自上世紀(jì)五六十年代以來, 機(jī)械臂被發(fā)明并逐漸應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療輔助、空間技術(shù)等領(lǐng)域，機(jī)械臂的應(yīng)用發(fā)展經(jīng)歷多個階段,，第一階段是上世紀(jì)五六十年代，機(jī)械臂首次被提出并應(yīng)用在汽車工業(yè)方面, 是基于數(shù)控技術(shù)的末端工具與機(jī)械手臂的結(jié)合, 缺乏檢測環(huán)境信息的工具, 僅能執(zhí)行點(diǎn)對點(diǎn)的操作任務(wù)。第二階段是上世紀(jì)七十年代，許多先進(jìn)的傳感設(shè)備集成到機(jī)械臂中，如視覺、力、力矩等，這使機(jī)械臂能夠?qū)Νh(huán)境做出反應(yīng)；此外可編程邏輯控制器被應(yīng)用到機(jī)械臂編程中，這大大降低了復(fù)雜任務(wù)的編程難度。第三階段是上世紀(jì)八九十年代，機(jī)械臂配置專有的控制器并開發(fā)新的編程語言，這使得機(jī)械臂能夠快速適應(yīng)不同領(lǐng)域的任務(wù)，大大增強(qiáng)機(jī)械臂的通用性。第四階段是二十世紀(jì)初至今，人工智能在機(jī)械臂領(lǐng)域不斷發(fā)展，更強(qiáng)大的計算機(jī)使得機(jī)械臂不僅能夠處理數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行推理和學(xué)習(xí)，此外協(xié)作機(jī)器人也在這一階段被提出。機(jī)械臂起源于工業(yè)應(yīng)用，在工業(yè)中的應(yīng)用也最廣泛。根據(jù)《中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告 (2022 年)》的統(tǒng)計， 預(yù)計 2022 年中國機(jī)器人市場規(guī)模為 174億美元, 占全球市場的 34%, 其中工業(yè)機(jī)器人市場87 億美元, 位居中國機(jī)器人市場首位。根據(jù)億歐智庫的報告, 工業(yè)機(jī)器人主要應(yīng)用在家電、汽車、金屬加工和機(jī)械、塑料和化學(xué)產(chǎn)品、食品等制造業(yè)。在中國工業(yè)機(jī)器人市場中, 電氣電子設(shè)備和器材制造、汽車制造業(yè)約占機(jī)器人應(yīng)用的“半壁江山”。復(fù)材產(chǎn)品制造屬于塑料和化學(xué)產(chǎn)品制造業(yè), 全球市場中,工業(yè)機(jī)器人在該領(lǐng)域的應(yīng)用僅占總規(guī)模的 5%, 中國市場中, 因市場規(guī)模太小故未單獨(dú)統(tǒng)計。將機(jī)械臂引入復(fù)材產(chǎn)品制造領(lǐng)域, 不僅能夠有效提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量, 也將成為機(jī)器人市場發(fā)展的新增長點(diǎn).復(fù)材產(chǎn)品制造領(lǐng)域的機(jī)械臂應(yīng)用主要有以下兩種形式: 一是使用機(jī)械臂的拾取和放置操作鋪放復(fù)合材料, 因復(fù)合材料是以片狀形式直接覆蓋在模具表面, 再使用按壓等操作來使其緊密貼合, 故稱其為鋪片; 二是在自動鋪帶 (Automated tape laying,ATL) 和自動纖維鋪放 (Automated fiber place-ment, AFP) 中使用機(jī)械臂, 因復(fù)合材料是以帶狀或絲狀形式連續(xù)給進(jìn)鋪放在模具表面, 故稱其為鋪帶 (絲)。

在復(fù)材產(chǎn)品制造時, 因復(fù)合材料一般是柔軟且具有粘性的, 同時需要滿足制造時加熱、制造后無損檢測等工藝要求, 使得復(fù)材產(chǎn)品制造中的機(jī)械臂應(yīng)用與其他工業(yè)場景應(yīng)用既有相同特點(diǎn), 又有明顯不同。表 1 為機(jī)械臂在傳統(tǒng)工業(yè)場景和復(fù)材產(chǎn)品制造場景應(yīng)用特點(diǎn)對比。機(jī)械臂應(yīng)用廣泛, 許多科研工作者對機(jī)械臂的應(yīng)用和研究進(jìn)行綜述, 主要分兩方面進(jìn)行: 一是按照行業(yè)類別進(jìn)行調(diào)研；二是針對機(jī)械臂中應(yīng)用的單一技術(shù)進(jìn)行調(diào)研, 視覺伺服是機(jī)械臂增強(qiáng)操作能力的重要基礎(chǔ)。

