模塊化的切割和鋪放系統(tǒng)增強(qiáng)了靈活性，實(shí)現(xiàn)復(fù)材部件的全自動(dòng)生產(chǎn)

將下一代的切割和鋪放系統(tǒng)集成到生產(chǎn)線中，使得復(fù)合材料的生產(chǎn)效率和質(zhì)量控制水平達(dá)到了新的高度。

將基于CAD的圖案設(shè)計(jì)與先進(jìn)的嵌套軟件結(jié)合起來(lái)，用于復(fù)合材料的數(shù)字化（計(jì)算機(jī)控制的）切割系統(tǒng)，不僅能使制造商減少材料浪費(fèi)和成本（即使是生產(chǎn)復(fù)雜形狀的部件），還可以將切割時(shí)間從人工操作所需的幾天縮短到幾分鐘，從而縮短了循環(huán)時(shí)間，提高了重復(fù)性和再現(xiàn)性。當(dāng)然，鑒于復(fù)合材料切割設(shè)備的成熟程度，要想有重大創(chuàng)新也并不常見(jiàn)。

雖然切割臺(tái)為提高效率帶來(lái)了實(shí)質(zhì)性的好處，但要將它集成到全自動(dòng)化的生產(chǎn)單元中卻是一大挑戰(zhàn)，重要的是，這個(gè)過(guò)程并不是以切出單個(gè)的層而結(jié)束：在將每個(gè)片層轉(zhuǎn)移到下一個(gè)工藝步驟之前，必須先對(duì)它們進(jìn)行收集、分類(lèi)、稱(chēng)重，再鋪放到疊層里，然后進(jìn)行預(yù)成型、模壓成型、灌注或熱壓罐固化。因此，看似簡(jiǎn)單的任務(wù)，如切割臺(tái)的自動(dòng)卸料，當(dāng)考慮到整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程時(shí)，可能很快就變得復(fù)雜起來(lái)。比如，如果嵌套效率不能與鋪層順序保持平衡，鋪層所需的第一片層可能被放到切割臺(tái)的盡頭以及切割結(jié)束時(shí)自動(dòng)化的操作設(shè)備不易接觸到的地方，當(dāng)涉及到高效率的生產(chǎn)工藝時(shí)，就需要額外的時(shí)間來(lái)解決這些低效率的問(wèn)題，這可能會(huì)有悖于為縮短循環(huán)時(shí)間以及為從生產(chǎn)運(yùn)行中獲取更大的效率而作出的嘗試。

為了有效地將數(shù)字化的切割系統(tǒng)集成到自動(dòng)化的部件生產(chǎn)單元中，所有相關(guān)設(shè)備，包括切割和鋪放（C&S）系統(tǒng)、機(jī)器人和壓機(jī)等，都必須快速準(zhǔn)確地交換數(shù)據(jù)，以管理時(shí)間并控制質(zhì)量。

為了努力解決好這些問(wèn)題，德國(guó)復(fù)合材料設(shè)備的OEM廠商Schmidt & Heinzmann GmbH & Co. KG（簡(jiǎn)稱(chēng)S&H）的工程師們對(duì)人機(jī)界面（HMIs）和設(shè)備的基本工作原理采取了不同的方法，于2015年開(kāi)發(fā)出S&H的AutoCut復(fù)合材料C&S系統(tǒng)，它擁有單一的切割和鋪放臺(tái)。2019年，這項(xiàng)技術(shù)得到了擴(kuò)展，允許客戶(hù)整合多個(gè)切割臺(tái)，以便能同時(shí)處理多種類(lèi)型的材料，因而變得更加模塊化，并由此提高了自動(dòng)化單元的加工靈活性。

