Accubot是一种先进的无损检测（NDT）技术，利用机器人技术、智能软件和工艺优化的最新发展，为复合材料结构提供高测量自由度。
碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料等高度工程化材料因其卓越的强度重量比、热稳定性和耐用性而在航空航天应用中备受青睐。由于需要产生更少排放的节能轻型飞机，这里的复合材料使用量激增。与此同时，这些材料和工艺的进步使更复杂的结构能够更快地生产——快速固化树脂系统、短周期热塑性塑料、自动材料放置和成型系统正在增加，从而实现无需紧固件或粘合的集成、独特的几何结构。复合材料4.0系统也已经成熟，促进了数字化、高速率制造过程中的数据交换。
确保航空航天应用复合材料结构的完整性需要细致的设计、制造和彻底的检查，以检测在极端操作条件下可能传播的任何缺陷。因此，无损检测是一项重要技术，包括各种分析技术，以评估材料、部件或组件的性能，而不影响其可用性。
凭借AS9100、Nadcap、ISO14001和45001等认证，以及与印度斯坦航空有限公司（HAL，班加罗尔，印度）和印度空间研究组织（ISRO，班加罗尔）等全球航空航天原始设备制造商的合作伙伴关系，航空结构制造商Kineco Kaman Composites India（KKCI，果阿，印度）已在该行业建立了自己的资质，并正在其果阿工厂整合工业4.0技术。该倡议的一个重要部分是KKCI与机器工程公司Fill Gesellschaft（奥地利古尔滕）合作，开发一种用于自动无损检测的定制系统。
印度果阿的KKCI拥有AS9100、Nadcap、ISO14001和45001认证，并与全球主要航空航天原始设备制造商HAL和ISRO合作。其果阿工厂正在全面整合工业4.0技术。
在无损检测领域，与传统金属相比，使用复合材料制造的零件面临着一系列独特的挑战，这主要是由于它们的各向异性性质——例如，多层层压板中的多个纤维方向、层板的堆积和脱落、夹层结构中的各种核心材料等。KKCI在其航空航天应用中使用先进的复合材料，从2D层压板到多面3D结构。这些材料通常使用CFRP预浸料制成，并使用带有铝蜂窝的单片或夹层叠层方法进行设计，有时还使用Nomex芯。
该公司为印度区域导航卫星计划（IRNSS）生产了10个双螺旋天线，为LVM3-M2/oneWeb India生产了设备舱护罩组件，为ITSC生产了封闭板、ITSC、LOX和LH2线隧道和底板组件，为月船-3号任务LVM3-M4运载火箭生产了FSA外壳复合元件。最近，它为地球同步卫星运载火箭Mk III生产了轨道模块适配器（OMA- orbital module adapter）组件，这是印度空间研究组织载人航天任务Gaganyan的关键部件。
KKCI负责制造月船-3号任务LVM3-M4运载火箭的几个关键部件。其中包括设备间护罩组件、ITSC封闭板、ITSC、LOX和LH2导线通道和底板组件。此外，KKCI还制造了FSA套管复合元件。
这里提到的结构在发射和重返大气层期间暴露在恶劣条件下，如机械应变、大气化学腐蚀、高辐射水平以及高海拔和外层大气的极端温度。这些复合材料的制造过程要求从最初的生产阶段到最终交付的每一步都具有精度和准确性，以确保尽可能好的质量和性能。这些要求需要对传统无损检测方法进行专门的调整，如超声波检测、热成像和射线照相，以检测异物碎片（FOD-foreign object debris）、分层、纤维错位和基体开裂以及其他典型的复合材料缺陷。
使用直通传输（TTU-through transmission）或脉冲回波（PE-pulse echo）技术的超声检测（UT-Ultrasonic testing）是航空航天复合材料检测中最广泛的无损检测方法。这些采用通过部件的高频超声波，该部件通常被喷水以用作声波的耦合介质。TTU采用两个放置在被测材料相对两侧的换能器。其中一个换能器产生脉冲，另一个换能器接收脉冲。脉冲中断表明两个换能器之间的路径存在缺陷。PE使用一个或多个换能器来发射、脉冲和监测反射波或回波。与TTU一样，数据被捕获、记录和分析，以识别、定位和测量缺陷。
