Применение роботов в аэрокосмической промышленности

Промышленные роботы-манипуляторы традиционно применяются в автомобилестроении. Этому способствуют высокие объемы производимых однотипных деталей, отсутствие необходимости в микронных точностях и широкие возможности применения – сварка, позиционирование и передача изделий, контроль и т.д.
Но в настоящее время роботы захватывают и новые рынки, одним из которых становится авиастроение. Промышленные роботы становятся все более точными, удобными и функциональными, что позволяет эффективно использовать оборудование и в новых задачах (рис. 1).

Рис. 1. Роботизированная ячейка в Aerolia, Франция

Традиционно, сборка самолета является сложным, масштабным и трудоемким процессом с использованием дорогого крупногабаритного оборудования, больших кондукторов, портальных систем и т.д.
Производители самолетов и поставщики авиакомпонентов и узлов на сегодняшний день все больше заинтересованы инвестировать в автоматизацию для увеличения гибкости и технологичности производства с сопутствующим снижением затрат.

Каждый процесс применения роботизации в авиации – это сложный технологический проект, результатом которого зачастую становится целый комплекс оборудования различных производителей и совершенно новые технологические и уникальные решения. В Европе, в целях повышения конкурентоспособности и создания технологических ноу-хау лидирующий технический институт в Германии Fraunhofer Institute в сотрудничестве с концернами AIRBUS Military, FACC, инжиниринговой компанией IDPSA и производителем промышленных роботов KUKA, изучает применение роботизации в промышленном секторе. Работы проводятся в рамках программы автоматизации, одобренной Еврокомиссией.

Роботизация исследуется и благодаря производственному росту в секторе. Растущий объем авиаперевозок заставляет производителей увеличивать объемы производства и, следовательно, критически оценивать трудозатратные техпроцессы и роль человеческого фактора в производстве.

Более того, во многих случаях, где ранее требовалось использование дорогого оборудования, роботизированные технологии могут служить более экономичной альтернативой без потери необходимой функциональности и технических требований.
Несмотря на растущий интерес, применение роботов носит ограниченный характер. Этому способствует и невероятная консервативность авиастроительной отрасли, как в России, так и за рубежом. Большинство самолетов сконструированы свыше 10 лет назад с устаревшими на сегодняшний день технологическими процессами. Их модернизация требует дополнительного одобрения разработчиков и сопровождается огромными бюрократическими препятствиями.
И если, к примеру, в автопроме применение роботов является общеобязательным условием для сохранения и повышения производственной программы и, зачастую, сборочные линии на разных автомобильных производствах практически идентичны по структуре, то авиастроение только начинает принимать автоматизацию, и многие предприятия вынуждены выступать пионерами, получая техническое решение, которого могло ранее и не существовать в производстве вообще. Зачастую предприятия делают огромные инвестиции в оборудование и технические процессы, которые не отвечают современному уровню развития производства. После таких шагов новые вложения, даже в высокотехнологичные решения, бывают невозможны.

Вместе с тем, роботы работают в авиастроении больше, чем это принято считать. Для примера, компания KUKA поставила свыше 200 роботов для применения в авиационной и космической промышленности.

Сверление и клепка
Одной из самых значимых технологий в авиации для применения роботов стало сверление отверстий. Уходя от ручных операций с применением соответствующих кондукторов, авиастроение внедряет роботизированные системы, позволяющие осуществлять точное позиционирование для выполнения сверления с применением дополнительных систем машинного зрения или дополнительного контроля.

К примеру, фюзеляж требует сверления тысяч отверстий и выполнение их вручную – огромный трудозатратный процесс. Переход на автоматизацию в этом случае будет абсолютно безболезненным и высокоэффективным – ведь
в отличие от иных технологий, например, прожига или прокалывания отверстий, требования к операции, инструменту и изделию останутся неизменными.

Переход на автоматизированное сверление – это уход от затрат на необходимые кондуктора, квалифицированный персонал и огромные временные затраты. Специалисты SpiritAerosystems – одного из основных поставщиков концерна Boeing считают, что роботы в сверлении – это средняя степень между ручным трудом и полной автоматизацией, позволяющая обеспечить постоянную повторяемость позиционирования и режимов с одинаково высоким качеством, сократить расходы на инструмент и время операций.

Рис. 2. Позиционирование роботами для сверления отверстий, AIRBUS.

Концерн AIRBUS с большим вниманием изучает возможности перехода на автоматическое сверление (рис. 2). Компания ежегодно сверлит около 50 миллионов отверстий и половина из них выполняется вручную. Одна из основных задач отдела автоматизации и роботизации Airbus UK – это снижение ручного производства в существующих и в будущих программах. Одними из первых роботизированных систем в AIRBUS UK стали решения компании KUKA с использованием дополнительных измерительных систем M3 и офлайн программирования от Delmia для элементов крыла. В AIRBUS Espana (Испания) используется мобильная 3-х осевая роботизированная система для сверления собственной разработки.

