建劃分為多個單元，批量生產(chǎn)一些復合構件。

3.2機器人加工復合材料

機器人除了可以完成一些多人協(xié)作的鋪絲工作外，還可以進行一些復合材料的加工。主要有以下幾個方面：第一，機器人鉆孔。在復合材料加工過程中，鉆孔是十分重要的工作，手工鉆孔質(zhì)量較差，而且效率比較低。為了更好地提升復合材料加工的效率，目前我們已經(jīng)探索采用機器人鉆孔。機器人本身關節(jié)非常的靈活，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，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。當前機器人打孔制作的一些復合材料在柔韌性、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?，F(xiàn)在人們已經(jīng)研發(fā)了利用機器人的實時位置補償算法來調(diào)節(jié)機器人運動速度，減少顫振、摩擦等誤差問題的出現(xiàn)。通過調(diào)整銑削過程的切向軸向力，使得復合材料加工質(zhì)量大大提升。另外，人們還探索了借助螺旋銑削、循環(huán)銑削等方法減少機器人工作過程中的銑削壓力，提升銑削加工的完整性。第三，機器人磨削。磨削也是復合材料加工過程中非常重要的一步，尤其是對于一些磨風機葉片、發(fā)動機葉片、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。磨削技術的應用對于提升復合材料表面處理的一致性具有重要意義。當前，人們已經(jīng)探索用機器人來完成磨削過程，通過機器人確定好打磨軌跡，并確定好機器人的磨削控制力度，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。對于航空航天領域所需要的一些高品質(zhì)復合材料機器人的應用具有廣泛的空間。

4國內(nèi)機器人復合材料加工研究現(xiàn)狀分析

國內(nèi)對于復合材料的機器人加工起步比較晚，但是在復合材料的機器人加工領域也取得了一些突出成果。

4.1機器人自動鋪陳成型技術

國內(nèi)在復合材料自動纏繞成型加工方面的領先單位是南京航空航天大學，他們在與上海萬格復合材料合作的過程中，完成了國內(nèi)的第一臺八絲束預浸紗鋪放試驗系統(tǒng)，并形成了自主研發(fā)的自動鋪絲及裝備技術儲備。后來人們又以動能為目標函數(shù)，對于自動鋪成的成型路徑進行了算法優(yōu)化，對于自動鋪成設備的功能需求也進一步進行了分析和調(diào)整。現(xiàn)在我國的機器人自動鋪陳成型系統(tǒng)已經(jīng)可以很好地完成一些運動處理問題，尤其是在多軸控制，鋪放模具，拓撲結構，邊界處理等方面都取得了顯著成果。哈爾濱工業(yè)大學對于纖維絲束的鋪放路徑進行了規(guī)劃，由此引發(fā)了新的自動鋪絲仿真系統(tǒng)。后來，人們還研究出了一系列的軌跡優(yōu)化算法，設備后置處理技術，預浸絲變角度纖維鋪放技術，張力控制系統(tǒng)等。目前，多個大學研發(fā)團隊都對機器人的自動鋪陳成型技術進行了突破研究。當前，我國的大型飛機項目得以不斷推進，就是收益于機器人自動鋪絲系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)。

4.2機器人加工技術

當前國內(nèi)從事機器人加工技術研究的單位也比較多，其中北航機器人研究所與中航工業(yè)合作取得的機器人加工自動鉆流系統(tǒng)比較先進，該多功能制孔執(zhí)行器的孔定位精度達到了0.3毫米。浙江大學還對機器人自動鉆孔技術進行了進一步的研究，制定了制孔定位誤差補償方法，可以實現(xiàn)更大范圍的快速高精度鉆孔定位。近年來，國內(nèi)的很多高校，例如清華大學、北京航空航天大學、華中科技大學等，在機器人的磨削加工系統(tǒng)方面也取得了突破性進展。尤其是在小型葉片空磨拋工工藝系統(tǒng)的設計和優(yōu)化方面，有很多卓越成果，很好地解決了磨削控制的大尺寸剛修弱、空氣動力穩(wěn)定性差等問題。目前我們在機器人破削加工方面面臨的難題還有以下幾個方面：首先，是一些零件的加工面不夠規(guī)則，這樣就不能確定精確的加工軌跡；第二，一些加工工具的磨損會影響加工質(zhì)量，如何更好地實現(xiàn)精確補償成為加工的難點。第三，在快速打壓過程中，如何獲得精確的壓力保障也成為提升機器人工作準確性的一個重點。未來我們還將繼續(xù)在機器人自動感知等方面進一步加大投入，以更好地提升機器人反應靈敏性，保證零件加工的精度。立足做到機器人快速反應、高效加固?？傊瑥秃喜牧袭斍霸诙鄠€領域都有廣泛的應用空間，可以預見未來機器人將在復合材料的加工中扮演重要的角色。復合材料制造、成型、加工自動化是未來復合材料制造技術發(fā)展的必然趨勢?，F(xiàn)階段復合材料加工過程中很多復雜曲面結構的磨拋，還需要依賴人工操作進行有效的調(diào)整和補償。機器人在柔性磨拋方面還有很大的完善空間，這是未來我們需要進一步研究和探索的一項重點。當前國內(nèi)對機器人加工領域的研究主要集中于高校實驗室，還有很多實驗成果沒有投放到實際生產(chǎn)應用領域，為了更好地縮小我國復合材料在機器人加工方面與外國的差距，我們將進一步增強對機器人加工處理問題的研究，同時更好地拓寬機器人加工工作領域，推動我國復合材料加工再上新臺階。

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作者：張玉鋒 單位：江蘇安全技術職業(yè)學院