機器人平臺助力歐美航空自動鋪絲高效化發展

波音X-32飛機S型進氣道也採用自動鋪絲技術

自動鋪絲技術（AFP）以其鋪放靈活性和更低的廢料率拓寬了複合材料的應用範圍，實現了複合材料結構的「低成本、高性能」製造。近年來，用於製造大型複雜複合材料構件的自動鋪絲技術獲得了快速發展並得以工業化應用，其裝備形式也呈多樣化發展。基於機器人平臺的自動鋪絲技術以其高效鋪放複雜構件的優勢，受到了航空製造領域的高度關注。

應用背景

複合材料在航空工業中用量的大幅提升離不開自動化製造技術的強力支撐，如纖維纏繞、自動鋪帶、自動鋪絲等技術。其中，自動鋪絲技術以其實時性與可控性的優勢，逐漸成為大型複合材料複雜部件的典型製造技術。典型的自動鋪絲設備主要由工具機主體、紗架系統、鋪絲頭三部分組成，根據工具機主體的不同可分為立式、臥式和龍門式。

但受裝載鋪絲頭的運動平臺限制，對於不規則曲面類構件，工具機型鋪設設備往往無法滿足軌跡、姿態調整與參數控制等方面的要求。此外，工具機型鋪絲裝備體積大，面對小型、小批量部件鋪設需求時運行成本較高。相比之下，工業機器人手臂能夠提高鋪絲頭在可控空間範圍內的姿態調整能力，增加了鋪放過程中的柔性，可以滿足迴轉部件的鋪絲成型，提高鋪放生產效率，降低設備運行成本。另一方面，各大機器人廠商如KUKA、ABB、FANUC等公司可以提供產品化的成熟機器人及控制系統，搭建鋪放系統時可以依賴機器人本身的控制方案，既可靠穩定，又相對省時經濟。因此，搭載機器人平臺的鋪絲裝備因具備明顯優點而逐漸成為發展與應用的熱點。近年來，歐美各裝備製造公司都針對搭載機器人平臺的自動鋪絲技術與生產模式展開了研究。

機器人自動鋪絲的主要形式

根據平臺主體與鋪設模式的不同，機器人鋪設可以分為單機器人模塊化鋪設、多機器人協同鋪設以及可移動機器人自動化鋪設三種類型。

1.單機器人模塊化鋪設單機器人鋪設是目前應用最廣且穩定高效的鋪設形式。在進行鋪放工作時，鋪絲頭通過末端法蘭與機器人平臺連接，可以為不同模具分別設計可拆裝的鋪絲頭。這種模塊化的鋪放系統更具針對性，能更好地適應不同情況下的鋪放需求。

法國Coriolis Composites公司是開發機器人自動鋪絲設備的先行者，其研發的機器人式自動鋪絲機功能強大，集成了預浸紗的儲藏、輸送、引導與切斷等功能，鋪絲頭的運動功能通過一臺KUKA或ABB機器人來實現。目前，Coriolis的新型鋪絲頭可以兼容鋪放熱固性、熱塑性材料和幹纖維，只要更換相應的加熱模塊，就能夠一頭多用。

為了進一步打入大型結構件市場，Coriolis 開發了新款C5自動鋪絲機。C5自動鋪絲機具備極高的鋪絲效率、極低的廢料產生率，是世界最先進、靈活的幹纖維鋪放系統之一，充分滿足了幾何形態高度複雜的零部件的生產需要，保證了航空工業對精度和重複生產的要求。

馬其頓Mikrosam公司研發的自動鋪絲系統可以在平面、彎曲和圓柱面上加工熱塑性材料，並實現原位固化。這種8軸的機器人AFP系統能夠自動精確地實現纖維鋪放、預浸料放置，為採用複合材料製備複雜3D零件等提供可能。此外，該系統使用雷射加熱源，可實現精確的溫度控制及熱固性預浸帶的自動雙向鋪放。近年來，Mikrosam也積極開發工藝集成化鋪絲機器人裝備，先後推出了創新的AFP/ATL與AFP&FW解決方案。AFP/ATL方案分別適用於熱固性和熱塑性預浸料，可以通過簡單地更換鋪放頭，使設備在鋪絲和鋪帶作業之間雙向自如切換。

