Roboter erweisen sich als flexible Werkzeuge für die Flugzeugfertigung und -montage. Ihr volles Potenzial kann jedoch durch die Herausforderungen bei der Programmierung eines Roboters in einer CAD/CAM-Umgebung eingeschränkt werden. Software, die Offline-Programmierung, Simulation, Codegenerierung und Pfadoptimierung integriert, gestaltet den Prozess nahtlos und fehlerfrei.
Roboter stehen auf dem Sprung dazu, die Luft- und Raumfahrtindustrie so zu verändern, wie sie die Automobilmontage Ende der 1970er und 80er Jahre revolutionierten. Höhere Produktivität und Kosteneinsparungen treiben den Übergang zur flexiblen Roboterautomatisierung voran.
Im Gegensatz zu ihren landgebundenen Cousinen gibt es bei Flugzeugen wichtige Unterschiede, die dem Automatisierungsparadigma entgegenstehen. Die Fertigungstoleranzen in der Luft- und Raumfahrt sind deutlich enger, während die Unterbaugruppen tendenziell deutlich größer und schwerer sind. Im Vergleich zur Automobilindustrie sind die Produktionsmengen von Flugzeugen deutlich geringer, während die Lebenserwartung von Verkehrsflugzeugen in Jahrzehnten und nicht in Jahren gemessen wird.
Die weltweite Nachfrage nach Flugzeugen steigt und belastet die derzeitigen Fertigungsressourcen. Das Advanced Manufacturing Research Centre with Boeing (AMRC) steht in vorderster Linie dieses Branchentrends.
„Der Absatz von Verkehrsflugzeugen nimmt zu“, sagt Ben Morgan, Leiter der Integrated Manufacturing Group bei AMRC. „Die meisten Hersteller haben die Grenzen ihrer Produktionskapazitäten erreicht und weitere Kapitalinvestitionen sind erforderlich, um die angestrebten Kapazitäten zu erreichen. Für einige Plattformen, an denen wir arbeiten, könnten dies bis zu 60 Flugzeuge pro Monat sein, was eine unglaubliche Menge ist. Daher ist ein schrittweiser Wandel in der Fertigung erforderlich.“
Dieser Schritt ist die flexible Roboterautomatisierung. Die Einführung von Verbundwerkstoffen in der Fertigung von Flugzeugkomponenten brachte die Roboter ins Spiel.
Laut einer Studie des Marktforschungsunternehmens Lucintel wird der globale Markt für Luft- und Raumfahrtverbundwerkstoffe 2017 mit einer jährlichen Wachstumsrate von 5,3 Prozent voraussichtlich 112 Mrd. $ erreichen (Quelle: CompositesWorld ).
Verbundwerkstoffe wiegen in der Regel 20 Prozent weniger als Aluminium und haben eine längere Lebensdauer als herkömmliche metallische Materialien. Verbundwerkstoffe gelten auch als Gewinner in Sachen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse, Kraftstoffeffizienz und Wartungsintervalle. Sie sind deshalb für die Luft- und Raumfahrtindustrie von entscheidender Bedeutung.
Die Verbundwerkstoffrevolution hat dazu beigetragen, eine Schnellstraße hin zu Robotern zu bauen. Robotergestützte Bearbeitung und Materialabtrag werden zunehmend in nichtmetallischen und metallischen Anwendungen eingesetzt, u. a. beim Fräsen, Bohren, Beschichten, Nieten sowie beim Wasserstrahlschneiden und Zuschneiden von Verbundwerkstoffverkleidungen und -Komponenten für große Verkehrsflugzeuge.
Jahrelang blickten Roboter über die Schultern ihrer CNC-Gegenstücke. Jetzt hat sich der Fokus verschoben.
„Mit den Fortschritten in der Robotik in den letzten 10 Jahren werden Geräte mit seriellem Arm zu einer realistischeren Option“, sagt Morgan. „Das Interesse an robotergestütztem Zuschneiden, Plattenfräsen und Fräsen hat zugenommen. Mit der Entwicklung von Konzept-robotergestützten Zuschneidesystemen und der Einrichtung, die wir beim AMRC haben, sind wir dabei, High-End-Automobil- und Luft- und Raumfahrtherstellern zu beweisen, dass flexible Zellen eine Alternative zu einigen der traditionellen, teuren CNC-Werkzeugmaschinen darstellen.“
Das AMRC wurde 2001 in einer Kooperation zwischen der Universität Sheffield und Boeing gegründet. Das Unternehmen befindet sich in einem weitläufigen Hightech-Industriepark in Sheffield, England, beschäftigt mehr als 400 Forscher und Ingenieure, die sich auf die Modernisierung der Fertigung durch Testen und Erproben verschiedener Technologien konzentrieren, und hat mehr als 100 Mitgliedsunternehmen, von globalen Luft- und Raumfahrtriesen bis hin zu lokalen Kleinunternehmen.
