導(dǎo)語：航空航天領(lǐng)域加工機(jī)器人發(fā)展趨勢一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，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(xué)技術(shù)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(fù)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(lǐng)域，復(fù)合材料因其成本低廉、性能優(yōu)越，已經(jīng)成為自動化應(yīng)用的首選。在復(fù)合材料加工成型的過程中，機(jī)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(jī)器人順利完成多道復(fù)雜加工工序。文章從復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用入手，分析復(fù)合材料加工的技術(shù)，并探索機(jī)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：復(fù)合材料；加工；機(jī)器人；自動化；應(yīng)用

復(fù)合材料主要是指用碳纖維等高性能增強(qiáng)材料復(fù)合而成的一種新型材料。與傳統(tǒng)的材料相比，復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、剛度高、耐疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性能佳等多方面的優(yōu)勢。對于一些精密結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件應(yīng)用復(fù)合材料，可以大大提升機(jī)械設(shè)備整體性能。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、汽車等多個領(lǐng)域，研究復(fù)合材料的加工與優(yōu)化路徑也成為當(dāng)前的一項(xiàng)熱點(diǎn)。

1復(fù)合材料在多個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用

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

1.1航空航天領(lǐng)域

復(fù)合材料也能夠使飛機(jī)自身的重量大大降低，飛機(jī)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(fù)合材料，占到了結(jié)構(gòu)總重的11%，A380大型客機(jī)上將復(fù)合材料應(yīng)用到了中央翼盒，總用量達(dá)到了25%左右。得益于復(fù)合材料在航空領(lǐng)域取得的突破性進(jìn)展，人們逐漸探索將復(fù)合材料應(yīng)用于導(dǎo)彈發(fā)射領(lǐng)域。如用復(fù)合材料來設(shè)計(jì)制作的導(dǎo)彈發(fā)射筒，可以減輕總重量20%以上。這樣火箭發(fā)射時(shí)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(yuǎn)，整個導(dǎo)彈的機(jī)動性能得到了顯著提升。在火箭機(jī)身上的排氣錐體、人造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體、太陽能電池板、運(yùn)載火箭和彈殼的一些零部件等應(yīng)用復(fù)合材料來制作，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(qiáng)。

1.2汽車工業(yè)領(lǐng)域

汽車工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ趶?fù)合材料的應(yīng)用也有很大的依賴性。首先借助性能優(yōu)良的復(fù)合材料，可以更好地實(shí)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，也是在汽車領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一大優(yōu)勢。現(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(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(jìn)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(jī)架及內(nèi)部構(gòu)件等也開始應(yīng)用一些復(fù)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(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，而且成型更加容易，所以在化工領(lǐng)域的一些化工設(shè)備，如紡織機(jī)、造紙及復(fù)印機(jī)、高速機(jī)床等精密儀器對于復(fù)合材料的應(yīng)用也有很大的依賴性。這些復(fù)合材料可以更好地提升設(shè)備通用性，而且使得機(jī)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(lǐng)域

復(fù)合材料進(jìn)入醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域，是醫(yī)學(xué)研究的一項(xiàng)重點(diǎn)，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，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)合材料在樂器、體育運(yùn)動器材、建筑等領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用空間?，F(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(fù)合材料的應(yīng)用，而且樂器本身的音響效果可以大大提升。另外，體育領(lǐng)域人們用復(fù)合材料制作而成的很多體育用品都為人們運(yùn)動健身出行帶來了極大的便利，如復(fù)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(shè)備、高檔運(yùn)動服飾等也都是用復(fù)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(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(jī)械加工向機(jī)器人加工領(lǐng)域有效邁進(jìn)，以機(jī)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?yàn)闄C(jī)器人的編程可控制性，使得復(fù)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(fù)合材料研究提供了一個新的方向。

2復(fù)合材料加工成型的主要方法

2.1自動鋪放成型技術(shù)

很多復(fù)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(fù)合材料加工的自動鋪放成型技術(shù)。這一技術(shù)是一種閉模成型技術(shù)，主要是借助自動投放、自動傳動帶、自動纖維纏繞技術(shù)、自動鋪絲技術(shù)等進(jìn)行一些大面積復(fù)合材料的制作與加工。

2.23D打印復(fù)合材料技術(shù)

當(dāng)前，人們對復(fù)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(fù)合材料的研究越來越細(xì)致，3D打印就成為復(fù)合材料成型加工探索的一個重要方向。借助3D打印技術(shù)，可以獲得一些精度比較高的復(fù)合材料，已應(yīng)用于航空航天、工業(yè)制造等多個領(lǐng)域。經(jīng)由3D打印制作而成的一些復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)小巧輕便。尤其是一些內(nèi)部相對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，由3D打印技術(shù)制作而成，可以實(shí)現(xiàn)精確控制。

2.3復(fù)合材料自動加工技術(shù)

隨著復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)的逐步發(fā)展，當(dāng)前很多金屬材料已經(jīng)被復(fù)合材料所取代，這類復(fù)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(fù)合材料在加工成型之后，還要進(jìn)行制孔、銑削、磨削、激光加工、超聲波加工、電火花加工等多項(xiàng)復(fù)合加工工序。這些加工工序的完成，如果以人工來達(dá)成，就會存在一致性不高、加工時(shí)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(fù)合加工方面，人們對于自動化技術(shù)的應(yīng)用有著很高的要求。機(jī)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(fù)合材料生產(chǎn)成本，現(xiàn)在國內(nèi)外都在探索以機(jī)器人來完成復(fù)合材料的自動加工工作。