簡單了解復(fù)材產(chǎn)品制造工藝, 這是機(jī)械臂應(yīng)用和研究的基礎(chǔ)。復(fù)合材料自被開發(fā)以來，復(fù)材產(chǎn)品的制造一直都是科研人員十分關(guān)注的研究領(lǐng)域, 已開發(fā)出多種成型工藝, 如手糊成型、樹脂傳遞模塑、自動鋪帶和自動纖維鋪放等。下面將簡單介紹上述制造工藝, 剖析其中涉及機(jī)械臂應(yīng)用的主要環(huán)節(jié)

2.1 手糊成型

手糊成型是最早使用的復(fù)材產(chǎn)品制造工藝. 工人首先將已預(yù)浸漬樹脂的纖維材料轉(zhuǎn)移至切割平臺, 經(jīng)切割后運(yùn)送至操作臺, 使用定制的工具進(jìn)行按壓等操作使其緊密貼合在模具表面, 隨后將其轉(zhuǎn)移至高壓釜內(nèi)進(jìn)行高溫固化, 形成預(yù)制件.手糊成型是一項勞動密集型工作, 其所有工作均是由人工完成。經(jīng)過自動化改造后, 可由機(jī)械臂完成復(fù)合材料轉(zhuǎn)移至模具表面和按壓緊密貼合表面的工序, 這即是本文定義的鋪片操作中的一種形式。

2.2 樹脂傳遞模塑

與手糊成型使用預(yù)浸料不同, 樹脂傳遞模塑一般使用干纖維。干纖維經(jīng)切割后被轉(zhuǎn)移至兩個匹配的模具腔內(nèi), 達(dá)到產(chǎn)品所需厚度后, 即可在高壓作用下注入樹脂進(jìn)行固化, 形成預(yù)制件。在生產(chǎn)中使用機(jī)械臂取放操作將干纖維堆疊在模具腔內(nèi)是一種能夠提高生產(chǎn)效率的方式, 這即是本文所定義的鋪片操作的另一種形式。

2.3 自動鋪帶和自動纖維鋪放

自動纖維鋪放是在自動鋪帶的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的, 自動鋪帶于上世紀(jì)七十年代被提出, 而自動纖維鋪放則于上世紀(jì)八十年代末進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用。它們具有一定的相似性, 但也有明顯的不同。它們均使用預(yù)浸料作為鋪放材料, 預(yù)浸料被卷成輥筒形狀安裝在鋪放頭上, 經(jīng)過導(dǎo)向、切割、加熱等步驟, 經(jīng)由壓實(shí)模塊作用鋪放在模具上, 切割模塊工作以截斷預(yù)浸料。鋪放完成后再經(jīng)過高壓釜固化形成預(yù)制件。自動鋪帶和自動纖維鋪放的主要區(qū)別是: 自動鋪帶常鋪放寬度為 75 mm、150 mm 和 300 mm的帶離型紙的單向預(yù)浸帶, 自動纖維鋪放可同時鋪

放多條寬度為 3 ~ 25 mm 的窄絲束且每條絲束能夠被單獨(dú)切割、重送。自動纖維鋪放相比自動鋪帶能夠更好適應(yīng)曲率更大表面的制造。

圖 2 所示為上述 4 種復(fù)材產(chǎn)品制造工藝的簡易生產(chǎn)流程圖, 由虛線所框出的工藝階段即是本文重點(diǎn)討論的鋪片和鋪帶 (絲) 操作。鋪片和鋪帶 (絲) 的主要區(qū)別是: 鋪片動作主要由機(jī)械臂取放操作完成, 搭配合適的末端工具, 能夠鋪放雙曲率或曲率較大的復(fù)雜幾何構(gòu)件且生產(chǎn)成本低, 主要缺點(diǎn)是鋪放效率不高。鋪帶 (絲) 操作主要依靠結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)匿伔拍┒送瓿? 一般用于鋪放單曲率或曲率較小的簡單幾何構(gòu)件且鋪放速率高、產(chǎn)品質(zhì)量好, 主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)造價高, 單位成本隨同一產(chǎn)品產(chǎn)量提升而降低, 不適合個性化少量生產(chǎn)。目前關(guān)于復(fù)材產(chǎn)品的自動化制造只是針對單個工藝或生產(chǎn)流程的自動化, 還不能實(shí)現(xiàn)整個制造流程的自動化。雖然如此, 但機(jī)械臂在生產(chǎn)過程中已經(jīng)解決了較為關(guān)鍵的工藝環(huán)節(jié), 進(jìn)一步剖析機(jī)械臂所發(fā)揮作用并總結(jié)機(jī)械臂應(yīng)用的經(jīng)驗, 能夠指導(dǎo)我們構(gòu)建多機(jī)器人系統(tǒng)以協(xié)同完成整個復(fù)材產(chǎn)品制造流程。

