Традиционно, сборка самолета является трудоемким, ручным процессом. Но технологии, основанные на использовании роботизированных систем, постепенно становятся ключевым звеном производства военных и коммерческих самолетов, по мере того, как авиапромышленность внедряет новые материалы и решения направленные на увеличение эргономичности изделий и снижения количества ручного труда
Перевод статьи “High Flying Robots”, Austin Weber, размещена в журнале Assembly
Перевод: Проценко Игорь http://www.nlrob.ru/.
В течение последующих трех лет потребности в роботизированных технологических решениях будут постоянно расти, в связи с тем, что уровень точности, достигнутый ведущими производителями промышленных роботов достиг уровня соответствия требованиям, предъявляемым в самолетостроении.
Производители самолетов и поставщики отдельных узлов заинтересованы в инвестициях в автоматизацию для повышения гибкости производства и снижения затрат. Для того чтобы претворять в жизнь эти идеи, используются шестиосевые роботы для производства планеров, двигателей, шасси, элементов фюзеляжа, крыльев и других сборочных узлов.
Роботы идеальны для таких повторяемых сборочных операций, как сверление, клепка, выкладка композитных материалов и сварка. Так же при помощи роботов самолетостроители автоматизируют процессы подготовки поверхностей, фасонного фрезерования, окраски, нанесения покрытий и неразрушающего контроля.
В компании Spirit AeroSystems Inc. (США, Wichita, KS) – лидирующем поставщике корпусов фюзеляжа для Boeing, роботы используются в некоторых процессах, где предварительно применялся ручной труд. «Роботизированные приспособления применяются там, где предварительно считалось необходимым закупать многомиллионное оборудование или дополнительный инструмент и дорогие специализированные ручные приспособления» - говорит Куртис Ричардсон, помощник технического руководителя по сборке и технологии автоматизации.
Spirit AeroSystems применяет роботов в нескольких производственных линиях, включая изготовление фюзеляжа Boeing 787, пилонов и конструктивных элементов крыльев, фюзеляжа Boeing 737 и компонент реверса тяги, салона и кабины Sikorsky CH-53K и фюзеляжа Cessna Columbus.
«Мы активно изучали возможность использования роботов для большого количества других применений, включая крепления, автоматическое нанесение волокон, фрикционную сварку, нанесение уплотнений и сборку» - добавляет Ричардсон. «Мы видим огромные возможности для улучшения производства с помощью робототехники, хотя и понимаем, что остается колоссальное количество сложных операций, где необходимо человеческое участие».
Большая часть окончательной сборки для конструктивных элементов воздушного судна делается вручную с помощью стапелей и кондукторов, из-за требований мобильности а так же из-за того, что рабочее пространство крайне ограниченно, а количество технологических операций велико. «Процесс сборки во многих случаях должен быть достаточно мобильным, чтобы охватывать в рабочей зоне размер большого коммерческого воздушного судна и в то же время достаточно небольшим и высокотехнологичным чтобы иметь возможность доступа даже в крылья небольших гражданских самолетов » - говорит Раш ЛяСелль, генеральный менеджер по восточным рынкам компании FANUC Robotics America Inc. (США, Rochester Hills, MI).
Большинство самолетов, которые производятся сегодня, были сконструированы более, чем 10 лет назад. Большое количество устаревших технологических решений является одной из основных причин, почему роботы не применяются повсеместно в авиастроительной отрасли так же активно, как в других сегментах рынка, к примеру автомобилестроении или производстве ТНП.
"Авиастроительная отрасль невероятно консервативна и все программы довольно долгие по своей продолжительности», - говорит О’Брайен, специалист комплексных проектов в Comau Inc. (США, Southfield, MI). «Технология, которая использовалась для производства старых изделий имеет тенденцию предлагаться в качестве технологии для новых изделий, так как производитель уже подготовлен к ее использованию, может хорошо рассчитать производительность и затраты на ее использование.
Когда разрабатывается самолет, процессы сборки создаются и одобряются одновременно. Производители в области авиастроения уже вложили миллиарды долларов в устаревшие стапели, кондукторы, оснастку и огромные монументальные производственные системы. Большое количество денег, вложенных в устаревшую оснастку и процессы, не позволяют им двигаться к автоматизации.
«Когда все процессы установлены и работают, производители идут на замену с большой неохотой из-за дополнительных затрат и времени, необходимого для внедрения нового технологического процесса», - объясняет Дейв Масиник, персональный менеджер в области авиастроения KUKA Robotics Corp. (США, Clinton Township, MI). «Однако, производители рассматривают более автоматизированную сборку для новых разрабатываемых самолетов».