Lockheed Martin использует автоматизированные технологии уже свыше 30 лет, преимущественно для сверления отверстий под клепку. Там, где вручную требуется выполнить несколько операций (сверление отверстия, сверление требуемого диаметра, развертывание…) робот делает за один проход.

Говоря о высоко автоматизированных авиационных программах, истребитель F-35 построен с использованием нескольких субподрядчиков Lockheed Martin, включая роботизированные системы для сверления для изготовления центрального фюзеляжа с привлечением компаний-участников Kuka Systems, Comau Aerospace, Dassault Systems и Fanuc Robotics. Концепция цифрового производства с использованием современных программных и метрологических технологий обеспечивает автоматическую точную вставку примерно 30 тысяч заклепок в центральный фюзеляж F-35.

Рис. 3. Сверлильный робот MTorres

Испанский концерн MTorres разработал свое оборудование – это маленький робот FDH (Flexible Drilling Head), который перемещается по фюзеляжу. Он устанавливается по месту с помощью вакуумных присосок, осуществляет сверление и клепку до дальнейшего движения со скоростью 3,5 мм/мин. до следующего положения (рис. 3). Этот 5-осевой робот, который весит около 100 кг, используется в программе AIRBUS А380 для сверления около 8500 отверстий секции 19 фюзеляжа.

С помощью адаптированного управления роботом Nikon Metrology в AIRBUS реализована автоматическая ячейка сверления носа самолета в проекте A340. Ячейка создана при участии компаний Gemcor, KUKA и Delmia. Она использует двух синхронизированных роботов, которые позиционируют изделие по отношению к сверлильной станции Gemcor. С помощью измерительного оборудования Nikon осуществляется контроль позиционирования к сверлу и передачи автоматической коррекции роботам до сверления, если позиционирование было осуществлено неправильно. При внедрении удалось сократить время процесса больше чем в половину с заменой 19 квалифицированных рабочих и при отсутствии какого-либо брака (неправильно высверленного отверстия) после трех лет эксплуатации.

Национальное исследовательское консульство Канады разрабатывает решения для авиастроителей Канады.  Для Bombardier Aerospace была разработана интегрированная система машинного зрения для автоматизированного сверления и последующего контроля панелей. Другой проект заключался в позиционировании изделий для последующей клепки.

Авиационная инжиниринговая и производственная компания Electroimpact (США) реализовывала проекты автоматизированного сверления в программах концерна Boeing F18, 737, 787. На март 2008 по материалам компании в одном проекте 787 использовалось 12 роботизированных систем исключительно для сверления.
 

Нанесение композитных материалов
В настоящее время внимание технологов-авиастроителей сосредоточено на применении роботов в изготовлении композитных изделий самолетов. Это является следствием современных тенденций перехода на композитные материалы для производства несущих конструкций самолета, таких как крылья, фюзеляжи и поперечные балки. Если ранее композиты составляли примерно 15% от структурной массы внешней обшивки самолета, то в новых поколениях воздушных лайнеров эта доля увеличилась до 50%.

Концерн NASA занимается исследованиями в области применения композитных материалов с 80-х годов прошлого века. Он  использует собственные разработки, в том числе, включая и автоматическую укладку с помощью роботов, в производстве самолетов Boeing и некоторых моделей военной авиации. Отдельные исследовательские лаборатории по применению роботов в авиации и космосе работают и в составе известных технических институтов мира.

Рис. 4. Роботизированная ячейка выкладки композитов Fokker Aerostructures (Нидерланды).

Особое внимание следует уделить экономическим составляющим – изучение возможностей роботизации в Fokker Aerostructures (Нидерланды) (работают по программам A380, Falcon, F35, NH90 и т.д.) базировалось на цене – грубо 100 тыс. долларов за промышленного робота против одного миллиона за большие стационарные машины ATL/AFP (рис. 4). Вместо применения газовых или лазерных систем нагрева, Fokker остановил внимание на более дешевой ультразвуковой сварке. Для управления используется ПО Vericut, CGTech, которое переводит данные из CATIA в данные для робота. Система предполагает возможность масштабирования – для малых объемов, например, закрылок бизнес-джетов 80х300 см достаточно ячейки с одним роботом, а возрастающие объемы будут приводить к закупке новых роботов. Большие узлы, как хвостовые детали самолетов или панели фюзеляжа, могут изготавливаться с помощью нескольких синхронизированных роботов, где каждый ответственен за свой участок.
Одной из первых компаний в Великобритании, использующей роботизированную систему для автоматической укладки композитов от Британского национального центра композитных материалов (NCC), стал концерн GKN Aerospace. Программа является частью программы Великобритании по разработке композитного крыла следующего поколения, спонсируемой Технологическим стратегическим комитетом Правительства.  Помимо GKN и AIRBUS в программе принимают участие компании Umeco, GE Aerospace, Bombardier и QinetiQ.

Рис. 5. Роботизированный комплекс для выкладки композитов Coriolis Composites.