美國EI公司研製的機器人自動纖維鋪放系統包括鋪放導軌以及安裝於其上的機器人，導軌上設有可安裝AFP接頭的接口。EI公司對高速AFP接頭進行了一系列升級，使其自動化鋪放速度達到傳統AFP接頭的2倍，生產的複合材料產品質量提升了近3倍。新的高速AFP接頭還具有更高的加工精度，同時具備自動鋪放過程實時監控的功能，支持更多樣化、複雜、精密的複合材料零部件自動化生產

2.多機器人協同鋪設隨著對機器人相關交叉技術的深入研究，為滿足實際生產中相對複雜的任務需求，可使用多個機器人相互協調工作，共同完成加工任務。多機器人方法意味著可以同時部署不同數量和寬度的絲束，從而提高製造效率和靈活性。

德國航空航天中心（DLR）首次測試了雙工位生產法，兩臺機器人在具有重疊工作區域的軌道上同時鋪設飛機機翼外殼纖維。數據表明，如果只採用一臺機器人逐層鋪設碳纖維，即使採用三班制工作也需要7天時間，延緩了新飛機的製造進程，而此項目首次測試即縮短了38%的生產時間，通過進一步優化程序以及固化工藝，將進一步有效縮減鋪設工作時間。

為開發高速率、大型結構的航空複合材料製造技術，DLR啟動了GroFi項目，即多機器人AFP/ATL製造單元。在DLR構造的GroFi單元中，可以使用五個機器人同時在工件的任意部分工作，通過在帶電軌道上移動免去了繁瑣的布線。在GroFi模式下，機翼蒙皮製造單元包括一個垂直方向的機翼蒙皮工件，工件被線性軸和轉盤包圍，機器人單元在其上進行操作以放置膠帶和絲束。每個機械手單元均包括AFP/ ATL接頭，多軸機械臂以及紗架。該系統的目標是生產下一代單通道商用飛機機翼。目前，項目仍處於攻克機器人單元協同編程障礙階段，但其傳達給商業機翼製造計劃的潛在優勢是顯而易見的。

類似地，Mikrosam也提出了新型纖維鋪放多機器人工作單元概念。

目前，雙機器人鋪設模式已經具備了投入生產應用的較為成熟的解決方案，多機器人鋪設方法則仍需進一步開發與優化。總的來說，多機器人鋪設模式是倍速提高生產效率的有效方法，標誌著航空復材製造朝著生產中的冗餘性和魯棒性邁出了巨大的一步。

3.可移動機器人自動化鋪設DLR在巴黎發布了一款極具創新性的可移動纖維鋪放單元設備，該款移動單元在進行纖維自動鋪放過程中可以自由移動，且纖維可直接鋪放在模具中。該項目在JEC World 2019展出了樣機，這一項目目前仍處於早期開發階段，代號為Flappybot，意為靈活的自主生產鋪設機器人。Flappybot源自GroFi項目，是一款三輥自動模塊化AFP/ATL機器。與GroFi項目類似，DLR設想在工件上同時部署多個Flappybot，以製造大型商用飛機結構。

Flappybot集成了AFP/ATL系統的所有設備和功能，並將其封裝在一個模塊化的自驅動、可編程無線機器人中，該機器人通過在工件上移動將纖維和膠帶放置在製造中的結構體上，該技術可以在現有的生產車間內使用。可移動機器人鋪設方法創新地開闢了機器人自動鋪絲的新模式，為未來大型商用飛機結構的高效靈活鋪設帶來無限可能。

關鍵技術

一是高精度鋪絲頭硬/軟體研發。鋪絲頭作為鋪絲設備的核心結構，其精度直接決定了材料的鋪設精度與質量。航空工業對構件精度要求極高，提升和優化鋪設精度是自動鋪絲技術發展的永恆話題。硬體方面可以通過優化鋪絲頭結構設計降低鋪放的操作難度，從而提高鋪放精度；軟體控制方面，需要通過增加傳感器等閉環反饋手段完善絲束張力、模具標定、環境溫溼度等工藝參數的控制，從而實現根據模具的變化實時調控壓力精確控制鋪放厚度。

