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机器人纤维缠绕复合体的概念设计
LUBOMIRE MARKOV，RICHARD M.H.CHENG
摘要：纤维缠绕是利用纤维增强复合材料制造工程部件最有效的技术之一。它为较弱的基材提供了精确的强化分布。借助机器人技术和机电一体化技术的最新进展，纤维缠绕技术进入了自动化阶段。一个典型的机器人纤维缠绕复合体（Robotic Filament Winding Complex, RFWC）集成了设计、分析和制造模块。它具有用于创建缠绕模式、分析待生产零部件分析的CAD/CAM软件包，是缠绕系统和其他子系统的机械组合，且具有相应的控制系统。本文从机械设计的角度对现有的一些引人注意的机器人纤维缠绕复合体进行分析，得到了一种用于不对称零部件机械化缠绕过程的方法。这种方法基于两种操作装置，一种芯轴机械手和一种纤维输送工具。本文讨论了机器人纤维缠绕复合体概念设计的参数，包括系统配置、必要且足够数量的自由度以及自由度在复杂结构中的分布，重点是工艺参数化、结构合成和芯轴机械手的设计。本文引用了两个例子来说明这种方法。
1简介
在复合材料中，纤维主要用作增强材料，因为可以精确控制较弱的基材的强化。纤维缠绕技术是最有效的增强技术之一。这种方法将纤维丝、纤维束或纤维带通过张紧的线轴浸入树脂槽中，之后通过纤维输送机构相对芯轴的运动，将其以适当的几何图案缠绕在芯轴上。
根据基材（热固性或热塑性树脂）施加于纤维上的方式，可以采取两种方法：一是干法缠绕，树脂材料在缠绕之前预先浸渍于纤维中；二是湿法缠绕，浸渍在纤维缠绕的过程中进行。
为了在给定的表面产生稳定的缠绕图案，缠绕通常遵循测地路径。根据缠绕角alpha;（沿芯轴轴线测量的纤维方向），可分为三种类型的测地缠绕模式：环形（alpha;接近90°）、螺旋形（alpha;介于0到90°之间）、polar（alpha;接近0°）。与纯测地线图案偏差过大可能会导致纤维滑动，除此以外，纤维滑动还与芯模的形状、纤维张力和摩擦力等因素有关。
不对称复杂形状的缠绕更为复杂。通常，它遵循非测地线和非重复的缠绕路径。可行的无滑移路径的创建最好由专门的CAD/CAM软件包完成。更高级的软件包集成了以下功能：芯轴几何建模、缠绕模式生成（具有预设特征的均匀层的铺放）、表面覆盖优化（铺放策略开发）、应力和刚度分析（基于有限元分析的设计验证）、纤维输送机构轨迹的生成（过程验证）、离线编程（将纤维输送机构的轨迹转换为可执行的机器程序）。
因为当前精密伺服控制多轴缠绕机和机器人技术的发展，作为制造过程中的一部分，纤维缠绕是自动化的主要选择。多轴纤维缠绕机集成专门的CAD/CAM软件包，可以实现与CNC加工中心相媲美的自动化水平，与此同时，机器人技术可使缠绕过程更加灵活。典型的RFWC包括用于纤维输送的工业机器人，一个芯轴支撑单元和一个集设计、分析、制造功能于一体的缠绕图案创建装置。该装置能够提供离线编程及机器人与辅助设备的协调控制。但是，我们认为，当前使用工业机器人的RFWC并未充分利用机器人系统固有的灵活性和多功能性。
本文主要从机械设计的角度，回顾了目前机器人技术在复合材料纤维缠绕中的应用。在此之后，提出一种用于机器人化过程的新概念。该概念基于芯模操纵器（the mandrel manipulator，MM）和纤维输送装置（the payout tool carrier，PTC）之间任务的公平分配。考虑到影响RFWC的发展、设计、效率的重要因素，本文主要关注系统配置、充足和必要的自由度（degree of freedom，d.o.f.）、结构合成以及MM的腕部设计。另有RFWC的总装配示意图作为概念的说明。
2机器人纤维缠绕
目前只有少量RFWC用于实际生产。美国Automated Dynamics公司于1984年推出的RObotic缠绕系统（ROWS）可能是世界上开发的第一台RFWC。它包括一个带有两自由度纤维输送装置的机器臂，用于固定芯轴。在早期系统中使用了六自由度的Cincinnati Milacron T-3型机器人，但最新的版本则采用了五自由度的Unimate 6000系列机器人。目前已经开发了两种版本的纤维输送装置，分别用于基材为热固性树脂和热塑性树脂的纤维缠绕中。
