多轴纤维缠绕设备的技术现状与发展方向（上）
01
概述
纤维缠绕成型技术是一种先进的加工方法，其中通过喷嘴将浸渍树脂的纤维束按特定规律缠绕在芯模上，经固化处理后形成最终产品。这种技术的发展与纤维缠绕机的进步密切相关。20世纪30年代，随着树脂基增强复合材料的出现，纤维缠绕技术开始兴起。到了20世纪40年代末，第一代用于自动生产的纤维缠绕机诞生。伴随微处理器技术的发展，纤维缠绕机经历了多次升级，特别是在计算机时代，出现了基于计算机数控和机器人技术的纤维缠绕机，实现了多轴联动和高精度加工。
国内学者对纤维缠绕技术进行了深入的理论研究，并成功制造了多种纤维缠绕产品，如压力容器和储罐等。这些技术在民用、汽车等领域的应用日益增多，显示出我国纤维缠绕技术已达到国际水平。然而，我国在机床核心部件方面依然依赖进口产品。虽然国内也进行了相关研究，但国产核心部件在机床上的应用仍然较少。在纤维缠绕领域，尽管我国在某些指标上已接近国际标准，但在复杂构件（如异形件、三通管等）的研究方面仍有所不足。
02
发展方向
目前国内大多数缠绕设备能够保证纤维缠绕制品构件的质量，完成产品加工，但是设备灵活性较低，不能适用于一些复杂构件的缠绕，所以将高灵活性 的机器人应用于自动缠绕势在必行。现阶段国外机器人缠绕设备已经广泛得到应用，雅典国立技术大学运用六轴机器人实现复合材料壳状零件的制造，如图所示，COMAU机器人联合西门子公司共同研制开发了一系列针对 复合材料成型的机器人设备。但国内机器人缠绕设备尚处于起步阶段，且大部分机器人采用的是国外成熟产品。
图 COMAU机器人联合西门子共同研发的机器人
随着德国工业4.0的提出，各个国家分别提出相应发展策略，共同朝着智能化的方向发展，在各类新兴技术中，机器人占据了一席之地。工业机器人作为一种多自由度、高灵活性装置，在智能化领域的多方面应用是必然的，自20 世纪60年代美国首先研发出第一台工业机器人后，各国开始进入机器人的争相研发阶段，不同国家的一些标志性时代产物。
表 工业机器人发展进程
自1990年代起，为了加工复杂构件，纤维缠绕机开始朝向多自由度的发展。这包括在原有机构上实现多轴联动，以及采用机器人进行缠绕。各国大学和企业在这方面进行了积极的探索和发展：
探索历程
- 比利时鲁汶大学针对复杂构件的缠绕需求，对PUMA-72机器人进行深度开发，设计制造了专用的缠绕头，并建立了机器人纤维缠绕工作站。
- 德国亚琛大学为生产复合材料零件，使用机器人建立了一个柔性制造单元。
- 荷兰代尔夫特大学使用机器人创建了一个多功能工作站，既能完成纤维缠绕制品加工，也可用于其他研究工作。
- 加拿大Compositum公司尝试结合ABB和KUKA机器人作为缠绕主体，开发全自动缠绕系统。
- 法国MF Tech公司为解决复杂构件的缠绕问题，采用工业机器人建立了纤维缠绕系统。
- 北马其顿的麦科罗公司开发了机器人自动缠绕生产线，实现输送、装卸、缠绕的一体化。
- 意大利学者提出了一种机器人纤维缠绕的设计方法，以确保复杂形状结构零件的缠绕质量和均匀性。
- 美国田纳西大学研究了轻质纤维复合材料多节点结构部件的制造策略和特有缠绕头部件，使用KUKA机器人对轨迹进行验证缠绕。
这些研究和开发表明，纤维缠绕技术正不断发展，以适应更为复杂和多样化的加工需求。
图 机器人辅助缠绕应用场景
（未完待续）
信息来源：
顾家宸.多轴专用纤维缠绕系统关键技术研究[D].哈尔滨工业大学,2022.
www.cygnet-texkimp.com
此文由中国复合材料工业协会搜集整理编译，部分数据来源于网络资料。文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。
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