本文由Yazhou Yao、Xianliang Cao、Xiaochao Liu、Zhisheng Zhang、Weiliang Xu和Haiying Wen*共同完成，其中前五位作者来自中国东南大学机械工程学院，第六位作者来自新西兰奥克兰大学机械与机电工程系。该论文于2025年发表在《Journal of Manufacturing Processes》第149卷上，标题为《A comprehensive review of solid-state friction stir processing robots: design, dynamics and control for enabling applications in additive manufacturing》。

这篇论文是一篇系统性综述，聚焦于固态搅拌摩擦加工机器人（friction stir processing robots）在增材制造（additive manufacturing, AM）中的应用。文章详细梳理了搅拌摩擦焊接（friction stir welding, FSW）和搅拌摩擦增材制造（friction stir additive manufacturing, FSAM）的技术发展，并围绕机器人系统的设计、动力学和控制三大核心领域展开讨论。

主要观点

1. FSW/FSAM工艺概述

FSW是一种基于塑性变形的固态连接技术，广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。FSAM则是FSW的延伸，通过逐层固态沉积实现复杂三维结构的制造。两者的核心优势在于避免了传统熔焊过程中的热裂纹和气孔等缺陷，同时能实现优异的冶金结合。文章对比了七种主流FSAM技术（如摩擦表面沉积AM、摩擦挤出沉积AM等）的轴向力需求和三维成形特性，指出FSAM在大型金属和复合材料增材制造中具有巨大潜力。

2. 机器人系统架构

根据结构分类，FSW/FSAM机器人可分为串联、并联和混合型三类：
- 串联机器人（如Fanuc、KUKA）具有工作空间大、成本低的优势，但刚性和精度较低，适用于大尺寸部件。
- 并联机器人（如3-PRS、2UPR-2RPU）通过冗余驱动提高刚性和负载能力，但工作空间受限，适合小工件。
- 混合型机器人（如Tricept、Trimule）结合串联和并联结构的优点，成为未来发展趋势。
文中通过表格和图示对比了各类机器人的刚度、工作体积和成本等关键特性，并指出FSAM对机器人的轴向力调制、动态参数适应和轨迹精度提出了更高要求。

3. 末端执行器设计

• FSW工具设计：搅拌针（pin）和轴肩（shoulder）的几何形状（如圆锥形、偏心多边形）和尺寸显著影响材料流动和温度分布。例如，轴肩的凹形端面比平面或凸形更能抑制焊缝缺陷。
  
• FSAM工具创新：由于需连续供料，FSAM工具需兼顾材料流动性和层间结合质量。例如，双沟槽工具（dual-groove tool）和旋转螺纹工具（threaded tool）通过优化材料输送路径提高了沉积均匀性。
  

4. 动力学分析与控制

• 动态建模：采用拉格朗日法、牛顿-欧拉法等建立机器人动力学方程，并通过参数辨识（如最小二乘法、神经网络）提高模型精度。
  
• 刚度优化：静态刚度分析（如虚拟关节模型）和动态刚度补偿（如基于BP神经网络的在线变形预测）是抑制振动、提高精度的关键。
  
• 控制策略：力控制（force control）和柔顺控制（compliance control）是主流方法。例如，混合力/运动控制（hybrid force/motion control）可同时调节轴向力和工具轨迹；温度-力闭环控制（force-temperature control）通过调节主轴转速和工具位置实现热-力耦合优化。
  

5. FSAM机器人系统的技术挑战与未来方向

文章提出六大挑战：
1. 重载动态交互管理：需开发高刚性、高灵活性的专用机器人。
2. 非线性热-力耦合建模：传统阻抗模型难以实时补偿高温导致的材料软化效应。
3. 工具系统创新：需设计兼顾热输入控制和材料连续性的搅拌工具。
4. 多参数工艺控制：轨迹精度和轴向压力稳定性直接影响层间结合质量。
5. 数字孪生集成：通过人工智能算法优化工艺-设备多参数耦合。
6. 混合工艺开发：结合FSAM与其他焊接技术（如电弧焊）探索新工艺。

论文的意义与价值

本文首次系统梳理了FSW/FSAM机器人技术的研究进展，为固态增材制造的工程化应用提供了理论框架和技术路线。其价值体现在：
1. 学术价值：明确了机器人动力学、控制算法和热-力耦合建模的研究缺口，为后续研究指明方向。
2. 应用价值：通过对比不同机器人架构和工具的优劣，指导工业界针对FSAM需求选择或开发适配设备。
3. 跨领域启示：文中提出的数字孪生和混合工艺思路，可推广至其他智能制造场景。

亮点与创新

1. 全面性：涵盖设备架构、动力学、控制三大领域，首次将FSAM机器人作为独立研究方向进行综述。
   
2. 前瞻性：提出FSAM机器人的技术路线图，强调刚度-柔性协同设计和智能控制的重要性。
   
3. 实践指导性：通过案例分析（如NASA的MELD设备、KUKA机器人的力控制）验证技术可行性。
   

这篇综述不仅总结了固态搅拌摩擦加工机器人的现状，还为其在增材制造中的未来发展提供了系统性解决方案，对学术界和工业界均具有重要参考价值。