航空航天机器人丝锥加工

一股细流划过8英寸的钛，就像是黄油。驱动这一过程的是一个六轴机器人，它在零件上精心操纵喷水喷嘴，轻松塑造喷气发动机翼型的优美轮廓。你必须看到它，相信它。

机器人加工已经走了很长的路要走。已证明机器人能够坚固，准确，以实现航空航天行业所需的苛刻耐受性。在这种情况下，他们通过水性解决方案的帮助进行了。

在之前提到的视频的第一部分，一个机器人水射流系统正在粗略地切割一个商用喷气发动机的钛盘，或集成叶片转子(IBR)。只需将自来水与研磨介质混合，并以超高速喷射出一个小孔，这个机器人水射流系统就可以切割一英尺厚的固体金属。

华盛顿肯特Shape技术集团（Shape）业务发展副总裁迪伦·豪斯（Dylan Howes）说：“这是用喷水技术进行的3D切割。”Aquarese系统（如图所示）是唯一一台能够达到94000 psi（6500巴）的3D机器人磨料水射流机。”

Aquarese是企业形状家庭的一部分，专注于Waterjet切割解决方案和综合系统，以及流动的国际公司，制造出超高压泵和水射流技术。Aquarese将流量的技术与先进的机器人集成在一起，为其航空航天，能源和汽车客户提供交钥匙解决方案。

平滑的移动
机器人为喷水过程带来了灵活性和平滑运动。通过六个自由度，铰接臂可以从几乎任何角度接近工件，并遵循平滑、准确和高度可重复的刀具轨迹，以创建精确的切割和轮廓。在金属切削应用中，水射流通常粗切削部件，随后进行最终铣削操作。

豪斯说:“水射流的主要好处之一是它的用途非常广泛。”“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。有了水射流，你可以在同一台机器上今天切割金属，明天切割泡沫。”

Aquarese系统用于切割钛合金、因科乃尔合金、镍基合金、其他高温合金、不锈钢和复合材料。切割金属需要磨料水射流。在99%的磨料水射流应用中，石榴石被用作磨料介质。水和石榴石以接近音速4倍的速度流出水射流切割头，使切割功率提高1000倍。

尽管其巨大的力量，机器人水射流加工是一个冷切割过程，所以没有热影响区（HAZ）或热疲劳。这是激光和等离子切割的优势。Howes说，零件上没有机械应力，因此零件的完整性不会受到影响，与铣削或传统加工相比，只需要轻装夹具。

“水射流比粗铣或电火花线切割(电火花加工)效率更高，”豪斯说。“它速度快得多，运营成本低，产生大量边角料，比你从铣削作业中得到的碎片更容易回收。”

水射流工艺不含化学物质，对环境无害。水和用作磨料的任何石榴石都可以回收利用。

豪斯说:“这里没有有害气体。”“你可以使用闭环水系统。你在激光或等离子应用程序中找不到任何渣滓废物。”

机器人精度，重复性，刚性
特色Waterjet应用程序中的机器人由瑞士为基础的斯蒂布利公司制造。

“我们使用Stäubli，特别是对于这种切割应用，因为它的鲁棒性和路径准确性，”Howes说。“我们与斯蒂布里密切合作，为我们的需求进行完善，这是一个很大的伙伴关系。”

传统上，机器人水射流在软材料和其他行业更常见。现在我们看到它在航空航天工业切割金属和复合材料。

“这已经成为一个更普遍的应用，因为现在我们可以实现更好的性能，”塞巴斯蒂安施密特说，Stäubli公司北美机器人部门经理在邓肯，南卡罗来纳州。“我们在手臂的刚性和精度方面取得了很大进步。它使我们今天能够在这个领域内工作。

“准确性，重复性，刚性，这一切都来自我们在内部制造和设计的专利齿轮箱，”施密特继续。“我们是唯一一个设计自己的齿轮箱的机器人制造商。这给了我们卓越的轨迹表现。“

这个机器人是一个100公斤的高有效载荷模型，施密特说你需要它的刚性。但它对来自超高压水射流的反作用力也很重要。Aquarese发现Stäubli机器人几乎没有任何阻力。想象一下当你打开或关闭消防水管时，你可能会从它得到的反馈。不是从这些系统。

Schmitt说:“事实上，我们非常严格、非常精确、非常可重复，这使我们有能力提高性能。”他指出，他们现在能够与传统的铣削方法竞争。“一台五轴数控机床的成本是你在这里看到的系统成本的三到四倍。”

Aquarese正在使用Stäubli TX200 HE机器人(如图)。HE代表潮湿的环境。这种机器人是专门为潮湿环境而开发的。封闭式臂结构是IP65额定和加强臂抑制添加防水。额定IP67的手腕是耐腐蚀和保护低压浸泡。工具法兰和关键部件均采用不锈钢制造，能够承受腐蚀性环境。