„Einige der großen CNC-Maschinen, die zur Herstellung dieser Luft- und Raumfahrtteile verwendet werden, liegen im Bereich von 15 Mio. Dollar“, sagt Morgan. „Für eine Roboterzelle lägen wir wahrscheinlich im Bereich von ein paar hunderttausend Dollar.“
Die Kosten für den Einsatz von Robotern sinken weiter, während ihre Steifheit und Genauigkeit wachsen. Die Robotiktechnologie kann nun bei einer Vielzahl von Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, die zuvor auf kundenspezifische Maschinen beschränkt waren, mithalten, einschließlich Einzelmontage, Bohren und Feilen, automatisierte Bandverlegung (ATL) und automatisierte Faserverlegung (AFP).
Die meisten führenden Luft- und Raumfahrtlieferanten erkennen die Vorteile des Einsatzes von Robotern für ihre Unterbaugruppen und haben sogar jährliche Budgets für die Robotisierung vorgesehen. Aber für manche ist Roboterprogrammierung zäh wie Morast.
Singularität, Kalibrierung, Kollisionen, Reichweitenbegrenzungen und Bewegungsgranularität sind für Robotersysteme besonders komplex und können die Programmierung von Robotern für Bearbeitungsvorgänge besonders umständlich machen. Das Umgehen solcher Fehlerquellen kann zeitaufwendig sein.
Unternehmen, die an den Einsatz von CNC-Werkzeugmaschinen gewöhnt sind, kommen beim ersten Einsatz eines Roboters manchmal nicht weiter. Oft versuchen sie, die Software des Roboterherstellers für die Programmierung zu verwenden. Diese Software ist jedoch in der Regel für Simulationszwecke vorgesehen, nicht für die Programmierung. In einer Simulationsumgebung können Sie den Fehler sehen, aber die Schwierigkeit besteht darin, die Ursache zu identifizieren und zu beheben.
Ein anderer Ansatz ist der Einsatz von CAD/CAM-Punktkonvertern, die Roboterpfade für verschiedene Arten von Anwendungen erstellen. Die Punktkonverter führen in der Regel eine schnelle und kostengünstige Umstellung auf ein robotergestütztes System durch, aber es gibt keine Möglichkeit, die Kinematik zu validieren und auf Fehler zu prüfen.
Das Hauptproblem bei diesen Methoden ist das Fehlen eines Pfadoptimierungswerkzeugs. Nachdem das Programm auf den Roboter übertragen wurde, kann eine lange Erprobungszeit anfallen.
„Als wir uns für eine neue Lösung zur Bearbeitung von Verbundwerkstoffteilen mit einem Roboter entschieden, konnten wir uns nicht vorstellen, wie sehr sich die Robotikwelt von unserer traditionellen CNC-Maschinenwelt unterscheidet“, sagt Eddy Coubard, Leiter der CAD & CAM-Produktionstechnik bei SOGERMA COMPOSITES AQUITAINE. „Ein neues Vokabular, eine neue Arbeitsweise und neue Probleme, das war eine Herausforderung.“
SOGERMA COMPOSITES AQUITAINE feiert ihr 30-jähriges Jubiläum und ist eine hundertprozentige Tochtergesellschaft der SOGERMA Group mit Sitz in Frankreich. Mit 475 Produktions- und F&E-Mitarbeitern unterstützt SOGERMA COMPOSITES AQUITAINE mehr als 100 große Hersteller in Europa und auf der ganzen Welt mit Produkten aus Hochleistungsverbundwerkstoffen.
„Wir fertigen Verbundteile für die Luftfahrt in kleinen Stückzahlen, was bedeutet, dass wir die Roboterprogrammierung auf Anhieb richtig hinkriegen müssen“, sagt Coubard. „Ansonsten steigen unsere Kosten drastisch an.“
„Die erste Robotersoftware, die wir ausprobiert haben, war überhaupt nicht effizient“, sagt er. „Wir mussten den Werkzeugpfad in einer CAD/CAM-Software erstellen, eine Art G-Code mit einem Postprozessor schreiben und diesen G-Code auf einem Simulator einlesen, nur um dann festzustellen, dass meistens Fehler vorlagen. Dann mussten wir zurück zur CAD/CAM-Software und den Robotercode über einen anderen Postprozessor schreiben.“
Dies ist das typische Szenario. Ein Unternehmen erwirbt einen Roboter und versucht, ihn für einem Bearbeitungsvorgang einzusetzen, nur um festzustellen, dass es nicht über die richtige Software für die Aufgabe verfügt.
Eine bessere Strategie: Machen Sie sich vorab Gedanken über die Roboterprogrammiersoftware. Dies sollte entweder zum Zeitpunkt der Anschaffung des Robotersystems oder sogar bereits vor dessen Kauf erfolgen.
CAD/CAM-Software, die speziell für die Programmierung von Robotern entwickelt wurde, behebt Probleme mit Singularität, Kollisionen, Gelenkgrenzen, Reichweitenproblemen und Zangengelenksmobilität. Die richtige Software sollte Roboterpfade automatisch berechnen und optimieren, externe Achsen nahtlos integrieren und sofort visuelle Rückmeldungen liefern. Sie sollte sogar für Bediener*innen, die mit Robotik nicht vertraut sind, einfach zu bedienen sein.
