机器人加工用于航空航天

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薄薄的水流穿过8英寸的钛,就像黄油一样。驾驶过程是一种六轴机器人,可以轻松地操纵喷水喷嘴,从而轻松形成喷气发动机翼型的优雅轮廓。
机器人加工已经走了很长的路。机器人已经被证明是足够坚固和准确的,以达到航空航天工业所要求的苛刻公差。在这种情况下,他们已经从水性溶液的帮助中完成了。

在前面提到的视频的第一部分中,机器人水刀系统是用于商用喷气发动机的粗切割钛叶片或集成叶片转子(IBR)。只要自来水与研磨介质混合并以超高速度从小孔喷射出来,该机器人水刀系统可以将固体金属切割成一英尺厚。

华盛顿肯特州形状技术集团(SHAPE)的业务发展副总裁Dylan Howes说:“这是用水刀进行3D切割。“Aquarese系统(如图所示)是唯一能够达到94,000 psi(6,500巴)的3D机器人磨料水刀机。”

Aquarese是专注于水刀切割解决方案和集成系统的SHAPE系列公司的一部分,以及制造超高压泵和水刀技术的Flow International Corporation。Aquarese将Flow的技术与先进的机器人技术相结合,为其航空,能源和汽车客户提供交钥匙解决方案。

机器人水刀系统产生以超音速行进的水流,以切割包括航空航天工业中使用的超合金部件的各种材料。 (由Shape Technologies Group提供)平稳移动
机器人为水刀加工提供灵活性和平稳运动。具有六个自由度,铰接臂可以从几乎任何角度接近工件,并遵循平滑,精确和高度可重复的刀具路径,以创建精确的切割和轮廓。在金属切削应用中,水刀通常粗切割部件,随后进行最终的铣削操作。

“水刀的主要优点之一是它是非常多才多艺的,”Howes说。“你可以切割金属,复合材料,玻璃,石头,纸张,食物,几乎任何东西。使用喷水机,您可以在一天内切割金属,并在第二天在同一台机器上切割泡沫。“

Aquarese系统用于切割钛合金,Inconel,Ni基合金,其他超级合金,不锈钢和复合材料。磨料水刀需要切割金属。石榴石在99%的磨料水射流应用中用作研磨介质。水和石榴石离开水刀切割头,几乎是声速的四倍,将切割功率提高了1000倍。

机器人水刀加工虽然功能强大,但是是一种冷切割工艺,因此没有热影响区(HAZ)或热疲劳。这是相对于激光和等离子切割的优点。Howes说,零件没有机械应力,因此与铣削或常规加工相比,零件完整性不会受到影响,只需要较轻的固定。

Howes说:“水刀比粗铣或电火花加工(放电加工)更有效率。“它的速度要快得多,操作成本更低,并且产生比从铣削操作获得的芯片更容易回收的大型切断。”

喷水工艺无化学,环保。水以及用作磨料的任何石榴石都可以回收利用。

“没有危险的烟雾,”Howes说。“你可以使用闭环水系统。在激光或等离子体应用中,没有任何可能发现的废渣。“

机器人磨料水射流系统对商用飞机进行了钛切片的3D切割。 (由Shape Technologies Group提供)机器人精度,重复性,刚性
特色水刀应用中的机器人由瑞士Stäubli公司制造。

Howes说:“我们使用Stäubli,特别是对于这种切割应用,由于其鲁棒性和路径准确度。“我们与史陶比尔密切合作,根据我们的需求改进这一过程,这是一个很好的合作伙伴关系。”

传统上,机器人水刀在较软的材料和其他行业中更常见。现在我们看到它在航空航天工业中用于切割金属和复合材料。

“这是一个更常见的应用程序,因为现在我们可以实现更好的性能。”南卡罗来纳州邓肯斯塔布里公司北美机器人部经理Sebastien Schmitt说。“我们在手臂的刚度和精度方面取得了很大的进步。今天可以在该领域内工作。

施密特(Schmitt)继续说道:“精度,重复性,刚性,都来自我们在内部制造和设计的专利齿轮箱。“我们是唯一设计自己的变速箱的机器人制造商。这给了我们更好的轨迹表现。“

机器人是一个高有效载荷100 kg型号,施密特说您需要刚性。但是对于超高压水刀的反作用力来说也是重要的。Aquarese发现Staubli机器人几乎没有回推。想像一下,当您将其关闭时,您可能会从消防水带获得回扣。不是来自这些系统。

施密特说:“我们刚性,非常精确,非常重复的事实使您有能力推动性能优势,”他指出,他们现在可以与传统的铣削方法竞争。“五轴数控机床的成本是您在这里看到的系统的成本的三到四倍。”

Aquarese正在使用StäubliTX200 HE机器人(如图)。HE代表潮湿的环境。该机器人专为湿环境而开发。封闭的臂结构IP65额定,并通过手臂抑制加强增加防水。IP67额定手腕是耐腐蚀的,防止低压浸没。工具法兰和关键部件由不锈钢制成,可在腐蚀性环境中使用。

机器人水刀系统与六轴机器人,超高压水刀,切割头,控制系统和编程软件完全集成。 (由Shape Technologies Group提供)寿命也很重要,特别是当您的机器人在恶劣的环境中工作时,例如磨料喷水应用。

