自動化機器人助力復合材料無損檢測
確保航空航天應用復合材料結構的完整性需要精心的設計、制造和檢查，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（NDT）包括各種可用于評估材料、部件或組件的性能，同時不影響其可用性分析技術，是一種必不可少的檢測技術。
圖1 印度Kineco Kaman復合材料公司使用定制的Fill Accubot超聲波檢測系統，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
借AS9100、Nadcap、ISO14001和 45001等認證，以及與全球航空航天原始設備制造商Hindustan Aeronautics Ltd.（HAL，印度班加羅爾）和印度空間研究組織（ISRO，班加羅爾）的合作伙伴關系，飛機結構制造商Kineco Kaman Composites India（KKCI，印度果阿）已經建立了其在行業中的信譽，并正在其果阿工廠集成工業4.0技術。該計劃的一個重要部分是KKCI與機械工程公司Fill Gesellschaft（奧地利Gurten）合作開發用于自動化無損檢測的定制系統。
圖2 位于印度果阿的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集成工業4.0技術
復合材料無損檢測的挑戰
在無損檢測領域，與傳統金屬相比，使用復合材料制成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。例如，多重層壓板中的多種纖維取向、層層堆積和脫落、夾層結構中的各種芯材等。KKCI在其航空航天應用中使用先進的復合材料，范圍從2D層壓板到多面3D結構，通常使用CFRP預浸料制成，并使用帶有鋁蜂窩的整體或三明治鋪層方法設計，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，ITSC閉合板，ITSC、LOX和LH2用于Chandrayaan-3任務LVM3-M4運載火箭的鋼絲隧道和底板組件以及FSA外殼復合元件。最近，它為地球同步衛星運載火箭（GSLV）Mk-III生產了軌道模塊適配器（OMA）組件，這是ISRO載人航天任務Gaganyaan的關鍵部件。
圖3 KKCI負責為Chandrayaan-3任務LVM3-M4運載火箭制造幾個關鍵部件;包括設備艙護罩組件、ITSC 閉合板、ITSC、LOX 和 LH2線徑和底板組件
這里提到的結構在發射和再重返大氣層期間暴露在惡劣的條件下，例如機械應變、大氣化學腐蝕、高水平輻射以及高海拔和外層大氣中的極端溫度。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確度和準確性，以確保最佳的質量和性能。這些要求需要對傳統的無損檢測方法（如超聲波檢測、熱成像和射線照相）進行專門調整，以檢測異物碎片（FOD）、分層、纖維錯位和基體開裂以及其他典型的復合材料缺陷。
使用透射（TTU）或脈沖回波（PE）技術的超聲波檢測（UT）是用于檢測航空航天復合材料的最廣泛的無損檢測方法。它們采用高頻超聲波穿過組件，通常噴水作為聲波的耦合介質。TTU采用兩個傳感器，分別放置在被測材料的相對兩側。其中一個換能器產生脈沖，另一個接收脈沖。脈沖中斷表明兩個傳感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看到了對復合材料航空航天結構的需求不斷增長，以及對高精度制造和一致性的需求”KKCI董事長兼董事總經理Shekhar Sardessai說。“我們的戰略重點是工業4.0原則，如自動化和智能集成，這與我們為未來做好準備的長期立場是一致的。為了在航空航天、國防和太空領域開展我們感興趣的項目，KKCI認識到提高無損檢測能力并實現自動化的重要性。”
圖4 IRNSS導航衛星上的KKCI復合組件
KKCI的運營經理Swapnil Mane強調，擁有強大的無損檢測能力至關重要，可以準確檢測所有表面和內部差異。“各種因素，如異物夾雜物、分層或孔隙率，都可能導致內部缺陷的發展，”他說。“這些缺陷可能會在極端條件下傳播，可能會損害航空航天復合材料所需的規格。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特性。
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。其結果是DRS Accubot系統的定制版本，用于自動無損檢測。“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，”在Fill航空航天制造系統項目工程和銷售部門工作的Thomas Gramberger解釋道。“標準的工業機器人并不是為了滿足這些要求而設計的，所以我們決定開發我們自己的產品，稱為Accubot。”
KKCI 特別選擇了水射流TTU Accubot系統。“水射流TTU是Fill檢測系統的基礎”Gramberger說，“這表明它在航空航天應用中的有效性。Fill已經為GKN Aerospace（英國雷迪奇）位于德國慕尼黑的工廠開發了這樣的系統，從而顯著提高了其無損檢測的生產率和可靠性。
Accubot設計
KKCI的Accubot系統配備了兩個在直線軸上工作的鉸接式機器人。它長7米，寬2.5米，高4米，提供16個軸組合，包括兩個獨立的電夾俳伺服電機，用于驅動直線導軌。雙機器人可以獨立工作，也可以協同工作，提供廣泛的操作。該檢測系統專為水射流A-Scan和C-Scan檢測而設計，由于其脈沖重復頻率為4千赫茲，因此可以以2,000毫米/秒的速度運行。
