自動化機器人無損檢測增強了復合材料的能力
Accubot是一種先進的無損檢測（NDT）技術，利用機器人技術、智能軟件和工藝優化的最新發展，為復合材料結構提供高測量自由度。
碳纖維增強聚合物（CFRP）復合材料等高度工程化材料因其卓越的強度重量比、熱穩定性和耐用性而在航空航天應用中備受青睞。由于需要產生更少排放的節能輕型飛機，這里的復合材料使用量激增。與此同時，這些材料和工藝的進步使更復雜的結構能夠更快地生產——快速固化樹脂系統、短周期熱塑性塑料、自動材料放置和成型系統正在增加，從而實現無需緊固件或粘合的集成、獨特的幾何結構。復合材料4.0系統也已經成熟，促進了數字化、高速率制造過程中的數據交換。
確保航空航天應用復合材料結構的完整性需要細致的設計、制造和徹底的檢查，以檢測在極端操作條件下可能傳播的任何缺陷。因此，無損檢測是一項重要技術，包括各種分析技術，以評估材料、部件或組件的性能，而不影響其可用性。
憑借AS9100、Nadcap、ISO14001和45001等認證，以及與印度斯坦航空有限公司（HAL，班加羅爾，印度）和印度空間研究組織（ISRO，班加羅爾）等全球航空航天原始設備制造商的合作伙伴關系，航空結構制造商Kineco Kaman Composites India（KKCI，果阿，印度）已在該行業建立了自己的資質，并正在其果阿工廠整合工業4.0技術。該倡議的一個重要部分是KKCI與機器工程公司Fill Gesellschaft（奧地利古爾滕）合作，開發一種用于自動無損檢測的定制系統。
復合材料無損檢測的挑戰
印度果阿的KKCI擁有AS9100、Nadcap、ISO14001和45001認證，并與全球主要航空航天原始設備制造商HAL和ISRO合作。其果阿工廠正在全面整合工業4.0技術。
在無損檢測領域，與傳統金屬相比，使用復合材料制造的零件面臨著一系列獨特的挑戰，這主要是由于它們的各向異性性質——例如，多層層壓板中的多個纖維方向、層板的堆積和脫落、夾層結構中的各種核心材料等。KKCI在其航空航天應用中使用先進的復合材料，從2D層壓板到多面3D結構。這些材料通常使用CFRP預浸料制成，并使用帶有鋁蜂窩的單片或夾層疊層方法進行設計，有時還使用Nomex芯。
該公司為印度區域導航衛星計劃（IRNSS）生產了10個雙螺旋天線，為LVM3-M2/oneWeb India生產了設備艙護罩組件，為ITSC生產了封閉板、ITSC、LOX和LH2線隧道和底板組件，為月船-3號任務LVM3-M4運載火箭生產了FSA外殼復合元件。最近，它為地球同步衛星運載火箭Mk III生產了軌道模塊適配器（OMA- orbital module adapter）組件，這是印度空間研究組織載人航天任務Gaganyan的關鍵部件。
KKCI負責制造月船-3號任務LVM3-M4運載火箭的幾個關鍵部件。其中包括設備間護罩組件、ITSC封閉板、ITSC、LOX和LH2導線通道和底板組件。此外，KKCI還制造了FSA套管復合元件。
這里提到的結構在發射和重返大氣層期間暴露在惡劣條件下，如機械應變、大氣化學腐蝕、高輻射水平以及高海拔和外層大氣的極端溫度。這些復合材料的制造過程要求從最初的生產階段到最終交付的每一步都具有精度和準確性，以確保盡可能好的質量和性能。這些要求需要對傳統無損檢測方法進行專門的調整，如超聲波檢測、熱成像和射線照相，以檢測異物碎片（FOD-foreign object debris）、分層、纖維錯位和基體開裂以及其他典型的復合材料缺陷。
使用直通傳輸（TTU-through transmission）或脈沖回波（PE-pulse echo）技術的超聲檢測（UT-Ultrasonic testing）是航空航天復合材料檢測中最廣泛的無損檢測方法。這些采用通過部件的高頻超聲波，該部件通常被噴水以用作聲波的耦合介質。TTU采用兩個放置在被測材料相對兩側的換能器。其中一個換能器產生脈沖，另一個換能器接收脈沖。脈沖中斷表明兩個換能器之間的路徑存在缺陷。PE使用一個或多個換能器來發射、脈沖和監測反射波或回波。與TTU一樣，數據被捕獲、記錄和分析，以識別、定位和測量缺陷。