不同的方法

因?yàn)槭亲鳛樽詣?dòng)化生產(chǎn)線的一個(gè)組成部分而不是作為一個(gè)孤立的單元來(lái)運(yùn)行，因此S&H的AutoCut C&S 系統(tǒng)是依據(jù)準(zhǔn)時(shí)制造（JIT）原則而設(shè)計(jì)的，它與工業(yè)機(jī)器人協(xié)同工作。機(jī)器的編程算法會(huì)考慮最終產(chǎn)品的特征，而不只是所要切割的單個(gè)片層的總和。因此，操作員可按鋪層順序、每層所用的材料類(lèi)型、針對(duì)整個(gè)疊層的準(zhǔn)確目標(biāo)位置以及每層與其他層的相對(duì)位置來(lái)指定最終產(chǎn)品或疊層，這樣，優(yōu)先關(guān)注的是何時(shí)需要一個(gè)層，而非嵌套效率?；阡亴虞斎?，軟件收集所有同類(lèi)材料的層，并將這些信息輸入到一個(gè)高級(jí)嵌套算法中，將所有這些結(jié)合起來(lái)，計(jì)算出最高效的切割工作——同時(shí)將定義好的鋪層順序和機(jī)器人相對(duì)于層的“可達(dá)性”作為邊界條件。

新系列的復(fù)合材料切割和鋪放單元是作為復(fù)合材料部件自動(dòng)化生產(chǎn)線的一個(gè)組成部分而非孤立的單元進(jìn)行運(yùn)行的，從而將加工商的生產(chǎn)效率、質(zhì)量控制和人機(jī)工程學(xué)提高到了新的水平。該系統(tǒng)適用于廣泛的復(fù)合材料，包括模壓成型的SMC、濕法模壓的碳纖維、RTM的干織物預(yù)成型以及用于熱壓罐和非熱壓罐工藝的預(yù)浸料等（圖片來(lái)自Schmidt & Heinzmann GmbH & Co. KG）

實(shí)際上，一旦用戶(hù)輸入所有必要的數(shù)據(jù)，包括鋪層、材料及順序，該系統(tǒng)的可編程邏輯控制器（PLC）就將切割工作分配給生產(chǎn)單元內(nèi)的AutoCut機(jī)器。一旦鋪層序列開(kāi)始，所需的第一層被切下，切割即停頓，以便機(jī)器人獲取這一層。機(jī)器人本身已經(jīng)知道將這一層鋪放到鋪層臺(tái)上的位置和方向，它還能自動(dòng)生成一個(gè)自定義的移動(dòng)路徑，該路徑考慮到了單元內(nèi)的障礙物和幾何約束以及鋪層中的目標(biāo)位置。據(jù)說(shuō)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的疊層精度＜±1mm。一旦機(jī)器人取回這一層，即可清理切割機(jī)，系統(tǒng)就會(huì)恢復(fù)切割。這樣，每隔15秒就能切割一層,速度快到足以為一臺(tái)搭載雙型腔模具的壓機(jī)供料，成型周期2min，就像片狀模塑成型（SMC）一樣，從而可以確保在切割過(guò)程中獲得的效率不會(huì)因卸料和鋪層效率低下而即刻喪失掉。

面重補(bǔ)償

由于生產(chǎn)單元中產(chǎn)生的所有信息都是共享的,所以系統(tǒng)內(nèi)置的一個(gè)功能對(duì)許多復(fù)合材料都是有用的，但對(duì)SMC而言，關(guān)鍵是面重補(bǔ)償。如有必要，切割每層后立即稱(chēng)重，并利用該信息來(lái)調(diào)整下一層的切割尺寸，以便在放入壓機(jī)之前，最大程度地減少最終的上料在總重量上出現(xiàn)差異。

