用于航空航天应用的机器人加工

机器人加工已经走过了漫长的道路，并已被证明是强大的和准确的，足以实现航空航天工业所要求的苛刻的公差。在一个例子中，一个机器人水射流系统切割了一个商用喷气发动机的集成叶片转子(IBR)。

将自来水与研磨介质混合，从一个小孔中以超高速度喷射出来，机器人水射流系统可以切割厚达一英尺的固体金属。一个六轴机器人可以操纵喷水喷嘴穿过一个部件，轻松地塑造喷气发动机翼型的优美轮廓。

Shape Technologies Group业务开发副总裁Dylan Howes表示:“这是一种水射流3d切割技术。“Aquarese系统是唯一能够达到94,000 psi (6,500 bar)压力的3d机器人磨料水射流机。”

水射流机集成了先进的机器人技术，为Shape Technologies Group的航空航天、能源和汽车客户提供交钥匙解决方案。该机器人为水射流过程带来了灵活性和平滑的运动。具有六个自由度，其铰接臂几乎可以从任何角度接近工件，并遵循光滑，准确和高度可重复的刀具路径，以创建精确的切割和轮廓。在金属切割应用中，水射流对部件进行粗切，然后进行最终的铣削操作。

豪斯说:“水射流的主要优点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，你可以今天切割金属，第二天在同一台机器上切割泡沫。”

Aquarese系统用于切割钛合金、铬镍铁合金、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使用石榴石作为磨料介质。水和石榴石以接近4倍声速的速度从水射流切割头流出，使切割功率提高1000倍。

机器人水射流加工是一种冷切削加工;没有热影响区(HAZ)或热疲劳。这是激光和等离子切割的优势。豪斯说，这部分没有机械应力。部件的完整性不受损害，只需要光固定。

“水射流比粗铣或线切割加工(EDM)更有效，”Howes说。“它的速度更快，运营成本更低，而且生产出的大块边角料比铣削过程中得到的芯片更容易回收。”

水射流工艺不含化学物质，对环境友好。水，连同任何用作磨料的石榴石，都可以回收利用。

“没有有害气体，”豪斯说。“你可以使用闭环供水系统。没有任何激光或等离子应用中会出现的垃圾浪费。”

机器人精度，重复性，刚性

在航空航天工业意识到它在切割金属和复合材料方面的价值之前，机器人水射流通常用于较软的材料。

Stäubli公司北美机器人部门经理Sebastien Schmitt说:“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。”“我们在机械臂的刚性和精度方面取得了很大的进步。它使今天在那个领域内工作成为可能。精度、可重复性、刚性，所有这些都来自我们内部制造和设计的专利齿轮箱。”

该机器人是一个高载荷100公斤的模型，施密特说这是刚性所需要的。这对超高压水射流的反作用力也很重要。

Schmitt说:“事实上，我们是刚性的、非常精确的、非常可重复的，这给了你推动性能边缘的能力。”他指出，他们现在能够与传统的铣削方法竞争。“一台五轴计算机数控(CNC)机器的成本是你在这里看到的系统成本的三到四倍。”

Aquarese使用了专门为潮湿环境开发的湿润环境(HE)机器人。封闭的手臂结构是ip65等级，并加强了手臂抑制，以增加防水。防护等级为ip67的腕部具有耐腐蚀性和抗低压浸泡保护。工具法兰和关键部件由不锈钢制成，可在腐蚀性环境中保持不变。寿命也很重要，尤其是当机器人在恶劣环境中工作时。

专有的机器人编程语言为与计算机辅助设计(CAD)路径软件的兼容性进行了优化。根据Howes的说法，导入CAD模型并生成优化的刀具路径是一个简单的过程。喷水系统使用与系统捆绑在一起的软件套件进行编程。对于三维机器人水射流切割，提供了一个具有特定应用功能的模块。应用包括粗糙叶片和风扇叶片修剪。

节省材料

节省材料是机器人喷水机的主要优势。在一个应用中，这个过程涉及到用一根轻质合金粗加工出两个涡轮叶片。

Howes说:“对于一个段塞，在最终的加工和磨削之前，你会得到两个接近净形状的零件。“这是水射流的一个巨大优势，因为你使用的是3d嵌套，这是铣削无法做到的。唯一的另一种方法是使用线切割，但这非常昂贵。”