二是鋪絲頭模塊化、集成化研究。模塊化可更換的鋪絲頭是簡化裝備結構、提高鋪設效率的重要手段，目前已被多數機器人公司與航空製造公司所應用。集成化一方面體現在鋪絲頭的一頭多用性，另一方面則是功能完整性，例如集成鋪帶、纏繞、缺陷檢測、在線質檢等功能，將上遊或下遊工序一體化不僅可以提高生產效率，也可以大大降低生產成本。

三是機器人平臺軌跡規劃與後處理。機器人平臺的末端執行軌跡與定位精度會直接影響產品的成型精度。在現有定位的基礎上，需要改進各關節運動控制算法，優化針對不同區域的鋪設軌跡規划算法，實現高質高效鋪設。

四是多機器人協同控制與管理。目前，如何精確控制多機器人的協作系統也成為機器人領域研究的熱點問題之一，與之相關的調配管理與監控技術有待進一步研究與驗證。

航空製造中的自動鋪絲機器人應用

各工業科技公司的自動鋪絲機器人產品銷量不斷增加，基於工業機器人平臺的自動鋪絲裝備在機翼、機身、整流罩等複合材料構件的鋪設上已得到成功應用。

2015年1月，美國國家航空航天局蘭利研究中心啟用了EI公司開發的先進複合材料集成結構裝配設備，如圖所示，ISAAC機器人具有加載了16個碳纖維絲軸的可替換鋪絲頭，旨在為航空航天飛行器開發更輕、強度更高的複合材料結構和材料，用於航空研究任務部的先進複合材料項目和空天技術任務部的複合材料上級探索項目。

2019年6月，英國國家複合材料中（NCC）斥資購入了Coriolis公司的新款C5自動鋪絲機用於研發下一代機翼製造系統。Coriolis公司已在全球範圍內安裝了60多臺機器人，這些機器人大多用於生產FAA和EASA認證的商用飛機，如空客A320，A350和A220（前龐巴迪C系列）。

2019年5月，美國Spirit System接收了EI公司最新研製的機器人自動纖維鋪放系統，進一步鞏固了其作為全球最大AFP技術應用廠商的優勢地位。Spirit的研究和技術團隊正在利用機器人AFP技術擴展可自動化製造的零部件類型，以擺脫零部件複雜程度和成本的限制。

對於多機器人鋪設模式，空客A350旗艦機型上已經採用了DLR測試的雙機器人新技術鋪設機翼部件，使用碳纖維增強材料（CFK）完成了輕質機翼部件的鋪設，生產效率得到顯著提高。總之，基於機器人平臺的自動鋪設技術與裝備在歐美都得到了良好地發展與應用，並積極向更高效的方向研發。隨著研究的深入，自動鋪絲機器人裝備及系統會更加趨於穩定、成熟。

趨勢與展望隨著商用飛機與戰鬥機部件小型化、複雜曲面化發展，大型鋪絲裝備的適用性將逐漸降低，為機器人鋪絲裝備帶來廣闊的應用前景，並向著小型化、協作化、數位化的方向發展。

一是鋪絲機器人趨於小型化、敏捷化。利用機器人作為小尺寸複合材料鋪層裝備的平臺正在成為設備供應商的基本做法。在實現高定位精度與協同控制的技術基礎上，將機器人小型化有利於提高平臺運動的敏捷度，從而更高效地適應小批量、小尺寸的部件，同時也減少了場地與固定地基安裝等成本，擴大了應用範圍。

二是協作機器人走進自動鋪絲車間。具有高安全性、高靈活性和高精度的協作機器人近年來得到了快速發展並成功運用於焊接、裝配等領域。在飛機部件小型化的趨勢下，利用成熟的協作機器人作為鋪絲頭平臺成為可能。協作機器人可應用於多機器人鋪設模式，在機器人進行鋪設作業時，工藝人員可以安全地並行工作，這將進一步保障生產質量，提高鋪設效率。

三是建成數位化智能鋪設「未來工廠」。多機器人鋪設模式與可移動鋪設模式未來會廣泛應用於生產車間，運用數位化手段可以使生產過程穩定可控，高效智能。例如結合實時傳感和平臺開發對鋪絲過程進行仿真與反饋，實現虛實結合的高質量鋪設；通過構建物聯網絡對機器人系統進行精準控制管理與監測維護，提高裝備與生產流程的智能化程度。