機器人纖維纏繞工藝是以傳統纏繞技術為基礎，將機器人融入到纖維纏繞設備中，以更高的精度和更高的效率完成制品成型。本文根據纖維纏繞芯模的配置情況，將機器人纖維纏繞技術分為三種類型，即有芯模纖維纏繞工藝、無芯模纖維纏繞工藝以及空間纖維纏繞工藝[11]。

對于芯模纖維纏繞工藝來說，可分為兩種技術形式，一是通過機械臂牽引纖維，并纏繞在固定于機床旋轉裝置的芯模上,如圖1（a）所示；一是通過機械臂旋轉芯模，從線軸筒上牽引出纖維并纏繞在芯模上，如圖1（b）所示。

圖1基于機器人的芯模纖維纏繞技術

圖2 無芯模纏繞錨點

2.1.1 機器人纖維纏繞裝備發展情況

（a）纖維纏繞機器人

（b）Fox纏繞控制系統

（c）Pitbull纏繞控制系統

圖3 法國MF Tech公司機器人纖維纏繞系統

荷蘭Delft大學開發了集合纏繞/焊接/縫合等工藝操作的多功能機器人工作站[14]，如圖4所示。意大利Cassino大學開發了基于機器人技術進行復雜異形構件的纏繞成型裝備，設計了一種具有纖維進料和纏繞功能的絲嘴機構，可獲得均勻纖維含量的纏繞制品[15]，如圖5所示。雅典National Technical大學將絲嘴機構和六軸機器人末端建立連接，實現了圓柱體和圓錐體構件的纏繞成型，同時也開發了非軸對稱的纏繞工作模式，如圖6所示。

圖4 多功能機器人工作站

圖5 復雜纖維零件纏繞技術

圖6雅典國家技術大學機器人纖維纏繞技術

加拿大Compositum公司將ABB、KUKA等品牌機器人配合Entec纏繞機結合，開發了全自動纏繞控制系統，適用于天然氣儲罐、氫氣儲罐等復合材料制品的制造，如圖7所示[16]。荷蘭Taniq公司開發了集成纖維、金屬線、橡膠和包裝帶（頂部）的機器人纏繞系統，用于增強特種橡膠軟管和壓力容器（中間和底部），采用Scorpo機器人以及采用專用纏繞工具和控制策略，將導絲頭安裝于機器人上，實現干纖維纏繞于橡膠層表面，完成典型橡膠復合材料中所有材料的自動纏繞，如圖8所示[17]。

圖7加拿大Compositum公司全自動纏繞控制系統

圖8 Scorpo機器人纏繞模式

英國Cygnet Texkimp公司提出了定制化的多絲嘴纏繞解決方案3D Winder，其原理來源于9軸機器人纏繞概念，將旋轉裝置和纖維導入系統結合在一個機械機構上，并圍繞在一個靜態芯軸上自動移動，進行纏繞。多個工作頭或錠位（每一個帶一卷筒紗）安裝在一個旋轉環上。環的大小及其安裝的工作頭數量是可擴展的，且取決于所制造構件的尺寸，最多能夠容納16個筒紗，極大的提升了纏繞效率，纏繞碳纖維可達1公斤/分鐘，幾分鐘內就可以纏繞成型一個飛機翼梁，具備降本增效的優勢，適用于各種復雜彎曲形狀構件制造。

圖9 Cygnet Texkimp公司的3D Winder裝置

美國Tennessee大學研究了纖維復合材料多節點構件的制造技術，采用KUKA機器人實現空間纖維的自動纏繞軌跡，如圖10所示[18]。德國FibR GmbH公司采用高度資源節約型機器人纏繞工藝制造了建筑用復合材料立面構件，將參數化設計工具應用于構件設計和機器人運動編程中，實現了高效的設計迭代及其代碼的自動更新。這種無芯模的機器人纏繞工藝通過纏繞銷之間自由空間中的纖維相互作用獲得構件的幾何形狀，該產品榮獲2024年法國JEC創新獎，并在JEC world展會上展出，如圖11所示。

圖10美國Tennessee大學KUKA機器人纏繞

圖11 FibR GmbH公司機器人纏繞現場及纏繞后的復合材料立面構件

另外，Roth復合材料機械公司開發的機器人纏繞設備采用模塊化設計，包含了六軸機器人，以及浸漬站、纖維解卷裝置和纖維輸送裝置等，如圖12所示。比利時魯汶大學為了實現多種類型構件的纏繞成型，將PUMA-762機器人與傳統數控纏繞機配合共同完成[19]。意大利COMEC公司研發了纖維纏繞機器人，可以實現復雜形狀制品的高速纏繞[20]。

圖12 Roth公司機器人纏繞設備

機器人纏繞技術中的末端執行軌跡和定位精度對產品成型精度具備最直接的影響。國外裝備廠家也在不斷改進纖維纏繞裝備配套的軟件研發，通過改進機器人各關節運動控制的算法，優化針對不同區域的纏繞軌跡的規劃算法。英國諾丁漢大學和Crescent Consultants公司聯合開發了CADFIL軟件系統，是集成了CAD/CAM/CAE的3D纖維纏繞的專業模擬軟件，通過芯模曲面的離散化，把纖維路徑的幾何計算轉化為三角片上的連續軌跡搜索[21]。比利時Leuven大學和Materials公司聯合開發了CADWIND，采用基于離散曲面的線型計算模式，實現了芯模的CAD建模，具備了纖維纏繞線型生成，纏繞過程的三維動態仿真等多樣化的功能，適用于二至六軸纏繞機的機器路徑生成[22]。荷蘭TANIQ公司在2024年JEC World展會期間展示了其最新的TaniqWindPro軟件，擴展了有限元分析功能，支持HyperWorks和Abaqus的外殼、2DA和3D元素，允許用戶在軟件中預覽和優化網格質量,提供了機器人纖維纏繞裝備的集成解決方案。

2.2.1 機器人纖維纏繞裝備的發展情況

圖13 哈爾濱理工大學機器人啞鈴型芯模纏繞

圖14 武漢理工大學纏繞機器人

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