1.1铺放设备

自动铺放设备主要用于复合材料的成型加工，有以下三种主流机床设备：

（1）自动纤维缠绕机床(AFW:Automated Filament Winding)简称自动缠绕机。使用低材料费用的长纤维带按预定的轨迹连续反复在一回转芯模上逐层缠绕贴铺。层间可交叉角度缠绕贴铺，但不能沿回转芯模轴向纵向(零角度)缠绕贴铺以及局部增厚或加筋。

（2）自动复材料带层铺机床(ATL: Automated Tape Layer) 简称自动铺带机，主要用于平面型或低曲率的曲面型，或者说准平面型复材构件的层铺制造。

（3）自动纤维铺放机床(AFP: Automated Fiber Placement)简称自动铺丝机，主要用于复杂曲面型复材构件的铺放制造。文献[1-2]主要介绍了自动铺放设备的分类及其工作原理。

相对于AFW、ATL技术，AFP系统通常拥有7个运动轴，并且使用窄带纤维，适合大曲率复杂构件成型，同时它还能够在铺层时切割和增加丝束，可以完成局部的加厚、加筋。由于自动铺丝技术的自身优点，是目前复材自动化铺放研究的主要方向之一，也是本次报告讨论的重点。

自动铺丝技术(AFP)也称纤维铺放技术，是将FW的纤维缠绕功能与ATL的切割、铺叠、压紧等功能融合在一起，形成一种新型纤维铺放技术。文献[3]提及AFP技术的特点。自动铺丝技术最早的研究是基于美国国防高级研究计划局(Defense advanced research projects agency,DARPA)的MACSS项目。用于航空航天工业的大型复杂构件成型的高端AFP装备，进一步向自动化、大型化、高速化和集成复合化方向发展。用于中小型复材整体构件铺放AFP机床，面向模块化、自动化、柔性化方向发展，以提供高生产率、自动化水平，同时降低生产费用和扩大铺放应用范围。AFP专机面临的技术问题是机床成本高，缺乏柔性，设备研发周期长，占地面积大，工作空间小。而工业机器人由于其成本低，柔性大，通用性强，工作范围广等特点，成为AFP目前的研究热点。

二十世纪初，在国外就已经能实现一些常用的工业异型件的轨迹规划和铺放成型，例如弯头、三通管道等。文献[4]简单对比了国内外铺放设备和技术的差异。现如今，国外的铺放设备和技术发展已经十分成熟，德国航空航天中心的结构设计院与KUKA公司联合设计了一套柔性机器人多功能制造单元，文献[5]介绍有德国先进铺放技术。法国MF Tech公司研发了Pitbull和Fox 2种多轴机器人缠绕控制系统;文献[6]介绍法国机器人控制系统。荷兰Taniq公司白主研发了Scorpo机器人，用于纤维增强橡胶产品的缠绕成型，文献[7]介绍了荷兰新型机器人。美国的兰利研究中心研制的ISAAC机器人，目前是国际上最先进的自动铺丝机器人设备。相比国外，国内的起步较晚，在异形件的铺放工艺及其设备的发展水平上与国际先进的技术相距甚远，近年来，国内也兴起了铺放、铺丝设备的研究。南京航天航空大学“九五”期间开始调研，率先开始自动铺放技术的研究，2003年起，与北航材料研究所联合开发自动铺放设备，2005年肖军课题组成功研制国内第一台自动铺带原理样机。随后，武汉理工大学田会方课题组在2006年研制出4丝束铺丝原理样机，哈尔滨工业大学富宏亚课题组2007年在6轴缠绕机平台上完成4丝束铺丝原理样机研制，西安交通大学段玉岗课题组2008年以六轴机器人为平台开展自动铺丝技术研究等。文献[8]介绍了国内铺放技术的发展情况，详细说明了各大高校的研究成果。由此可知，我国在自动铺放设备的发展上有着巨大的空间和无穷的潜力。

1.2机器人正向、逆向运动学

机械臂的正向运动学研究是在所有关节位置和所有连杆几何参数己知的情况下，求取机械臂末端相对于基座的位姿关系。运动学逆解是在所有关节位置和连杆几何参数己知的情况下，根据机械臂末端在基座坐标系中的位置和姿态，求解各关节变量。文献[9]对正向、逆向运动有详细介绍。