Les robots se révèlent être des outils flexibles pour la fabrication et l’assemblage d’avions. Leur plein potentiel peut toutefois être limité par les défis liés à la programmation d’un robot dans un environnement CAO/FAO. Un logiciel qui intègre la programmation hors ligne, la simulation, la génération de code et l’optimisation des trajectoires permet un processus fluide et sans erreur.
Les robots sont sur le point de transformer l’industrie aérospatiale comme ils ont révolutionné l’assemblage automobile à la fin des années 1970 et dans les années 1980. L’augmentation de la productivité et les économies réalisées favorisent le passage à une automatisation robotisée flexible.
Contrairement à leurs cousins terrestres, les avions présentent des différences fondamentales qui défient le paradigme de l’automatisation. Les tolérances de fabrication dans le domaine aérospatial sont beaucoup plus strictes, et les sous-ensembles ont tendance à être beaucoup plus grands et plus lourds. Par rapport à l’industrie automobile, les volumes de production aéronautique sont beaucoup plus faibles, tandis que la durée de vie des avions commerciaux se mesure en décennies et non en années.
La demande mondiale d’avions augmente, mettant à rude épreuve les ressources de fabrication actuelles. L’Advanced Manufacturing Research Centre avec Boeing (AMRC) est à l’avant-garde de cette tendance industrielle.
« Les ventes d’avions commerciaux augmentent », déclare Ben Morgan, responsable du groupe de fabrication intégrée de l’AMRC. « La majorité des fabricants ont poussé leur capacité de production à son maximum et des investissements supplémentaires sont nécessaires pour atteindre le taux visé. Pour certaines plateformes sur lesquelles nous travaillons, cela peut représenter jusqu’à 60 avions par mois, ce qui est un chiffre incroyable. Il est donc nécessaire de changer progressivement la fabrication. »
Ce changement progressif prend la forme d’une automatisation robotisée flexible. L’avènement des composites dans la fabrication des composantes aéronautiques a marqué le début de l’incursion des robots dans ce secteur.
Selon une étude réalisée par le cabinet d’études de marché Lucintel, le marché mondial des composites pour l’aérospatiale devrait atteindre 112 milliards de dollars par an d’ici 2017, avec un taux de croissance annuel composé de 5,3 % (source : CompositesWorld ).
Les composites pèsent généralement 20 % de moins que l’aluminium et ont une durée de vie plus longue que les matériaux métalliques traditionnels. Réputés pour leurs rapports résistance/poids plus élevés, leur meilleure efficacité énergétique et leurs intervalles d’entretien plus longs, les matériaux composites pour avions sont essentiels pour l’industrie aérospatiale.
La révolution des composites a contribué à étendre l’utilisation des robots aux avions. L’usinage robotisé et l’enlèvement de matière sont de plus en plus utilisés dans les applications non métalliques et métalliques, y compris le fraisage, le perçage, le surfaçage, le rivetage, la coupe au jet d’eau et le détourage de revêtements composites et de composants pour les grands avions commerciaux.
Pendant des années, les robots ont pris le relais de leurs homologues à commande numérique. Maintenant, les choses ont changé.
« Grâce aux progrès réalisés dans le domaine de la robotique au cours des dix dernières années, les dispositifs à bras en série deviennent une option de plus en plus viable », explique Morgan. « L’intérêt pour le détourage, le fraisage et l’usinage robotisés a explosé. En développant des systèmes robotisés de détourage et l’installation dont nous disposons à l’AMRC, nous commençons à prouver aux constructeurs automobiles et aérospatiaux haut de gamme que les cellules flexibles constituent une alternative aux machines-outils CNC traditionnelles, coûteuses. »
L’AMRC a été créé en 2001 en collaboration entre l’Université de Sheffield et Boeing. Situé dans un vaste parc industriel hautement technologique à Sheffield, en Angleterre, il emploie plus de 400 chercheurs et ingénieurs qui se consacrent à la modernisation de la fabrication en testant et en validant différentes technologies. Il compte plus de 100 entreprises membres, allant des géants mondiaux de l’aérospatiale aux petites entreprises locales.