3 機(jī)械臂鋪片制造方法

即將預(yù)浸漬的或干的編織纖維片無縫隙地直接鋪放在模具上, 根據(jù)所鋪放“片材”占模具表面積大小的比例, 可以劃分為以下三類主要形式:一是鋪放大型片材, 即所鋪放片材與模具表面積大致相當(dāng)，如圖 3(a) 所示。手糊成型一般采用此種形式, 將手糊成型直接進(jìn)行自動化改造, 需要使用機(jī)械臂取放操作完成片材的轉(zhuǎn)移和懸垂操作,即將片材拾取移動并覆蓋到模具上, 對其進(jìn)行剪切、拉伸和平滑等操作, 使其與模具充分接觸, 并且不出現(xiàn)氣泡、褶皺等缺陷。二是鋪放中型條狀片材, 即每次鋪放的片材占表面積中等比例, 如圖 3(b) 所示。操作中型條狀片材一般需要雙機(jī)械臂協(xié)作, 根據(jù)模具的表面形狀, 從卷材上切割出條狀片材, 使用兩個機(jī)械臂夾持以提供張力, 一個機(jī)械臂進(jìn)行懸垂操作。使用條狀長片材進(jìn)行鋪放能夠提升鋪放效率, 達(dá)到與ATL、AFP 相當(dāng)?shù)匿伔判是揖哂械统杀镜膬?yōu)勢,并能夠制造復(fù)雜幾何構(gòu)件。三是鋪放小型片材, 即每次鋪放的片材僅占模具表面積較小比例, 如圖 3(c) 所示, 這是將纖維短切成小型片材后再進(jìn)行鋪放的工藝。該工藝最初由EADS Innovation Works 與自動化公司 Manz 于2008 年合作發(fā)明, 專門用于制造具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)材產(chǎn)品，從纖維卷材中切割出貼片, 經(jīng)過檢測、加熱等工序, 使用機(jī)械臂拾取片材, 并將其按壓粘貼在模具表面上。貼片纖維形狀短小, 模具形狀復(fù)雜多變, 需要通過纖維的拼接組成產(chǎn)品機(jī)械性能的基礎(chǔ), 同時由于使用的預(yù)浸材具有粘性, 該鋪放系統(tǒng)需解決的關(guān)鍵問題是: 合理設(shè)計貼片纖維的拼接規(guī)劃, 并解決末端結(jié)構(gòu)與片材間的粘結(jié)問題。

此外, 定制纖維鋪放也是一種能夠制造復(fù)雜幾何構(gòu)件的工藝, 其利用三維增材構(gòu)造原理, 纖維以指定路徑縫合在基材上, 再進(jìn)行樹脂浸漬和固化后形成構(gòu)件?？梢杂糜谥圃烊S復(fù)雜構(gòu)件, 也可用于構(gòu)件的局部加強(qiáng)， 目前工業(yè)上常使用縫紉機(jī)進(jìn)行干纖維的縫合, 具有成本昂貴的缺點(diǎn), 開發(fā)一種使用機(jī)械臂進(jìn)行縫制的生產(chǎn)方式能使定制纖維鋪放得到進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