“切割SMC時(shí)，能夠在運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)面重的不同進(jìn)行調(diào)整，這非常重要，因?yàn)镾MC的配制過(guò)程會(huì)引起同一批次的材料的自然面重出現(xiàn)3%～8%的變化。”S&H的技術(shù)中心負(fù)責(zé)人Lukas Lipowsky說(shuō)道，“如果你采用固定的圖案、從具有固有面重差異的材料上切割層并用其來(lái)制造部件，這些差異就會(huì)疊加起來(lái)，導(dǎo)致不可接受的部件差異，這就是為什么通常是使用精確的重量而不是固定模式的切割將SMC套料裝入壓機(jī)，這樣才能保證成品部件擁有一致的性能。”作為該系統(tǒng)面重補(bǔ)償?shù)囊徊糠郑梢詾殇伔排_(tái)選配一個(gè)天平，以便在鋪層過(guò)程中對(duì)每一層進(jìn)行稱(chēng)重并進(jìn)行分析，從而為PLC系統(tǒng)提供必要的輸入數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整切割模式，以實(shí)現(xiàn)固定的套料重量，盡管SMC的自然面重有所差異。

為了實(shí)現(xiàn)SMC的切割和鋪放自動(dòng)化，S&H將其構(gòu)建SMC配混生產(chǎn)線的經(jīng)驗(yàn)與高級(jí)預(yù)測(cè)算法結(jié)合起來(lái)，應(yīng)用于從每個(gè)SMC C&S單元中實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)。

其他特征包括連續(xù)的材料跟蹤、恒定的材料位置傳感器（用以自動(dòng)修正切割臺(tái)上的材料邊緣位置，減少浪費(fèi)）、快速連接的可互換刀具、主動(dòng)刀片磨損監(jiān)測(cè)以及帶有針式真空模塊的靈活的夾持系統(tǒng)。這有助于材料間的快速切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種材料的切割、移動(dòng)和鋪放。每個(gè)切割單元都被設(shè)計(jì)為用來(lái)切割一種材料，這確保了穩(wěn)定、持續(xù)的生產(chǎn)及設(shè)備的高使用率。

為該切割單元設(shè)計(jì)了許多功能，包括連續(xù)的材料跟蹤、放卷滑差補(bǔ)償、可互換的切割頭、材料流動(dòng)計(jì)數(shù)、材料位置感應(yīng)、主動(dòng)刀片磨損測(cè)量、自動(dòng)工作臺(tái)校準(zhǔn)、自適應(yīng)嵌套算法和主動(dòng)皮帶導(dǎo)向控制（圖片來(lái)自Schmidt & Heinzmann GmbH & Co. KG）

該系統(tǒng)配有可互換的切割頭——從超聲波硬質(zhì)合金刀片（每秒振動(dòng)30000次，無(wú)需清潔，幾乎無(wú)噪聲）到非動(dòng)力的輪式刀片和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)多邊形刀片（用于切割干織物），因而可以切割多種材料。每個(gè)刀片都能實(shí)現(xiàn)快速連接。其他有助于定位材料、切割機(jī)和機(jī)器人的特征是機(jī)器人和工作臺(tái)校準(zhǔn)銷(xiāo)。該單元還具有主動(dòng)刀片磨損測(cè)量功能，可確保每次都有干凈利落的切口（圖片來(lái)自Schmidt & Heinzmann GmbH & Co. KG）

此外，不管有多少S&H C&S 單元在特定的設(shè)施中運(yùn)行，中央控制單元都具有上級(jí)控制，它充當(dāng)所有生成數(shù)據(jù)的中央儲(chǔ)存庫(kù)，同時(shí)直接管理每臺(tái)切割機(jī)，并為該切割機(jī)排料，以確保高效率?？刂葡到y(tǒng)不僅可以遠(yuǎn)程收集所有單元的關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括循環(huán)時(shí)間、材料批次以及每一層的尺寸和重量，還可以追蹤錯(cuò)誤信息。同樣重要的是，標(biāo)準(zhǔn)的AutoCut系統(tǒng)包括一個(gè)切割單元、鋪放臺(tái)、帶有夾持器的機(jī)器人和軟件。