3國外機(jī)器人加工復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，復(fù)合材料在各個領(lǐng)域的應(yīng)用范圍被大幅度拓寬，人們對復(fù)合材料的需求量越來越大，這就驅(qū)動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(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用具有通用性強(qiáng)、效率較高、規(guī)模統(tǒng)一等優(yōu)勢，是未來復(fù)合材料加工發(fā)展應(yīng)用的主流趨勢。當(dāng)前國外關(guān)于復(fù)合材料的機(jī)器人加工主要有以下幾個方面。

3.1機(jī)器人自主鋪絲技術(shù)

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

3.2機(jī)器人加工復(fù)合材料

機(jī)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(jìn)行一些復(fù)合材料的加工。主要有以下幾個方面：第一，機(jī)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，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(jī)器人鉆孔。機(jī)器人本身關(guān)節(jié)非常的靈活，而且具有精度高的特點(diǎn)，所以我們可以借助機(jī)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(zhǔn)確性、快速一致性打孔等方面具有突出優(yōu)勢。當(dāng)前機(jī)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(jī)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(dá)成的。機(jī)器人的運(yùn)用可以使復(fù)合材料的銑削加工高效快捷，以機(jī)器人來完成銑削過程，主要是要控制顫振現(xiàn)象。現(xiàn)在人們已經(jīng)研發(fā)了利用機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置補(bǔ)償算法來調(diào)節(jié)機(jī)器人運(yùn)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(fù)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(jī)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(jī)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，尤其是對于一些磨風(fēng)機(jī)葉片、發(fā)動機(jī)葉片、飛機(jī)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(shù)的應(yīng)用對于提升復(fù)合材料表面處理的一致性具有重要意義。當(dāng)前，人們已經(jīng)探索用機(jī)器人來完成磨削過程，通過機(jī)器人確定好打磨軌跡，并確定好機(jī)器人的磨削控制力度，控制柔順打磨裝置等，使得機(jī)器人磨削工作精度更高，強(qiáng)度更大。對于航空航天領(lǐng)域所需要的一些高品質(zhì)復(fù)合材料機(jī)器人的應(yīng)用具有廣泛的空間。

4國內(nèi)機(jī)器人復(fù)合材料加工研究現(xiàn)狀分析

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

4.1機(jī)器人自動鋪陳成型技術(shù)

國內(nèi)在復(fù)合材料自動纏繞成型加工方面的領(lǐng)先單位是南京航空航天大學(xué)，他們在與上海萬格復(fù)合材料合作的過程中，完成了國內(nèi)的第一臺八絲束預(yù)浸紗鋪放試驗(yàn)系統(tǒng)，并形成了自主研發(fā)的自動鋪絲及裝備技術(shù)儲備。后來人們又以動能為目標(biāo)函數(shù)，對于自動鋪成的成型路徑進(jìn)行了算法優(yōu)化，對于自動鋪成設(shè)備的功能需求也進(jìn)一步進(jìn)行了分析和調(diào)整?，F(xiàn)在我國的機(jī)器人自動鋪陳成型系統(tǒng)已經(jīng)可以很好地完成一些運(yùn)動處理問題，尤其是在多軸控制，鋪放模具，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，邊界處理等方面都取得了顯著成果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)對于纖維絲束的鋪放路徑進(jìn)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(shè)備后置處理技術(shù)，預(yù)浸絲變角度纖維鋪放技術(shù)，張力控制系統(tǒng)等。目前，多個大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)都對機(jī)器人的自動鋪陳成型技術(shù)進(jìn)行了突破研究。當(dāng)前，我國的大型飛機(jī)項(xiàng)目得以不斷推進(jìn)，就是收益于機(jī)器人自動鋪絲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

4.2機(jī)器人加工技術(shù)

當(dāng)前國內(nèi)從事機(jī)器人加工技術(shù)研究的單位也比較多，其中北航機(jī)器人研究所與中航工業(yè)合作取得的機(jī)器人加工自動鉆流系統(tǒng)比較先進(jìn)，該多功能制孔執(zhí)行器的孔定位精度達(dá)到了0.3毫米。浙江大學(xué)還對機(jī)器人自動鉆孔技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，制定了制孔定位誤差補(bǔ)償方法，可以實(shí)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(xué)、北京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)等，在機(jī)器人的磨削加工系統(tǒng)方面也取得了突破性進(jìn)展。尤其是在小型葉片空磨拋工工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jī)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(shí)現(xiàn)精確補(bǔ)償成為加工的難點(diǎn)。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(jī)器人工作準(zhǔn)確性的一個重點(diǎn)。未來我們還將繼續(xù)在機(jī)器人自動感知等方面進(jìn)一步加大投入，以更好地提升機(jī)器人反應(yīng)靈敏性，保證零件加工的精度。立足做到機(jī)器人快速反應(yīng)、高效加固。總之，復(fù)合材料當(dāng)前在多個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用空間，可以預(yù)見未來機(jī)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?，F(xiàn)階段復(fù)合材料加工過程中很多復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的磨拋，還需要依賴人工操作進(jìn)行有效的調(diào)整和補(bǔ)償。機(jī)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(jìn)一步研究和探索的一項(xiàng)重點(diǎn)。當(dāng)前國內(nèi)對機(jī)器人加工領(lǐng)域的研究主要集中于高校實(shí)驗(yàn)室，還有很多實(shí)驗(yàn)成果沒有投放到實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域，為了更好地縮小我國復(fù)合材料在機(jī)器人加工方面與外國的差距，我們將進(jìn)一步增強(qiáng)對機(jī)器人加工處理問題的研究，同時(shí)更好地拓寬機(jī)器人加工工作領(lǐng)域，推動我國復(fù)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(shù)職業(yè)學(xué)院