4 機(jī)械臂鋪帶 (絲) 制造方法

本節(jié)介紹機(jī)械臂鋪帶 (絲) 制造方法, 即自動鋪帶和自動纖維鋪放系統(tǒng), 采用連續(xù)給進(jìn)方式鋪放帶狀預(yù)浸材或絲狀預(yù)浸材，鋪放時機(jī)械臂末端帶動定制的鋪放頭進(jìn)行鋪放作業(yè)。自動鋪帶和自動纖維鋪放作業(yè)的主要流程是:自動鋪帶作業(yè)時, 機(jī)械臂接收到鋪放指令, 鋪帶頭調(diào)整到合適位姿, 鋪帶頭中各模塊開始工作, 保持鋪放作業(yè)中預(yù)浸帶的傳輸速度、張力、壓實(shí)力和溫度的穩(wěn)定, 鋪放結(jié)束前, 鋪帶頭內(nèi)部模塊切斷復(fù)合材料, 機(jī)械臂運(yùn)動到目標(biāo)點(diǎn)時, 鋪帶頭停止作業(yè), 同時機(jī)械臂將鋪放頭沿模具法向抬升, 并移動到后續(xù)鋪帶起點(diǎn)。自動纖維鋪放作業(yè)時, 與鋪帶作業(yè)流程基本一致, 但應(yīng)考慮對各路纖維絲束的精確控制, 使其能夠合理排布, 滿足構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求.自動鋪帶最早是為航空航天產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)需要提出的, 經(jīng)改進(jìn)后成為自動纖維鋪放, 自動鋪帶鋪放速率高, 自動纖維鋪放可以制造曲率稍大的構(gòu)件,目前均得到大范圍推廣和應(yīng)用。由于所制造的航空航天產(chǎn)業(yè)部件通常尺寸較大, 故龍門架形式的鋪放設(shè)備最為常用, 對于筒形體構(gòu)件, 可使用臥式龍門架。近年來, 機(jī)械臂平臺式的鋪放設(shè)備由于成本低、自由度高且易于更換模塊化鋪放頭等優(yōu)勢, 在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用逐漸增多。

5 未來發(fā)展趨勢

根據(jù)上述調(diào)研情況, 本文認(rèn)為機(jī)械臂及其智能化應(yīng)用在復(fù)材制造領(lǐng)域還有許多可以發(fā)展的空間,主要集中在以下方面:

1) 機(jī)械臂應(yīng)用場景的進(jìn)一步擴(kuò)展

復(fù)材產(chǎn)品制造是一個多工序工作, 目前針對該工序的自動化改造僅是針對其中一個環(huán)節(jié)進(jìn)行研究的，沒有形成整體的自動化制造場景。本文只對機(jī)械臂在復(fù)合材料鋪放場景中的應(yīng)用做調(diào)研和回顧。分析復(fù)材產(chǎn)品制造的工序, 可以找到多個潛在的機(jī)械臂應(yīng)用場景,如機(jī)械臂鋪片制造方法中, 使用機(jī)械臂清洗模具、袋裝密封、搬運(yùn)預(yù)制件、脫模等; 在機(jī)械臂鋪帶(絲) 制造方法中, 使用帶有視覺設(shè)備的機(jī)械臂掃描構(gòu)件進(jìn)行缺陷檢測等。將機(jī)械臂應(yīng)用引入上述場景中, 對于一些簡單的工作, 如模具清洗、搬運(yùn)、掃描等, 可以考慮直接應(yīng)用機(jī)械臂, 對于復(fù)雜度較高的工作, 如袋裝密封需要操作柔軟材料、脫模需要考慮多機(jī)協(xié)作和力控應(yīng)用, 則應(yīng)從人機(jī)協(xié)作角度考慮,先減少人類的工作負(fù)擔(dān), 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全自動化。此外,對于檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行處理, 目前常采用人工介入處理方式, 自動化缺陷處理技術(shù)研究仍比較空白,使用一些較為簡單的缺陷處理操作, 如鋪片制造中對氣泡進(jìn)行再次懸垂、鋪帶 (絲) 制造中對間隙進(jìn)行補(bǔ)充鋪放等, 也是未來的發(fā)展和應(yīng)用方向之一.