«Роботы используются в авиастроении больше, чем обычно принято считать» - добавляет ЛяСелль. Для примера, компания KUKA ROBOTICS установила более 200 роботов, работающих в авиационной отрасли.
В последние годы большинство производителей самолетов отдают для производства по субподряду изготовление планеров, салонов, кабин и хвостовой части, таким поставщикам, как Aerolia (Франция, Toulouse), Alenia Aeronautica (Италия, Rome), Premium erotec Gmbh (Германия, Ausburg), Spirit AeroSystems и Vought Aircraft Industries Inc. (США, Irving, TX). «Компании изготовляют подсистемы все больше и больше внедряя роботизированные технологии», - говорит ЛяСелль.
Эти производители видят роботов как технологическое решение, позволяющее снизить затраты на внедрение и производственные издержки. «Автоматизация увеличивает производительность, повторяемость и качество, но при этом объем производства должен быть достаточно высоким, чтобы оправдывать вложение», - говорит Мартин Виммер, глава проектно-конструкторского отдела Vought Aircraft. «Несмотря на новейшие улучшения в достижении пространственной точности, до сих пор необходимо думать о том, чтобы инвестиции были оправданными».
«Мы полагаем, что сейчас применение роботов жизнеспособно во многих процессах, но в каждом отдельном случае необходимо внимательно изучать вопрос для того, чтобы убедиться, что роботы – это хорошее вложение в части затрат, возможностей и гибкости» - говорит Ричардсон из Spirit AeroSystems «Роботы будут тем или иным образом внедрены во все процессы, в которых мы доказали эффективность их применения в последние годы».
За последний год, Spirit AeroSystems запустили две внутренние рабочие группы для адресного изучения возрастающего интереса к роботам. Первая группа изучает роботизированные системы со стороны проектно-конструкторских работ. «Наша цель - создать постоянно действующую информационную площадку, для обобщения усилий всех разработчиков, обеспечения доступа к текущей работе по проектам и сделать ее самым популярным ресурсом, посвященным робототехническим технологиям» - говорит Ричардсон. Это группа работает как внутренний технологический центр, который может выдавать рекомендации по технологическим процессам, связанным с роботами.
Вторая группа – это управляющий центр по роботизации. «Его миссия определять, выполнять и поддерживать стратегию разработки применения роботизированных систем и технологий, в которых они могут применены», указывает Ричардсон. Так же они следят за внедрением роботизированных систем внутри компании. Эта группа инженеров выдает рекомендации по производительности оборудования и возможности стандартизации.
Роботы начали рассматриваться производителями авиации по нескольким причинам. «Первой причиной была необходимость снижения ручного труда, повышения пропускной способности и улучшения качества», говорит О’’Брайен. «Также внедрение роботов снижает количество и стоимость сложного инструмента. Робот с системой автоматизированной коррекции, может корректировать некоторые отклонения. Робот не может делать плохие детали хорошими, но может сделать коррекцию заложенных заранее допусков, что невозможно сделать сложным инструментом.
В противовес портальным системам и другому большому и крупнотоннажному оборудованию для автоматизации, роботы могут быть быстро передислоцированы. «Традиционное оборудование очень дорогое, поэтому окупаемость временами просто невозможна», объясняет Валентин Колладо, глава механического инженерного департамента Fatronik-Tecnalia (Испания, San Sebastian).
Если производственная система монтирована к полу, требуется много времени и затрат, чтобы переместить оборудование через цех для новой производственной программы», указывает Колладо. Для решения своих задач, Колладо и его коллеги разработали трехосевую роботизированную систему сверления, которая теперь используется Airbus Espana (Испания, Madrid) для сборки лонжеронов.
«Портальные системы – это технологически те же роботы, но которые представляют старые технологии производства изделий, так они менее гибкие, более дорогие и требуют специальной установки», добавляет О’Брайен. «Сочлененный манипулятор робота является наиболее популярным выбором для снижения затрат и высокой гибкости. Но, в связи с большим количеством некоторых сборочных узлов самолета, они часто требуют дополнительных осей».
