碳纖維復(fù)合材料是一種新型的非金屬材料，具有高比強、高比模、耐疲勞、抗蠕變、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、尺寸穩(wěn)定、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、熱膨脹系數(shù)小、自潤滑和吸能抗振等一系列優(yōu)異性能。碳纖維復(fù)合材料的另一重要特性就是比重小。比重一般在1.6左右，是鋁的1/2、鋼的1/5。碳纖維復(fù)合材料的強度很高，有很高的“比強度”（比強度＝材料的強度極限/材料的單位重），它的比強度是鋼的5倍，剛性非常好。

由于碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)質(zhì)材料特性，在負荷極高的情況下，已經(jīng)有越來越多的構(gòu)件都是使用纖維復(fù)合材料制作而成。如飛機的龍骨、管道和車輛的框架型材。制造的方法是，引導(dǎo)一個核心，也就是構(gòu)件的正極，穿過一臺裝有干碳纖維帶的徑向編織機，然后將產(chǎn)生的預(yù)成型件（預(yù)制件）在后面的工序中用樹脂浸潤滲透。

圖1 機器人和滾動擾流片的芯棒（左）、機器人和制成的構(gòu)件（右）
為了將整套的核心穿過編織機，可以使用工業(yè)機器人，如圖1和圖2所示。采用工業(yè)機器人的優(yōu)點是，由于工業(yè)機器人可以拉著預(yù)成型件穿過編織機，從而可以使工件的質(zhì)量得到大幅提升，并能夠降低加工的成本。

不過由于成本的原因，只有在大批量生產(chǎn)時，使用工業(yè)機器人才更為合算；不過即便是在大批量生產(chǎn)的情況下，機器人的編程也僅僅只占整個批量總加工時間的一小部分。還有另外一個需要注意的問題是，機器人編程并不容易，需要編程人員具備很高的資質(zhì)，只有具備非常熟悉復(fù)雜編程環(huán)境的技術(shù)工程人員才能使工業(yè)機器人得到充分的發(fā)揮。

為了能夠使小批量生產(chǎn)的中小型企業(yè)也能分享到使用工業(yè)機器人帶來節(jié)約的好處，F(xiàn)raunhofer IPA研究所開發(fā)了通過示范案例來達到快速和直觀的編程環(huán)境。

人工移動機器人很簡單，我們只需要最簡單的接觸動作，也就是拉或者推，就可以移動機器人的位置。我們把這個過程和它走過的軌跡拍攝下來，然后進行重放分析，再加上用傳感器采集到的工人的力和力矩進行換算，就可以模仿工人的動作，然后再通過生產(chǎn)廠家專用的接口傳輸?shù)焦I(yè)機器人上。

圖2 斯圖加特大學(xué)IFB飛機制造研究所采用操作機器人的徑向編織機
如圖3所示，在基于模塊式結(jié)構(gòu)的部件集成在編程環(huán)境里，除了力與力矩傳感器外，引導(dǎo)工業(yè)機器人最重要的互動部件是一個圖形顯示的用戶界面。操作人員可以通過這個用戶界面指揮機器人，也可以在位置、方向和輸出端的開關(guān)狀態(tài)方面對軌道加以調(diào)整，還可以通過這個用戶界面對速度圖形給出定義。附加的組件有手持控制器，手持控制器通過無線網(wǎng)可以集成到系統(tǒng)里，或者也可以是一個語音控制器，用來設(shè)置系統(tǒng)的狀態(tài)和速度。

圖3 開發(fā)成功的編程環(huán)境的組成部分
由于用手動不可能百分之百精確地控制需要運行的軌道，因而軌道必須能夠在事后再進行加工，這也要用到圖形界面，工人可以用這個界面進行各種類型的再加工工作。通過壓縮和轉(zhuǎn)換成直線或齒形曲線對軌道進行平整；對軌道點的位置和方向進行調(diào)整；根據(jù)軌道位置設(shè)置輸出端。

經(jīng)過簡單的學(xué)習(xí)之后，所有的功能都可以用鼠標(biāo)實現(xiàn)。用圖形表示的仿真可以對所做的修改進行檢查。

同粘貼技術(shù)和焊接技術(shù)中的用途相反，編織核軌道編程不需要所有維度（自由度）都運動。為了得到最佳的位置結(jié)構(gòu)，我們希望編織點上只有一個與編織機成軸向的動作，因此編織核必須一直處于中心位置。圖4是專門按這些特性調(diào)整好的運動方案。

圖4 簡化的動作控制：兩個旋轉(zhuǎn)軸，兩個校正方向
程序員通過力-轉(zhuǎn)矩-傳感器來控制Rx和Rz的旋轉(zhuǎn)，Ty的運行動作是自動進行的，通過觸摸屏可以對Tx和Tz的運動進行校正。

斯圖加特大學(xué)飛機制造研究所IFB和Fraunhofer生產(chǎn)技術(shù)的自動化研究所IPA進行了合作，對In-Teach編程環(huán)境做了日常適用性的實際測試。IFB接受的小批量生產(chǎn)為節(jié)省時間的使用編程環(huán)境提供了最佳條件。在制作復(fù)雜的彎曲組件時，通過示范為機器人編程實現(xiàn)了明顯的節(jié)省時間的優(yōu)點。一個新的組件大約需要30~90min就可以完成編程，而不是像從前那樣需要長達幾個小時才可以完成。通過力傳感器、語音以及3D圖像組成的直觀操作接口界面，可以很快地熟悉工作過程。最后，在批量較小時，In-Teach編程環(huán)境也可以經(jīng)濟地實現(xiàn)自動化。(end)