碳纖維復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、尺寸穩定、導電、導熱、熱膨脹系數小、自潤滑和吸能抗振等一系列優異性能。碳纖維復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。

由于碳纖維復合材料的優質材料特性，在負荷極高的情況下，已經有越來越多的構件都是使用纖維復合材料制作而成。如飛機的龍骨、管道和車輛的框架型材。制造的方法是，引導一個核心，也就是構件的正極，穿過一臺裝有干碳纖維帶的徑向編織機，然后將產生的預成型件（預制件）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）、機器人和制成的構件（右）
為了將整套的核心穿過編織機，可以使用工業機器人，如圖1和圖2所示。采用工業機器人的優點是，由于工業機器人可以拉著預成型件穿過編織機，從而可以使工件的質量得到大幅提升，并能夠降低加工的成本。

不過由于成本的原因，只有在大批量生產時，使用工業機器人才更為合算；不過即便是在大批量生產的情況下，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，只有具備非常熟悉復雜編程環境的技術工程人員才能使工業機器人得到充分的發揮。

為了能夠使小批量生產的中小型企業也能分享到使用工業機器人帶來節約的好處，Fraunhofer IPA研究所開發了通過示范案例來達到快速和直觀的編程環境。

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，然后再通過生產廠家專用的接口傳輸到工業機器人上。

圖2 斯圖加特大學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，在基于模塊式結構的部件集成在編程環境里，除了力與力矩傳感器外，引導工業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狀態方面對軌道加以調整，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可以集成到系統里，或者也可以是一個語音控制器，用來設置系統的狀態和速度。

圖3 開發成功的編程環境的組成部分
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整；根據軌道位置設置輸出端。

經過簡單的學習之后，所有的功能都可以用鼠標實現。用圖形表示的仿真可以對所做的修改進行檢查。

同粘貼技術和焊接技術中的用途相反，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構，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整好的運動方案。

圖4 簡化的動作控制：兩個旋轉軸，兩個校正方向
程序員通過力-轉矩-傳感器來控制Rx和Rz的旋轉，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。

斯圖加特大學飛機制造研究所IFB和Fraunhofer生產技術的自動化研究所IPA進行了合作，對In-Teach編程環境做了日常適用性的實際測試。IFB接受的小批量生產為節省時間的使用編程環境提供了最佳條件。在制作復雜的彎曲組件時，通過示范為機器人編程實現了明顯的節省時間的優點。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編程環境也可以經濟地實現自動化。(end)