Для примера, роботы с дополнительной линейной осью, способны перемещать вверх и вниз большие части, такие как панели фюзеляжа и крылья. «Для работы с самолетом, мы должны иметь очень большой участок пола в качестве рабочей зоны», говорит ЛяСелле из FANUC. «Не существует робота, который может дотянуться до всех необходимых точек самолета, от носовой до хвостовой части. Мобильные системы – это путь которым мы должны следовать». В будущем ЛяСелле верит в возможность применения роботов с гусеничным ходом или на автоматизированных тележках для применения в сборочных операциях воздушного судна. (примечание НЛИ: безлюфтовые тележки, которые могут с высокой точностью позиционировать систему по горизонтали и вертикали, и двигаться без люфта в любой сторону из одной точки на данный момент уже успешно разработаны и применяются компанией, входящую в холдинг KUKA ROBOTICS).
По словам ЛяСелле, возможность установить одного или нескольких роботов на место индивидуально-спроектированного производственного оборудования, к примеру, портальной системы сверления, займет примерно одну четвертую от необходимого времени, затрачиваемого на установку портальной системы, что является значительным преимуществом. «Затраты для внедрения роботизированной технологии не такие высокие», говорит ЛяСелле, «По сути, все разработчики сейчас разрабатывают мобильные роботизированные решения, которые могут быть перемещены и развернуты в другом месте. Это дает существенную экономию при применении робота по сравнению с большим ЧПУ станком или портальной системой».
Компания Advanced Integration Technology Inc. (США, AIT, Plano, TX) производит традиционные стационарные системы сверления, позиционирующие системы и другое ключевое оборудование для широкого круга производителей и суб-подрядных организаций в авиации. Но сегодня компания внедряет новые решения с использованием промышленных роботов. «В следующем году мы будем внедрять новые роботизированные системы для операций сверления и клепки, потому что точность, и повторяемость достигли необходимого в самолетостроении уровня», говорит Эд Чалупа, президент компании.
Роботами также заинтересовались авиастроительные компании, которые хотят снизить эргономические риски, связанные с повторяемостью операций сверления и клепки. Это важно, так как, одно изделие, например входной патрубок воздухозаборника реактивного истребителя может требовать сверления тысячи отверстий.
Традиционно, части, такие как всасывающие патрубки или кессоны крыла требуют работы сборщиков, чтобы пробраться в ограниченное пространство. «Крылья, это внутренне закрытые коробки и на определенном этапе сборки коробка должна быть закрыта», говорит Рос Конки, производственный инженер OC Robotics (Англия, Bristol). «В процессе совершенствования конструкции, крылья становятся тоньше, поэтому коробки становятся меньше».
«Автоматическое закрытие коробки имеет потенциал исключить работу оператора который должен пробраться внутрь коробки», заявляет Конки, который работал вместе с Airbus над автоматизированной системой с использованием робота KUKA. «Ручной доступ не приветствуется и ведет к дополнительным проблемам, связанным со здоровьем нахождения человека в закрытом пространстве и требованиям к безопасности работ, а так же из-за опасности получения травм или повреждения композитных материалов. Также неповоротливость человека в закрытом пространстве при выполнении операции подразумевает, что процесс закрытия коробки очень медленный».
OC Robotics разработала змеевидный манипулятор, который позволяет сочлененному роботу пробираться в крыло для осуществления клепки, нанесения уплотнений, чистке и инспекции. Структура змеевидного робота состоит из большого количества позвонков, как спина человека.
«Эта рука приводится в движение тягами, которые приложены к различным точкам по всей длине манипулятора, по три в конце каждого сегмента», рассказывает Конки. «Изгиб и плоскость его расположения контролируются для каждого сегмента. Управляющее ПО вычисляет необходимую длину для каждой тяги чтобы придать манипулятору нужную форму.
OC Robotics также разрабатывает электрические штамповочные приспособления. «Они были разработаны для использования при штамповке болтов внутри кессонов крыльев, но также могут быть применены и для внешних задач по штамповке», говорит Конки. «Исторически, ручной инструмент, который используется в авиастроении, обычно пневматический. Электрический инструмент необходим, чтобы отойти от необходимости подводить воздух к инструменту».
Растущее применение композитов является другой причиной, почему в авиастроении необходимо применение роботов. Новые полностью композитные коммерческие самолеты, такие, как А350 и Boeing 787, создали необходимость массового производства компонентов с сложной формой и размерами. Это требует применения оборудования для автоматической выкладки которое позволяет производить большое количество разнообразных изделий в сериях с укладкой тонкой композитной лентой или слоев композита.