施米特说:“你将来投资多年。” “这是史陶比尔闻名的东西,能够保持我们的质量多年。我们有系统已经工作了20年,仍然表现像第一天。“

Stäubli专有的机器人编程语言VAL 3针对CAD到路径软件的兼容性进行了优化。根据SHAPE的Howes,导入CAD模型并生成优化的刀具路径是一个非常简单的过程。水刀系统使用SHAPE自己的软件套件FlowXpert编程,该套件与系统捆绑在一起。对于3D机器人水刀切割,还提供AquaCAM3D模块,该模块具有内置模块和功能,用于特定应用,包括叶片的粗加工和风扇叶片的修整。AquaCAM3D经过优化,可与Stäubli机器人无缝工作,并导出生成的刀具路径。

材料节约
材料节约是机器人水刀的主要优点。再次将视频转播到视频,35秒后,您可以用机器人水刀观看3D嵌套。在这个应用中,这个过程是从一个轻质合金棒上粗出两个涡轮叶片。

Howes说:“对于一个s子,您可以在最终加工和研磨之前获得接近网状的两个部件。“这是水刀的巨大优势,因为您正在使用3D嵌套,这不能用铣削完成。唯一可以做到这一点的方法是使用电线电火花加工,这是非常昂贵的。“

切割金属板时也可以使用普通的切割线。水刀的切割宽度从纯水喷射流为0.003至0.015英寸,磨料喷水为0.015至0.070英寸,允许复杂的细节。Howes说你不能用常规的加工方法来有效地切割切口的切口或宽度太宽。普通的切割线,3D嵌套和更大的切口都可以节省大量的材料。

Aquarese还集成了机器人水刀剥离解决方案,用于飞机发动机部件上的涂层去除,包括用于维护,修理和大修(MRO)部门的助推器和燃烧器。它们还具有通常用于航空航天或工业燃气轮机市场的投资铸造铸造厂的陶瓷壳和芯去除系统。

机器人水刀剥离系统,用于在维护,修理和大修操作中从涡轮机部件中去除涂层。 (由Shape Technologies Group提供)Howes表示:“我们还可以将核心拆除系统与解除浇口的切割解决方案相结合,以及消除锻造材料闪烁的系统。“所有这些都是机器人的应用程序。

研究使用技术
仍然,无论是水刀还是更常规的手段,机器人加工在刚性和准确性方面都有其局限性。研究人员正在探索解决这些局限的新方法。

最近在亚特兰大佐治亚理工学院校园举行的波音制造开发中心(BMDC)正在进行研究。BMDC专注于以非传统方式实施工业自动化,如无叶加工。该中心位于19000平方英尺的三角洲高级制造试点设施(AMPF)。

尽管中心的丝带切割仅在6月份举行,格鲁吉亚理工与波音公司的战略合作伙伴关系已经是十年,根据格鲁吉亚理工学院制造研究所副主任Shreyes Melkote和机械工程教授Morris M. Bryan佐治亚理工高级制造系统

“AMPF是一个专注于分立零件制造的翻译研究机构,我们与行业合作,采用实验室开发的想法和技术,并将其翻译或定制到行业赞助商(在这种情况下为波音)可能有用的应用程序, “Melkote说,他也是乔治亚理工学院机器人与智能机器研究所的附属成员,他是制造与机器人与自动化领域的桥梁。

Melkote的研究重点是机器人铣削。他的目标是使用启用技术来允许机器人生产更复杂的功能和表面,并以高精确度做到这一点。

Melkote说:“缺乏刚性和准确性仍然需要克服的局限性。“传感,补偿和测量技术如硬度和关节臂机器人的限制是我们在过去4年或5年来一直在研究的。”

闭环机器人铣削的实验设置使用无线传感器系统进行实时力测量,以提高加工精度。 (由佐治亚理工学院提供)例如,Melkote表示,他们正在使用激光跟踪设备和其他类型的计量系统,以及在强力应用中使用机器人时进行力的过程检测,以帮助解决精度问题。其中一些发现已发表在期刊上。

美国科技大学的Melkote和研究人员测试了一种新的混合方法,将无线力感测与铣削力的机械模型相结合提高机器人铣削的精度,同时保持其灵活性。铣削实验使用高净荷铰链机器人(如图)和无线聚偏二氟乙烯(PVDF)传感器系统进行实时力测量。结果表明,通过新方法加工的简单几何特征的尺寸精度,显着提高了70%以上。

Melkote说:“机器人加工可以提供低成本,更灵活,多功能的技术,可以组装航空航天部件。“我们正在探索如何使用其他技术,如计量,来补偿限制,并达到航空航天工业所需的公差要求。”

佐治亚理工大学开发的几种技术已经在波音成功转型生产,包括先进商用飞机的新设计方法,787架飞机的流量控制,F / A-18,F-15和C-17部件的物料搬运,视觉系统孔锪孔和自动机器人装配。

在佐治亚理工大学校园进行的其他研究包括通过人体演示教导机器人任务,并探索使用机器人作为灵活的固定装置。机器人辅助制造业将继续成为研究人员的焦点,因为它们有助于引领全国先进制造业的复苏。

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