在1984年，德国的Institut fur Kunstoffverarbeitung使用由六自由度机器人手臂和一个旋转的芯轴单元组成的RFWC，用于缠绕L形、T形、S形空气管道。芯轴单元的轴线水平，配有PTC的机器人也能使用夹具来装载和卸载芯模。
比利时的Katholike Universiteit Leuven (KUL)开发了一种窄带湿法缠绕T形连接器的机器人单元。它包括一个水平旋转的单自由度芯轴支撑单元，一个六自由度PUMA 762机器人以及安装在机器人腕部的一个单自由度纤维输送装置，PTC用于防止纤维带扭曲。整个系统共有8个自由度，但为了避免控制运动冗余系统，机器人的最后两个轴保持固定。PUMA 762机器人亦可用于无损检测，在这种情况下，机器人携带的是超声波传感器而不是纤维输送装置。
美国特拉华大学开发了类似的以PUMA 762机器人为核心的RFWC。与KUL的系统相比，系统具有7自由度，PTC被设计成不允许可控旋转。在使用热塑性树脂的预浸带干法缠绕的情况下，机器人上安装了一个缠绕头，包含纤维带输送机构的所有元件（一个线轴支架、一个张紧器、加热装置等）。
Bernard等人讨论了有关机器人纤维缠绕的CAD/CAM方法，RFWC的最佳配置以及使用输送机输送芯模的可能性，还描述了一种使用热固性树脂预浸带缠绕不对称部件的机器人单元。它由六自由度的机器臂和一个带有垂直旋转轴的单自由度芯模支撑单元组成。
分析这些RFWC,我们得出以下几条一般性结论：
（1）这些RFWC有四个主要部件：芯模支撑单元、传统的工业机器人、专门开发的附着在机器人腕部的纤维输送装置（末端执行器）、用于纤维输送，浸渍，张力控制和加热的辅助设备。
（2）这些RFWC系统内的自由度分布和分配给机器人的任务类似，均基于机器人操纵纤维输送装置的概念，并且几乎所有的自由度都集中于此。其中机器人与CNC缠绕机中多轴纤维输送装置的作用类似，这使得RFWC在功能上等同于缠绕机。
（3）使用以下运动机构：工作于笛卡尔坐标系的龙门式机器人或联合机器臂（如PUMA 762）。机器臂比较灵活，而工作于笛卡尔坐标系的机器人具有更高的精度与更大的工作范围。
（4）芯模支撑单元或芯模静止（ROWS），或者类似于车床，只有单自由度的主轴旋转。这些RFWC与传统的纤维缠绕机类似，不能以小缠绕角进行polar缠绕或螺旋缠绕。这可能是因为只有开放式（管状）不对称零部件在RFWC中缠绕。
（5）缠绕方法对RFWC的机械结构有特定的要求，例如，至少需要一个额外的自由度（主要因为PTC）防止纤维带的扭曲。
（6）纤维输送系统是固定的，与机器人主体部分相连，或者被设计为PTC的一部分。将纤维输送系统固定会在缠绕中引起一些问题，并且需要补偿纤维带的扭曲。而将其设计为PTC的一部分会使设计复杂化（特别是湿法缠绕）。在纤维输送系统连接机器人臂的时候，如果张紧装置不是PTC的组成部分时还会发生了其它问题。
在缠绕大中型轴对称零部件时，机器人并不能与传统缠绕机竞争。即使是小型零件，RFWC也不具备显著的优势。这是因为机器人在作用上与传统缠绕机的纤维输送装置相当，或者仅被用于缠绕作业中，并未完全发挥其灵活性。实际上，在KUL的RFWC中，PUMA机器人尚有两个自由度未被使用。现有的这些RFWC限制了机器人在缠绕过程外更具创意性的部署。例如芯模的装卸、质量控制等都交由夹具或其他专用设备来完成，而机器人并没有用来执行这些任务。KUL的RFWC中缠绕过程与质量控制是分开的，因为PTC的更换需要手动完成。
但是机器人纤维缠绕特别适合制造具有各种复杂不对称形状的小型部件。通过充分利用机器人系统固有的灵活性，机器人纤维缠绕技术可以成为传统缠绕技术的替代品，为实现这一目标，我们建议采用一种新的方法设计和开发RFWC，以消除上述限制和缺点。
3 RFWC概念设计的新方法
3.1简介
3.1.1 规范
