01
概述
纖維纏繞成型技術(shù)是一種先進(jìn)的加工方法,其中通過噴嘴將浸漬樹脂的纖維束按特定規(guī)律纏繞在芯模上,經(jīng)固化處理后形成最終產(chǎn)品。這種技術(shù)的發(fā)展與纖維纏繞機(jī)的進(jìn)步密切相關(guān)。20世紀(jì)30年代,隨著樹脂基增強(qiáng)復(fù)合材料的出現(xiàn),纖維纏繞技術(shù)開始興起。到了20世紀(jì)40年代末,第一代用于自動生產(chǎn)的纖維纏繞機(jī)誕生。伴隨微處理器技術(shù)的發(fā)展,纖維纏繞機(jī)經(jīng)歷了多次升級,特別是在計(jì)算機(jī)時(shí)代,出現(xiàn)了基于計(jì)算機(jī)數(shù)控和機(jī)器人技術(shù)的纖維纏繞機(jī),實(shí)現(xiàn)了多軸聯(lián)動和高精度加工。
國內(nèi)學(xué)者對纖維纏繞技術(shù)進(jìn)行了深入的理論研究,并成功制造了多種纖維纏繞產(chǎn)品,如壓力容器和儲罐等。這些技術(shù)在民用、汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多,顯示出我國纖維纏繞技術(shù)已達(dá)到國際水平。然而,我國在機(jī)床核心部件方面依然依賴進(jìn)口產(chǎn)品。雖然國內(nèi)也進(jìn)行了相關(guān)研究,但國產(chǎn)核心部件在機(jī)床上的應(yīng)用仍然較少。在纖維纏繞領(lǐng)域,盡管我國在某些指標(biāo)上已接近國際標(biāo)準(zhǔn),但在復(fù)雜構(gòu)件(如異形件、三通管等)的研究方面仍有所不足。
02
發(fā)展方向
目前國內(nèi)大多數(shù)纏繞設(shè)備能夠保證纖維纏繞制品構(gòu)件的質(zhì)量,完成產(chǎn)品加工,但是設(shè)備靈活性較低,不能適用于一些復(fù)雜構(gòu)件的纏繞,所以將高靈活性 的機(jī)器人應(yīng)用于自動纏繞勢在必行。現(xiàn)階段國外機(jī)器人纏繞設(shè)備已經(jīng)廣泛得到應(yīng)用,雅典國立技術(shù)大學(xué)運(yùn)用六軸機(jī)器人實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料殼狀零件的制造,如圖所示,COMAU機(jī)器人聯(lián)合西門子公司共同研制開發(fā)了一系列針對 復(fù)合材料成型的機(jī)器人設(shè)備。但國內(nèi)機(jī)器人纏繞設(shè)備尚處于起步階段,且大部分機(jī)器人采用的是國外成熟產(chǎn)品。

圖 COMAU機(jī)器人聯(lián)合西門子共同研發(fā)的機(jī)器人
隨著德國工業(yè)4.0的提出,各個(gè)國家分別提出相應(yīng)發(fā)展策略,共同朝著智能化的方向發(fā)展,在各類新興技術(shù)中,機(jī)器人占據(jù)了一席之地。工業(yè)機(jī)器人作為一種多自由度、高靈活性裝置,在智能化領(lǐng)域的多方面應(yīng)用是必然的,自20 世紀(jì)60年代美國首先研發(fā)出第一臺工業(yè)機(jī)器人后,各國開始進(jìn)入機(jī)器人的爭相研發(fā)階段,不同國家的一些標(biāo)志性時(shí)代產(chǎn)物。
表 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展進(jìn)程

自1990年代起,為了加工復(fù)雜構(gòu)件,纖維纏繞機(jī)開始朝向多自由度的發(fā)展。這包括在原有機(jī)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動,以及采用機(jī)器人進(jìn)行纏繞。各國大學(xué)和企業(yè)在這方面進(jìn)行了積極的探索和發(fā)展:
探索歷程
- 比利時(shí)魯汶大學(xué)針對復(fù)雜構(gòu)件的纏繞需求,對PUMA-72機(jī)器人進(jìn)行深度開發(fā),設(shè)計(jì)制造了專用的纏繞頭,并建立了機(jī)器人纖維纏繞工作站。
- 德國亞琛大學(xué)為生產(chǎn)復(fù)合材料零件,使用機(jī)器人建立了一個(gè)柔性制造單元。
- 荷蘭代爾夫特大學(xué)使用機(jī)器人創(chuàng)建了一個(gè)多功能工作站,既能完成纖維纏繞制品加工,也可用于其他研究工作。
- 加拿大Compositum公司嘗試結(jié)合ABB和KUKA機(jī)器人作為纏繞主體,開發(fā)全自動纏繞系統(tǒng)。
- 法國MF Tech公司為解決復(fù)雜構(gòu)件的纏繞問題,采用工業(yè)機(jī)器人建立了纖維纏繞系統(tǒng)。
- 北馬其頓的麥科羅公司開發(fā)了機(jī)器人自動纏繞生產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)輸送、裝卸、纏繞的一體化。
- 意大利學(xué)者提出了一種機(jī)器人纖維纏繞的設(shè)計(jì)方法,以確保復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)零件的纏繞質(zhì)量和均勻性。
- 美國田納西大學(xué)研究了輕質(zhì)纖維復(fù)合材料多節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)部件的制造策略和特有纏繞頭部件,使用KUKA機(jī)器人對軌跡進(jìn)行驗(yàn)證纏繞。
這些研究和開發(fā)表明,纖維纏繞技術(shù)正不斷發(fā)展,以適應(yīng)更為復(fù)雜和多樣化的加工需求。

圖 機(jī)器人輔助纏繞應(yīng)用場景
(未完待續(xù))
信息來源:
顧家宸.多軸專用纖維纏繞系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2022.
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