« Nous parlons peut-être de 15 millions de dollars pour certaines des grosses machines CNC utilisées pour fabriquer ces pièces aérospatiales », explique Morgan. « Pour une cellule robotisée, il faudrait envisager probablement quelques centaines de milliers de dollars. »
Le coût de déploiement des robots continue de baisser, tandis que leur rigidité et leur précision s’améliorent. La technologie robotique peut désormais rivaliser dans un large éventail d’applications aérospatiales auparavant réservées aux machines sur mesure, notamment l’assemblage à l’unité, le perçage et le remplissage, la pose automatisée de ruban (ATL) et le placement automatisé de fibres (AFP).
La plupart des fournisseurs de premier rang dans le secteur aérospatial reconnaissent les avantages liés à l’utilisation de robots pour leurs opérations de sous-assemblage et ont même prévu des budgets annuels pour la robotisation. Mais pour certains, la programmation de robots est un véritable casse-tête.
Singularité, calibrage, collisions, limites de portée et régularité des mouvements sont particulièrement complexes dans les systèmes robotisés et peuvent considérablement alourdir la tâche de programmation. Résoudre ces erreurs peut prendre beaucoup de temps.
Les entreprises habituées à utiliser des machines-outils CNC se retrouvent bloquées lorsqu’elles essaient de déployer un robot pour la première fois. Elles essaient souvent d’utiliser le logiciel de programmation du fabricant du robot. Cependant, ce logiciel est généralement destiné à des fins de simulation, et non à la programmation. Dans un environnement de simulation, vous pouvez voir l’erreur, mais la difficulté réside dans le fait de reconnaître la cause et de savoir comment la corriger.
Une approche différente consiste à utiliser des convertisseurs de points CAO/FAO, qui créent des trajectoires robotisées pour différents types d’applications. Les convertisseurs de points ont tendance à effectuer une conversion rapide et peu coûteuse vers un système robotisé, mais il n’y a pas de moyen de valider la cinématique et de vérifier l’absence d’erreurs.
Le principal problème avec ces méthodes est l’absence d’outil d’optimisation des trajectoires. Une fois le programme appliqué au robot, la période de validation peut être longue.
« Lorsque nous avons décidé d’acheter une nouvelle solution pour usiner des pièces composites à l’aide d’un robot, nous ne pouvions pas imaginer à quel point le monde de la robotique était différent de celui des machines CNC traditionnelles », explique Eddy Coubard, responsable de l’ingénierie de production CAO et FAO chez SOGERMA COMPOSITES AQUITAINE. « Une nouvelle terminologie, une nouvelle méthode de travail et de nouveaux problèmes, c’était un défi. »
Célébrant son 30e anniversaire, SOGERMA COMPOSITES AQUITAINE est une filiale entièrement détenue par le Groupe SOGERMA, basée en France avec 475 collaborateurs en production et R&D soutenant plus de 100 grands fournisseurs en Europe et dans le monde entier avec des produits en matériaux composites haute performance.
« Nous usinons des pièces composites aéronautiques en petites quantités, ce qui signifie que nous devons réussir la programmation du robot dès le premier essai », explique Coubard. « Sinon, nos coûts augmentent considérablement. »
« Le premier logiciel de robots que nous avons essayé n’était pas du tout efficace », explique-t-il. « Il fallait créer le parcours de l’outil dans un logiciel de CAO/FAO, écrire une sorte de code G à l’aide d’un post-processeur, puis lire ce code G sur un simulateur, pour finalement se rendre compte que la plupart du temps, il y avait des erreurs. Nous devions alors revenir au logiciel de CAO/FAO et écrire le code du robot à l’aide d’un autre post-processeur. »
Il s’agit d’un scénario type. Une entreprise acquiert un robot, essaie de le déployer pour une opération d’usinage, juste pour se rendre compte qu’elle ne dispose pas du logiciel adapté à son fonctionnement.
Une meilleure stratégie : considérez le logiciel de programmation du robot d’avance. Cela doit être fait soit au moment de l’acquisition du système robotisé, cest-à-dire même avant l’achat.
Le logiciel CAO/FAO spécialement conçu pour la programmation de robots résout les problèmes de singularité, de collisions, de limites des axes, de portée et de rotation du poignet. Le logiciel adéquat doit calculer et optimiser automatiquement les trajectoires des robots, intégrer de manière transparente les axes externes et fournir un retour visuel instantané. Il doit être facile à utiliser, même pour les opérateurs novices en robotique.