圖5 KKCI的Accubot系統可用于檢測大型航空航天結構
“Accubot利用機器人技術、智能軟件和工藝優化方面的最新發展，為復合材料結構提供高度的測量自由度，”Gramberger說。該系統采用雙六軸史陶比爾（瑞士Pfäffikon）TX200L機器人運動學系統，與西門子（德國慕尼黑）Sinumerik CNC控制器集成在一起。此外，Fill還在機器人的旋轉軸上安裝了輔助旋轉編碼器，以確保始終如一的高精度——Accubot擁有<0.3 mm的絕對定位精度。
Gramberger解釋說，它通過使用輔助編碼器和基于高階運動學建模的復雜補償技術的組合來計算控制器的實時插值周期。此設置可實現實時位置補償功能，并由使用激光跟蹤儀的附加校準系統錨定。
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”可以有效地充當更小、更靈活的手指，旨在促進在標準機器人難以到達的狹小空間內對小空腔、復雜幾何形狀零件和輪廓狹窄角度進行全面掃描，從而顯著增加系統的操作范圍。此外，Accubot系統還可以針對2D或 3D檢測技術進行配置。
圖6 “主動工具”的功能更小、更靈活，可在標準機器人會發生碰撞的狹小空間內對具有復雜幾何形狀、窄角度和小腔體的復雜零件進行徹底掃描
雙頻與數字孿生
Accubot的控制電子設備由Force Technology（丹麥布倫德比）提供。該設備集成了基于該公司的Force-P-Scan PSP-5軟件的八個超聲波通道。它使Accubot具備執行雙頻檢測的能力，使其能夠在單次掃描期間同時以1 MHz的分辨率運行，分辨率高達120分貝，以5 MHz的分辨率運行，同時運行高達115分貝的分辨率。這使得它在處理不同密度的材料方面具有高度的通用性。
Fill Studio軟件環境使用專門的路徑規劃算法管理自動掃描。它可以與基于工業4.0廣泛使用的MQTT、OPC和UA標準的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，支持機器運行期間機器人的離線編程，并提供增強現實界面。數字孿生通過在檢測運行時執行周期時間分析和防撞來確保機器利用率最大。
工藝流程需要訓練Accubot系統以識別工作單元內的零件。接下來是使用零件CAD文件的離線編程（OLP）。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，以生成零件檢測的最終配方。此外，每個機器人都可以執行單獨的獨立任務，然后集成以執行后續的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化協作工作。
圖7 KKCI選擇將Accubot系統用于水射流TTU，這是一種用于檢測航空航天復合材料的無損檢測技術
TTU檢測完成后，數據將進入評估階段，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，并提供孔隙率評估和SNR（信噪比）計算和閾值確定，符合波音標準BAC 5980的定義。
提高KKCI的無損檢測效率和生產力
自2023年初安裝以來，KKCI的Fill Accubot 系統提高了公司的檢測能力，并顯著縮短了整體組件生產周期時間。KKCI報告說，與以前的生產和評估方法相比，有助于將生產效率提高20%
KKCI為太空任務計劃委員會進行了Accubot NDT系統的試驗。該測試是在與ISRO合作的Vikram Sarabhai航天中心（VSSC）Gaganyaan項目的GSLV Mk-III的OMA組件上進行的。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，充當機組人員逃生模塊和設備艙護罩之間的適配器。
圖8 Mk-III航天器由幾個部件組成，包括這里顯示的OMA，它是連接機組逃生艙和設備艙護罩的最關鍵部件之一
Sardessai說：“在實施Accubot之前，類似于我們使用VSSC進行的檢查需要40多個小時，而使用Accubot，檢查時間減少到大約 7 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測方面的有效性。該系統不僅提高了時間效率和準確性，而且以最少的人為干預做到了這一點。
安裝在KKCI的Accubot系統采用模塊化設計，使KKCI能夠在未來整合其他檢測模式，例如激光激勵聲學檢測和熱成像，而無需進行大量修改。根據Sardessai的說法，KKCI有一些重要的項目正在籌備中，這些項目確實需要這種能力，進一步加強了對該系統的投資價值。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Tier 1和OEM復合材料結構制造并實施 ISO 45001。
Gramberger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，并且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具有更高的準確性和適應性，同時確保其復合材料組件的安全性和完整性。
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www.compositesworld.com/articles/measuring-energy-use-to-enable-sustainable-composites-production
