三维缝合预制件，是航空航天高性能复合材料构件的核心技术路线。但长期以来，机器人缝合工艺始终卡在两大工程难题：针头穿透与机器人运动无法协同、缝线张力控制不稳定。设备反复启停、缝线松脱、预制件变形，让这项技术很难大规模落地工程场景。
近日，南京航空航天大学联合多家科研院所，在复合材料顶刊 Composites Part B 给出完整解决方案：一套集成
主动张力控制 + 动态进给补偿
的机器人缝合系统，实现复杂曲面预制件连续稳定缝合，实际缝合效率提升 24.7%，为高端复合材料自动化制造打通关键一环。
行业痛点：三维缝合为何难以大规模工程应用
三维缝合预制件可以大幅提升复合材料层间性能，是航空发动机构件、航天结构件的备选制造方案。但传统机器人缝合系统面对复杂几何预制件时存在两大致命短板：
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运动协同矛盾，机器人高频启停
针头穿透预制件的动作，需要机器人手臂停下等待。频繁启停不仅带来机械冲击磨损，还直接拉低缝合节拍，限制量产能力。
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缝线张力失控，成品缺陷高发
传统被动张力调节，跟不上缝合周期里非线性耗线变化。张力忽大忽小，极易造成预制件挤压变形、线圈松脱跳线，废品率居高不下。
这两个问题，直接制约三维缝合技术从实验室样品走向航空航天工程化应用。
技术创新：双机构协同，重构机器人缝合逻辑
该研究搭建搭载在六轴机器人上的新型单侧缝合头 ，核心两大创新机构，同时解决运动不连续、张力剧烈波动。
① 主动张力控制机构
依靠张力传感器实时采集张力信号，结合缝合伺服编码器，实时识别每一个缝合周期瞬时耗线量，动态调节送线辊转速，闭环把缝线张力锁定在目标区间。
无控制状态：张力 0‑1N 大幅剧烈震荡；
开启主动控制：张力稳定在目标值 ±0.2N 范围内波动。
可适配 Kevlar、碳纤维、聚酰亚胺多种线材，线材直径 0.2‑0.6mm，张力区间 0.1N‑1.0N，工艺兼容范围广。
图1 主动张力控制。（a）主动张力控制原理；（b）缝合张力控制策略。
② 动态进给补偿机构
核心巧思：不让机器人本体停下来。
针头刺入预制件瞬间，末端执行器朝机器人进给反方向做补偿位移，抵消针头穿刺带来的位置干涉。机器人本体保持连续运动，彻底消除缝合间隙之间的停顿等待，从离散启停模式升级为连续运动模式。
图 2：进给补偿机构工作原理示意图
实验验证：平板→复杂曲面，量化性能数据
研究分两组实验完成系统验证，给出可量化的工程指标。
1、平板预制件工艺摸底实验
覆盖多变量遍历测试：张力 0.1‑1.0 N、多种纤维线材、0.2‑0.6 mm 线径、针距 6‑10 mm。
张力过低：线迹松散；张力过高：预制件挤压损伤；
0.5N 附近可获得形貌最优的线迹；
开启主动张力后，张力曲线平滑，大幅减少跳线、松圈缺陷。
图 3、图 4：不同张力、不同线材线迹对比图
2、变曲率截锥体预制件（复杂曲面验证）
采用 30 针 / 分钟、针距 8 mm 参数开展 235 针完整循环测试：
理论效率提升：28.6%
实际测试效率提升：24.7%
缝合总耗时由 174 s 缩短至 131 s。
进给补偿机构有效实现机器人连续运动，直接证明该系统对复杂曲面预制件的加工能力。
图 5、图 6、图 7：截锥体缝合实拍、张力周期曲线、进给补偿速度‑针杆行程关系
研究核心结论
- 张力层面：由 0‑1N 无规则剧烈波动，收敛至目标张力 ±0.2N 可控区间，实现缝线张力闭环精准调控。
- 运动层面：缝合机器人由高频启停离散运动，转变为不间断连续运动，规避机械冲击磨损。
- 效率层面：复杂曲面构件实际缝合效率提升 24.7%。
- 工艺兼容：兼容多类高性能纤维线材，适配平板、变曲率曲面预制件。
工程价值与展望
该套机器人缝合系统，解决了长久制约三维缝合预制件工程化的两大瓶颈。
不再局限实验室小试样制备，面向航空航天、轨道交通高性能异形复合材料构件，提供一套自动化制造方案，推动三维缝合复合材料加速走向工业落地。