Во Франции специализированная компания Coriolis Composites использует роботов для своих ячеек, разрабатывая специализированное оборудование с привлечением производителя KUKA (рис. 5). Системы используются в проекте обшивки фюзеляжа A30X (новое поколение A320), проектах концерна EADS, частей фюзеляжа самолетов CSiries Bombardier и т.д.

Рис. 6. Окраска элемента крыла Boeing 777

Рис. 7. Полная роботизированная окраска самолета F35
 

Помимо конкретных процессов обработки, роботы часто используются во вспомогательных работах, к примеру, при покраске. Кроме того, роботы могут смывать, наносить жидкость для удаления грязи, чистить и наносить краску, включая возможность доступа в сложные места для окраски против коррозии (рис. 6, 7).

Так, на заводе в Boeing, Everett по сборке, два роботизированных комплекса обрабатывают трехметровую панель крыла самолета 777. Вручную процесс занимал 4,5 часа с нанесением первого покрытия. Роботы делают все за 24 минуты с превосходным качеством. В середине 2013 года планируется перейти на роботизированную окраску всех крыльев 777.

Национальный инжиниринговый центр роботизации  (NREC) Университета Mellon Carnegie в сотрудничестве с исследовательской лабораторией воздушный сил и логистическим центром 309 AMXG Ogden разработал и продемонстрировал роботизированную систему с использованием высокомощных лазеров для удаления покрытия с транспортных самолетов и истребителей. Удаление покрытий – это стандартная процедура обслуживания самолета. По сравнению с традиционными методами, снижается время работы, возможен постоянный режим 24/7, снижаются затраты, отходы, вредные влияния на работников.

Роботы в авиастроении активно используются и во вспомогательных процессах, не имеющих прямого отношения
к сборке самих самолетов.

Так, завод Airbus Broughton (Великобритания) внедряет производственную линию с использованием робота Yaskawa Motoman для очистки заклепок от материала уплотнений перед повторным использованием на сборочной линии.

Рис. 8. Робот для проверки композитного переднего фюзеляжа B787, Spirit AeroSystems.

Рис. 9. Роботизированная система OCRobotics.

Роботы зачастую применяются в задачах контроля и проверки (рис. 8). Роботизированные ячейки могут выполнять ультразвуковой контроль авиакомпонентов, в частности, поиск трещин, проблемных мест после нанесения композитов. Это может быть вариант полностью автоматизированной ячейки для обработки изделия и последующего контроля.

Компания OCRobotics (Великобритания) разработала уникальное решение для различного использования в авиастроении и ядерной промышленности, одним из потребителей которого стал концерн AIRBUS. На стандартного промышленного робота устанавливается телескопический змеевидный робот собственного производства (в проекте AIRBUS – 27 степеней свободы) с удаленным управлением, позволяющий получить доступ к сложным участкам, недоступным для любых средств стандартной автоматизации, к примеру внутренней конструкции крыла. Такая система позволяет осуществлять удаленный контроль, нанесение уплотнений и т.д.

В настоящее время расширяется и рынок изготовления мобильных систем на базе роботов для сборки узлов и компонентов. Такие платформы имеют огромное преимущество по сравнению со стационарными системами, способствуя, как экономическому, так и производственному выигрышу.

Несмотря на сложный, тяжелый и медленный переход авиастроения на роботизацию, этот сегмент рынка постоянно растет.

В продвижении активно участвуют и сами производители, для которых, несмотря на традиционно небольшой объем продаж в отрасли, успешно внедренное решение – это еще один высокотехнологичный скачок, демонстрация возможностей и серьезное конкурентное преимущество – ведь авиация традиционно более требовательна к точностям и возможностям по сравнению с любыми производственными отраслями.

Эффективное внедрение роботов может служить основой для патентных исследований и разработок, серьезных конкурентных преимуществ и значительного экономического и производственного выигрыша. Поэтому большинство авиастроительных концернов мира внимательно изучают и следят за растущими возможностями промышленных роботов.

Игорь Проценко
ООО «Нью Лайн Инжиниринг»
e-mail: info@nleng.ru

Источники:

  1. “High Flying Robots”, Austin Weber, Assembly Magazine
  2. “Robots in Aerospace Applications”, Bennett Brumson, Robotic Industries Association
  3. “Aerospace Automation Picks Up the Pace”, Patrick Waurzyniak, ManufacturingEngineeringMedia.com
  4. Материалы сайта MTorres (www.mtorres.es)
  5. “Airbus UK using automotive robots in wing manufacture”, Graham Warwich, Flight International
  6. Материалы сайта Nikon Metrology (http://blog.nikonmetrology.com)
  7. Материалы сайта Electroimpact (www.electroimpact.com)
  8. Материалы сайта Coriolis Composites (www.coriolis-composites.com)
  9. Материалы сайта CompositesWorld (www.compositesworld.com)
  10. “Robots Speed Complex Composite Fiber Placement”, Ann R. Thryft, Materials & Assembly
  11. “Painting robots speed production of Boeing 777s”, DOMINIC GATES, The Associated Press
  12. “Paint-Stripping Robot”, Carnegie Mellon University
  13. Материалы сайта OCRobotics ( www.ocrobotics.com)