KUKA 机器人在 DLR 处理纤维复合材料部件

位于施塔德的 CFK Nord 已发展成为高度现代化的碳纤维增强塑料部件生产跨企业研究中心。德国航天航空中心 (DLR) 是其中一个用户。KUKA Industries 与 DLR 以研究为目的共同开发出了一种自动化生产设备。

最初的情况

德国航天航空中心 (DLR) 以开发高效的碳纤维增强塑料 (CFK) 部件生产技术为目标。在全新 45 米长的生产线上,CFK 部件(例如隔框)的生产实现完全自动化。迄今为止,制造 CFK 飞机部件仍然非常昂贵并且需要大量人力劳动。作为纯粹的研究机构,DLR 希望能为下一代飞机改变这种现状。

CFK 轻质高强,然而只有当整个工艺过程能够实现可重复性和稳定质量时,才能达到飞机制造商的高要求。这是因为与铝相比,例如当纤维方向没有最佳排列或水分通过切割边渗入复合材料时,CFK 的质量可能会参差不齐。另外,从材料外部看不到可能存在的机械损伤。因此,在制造过程中必须保证高精度。

任务

在试验设备上,以隔框形式生产接近最终轮廓的立体结构部件,这些隔框用于从飞机内部稳定机身。这里主要是指纺织预型件 (Preform) 的自动化生产、修整以及之后使用液体环氧树脂浸渍。在上游工序中,所需的不同纤维原料从辊上退绕并用切割机(从动圆刀片)进行预制。然后在使用前将坯件一直存放在存储系统的相应抽屉中。传感器技术在整个项目中是一个特殊的挑战,因为只有当位置和纤维角度都精确符合规定时,才能保证所需的产品质量。通过内置的电涡流传感器,可将纤维角度的变化过程可视化并进行评估。目前在该研究设备上制成的部件总共由多达 26 层碳纤维组成。
制成的部件总共由多达 26 层碳纤维组成。
该设备必须具有灵活性,因为这里涉及的是研究任务,而不是真正的批量生产。至关重要的一点是,无论是从系统概念还是从编程方面都要尽可能地自由。工具更换必须快速、简单,机器人的编程也应该直观化。经过短暂的学习后,学生应能在设备上实现新的任务/产品。这对于实际应用同样重要,因为一架中型客机具有大约 140 个隔框段,其中几乎没有两个是完全一样的。

解决方案

KUKA Industries 提供的自动化设备是一台 Pick & Drape(拾取与叠层)机器人,用于拾取二维下料并将其堆叠成所需的三维轮廓。为此,该机器人有一个始终只抓取一个下料的抓爪。中间存放架上的下料位置通过图像处理系统检测。堆叠成型后,Pick & Drape(拾取与叠层)机器人将预型件放置在压合工站的工具上。该铝质工具已经过轮廓铣削且固定在基座上,该基座具有一个用于连接压合工站滑动工作台的接口。压合工站由一个带移动式压机工作台的薄膜压机组成。通过红外线辐射加热预型件并熔化织物上的粉末粘结剂,以便稳定多层材料。 
采用红外线辐射熔化织物上的粉末粘结剂,以便稳定多层材料。
该成形工序结束后,被压合的预型件随后由流程衔接机器人转移到下游精修整工站的工具上。流程衔接机器人沿高处的线性轴移动,以便在车间内实现最大运动自由度。此类机器人用于连接各个工艺站。相应机器人根据部件 CAD 数据和 Hause Cenit 的轨迹编程软件 fastCURVE 进行离线轨迹编程。通过一个相应的接口,控制系统 Reis ROBOTstarV 可以实现一条非常精确的流动轨迹,因为该轨迹并不只是“成角度地”以点到点的方式进行示教。因此,已编程的轨迹也可以事后补上一定的移动距离。
相应机器人根据部件 CAD 数据和轨迹编程软件进行离线轨迹编程。通过一个相应的接口,控制系统 KRC ROBOTstar 可以实现一条非常精确的流动轨迹。因此,已编程的轨迹也可以事后补上一定的移动距离。通过选择最佳切割工具,可使用超声刀在不影响周围材料的前提下实现精准切割。

经过短短几次交谈后,我们便意识到 Obernburger 公司并不是第一次对这类大型部件的自动化进行规划。所有的项目主管均能够以高度模块化的方式观察预成型过程的各个方面,并根据标准组件提出一种有说服力的方案。

Sven Torstrick,DLR 轻质结构生产技术的项目主管
用于处理 CFK 部件的机械手技术

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