對4.0技術的需求
KKCI董事長兼董事總經理謝哈爾·薩德賽(Shekhar Sardesai)表示：“KKCI看到了對復合材料航空航天結構的日益增長的需求，以及對高精度制造和一致性的需求。”。“我們對工業4.0原則的戰略關注，如自動化和智能集成，與我們長期以來對未來的準備立場一致。為了在航空航天、國防和航天領域追求我們感興趣的項目類型，KKCI認識到提高和自動化我們的無損檢測能力的重要性。”
KKCI在高性能復合材料方面擁有豐富的經驗和專業知識，通過參與眾多要求最高標準的太空項目而積累。這里，KKCI復合組件顯示在IRNSS導航衛星上。
KKCI的運營經理斯瓦普尼勒·馬內(Swapnil Mane)強調，擁有強大的無損檢測能力至關重要，能夠準確檢測所有表面和地下差異。他說：“各種因素，如異物夾雜物、分層或孔隙率，都會導致內部差異的發展。”。“這些差異可能在極端條件下傳播，可能會影響航空航天復合材料的要求規格。為了避免這種情況，KKCI需要改進其無損檢測分析技術，以更準確地評估其復合材料組件和系統的性能。”
為了滿足這些要求，KKCI與Fill合作，Fill是一家先進的自動化系統工程公司，為包括復合材料在內的各種行業設計和實施自動化系統。結果是DRS Accubot系統的定制版本用于自動無損檢測。Fill航空航天制造系統項目工程和銷售部門的托馬斯·格蘭伯格(Thomas Gramberger)解釋道：“該行業的自動化無損檢測技術需要精確和剛性的機器人控制運動學，以沿著零件復雜的彎曲邊緣和表面引導相應的臂端工具(EOAT-end-of-arm tool )。”。“標準工業機器人的設計并不能滿足這些要求，所以我們決定開發自己的產品Accubot。”
KKCI特別選擇了噴水TTU Accubot系統。格蘭伯格說：“Waterjet TTU是Fill 80%檢測系統的基礎。”。“這表明它在航空航天應用中的有效性。”Fill已經為吉凱恩航空公司（英國Redditch）位于德國慕尼黑的工廠開發了這樣一個系統，這使其無損檢測生產率和可靠性顯著提高。
Accubot設計
KKCI的Accubot系統配備了兩個在線性軸上工作的鉸接機器人。它長7米，寬2.5米，高4米，共有16個軸，包括兩個獨立的電動夾持伺服電機，用于驅動線性導軌。雙機器人可以獨立工作，也可以協同工作，提供廣泛的操作范圍。該檢測系統專為水射流A掃描和C掃描檢測而設計，由于其脈沖重復頻率為4千赫，因此可以以2000毫米/秒的速度運行。
KKCI的Accubot系統配備了16個軸，由兩個獨立的電動夾緊伺服電機驅動，驅動線性導軌，長7米，寬2.5米，高4米，可以檢查大型航空航天結構。
格蘭伯格說：“Accubot利用機器人技術、智能軟件和工藝優化的最新發展，為復合材料結構提供高度的測量自由度。”。該系統采用雙六軸Stäubli（Pfäffikon，瑞士）TX200L機器人運動學，與西門子（德國慕尼黑）Sinumerik數控控制器集成用于其操作。此外，Fill在機器人的旋轉軸上安裝了二級旋轉編碼器，以確保始終如一的高精度——Accubot擁有<0.3毫米的絕對定位精度。
格蘭伯格解釋說，它通過使用二次編碼器和基于高階運動學建模的復雜補償技術的組合來實現這一點，該技術計算控制器的實時插值周期。這種設置實現了實時位置補償能力，通過使用激光跟蹤器的額外校準系統進行固定。
每個機械臂的末端都安裝了一個額外的伺服電機驅動的附件，完全集成到機器人的運動鏈中。這種“主動工具”有效地充當了一個更小、更靈活的手指，旨在促進在狹小空間中對小空腔、復雜幾何零件和輪廓狹窄的角度進行全面掃描，而標準機器人很難在不發生碰撞的情況下到達這些空間，從而顯著增加了系統的操作范圍。此外，Accubot系統可以配置用于2D或3D檢查技術。
這種“主動工具”的功能是作為一個更小、更靈活的手指，能夠在標準機器人通常會碰撞的狹小空間中對具有復雜幾何形狀、窄角度和小空腔的復雜零件進行徹底掃描。因此，該系統的操作范圍大大擴大。
雙頻、數字孿生和報告