在切割金属板材时也可以使用普通的切割线。水射流的切割宽度从0.003- 0.015英寸不等。对于一个纯水射流和0.015- 0.070英寸。对于一个磨料水射流，允许复杂的细节。豪斯说，传统的加工方法无法有效地做到这一点，因为切口或切割宽度太宽。常用的切线、3-D嵌套和更大的边线都能显著节省材料。

机器人喷水机还可用于飞机发动机部件的剥离解决方案，包括用于维护、修理和大修(MRO)领域的助推器和燃烧器。他们还为航空航天或工业燃气轮机市场的熔模铸造铸造厂提供陶瓷外壳和核心去除系统。

Howes说:“我们还可以将核心去除系统与去除浇注的切割解决方案以及从锻造材料中去除闪光的系统集成在一起。”“所有这些都是机器人的应用。”

研究使能技术的机器人加工

机器人加工，无论是使用水射流还是更传统的手段，在刚性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。

位于亚特兰大佐治亚理工学院校园内的波音制造发展中心(BMDC)正在进行研究。BMDC专注于以非传统方式实现工业自动化，例如无垫加工。该中心位于19,000平方英尺的三角洲先进制造试点工厂(AMPF)。

根据佐治亚理工学院制造研究所副主任Shreyes Melkote和佐治亚理工学院先进制造系统机械工程教授Morris M. Bryan Jr.的说法，尽管该中心的剪彩仪式是在2017年6月举行的，但佐治亚理工学院与波音公司的合作关系已经进入了第十年。

“AMPF是一个专注于离散零件制造的转化研究机构，我们与行业合作，采用实验室开发的想法和技术，并将其转化或定制为可能对行业赞助商有用的应用，”梅尔科特说，他也是佐治亚理工学院机器人和智能机器研究所的附属成员，在那里他充当制造业与机器人和自动化领域之间的桥梁。

梅尔科特的研究重点是机器人铣削。他的目标是使用使能技术，使机器人能够产生更复杂的特征和表面，并以高精度完成。

Melkote说:“缺乏硬度和精度是仍然需要克服的限制。”“在过去的四五年里，我们一直在研究诸如传感、补偿和测量等技术，以解决关节臂机器人的刚度和局限性。”

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，以及过程中的力传感，以帮助解决在高强度应用中使用机器人时的精度问题。其中一些发现已发表在期刊上。

在论文“提高机器人铣削加工精度的无线力传感和基于模型的方法”中，Melkote和乔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，以提高机器人铣削的精度，同时保持其灵活性。利用高载荷关节机器人和无线聚偏氟乙烯(PVDF)传感器系统进行了铣削实验。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。

梅尔科特说:“机器人加工可以为航空航天部件的装配提供更低成本、更灵活、更通用的技术。”“我们正在探索如何使用其他技术，如计量，来弥补这些限制，并达到航空航天业所需的公差要求。”佐治亚理工学院开发的几项技术已经转化为波音公司的生产技术，包括先进商用飞机的新设计方法、787飞机的流量控制、F/A-18、F-15和C-17部件的材料处理、孔沉的视觉系统以及装配的自主机器人。

其他研究包括通过人类示范教机器人完成任务，以及探索将机器人用作灵活的固定设备。随着先进制造业的发展，机器人辅助制造将继续成为研究人员关注的焦点。

Tanya M. Anandan是《纽约时报》的特约编辑机器人工业协会(RIA)和机器人在线。RIA是一个非营利性行业协会，致力于通过机器人技术和相关自动化提高北美制造业和服务业的区域、国家和全球竞争力。本文最初发表于俄新社网站。RIA是推进自动化协会(A3)的一部分，该协会是CFE Media内容合作伙伴。克里斯·瓦夫拉编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com。

更多的答案

www.globalelove.com关键词:机器人;航空航天

关键概念

• 机器人水射流加工是一种无机械应力和零件完整性不受损害的冷切割工艺。
• 机器人的排水也可用于飞机发动机部件的剥离解决方案，用于维护，修理和大修(MRO)部门。
• 研究人员正在寻找使机器人能够以高精度生产更复杂的特征和表面的技术成为可能。

考虑一下这个

还有其他应用吗?将受益于机器人水射流加工?

在线额外

看a的视频机器人水射流系统粗切钛圆盘。

请参阅下面链接的RIA的相关文章。

原创内容可在www.robotics.org。

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?您应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得您和您的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。