實(shí)際應(yīng)用

AutoCut的模塊化設(shè)計(jì)使其適用于各種生產(chǎn)工藝，從SMC的模壓成型到用于濕法模壓和樹(shù)脂傳遞模塑成型的預(yù)成型，以及預(yù)浸料成型，因而節(jié)省了大量的開(kāi)發(fā)和工程成本，提高了生產(chǎn)單元的可持續(xù)性，使其易于適應(yīng)未來(lái)的項(xiàng)目。

“我們對(duì)系統(tǒng)軟件的整體方法意味著操作員不需要具有專(zhuān)業(yè)知識(shí)即可使用設(shè)備?！盨&H的工藝工程總監(jiān)David Bücheler解釋道，“自動(dòng)生成的機(jī)器人路徑和位置以及嵌套算法使材料利用率最大化，同時(shí)保證了計(jì)算出的解決方案能夠真正生成。更重要的是，在給定的時(shí)間內(nèi), 相比壓機(jī)的人工上、下料，該自動(dòng)化系統(tǒng)能多生產(chǎn)出20%的部件?！蹦壳斑\(yùn)行之中的30套 AutoCut單元每年能夠生產(chǎn)出750萬(wàn)個(gè)復(fù)合材料部件，生產(chǎn)的產(chǎn)品包括家居用品以及汽車(chē)和飛機(jī)部件。

為了準(zhǔn)確地拾取、移送和鋪放不同類(lèi)型的鋪層材料，該機(jī)器人配備了由針式真空夾具組成的靈活系統(tǒng)并具備材料探測(cè)能力。在線尺寸調(diào)整功能可以作為一個(gè)選配，允許一個(gè)單一的夾持器動(dòng)態(tài)適應(yīng)更多的層尺寸以及處理更多數(shù)量的層（圖片來(lái)自Schmidt & Heinzmann GmbH & Co. KG）

帝人汽車(chē)技術(shù)公司是對(duì)AutoCut 系統(tǒng)進(jìn)行大手筆投資的一個(gè)加工商，是北美汽車(chē)和商用車(chē)市場(chǎng)中提供熱固性和熱塑性復(fù)合材料部件的一級(jí)供應(yīng)商，2021年，該公司在其位于美國(guó)的3個(gè)工廠中安裝了10 套AutoCut系統(tǒng)：在俄亥俄州Carey的工廠安裝了4套，在俄亥俄州North Baltimore和印第安納州亨廷頓的工廠各安裝了3套，另有6套是2022年的訂單。

“我們共有8套AutoCut單元，都被用于切割和鋪放我們自己配混的SMC材料。”帝人汽車(chē)技術(shù)公司Carey工廠的工程經(jīng)理Adam Maes解釋道，“這種SMC被用于成型A級(jí)表面的汽車(chē)內(nèi)、外飾面板，設(shè)備所能提供的最大SMC套料約重16kg，成品部件尺寸大約是0.9m×1.5m。無(wú)論何時(shí)，都會(huì)有2～3層套料在被送往壓機(jī)的過(guò)程中?！?/p>

當(dāng)被問(wèn)及帝人汽車(chē)技術(shù)公司為什么要作出如此大的投資以及獲得了哪些益處時(shí)，Maes說(shuō)：“人工成型過(guò)程對(duì)我們的員工來(lái)說(shuō)是很高的要求，所以為我們的操作團(tuán)隊(duì)提供一個(gè)安全、符合人體工程學(xué)的系統(tǒng)是添加這項(xiàng)技術(shù)的主要驅(qū)動(dòng)力，這也是我們推進(jìn)自動(dòng)化戰(zhàn)略計(jì)劃的一部分。由于送入模具的材料在重量和定位上擁有更好的一致性，我們已經(jīng)從中額外獲得了質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)，進(jìn)而提高了壓機(jī)的產(chǎn)出率并降低了廢品率。我們尤其喜歡直觀的HMI顯示、超聲波切割頭、考慮到材料差異性的靈活的重量補(bǔ)償算法以及用于定位切割路徑的邊緣檢測(cè)傳感器。”

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