RFWC必须能够处理纤维束和纤维带；具有利用测地线和非测地线图案缠绕轴对称和不对称形状零部件的能力；可以进行一定的辅助操作（比如芯模缠绕前后的运输、储存，湿法缠绕中纤维的初步加热）；可以在湿法缠绕和预浸料缠绕间快速转换。
3.1.2 系统配置
RFWC的最小配置应具有三个主要组件：纤维输送系统（Fiber delivery system,FDS）、芯模操纵装置（MM）、PTC。FDS集成了线轴支架、张紧装置、纤维束/纤维带导向器和树脂浸渍装置。以上组件在缠绕过程中应当进行适当的协调，同时应适应未来的改进和扩展。
3.1.3 基本设计原则
考虑到PTC相对于芯模的自由度数量，因为PTC,MM应具有尽可能多的自由度。这个原则有这样的一些优点，一方面，多轴MM适用于polar和螺旋缠绕，MM能与输送装置配合，传送芯模。此外，整个过程周期只使用单个末端执行器。另一方面，由于PTC和FDS间的相对移动，减少自由度可以减少问题的发生，这也将减少对于PTC体积和重量的限制（特别是浸渍热塑性树脂时）。PTC较短的运动链使其有机会携带额外的设备（例如超声波检测装置、加热装置等）。
3.2 结构合成
在这个阶段必须考虑两个问题：（1）RFWC中应具有足够数量的自由度，这些自由度在MM和PTC间的分布；（2）作为整体系统运行，MM和PTC的运动结构。第一个问题涉及如何识别缠绕过程的参数，第二个问题是机械设计开发的基础。
3.2.1 自由度的数量
虽然必要和足够的自由度数目仍存争议，现有的大多数RFWC拥有多达7个自由度。确切的自由度数目应由独立参数的数量决定，这些参数描述了纤维输送工具相对于被缠绕部分的位置和运动方向。无论如何，这些参数不能超过6个。
在下面的机器人原理的运动描述中，我们采取传统的线性代数的方法，使用相应位置矢量的均匀表示形式将frames与MM的末端效应器、PTC、和纤维丝束/带相关联。我们需要表示一组根据m个参数执行的任务，这些参数是构成向量p的元素。
由于纤维束/带的扭曲，预浸带缠绕更为复杂（见图1）。假设：（1）芯模表面是两个变量的函数；（2）纤维束/带和PTC（输送线）之间最后接触的边界仅取决于PTC的特定设计。
附着在MM末端执行器的frame{1}的z轴与芯模的轴线重合。Frame{2}与其纵轴当前的接触点（点C）与芯模固定在纤维束/带上，其相对于{1}的位置由三元参数组[u,v,alpha;]决定。其中：
（1）u,visin;[0,1]，用来描述当前点C的坐标，rC=[xC(u,v),yC(u,v),zC(u,v)]T，单位矢量z轴此时的单位法向量与芯模表面一致，nC=nC1(u,v)i nC2(u,v)j nC3(u,v)k;
（2）alpha;是点C的缠绕角度（通常定义为相对于纤维束/带的方向，包含nC且平行于芯模纵轴的平面，方向为x轴的正方向）。
图1.预浸带缠绕机
为方便起见，我们将与PTC相关联的frame{3}的x轴与输送线重合，并将frame的原点设置在作为交叉点的点D处，考虑到纤维束/带的柔性，我们用以下三个参数[l,beta;,gamma;]表示它的几何形状（即frame{3}与{2}的相对位置）；
l是点C和点D之间测量的纤维束/带的长度，保证lge;lmin可防止碰撞且确保工作安全；
beta;是在frame{2}和{3}的z轴之间纤维束/带的扭曲角度，当beta;=0时，纤维束/带是平的，且没有扭曲；
gamma;是frame{2}和{3}的x轴之间的传动角，确定施加的张力的方向，当gamma;=0，纤维束/带处于纯张力状态。
因此，向量p有6个元素（m=6）。给定这些元素的已知集合，由下列4x4齐次变换矩阵定义相对于frame{1}的frame{3}：
(1)
其中：
R31、R21、R32分别是3x3旋转矩阵。
式（1）中包含6个标量函数，将矢量p映射到x=[xD,yD,zD,theta;1,theta;2,theta;3]T
资料编号：[5205]
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