Le logiciel doit également prendre en charge la programmation hors ligne, sans interrompre la production dans l’atelier, sauf pour le test final et les réglages de précision. Les modifications deviennent alors une opération parallèle plutôt que séquentielle.
Récemment nommé parmi les 10 fournisseurs de solutions de conception d’ingénierie les plus prometteurs par le magazine CIO Review, Jabez Technologies de Montréal, au Canada, a publié le premier logiciel de programmation de robots hors ligne basé sur la CAO/FAO en 2002. La dernière version du logiciel Robotmaster® rationalise la programmation, la simulation, la génération de code et l’optimisation de trajectoire dans une solution intégrée. Tous les principaux modèles de robots sont pris en charge.
« Un robot peut être un appareil difficile à gérer », explique Chahe Bakmazjian, président de Jabez Technologies. « Il se compose de six axes empilés les uns sur les autres, il est donc très difficile d’anticiper les erreurs. En général, vous constatez l’erreur lorsqu’elle se produit. Il n’y a aucun avertissement. »
« Les constructeurs aéronautiques mettent souvent en place de grands systèmes robotisés, mais ils ne les exploitent que dans un domaine limité où ils savent qu’ils peuvent éviter les erreurs », explique Bakmazjian. « En dehors de ces zones, ils sont soumis à des restrictions très strictes. »
Coubard de COMPOSITES AQUITAINE déclare qu’en remplaçant leur ancien logiciel, leur temps de programmation a été réduit de deux à trois fois.
« Robotmaster nous permet d’usiner les pièces de la même manière que si nous utilisions nos machines CNC », explique-t-il. « Robotmaster étant également compatible avec le logiciel Mastercam®, nous avons pu réaliser rapidement et facilement des opérations complètes de fraisage et de perçage sur sept axes. »
Coubard explique qu’il utilise Robotmaster pour programmer un robot à six axes monté sur rail. Les applications comprennent des pièces de protection thermique en fibre de verre pour l’avion de ligne Airbus A330 et des nids d’abeilles pour l’hélicoptère Airbus Super-Puma MK II.
« Avec Robotmaster, nous sommes en mesure d’entrer dans le monde de la robotique. Désormais, nous pouvons usiner nos pièces composites de la même manière que nous le faisions avec la machine CNC », explique Coubard. « En fait, la nouvelle fonction de simulation est si puissante que nous n’avons pas encore exploité toutes ses caractéristiques. »
Sans Robotmaster, Coubard affirme qu’ils auraient probablement abandonné la robotique et renoué avec les anciennes méthodes d’usinage CNC.
Au sein de l’AMRC, le groupe Morgan utilise la robotique et la métrologie pour développer de nouvelles méthodes d’assemblage de produits complexes pour l’aérospatiale et d’autres industries de grande valeur.
« Nous travaillons avec Robotmaster depuis trois ans », explique Morgan. « Le logiciel a permis à nos opérateurs et ingénieurs de reprogrammer rapidement et efficacement la cellule, ainsi que d’optimiser la trajectoire de la machine. Il offre une grande flexibilité et un grand contrôle. »
« L’utilisation de ce logiciel se prête particulièrement bien à l’environnement de recherche, en raison de notre plage de travail et la variabilité des pièces, » explique Morgan. « Nous ne fabriquons rien ici, donc souvent nous finissons par faire une, deux ou trois pièces, puis nous passons à une autre pièce. Mais le secteur aérospatial lui-même exige également une reconfigurabilité, c’est pourquoi nous répondons à cette exigence avec Robotmaster. »
Les opérateurs déclarent que le logiciel fonctionne 100 % du temps –dès la première fois – sans intervention manuelle d’apprentissage et sans retouche. Il s’agit d’une programmation de robots sans erreur et sans complexité. Si facile, même un débutant peut l’utiliser.
Associez un robot flexible à une solution logicielle avancée. Vous êtes désormais libre d’exploiter l’ensemble de l’espace de travail du robot. Ce qui semblait initialement être la responsabilité d’un système surdéterminé offrant plusieurs moyens d’atteindre le même objectif est désormais devenu une opportunité grâce à des outils sophistiqués d’optimisation des parcours.
Les robots ont prouvé leur fiabilité. Il leur suffit d’avoir le bon logiciel pour réaliser tout leur potentiel.