寿命也很重要，特别是当你的机器人在像磨料水射流应用程序这样的恶劣环境下工作时。

“多年来，你正在投资，”施密特说。“这是史文本所闻名的东西，能够维持我们的质量多年。我们有20年的制度，仍然像一天一样。“

Stäubi的专有机器人编程语言VAL 3经过优化，可与CAD-to-path软件兼容。根据SHAPE的Howes，导入CAD模型并生成优化刀轨是一个非常简单的过程。喷水系统是使用SHAPE自己的名为FlowXpert的软件套件编程的，该软件套件与该系统捆绑在一起。对于3D机器人喷水切割，还提供AquaCAM3D模块，该模块具有用于特定应用的内置模块和功能，包括叶盘粗加工和风扇叶片修整。AquaCAM3D经过优化，可与Stäubi机器人无缝配合，并导出生成的刀具轨迹。

节省材料
节省材料是机器人水射流的一个主要优点。再把我们的注意力转到视频上，在进入镜头35秒时，你可以看到机器人水射流的3D嵌套。在这种应用中，该工艺是从一根轻合金粗制出两个涡轮叶片。

豪斯说:“对于一个段塞，在最终加工和研磨之前，你会得到两个接近净形状的部分。”“这是水射流的一个巨大优势，因为你使用的是铣削无法完成的3D嵌套。唯一的另一种方法是电火花线切割，这是非常昂贵的。”

在切割钣金时也可以使用普通的切割线。水射流的薄切割宽度，范围从0.003到0.015英寸的纯水射流和0.015到0.070英寸的磨料水射流，允许复杂的细节。豪斯说，如果切口或切口宽度太宽，用传统的加工方式无法有效地做到这一点。常见的切割线、3D嵌套和更大的边角料都提供了显著的材料节省。

Aquarese还融合了机器人水射流剥离解决方案，用于在飞机发动机零件上涂层去除，包括用于维护，维修和大修（MRO）部门的助推器和燃烧器。它们还有陶瓷壳和核心清除的系统，通常在航空航天或工业燃气轮机市场中进行投资铸造铸造厂。

Howes说:“我们还可以将核心移除系统与切割解决方案结合起来，用于去除门，以及去除锻造材料上的闪光。”“所有这些都是机器人应用。”

研究启用技术
尽管如此，机器人加工，无论是喷水还是更传统的方式，在刚度和精度方面都有其局限性。研究人员正在探索解决这些限制的新方法。

研究正在进行中最近成立了波音制造发展中心（BMDC）在亚特兰大佐治亚理工学院校园内。BMDC专注于以非传统方式实施工业自动化，如无抗体加工。该中心位于19,000平方英尺的Delta高级制造试验机构（AMPF）。

乔治亚理工学院制造研究所副所长什里耶斯·梅尔科特（Shreyes Melkote）和莫里斯·梅尔科特（Morris M。小布莱恩，佐治亚理工学院先进制造系统机械工程教授。

“AMPF是一家翻译研究设施，专注于离散零件制造业，我们与行业合作，以便在实验室中开发的想法和技术，并将其转化为可能对行业赞助商的应用程序（在这种情况下，波音）,” says Melkote, who is also an affiliated member of Georgia Tech’s Institute for Robotics and Intelligent Machines, where he serves as a bridge between manufacturing and the robotics and automation area.

Melkote的研究重点是机器人铣削。他的目标是使用使能技术，让机器人产生更复杂的特征和表面，并以很高的精度做到这一点。

“缺乏僵硬和准确性是仍然需要克服的限制，”梅尔克廷斯说。“诸如感性，补偿和计量的技术，寻址刚度和铰​​接式手臂机器人的局限性是我们在过去的4年或5年里一直在工作的内容。”

例如，Melkote说，他们正在使用激光跟踪设备和其他类型的计量系统，以及过程中的力传感，以帮助解决在高力应用中使用机器人时的精度问题。其中一些发现已在期刊上发表。

在论文中“一种无线力传感与基于模型的机器人碾磨加工精度的方法Melkote和佐治亚理工学院的研究人员测试了一种新的混合方法，该方法将无线力传感与铣削力的机械模型相结合，在保持机器人铣削灵活性的同时提高了精度。铣削实验采用高有效载荷的铰接机器人(如图)和无线聚偏氟乙烯(PVDF)传感器系统进行实时力测量。结果表明，采用该方法加工的简单几何特征的尺寸精度提高了70%以上。

Melkote说：“机器人加工可以提供一种成本更低、更灵活、多用途的技术，用于组装航空航天部件。”我们正在探索如何使用其他技术，如计量学，来弥补局限性并达到航空航天行业所需的公差要求。”

在格鲁吉亚科技的几种技术已经成功地转化为波音生产，包括先进的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组件的材料处理，视觉系统用于孔柜和组装的自主机器人。

佐治亚理工大学校园正在进行的其他研究包括通过人类演示教授机器人任务，以及探索机器人作为柔性固定装置的使用。机器人辅助制造将继续成为研究人员关注的焦点，因为它们有助于引领全国先进制造业的复苏。

RIA成员在本文中有：
佐治亚理工学院
Stäubi公司