KKCI董事长兼董事总经理谢哈尔·萨德赛(Shekhar Sardesai)表示：“KKCI看到了对复合材料航空航天结构的日益增长的需求，以及对高精度制造和一致性的需求。”。“我们对工业4.0原则的战略关注，如自动化和智能集成，与我们长期以来对未来的准备立场一致。为了在航空航天、国防和航天领域追求我们感兴趣的项目类型，KKCI认识到提高和自动化我们的无损检测能力的重要性。”
KKCI在高性能复合材料方面拥有丰富的经验和专业知识，通过参与众多要求最高标准的太空项目而积累。这里，KKCI复合组件显示在IRNSS导航卫星上。
KKCI的运营经理斯瓦普尼勒·马内(Swapnil Mane)强调，拥有强大的无损检测能力至关重要，能够准确检测所有表面和地下差异。他说：“各种因素，如异物夹杂物、分层或孔隙率，都会导致内部差异的发展。”。“这些差异可能在极端条件下传播，可能会影响航空航天复合材料的要求规格。为了避免这种情况，KKCI需要改进其无损检测分析技术，以更准确地评估其复合材料组件和系统的性能。”
为了满足这些要求，KKCI与Fill合作，Fill是一家先进的自动化系统工程公司，为包括复合材料在内的各种行业设计和实施自动化系统。结果是DRS Accubot系统的定制版本用于自动无损检测。Fill航空航天制造系统项目工程和销售部门的托马斯·格兰伯格(Thomas Gramberger)解释道：“该行业的自动化无损检测技术需要精确和刚性的机器人控制运动学，以沿着零件复杂的弯曲边缘和表面引导相应的臂端工具(EOAT-end-of-arm tool )。”。“标准工业机器人的设计并不能满足这些要求，所以我们决定开发自己的产品Accubot。”
KKCI特别选择了喷水TTU Accubot系统。格兰伯格说：“Waterjet TTU是Fill 80%检测系统的基础。”。“这表明它在航空航天应用中的有效性。”Fill已经为吉凯恩航空公司（英国Redditch）位于德国慕尼黑的工厂开发了这样一个系统，这使其无损检测生产率和可靠性显著提高。
KKCI的Accubot系统配备了两个在线性轴上工作的铰接机器人。它长7米，宽2.5米，高4米，共有16个轴，包括两个独立的电动夹持伺服电机，用于驱动线性导轨。双机器人可以独立工作，也可以协同工作，提供广泛的操作范围。该检测系统专为水射流A扫描和C扫描检测而设计，由于其脉冲重复频率为4千赫，因此可以以2000毫米/秒的速度运行。
KKCI的Accubot系统配备了16个轴，由两个独立的电动夹紧伺服电机驱动，驱动线性导轨，长7米，宽2.5米，高4米，可以检查大型航空航天结构。
格兰伯格说：“Accubot利用机器人技术、智能软件和工艺优化的最新发展，为复合材料结构提供高度的测量自由度。”。该系统采用双六轴Stäubli（Pfäffikon，瑞士）TX200L机器人运动学，与西门子（德国慕尼黑）Sinumerik数控控制器集成用于其操作。此外，Fill在机器人的旋转轴上安装了二级旋转编码器，以确保始终如一的高精度——Accubot拥有<0.3毫米的绝对定位精度。
格兰伯格解释说，它通过使用二次编码器和基于高阶运动学建模的复杂补偿技术的组合来实现这一点，该技术计算控制器的实时插值周期。这种设置实现了实时位置补偿能力，通过使用激光跟踪器的额外校准系统进行固定。
每个机械臂的末端都安装了一个额外的伺服电机驱动的附件，完全集成到机器人的运动链中。这种“主动工具”有效地充当了一个更小、更灵活的手指，旨在促进在狭小空间中对小空腔、复杂几何零件和轮廓狭窄的角度进行全面扫描，而标准机器人很难在不发生碰撞的情况下到达这些空间，从而显著增加了系统的操作范围。此外，Accubot系统可以配置用于2D或3D检查技术。
这种“主动工具”的功能是作为一个更小、更灵活的手指，能够在标准机器人通常会碰撞的狭小空间中对具有复杂几何形状、窄角度和小空腔的复杂零件进行彻底扫描。因此，该系统的操作范围大大扩大。
