Composites Part B:复杂复合材料预制体机器人缝合制造新方案

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:

  1. 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。

  2. 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

  1. 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。
  2. 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。
  3. 效率层面:复杂曲面构件实际缝合效率提升 24.7%。
  4. 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。

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