在復(fù)材產(chǎn)品制造工序之外, 基于多機(jī)械臂協(xié)同配合操作提出無模具成型方法, 也是未來簡化復(fù)材產(chǎn)品制造工序、提升機(jī)械臂應(yīng)用潛力的發(fā)展方向之一。

2) 機(jī)械臂控制軟件的進(jìn)一步發(fā)展

目前復(fù)材產(chǎn)品制造領(lǐng)域的控制軟件問題主要集中在仿真與控制之間的過渡、不同品牌之間的轉(zhuǎn)化等,即, 進(jìn)行軌跡規(guī)劃和仿真后如何快速轉(zhuǎn)化為機(jī)器人控制代碼, 如何在不同機(jī)械臂品牌之間轉(zhuǎn)換控制代碼等。此外, 遠(yuǎn)期還應(yīng)考慮復(fù)材產(chǎn)品制造多工序場景下各工序協(xié)作的控制軟件或系統(tǒng)?？刂栖浖倪M(jìn)一步發(fā)展有以下幾個方面: 優(yōu)化軌跡規(guī)劃算法, 能夠更便捷地生成針對大曲率構(gòu)件的鋪放軌跡以及能夠自動生成機(jī)械臂取放操作中的懸垂軌跡; 機(jī)械臂生產(chǎn)商提供的編程軟件中, 應(yīng)考慮集成面向復(fù)材產(chǎn)品制造領(lǐng)域的軌跡規(guī)劃及仿真模塊, 提高機(jī)械臂編程軟件在仿真和模擬中的精度; 同時由于各機(jī)械臂制造商已形成獨(dú)特的控制編程語言, 有必要應(yīng)用ROS 操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制的轉(zhuǎn)化。

3) 多機(jī)械臂的協(xié)同作業(yè)研究

機(jī)械臂鋪片制造方法由于需要操作片材, 多機(jī)械臂協(xié)同是必要的,如機(jī)械臂鋪片制造方法中德國宇航中心的雙臂協(xié)作鋪放系統(tǒng)、斯圖加特大學(xué)“Low Flip”項目實(shí)現(xiàn)與自動纖維鋪放相當(dāng)?shù)匿伔判实?。機(jī)械臂鋪帶 (絲) 制造方法中, 實(shí)現(xiàn)多機(jī)同時鋪放、鋪放與檢測同步進(jìn)行等也有助于提高生產(chǎn)效率。此外, 引入機(jī)械臂以實(shí)現(xiàn)復(fù)材產(chǎn)品制造的全流程自動化鋪放也是多機(jī)械臂協(xié)同作業(yè)的場景之一。多機(jī)械臂協(xié)同作業(yè)的研究可以從機(jī)械臂功能多樣化和多機(jī)械臂并行工作研究著手。機(jī)械臂功能多樣化, 即, 對機(jī)械臂鋪片制造方法進(jìn)行任務(wù)分配, 進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)械臂拾取、懸垂、夾持功能, 實(shí)現(xiàn)大曲率構(gòu)件的快速制造, 同時支持小批量、多品種快速制造。多機(jī)械臂并行工作, 即, 在機(jī)械臂鋪帶 (絲) 制造方法中, 對于鋪放作業(yè)量大的工作, 劃分工作區(qū)域, 并行鋪放, 同時支持構(gòu)件的局部加強(qiáng)、不同復(fù)合材料的使用, 實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的機(jī)械性能和鋪放效率同步提升。

4) 智能化方法的進(jìn)一步應(yīng)用

雖然復(fù)材產(chǎn)品制造領(lǐng)域仍然處于自動化或半自動化階段, 但智能化方法在其中應(yīng)用前景廣泛, 在一些自動化比較成熟的工序中應(yīng)用智能化方法能夠進(jìn)一步推動科學(xué)研究、提高生產(chǎn)質(zhì)量。目前智能化方法應(yīng)用的主要表現(xiàn)為缺陷檢測中使用計算機(jī)視覺方法, 這方面的發(fā)展方向是使用工藝參數(shù)實(shí)時監(jiān)控, 建立鋪放參數(shù)與故障類型之間的關(guān)系模型, 提前預(yù)測缺陷形成并調(diào)整工藝進(jìn)行消除。其他方面的智能化方法應(yīng)用還可以從以下幾個方面考慮: 將計算機(jī)視覺技術(shù)拓展應(yīng)用到復(fù)材產(chǎn)品制造場景, 如采取基于 3D 視覺的位姿估計方法進(jìn)行片材與模具的位置匹配和基于計算機(jī)視覺建立數(shù)字孿生系統(tǒng)預(yù)測構(gòu)件性能；將人機(jī)技能傳遞、智能規(guī)劃等技術(shù)引入以提升系統(tǒng)智能水平, 如使用規(guī)劃領(lǐng)域定義語言進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃和調(diào)度, 使用模仿學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí) 等方法將人類鋪層技能傳遞給機(jī)器人.