Accubot的控制电子设备由Force Technology（丹麦Brøndby）提供。该设备包含八个基于该公司Force-P-Scan PSP-5软件的超声波通道。它为Accubot提供了执行双频检查的能力，使其能够在单次扫描中同时在1兆赫（分辨率高达120分贝）和5兆赫（分辨率达115分贝）下工作。这使得它在处理不同密度的材料时具有高度的通用性。
Fill Studio软件环境使用专门的路径规划算法管理自动扫描。它可以基于工业4.0中广泛使用的MQTT、OPC和UA标准与各种工厂级系统进行通信。该软件包括整个系统的数字孪生，支持在机器操作过程中对机器人进行离线编程，并提供增强现实界面。数字孪生通过在检查运行时执行循环时间分析和避免碰撞，确保最大限度地利用机器。
KKCI已选择将Accubot系统用于水射流TTU，这是一种通常用于检查航空航天复合材料的无损检测技术。
流程需要对Accubot系统进行培训，以识别工作单元内的零件。接下来是使用零件CAD文件进行离线编程（OLP-offline programming ）。接下来，将OLP程序加载到Fill Studio中，并在P-Scan中配置必要的UT参数设置，以生成零件检查的最终配方。此外，每个机器人都可以执行单独的、独立的任务，然后集成在一起，以协调一致地执行后续的TTU检查。Fill Studio自动协调每个机器人之间的资源，使一个机器人能够在另一个机器人完成任务后立即开始其自动协作作业。
TTU检查完成后，数据被转发到评估阶段，Fill的技术合作伙伴Testia（法国图卢兹）使用其NDTkit UT软件进行评估和报告。NDTkit UT完全符合空中客车公司的要求，并根据波音标准BAC 5980提供孔隙率评估、信噪比计算和阈值确定。
KKCI的Fill Accubot系统自2023年初安装以来，提高了公司的检测能力，并显著缩短了组件的整体生产周期。KKCI报告称，与以前的生产和评估方法相比，它有助于提高20%的生产效率。
KKCI为一个太空任务项目委员会进行了Accubot无损检测系统的试验。与印度空间研究组织合作，对Vikram Sarabhai航天中心（VSSC）Gaganyan项目的GSLV Mk III的OMA组件进行了测试。该系统用于验证直径为4米的锥形CFRP夹层结构，该结构与机械加工的金属环集成在一起，具有严格的公差。OMA组件在Mk III中起着至关重要的作用，充当船员逃生模块和设备舱护罩之间的适配器。
Mk III飞船包括几个部件，包括此处显示的OMA，它是连接机组人员逃生模块和设备舱护罩的最关键部件之一。
萨德赛说：“在实施Accubot之前，与我们对VSSC进行的检查类似的检查需要40多个小时，而使用Accubot，检查时间减少到大约7个小时。”。“这种效率的提高证明了该系统在简化航空航天复合材料检查方面的有效性。该系统不仅提高了时间效率和准确性，而且只需最少的人工干预。”
安装在KKCI的Accubot系统采用模块化设计，使KKCI能够在未来纳入额外的检查模式，如激光激发声学检查和热成像，而无需进行大量修改。根据萨德赛的说法，KKCI有一些重大项目正在筹备中，这些项目确实需要这种能力，从而进一步增强了投资该系统的价值。Accubot系统的效率提升符合KKCI的计划，即在不久的将来促进更多的一级和OEM复合结构制造，并实施ISO 45001。
格兰伯格总结道：“在复合材料航空航天结构的生产过程中集成Accubot C扫描和A扫描数据是提高零件质量、可追溯性、效率和数据驱动决策的有效措施。由于Accubot系统非常精确，可以适应各种检测类型，因此它现在是KKCI无损检测未来不可或缺的一部分。这意味着他们的程序在确保复合材料组件安全和完整性的同时，具有更高的准确性和适应性。”
注：原文见，《Automated robotic NDT enhances capabilities for composites 》2024.4.22
杨超凡 2024.4.23
经编译者授权发布