Accubot的控制電子設備由Force Technology（丹麥Brøndby）提供。該設備包含八個基于該公司Force-P-Scan PSP-5軟件的超聲波通道。它為Accubot提供了執行雙頻檢查的能力，使其能夠在單次掃描中同時在1兆赫（分辨率高達120分貝）和5兆赫（分辨率達115分貝）下工作。這使得它在處理不同密度的材料時具有高度的通用性。
Fill Studio軟件環境使用專門的路徑規劃算法管理自動掃描。它可以基于工業4.0中廣泛使用的MQTT、OPC和UA標準與各種工廠級系統進行通信。該軟件包括整個系統的數字孿生，支持在機器操作過程中對機器人進行離線編程，并提供增強現實界面。數字孿生通過在檢查運行時執行循環時間分析和避免碰撞，確保最大限度地利用機器。
KKCI已選擇將Accubot系統用于水射流TTU，這是一種通常用于檢查航空航天復合材料的無損檢測技術。
流程需要對Accubot系統進行培訓，以識別工作單元內的零件。接下來是使用零件CAD文件進行離線編程（OLP-offline programming ）。接下來，將OLP程序加載到Fill Studio中，并在P-Scan中配置必要的UT參數設置，以生成零件檢查的最終配方。此外，每個機器人都可以執行單獨的、獨立的任務，然后集成在一起，以協調一致地執行后續的TTU檢查。Fill Studio自動協調每個機器人之間的資源，使一個機器人能夠在另一個機器人完成任務后立即開始其自動協作作業。
TTU檢查完成后，數據被轉發到評估階段，Fill的技術合作伙伴Testia（法國圖盧茲）使用其NDTkit UT軟件進行評估和報告。NDTkit UT完全符合空中客車公司的要求，并根據波音標準BAC 5980提供孔隙率評估、信噪比計算和閾值確定。
KKCI提高了無損檢測效率和生產力
KKCI的Fill Accubot系統自2023年初安裝以來，提高了公司的檢測能力，并顯著縮短了組件的整體生產周期。KKCI報告稱，與以前的生產和評估方法相比，它有助于提高20%的生產效率。
KKCI為一個太空任務項目委員會進行了Accubot無損檢測系統的試驗。與印度空間研究組織合作，對Vikram Sarabhai航天中心（VSSC）Gaganyan項目的GSLV Mk III的OMA組件進行了測試。該系統用于驗證直徑為4米的錐形CFRP夾層結構，該結構與機械加工的金屬環集成在一起，具有嚴格的公差。OMA組件在Mk III中起著至關重要的作用，充當船員逃生模塊和設備艙護罩之間的適配器。
Mk III飛船包括幾個部件，包括此處顯示的OMA，它是連接機組人員逃生模塊和設備艙護罩的最關鍵部件之一。
薩德賽說：“在實施Accubot之前，與我們對VSSC進行的檢查類似的檢查需要40多個小時，而使用Accubot，檢查時間減少到大約7個小時。”。“這種效率的提高證明了該系統在簡化航空航天復合材料檢查方面的有效性。該系統不僅提高了時間效率和準確性，而且只需最少的人工干預。”
安裝在KKCI的Accubot系統采用模塊化設計，使KKCI能夠在未來納入額外的檢查模式，如激光激發聲學檢查和熱成像，而無需進行大量修改。根據薩德賽的說法，KKCI有一些重大項目正在籌備中，這些項目確實需要這種能力，從而進一步增強了投資該系統的價值。Accubot系統的效率提升符合KKCI的計劃，即在不久的將來促進更多的一級和OEM復合結構制造，并實施ISO 45001。
格蘭伯格總結道：“在復合材料航空航天結構的生產過程中集成Accubot C掃描和A掃描數據是提高零件質量、可追溯性、效率和數據驅動決策的有效措施。由于Accubot系統非常精確，可以適應各種檢測類型，因此它現在是KKCI無損檢測未來不可或缺的一部分。這意味著他們的程序在確保復合材料組件安全和完整性的同時，具有更高的準確性和適應性。”
注：原文見，《Automated robotic NDT enhances capabilities for composites 》2024.4.22
楊超凡 2024.4.23
經編譯者授權發布