Die Software sollte auch die Offline-Programmierung unterstützen, ohne Unterbrechung der Produktion in der Fertigung, außer für die abschließende Prüfung und die Feinabstimmung. Die Wechsel erfolgen dann parallel anstatt sequentiell.
Jabez Technologies aus Montreal in Kanada, wurde kürzlich von der Zeitschrift CIO Review zu einem der 10 vielversprechendsten Anbieter technischer Konstruktionslösungen erklärt. Das Unternehmen brachte im Jahr 2002 die erste CAD/CAM-basierte Offline-Roboterprogrammiersoftware heraus. Die neueste Version der Robotmaster® Software vereinfacht Programmierung, Simulation, Codegenerierung und Pfadoptimierung in einer integrierten Lösung. Alle gängigen Robotertypen werden unterstützt.
„Ein Roboter kann ein schwierig zu handhabendes Gerät sein“, sagt Chahe Bakmazjian, Präsident von Jabez Technologies. „Er besteht aus sechs übereinander gestapelten Drehgelenken, sodass es schwierig ist, Fehler vorherzusehen. In der Regel findet man den Fehler, wenn er auftritt. Es gibt keine Warnung.“
„Flugzeughersteller setzen oft große Robotersysteme ein, aber sie nutzen sie nur in einem begrenzten Bereich, in dem sie wissen, dass sie Fehler vermeiden können“, sagt Bakmazjian. „Jedes Mal, wenn sie diese Bereiche verlassen wollen, wird es sehr restriktiv.“
Laut Coubard von COMPOSITES AQUITAINE wurde die Programmierzeit durch den Austausch der alten Software um das Zwei- bis Dreifache verkürzt.
„Mit Robotmaster können wir genauso arbeiten, wie wir unsere CNC-Maschinen zum Werkzeugbau verwendet haben“, sagt er. „Da Robotmaster auch eine Schnittstelle zur Mastercam®-Software hat, konnten wir schnell und einfach 7-Achsen-Fräs- und Bohrarbeiten durchführen.“
Coubard sagt, dass sie einen schienenmontierten 6-Achsen-Roboter mit Robotmaster programmieren. Zu den Anwendungen gehören Werkzeug-Thermoschutzteile aus Glasfaser für das Verkehrsflugzeug Airbus A330 und Wabenbauteile für den Helikopter Airbus Super-Puma MK II.
„Mit Robotmaster können wir die Robotik wirklich vollumfänglich nutzen. Jetzt können wir unsere Verbundteile genauso einfach bearbeiten, wie wir sie zuvor mit der CNC-Maschine bearbeitet haben“, sagt Coubard. „Tatsächlich ist die neue Simulationsfunktion so leistungsstark, dass wir noch nicht alles ausschöpfen konnten.“
Ohne Robotmaster hätte sich Coubard höchstwahrscheinlich von der Robotik abgewandt und wäre zu den alten CNC-Bearbeitungsmethoden zurückgekehrt.
Beim AMRC nutzt Morgans Gruppe Robotik und Messtechnik, um neue Methoden für die Montage komplexer Produkte für die Luft- und Raumfahrt und andere Hochwertbranchen zu entwickeln.
„Wir arbeiten seit drei Jahren mit Robotmaster“, sagt Morgan. „Die Software ermöglichte es unseren Bedienern und Ingenieuren, die Zelle schnell und effektiv umzuprogrammieren und den Maschinenpfad zu optimieren. Sie bietet viel Flexibilität und Kontrolle.“
„Die Verwendung dieser Software eignet sich insbesondere für die Forschungsumgebung, aufgrund unseres Arbeitsbereichs und der Werkstückvariabilität“, sagt Morgan. „Wir fertigen hier nichts, deshalb machen wir letztendlich ein, zwei oder drei Werkstücke und gehen dann zu einem anderen Werkstück über. Aber auch die Luft- und Raumfahrtindustrie selbst fordert Rekonfigurierbarkeit, daher erfüllen wir diese Anforderung mit Robotmaster.“
Die Bediener berichten, dass die Software zu 100 Prozent der Zeit auf Anhieb funktioniert, ohne dass manuelle Anlerneingriffe oder Nacharbeiten erforderlich sind. So sieht fehlerfreie Roboterprogrammierung ohne Komplexität aus. Sie ist so einfach zu bedienen, dass sie sogar von Einsteigern verwendet werden kann.
Koppeln Sie einen flexiblen Roboter mit einer fortschrittlichen Softwarelösung. Jetzt können Sie den gesamten Roboter-Arbeitsbereich nutzen. Was anfangs wie ein Problem eines überladenen Systems mit verschiedenen Pfaden zur Erreichung desselben Punkts aussah, ist mittlerweile mit ausgefeilten Werkzeugen zur Pfadoptimierung zu einer echten Chance geworden.
Roboter haben ihre Flugtauglichkeit bewiesen. Sie brauchen nur die richtige Software, um ihr volles Potenzial auszuschöpfen.