«Основная задача для технологии выкладки композитов в авиации – это снизить стоимость оборудования», замечает Клементина Галлет, управляющий директор Coriolis Composites S.A.S. (Франция, Lorient), фирмы, которая поставляет роботов в Airbus и другим производителям. «Сегодня, станки, поставляемые производителями, достаточно тяжеловесные и очень дороги. Станки настолько большие, что Вы не сможете использовать их для производства изделий для вертолетов, бизнес-самолетов или региональных самолетов. Роботы добавляют гибкость в конфигурацию оборудования и позволяют работать с различными формами».
«С последними тенденциями в конструкции и использованием более экзотических материалов, инженеры в авиастроении смотрят и изучают новые альтернативные технологии производства», говорит ЛяСелле. «Это заключается в возрастающем количестве установленных систем и сделанных тестов с использованием промышленных роботов. Усиливающееся широкое применение композитов для облегчения корпусных компонентов и структур порождают новые процессы (такие, как выкладка волокон и сверление), где роботы начинают играть более важную роль».
«Рынок заставляет осваивать новые конструктивные материалы, а современная концепция дизайна создает возможности для производителей планера изменить свои представления о производстве самолетов», добавляет ЛяСелле. «Это в конечном итоге, дает новые возможности для специалистов в области интеграции роботов, которые отвечают на вызов создания авиационных технологий нового поколения».
Десятилетия автомобильная промышленность брала идеи из авиастроения, такие как аэродинамический стиль, управление и методы облегчения веса конструкции. Но, когда дело коснулось роботов, производители самолетов ищут вдохновения у Детройта.
Конечно, производство самолета полностью отличается от массового производства автомобилей. Производители самолетов сталкиваются с уникальными проблемами, неизвестными в автомобильной отрасли, такие как малый объем производства, экзотические материалы и большое количество компонентов со сложной формой. В связи большими габаритами конструкций участвующих в производстве, достаточно сложно достигнуть полной взаимозаменяемости деталей.
«Автомобилестроительная отрасль успешно заложила автоматическую сборку на этапе проектирования автомобилей так, чтобы они могли быть собраны с использованием роботов», говорит Конки. «Но в авиастроении вес и аэродинамика играют более важную роль, чем удобство сборки. Сборка в авиастроении это традиционно ручной процесс, потому что задачи требуют высокой квалификации и сноровки. Люди постоянно принимают решения в течение хода сборки и применяют к текущей ситуации.
Высокие объемы производства в автомобилестроении позволяют инженерам посвящать роботу отдельную технологическую задачу и в каких-то случаях производство отдельного компонента. Авиастроители сталкиваются с многообразием компонентов и с жесткими требованиями по точности. Многообразие компонентов потребует и высокого объема оффлайнового программирования роботов.
«Объем автомобильного производства примерно от 50 до 60 единиц в час», указывает О’Брайен из Comau. «Для контраста большой объем производства для авиастроения – это один самолет в день при работе в несколько смен. Это делает сложным создание эффективной задачи для робота на такой период времени, так как операция будет прерываться для выполнения нескольких задач, которые могут быть выполнены только в ручную, и в этот период времени работ будет простаивать. Это дает потенциал для «совместной» работы человека и робота, которая должна быть абсолютно безопасна. Такая безопасность потребует дополнительной площади, которая раньше использовалась для устаревших процессов сборки».
Возникает огромная разница, когда дело доходит до объема выпуска деталей. «В автомобильной промышленности объем производства субподрядчиков доходит до миллионов единиц каждого изделия, в то время, когда объем авиастроительного производства деталей– от 100 до 5000 изделий в год», замечает Патрик Лафтер, региональный инженер по продажам DENSO Robotics (США, Long Beach, CA). «Стоимость отдельного изделия для самолета типично гораздо более высокая и контроль гораздо строже, чем для автомобильных компонентов. Производство детали самолета может занять от одного до восьми часов по сравнению с 5 секундами для автомобильных компонентов».
«Размер судна и его сложность также являются детерминирующим фактором», говорит Майк Буюпр, менеджер по технологиям KUKA Robotics. «Типично площадь работы для робота в авиации должна быть несравнимо выше, чем для автомобилестроения. Это может быть достигнуто через использование устройств линейного перемещения, портальных структур или даже мобильных тележек, которые могут перемещать робота для обработки зоны больших размеров».
«Роботы обеспечивают повторяемость, но недостаточно точны», добавляет О’Брайен из Comau. «Повышение точности путем применения специальных датчиков обратной связи и разработки нового программного обеспечения должно стать приоритетной задачей для производителей роботов и промышленных интеграторов. Этот процесс происходит в настоящее время».
