ロボットは航空機の製造と組み立てにおいて柔軟なツールであることが証明されています。しかし、CAD/CAM環境でロボットをプログラミングする際の課題によって、その真のポテンシャルが制限される可能性があります。オフラインプログラミング、シミュレーション、コード生成、パス最適化を統合したソフトウェアにより、プロセスがシームレスかつエラーのないものになります。
ロボットは、1970年代後半と80年代に自動車組立に革命を起こしたように、航空宇宙産業を変革する準備が整っています。生産性の向上とコスト削減が、柔軟なロボット自動化への移行を促進しています。
陸上の航空機とは異なり、航空機には自動化のパラダイムに反する重要な違いがあります。航空宇宙産業の製造公差ははるかに厳しく、サブアセンブリは大幅に大きく重くなる傾向があります。自動車産業と比べると、航空機の生産量ははるかに少なく、商用機の寿命は数年ではなく数十年単位で測られます。
航空機に対する世界的な需要が高まり、現在の製造リソースに負担がかかっています。ボーイング社の先進製造研究センター (AMRC) は、この業界のトレンドの最前線に立っています。
「商用航空機の売上は増加しています」とAMRCの統合製造グループの責任者であるBen Morgan氏は述べています。「ほとんどのメーカーは生産能力を限界まで引き上げており、目標達成にはさらなる設備投資が必要です。現在開発中のプラットフォームによっては、月に最大60機もの航空機を扱う場合もあり、これは驚くべき数です。したがって、製造における段階的な変化が必要です」。
このステップの変化は、柔軟なロボット自動化の形で起こっています。ロボットの進出は、航空機部品製造における複合材の登場となりました。
市場調査会社Lucintelによる調査によると、世界の航空宇宙複合材料市場は、2017年までに年間1120億に達し、年間複合材料成長率は5.3パーセントに達すると予測されています（出典：CompositesWorld）。
複合材は通常、アルミニウムよりも重量が20%軽く、従来の金属材料よりも寿命が長くなっています。より高い強度対重量比、より優れた燃料効率、より長いサービス間隔を誇る複合航空機材料は、航空宇宙産業にとって不可欠です。
複合材革命は、ジェット経路をロボットに拡大するのに役立ちました。ロボット加工と材料除去は、大型商用航空機の複合材スキンやコンポーネントのフライス加工、ドリル加工、表面仕上げ、リベット、ウォータージェット切断、トリミングなど、非金属および金属用途で使用される傾向が高まっています。
長年、ロボットはコンピューター数値制御装置の肩越しに作業を監視してきました。今や焦点は移りました。
「過去 10年間にわたるロボット工学の進歩により、シリアルアームデバイスはより実現可能なオプションとなっています」とMorgan氏は言います。「ロボットトリミング、ルーティング、機械加工への関心が高まっています。AMRCのコンセプトロボットトリミングシステムと施設を開発することにより、当社は、フレキシブルセルが従来の高価なCNC加工機の一部に代わるものであるということを、高級自動車メーカーや航空宇宙メーカーに証明し始めています。」
AMRCは、シェフィールド大学とボーイング社の協力により2001年に設立されました。英国シェフィールドの広大なハイテク工業団地を拠点とするこの研究所は、さまざまな技術の試験と実証を通じて製造業の近代化に注力する400名以上の研究者とエンジニアを雇用しており、世界的な航空宇宙大手から地元の中小企業まで100社以上の会員企業を擁しています。
「航空宇宙部品の製造に使われる大型CNC加工機の中には、1500万ドルもするものもあります」とMorgan氏は話します。「ロボットセルの場合は、おそらく数十万ドルかかるでしょう」。
ロボットの導入コストは継続的に低下している一方、その剛性と精度が向上しています。°ロボット技術は、従来はカスタム機械に限定されていた航空宇宙分野の幅広い応用分野において、現在では競争力を発揮できるようになりました。これには、単体組立、ドリリングと充填、自動テープレイアップ（ATL）、および自動繊維配置（AFP）などが含まれます。
ほとんどのトップレベルの航空宇宙サプライヤーは、サブアセンブリ作業にロボットを導入することの利点を認識しており、ロボット化に年間予算を割り当てています。しかし、ロボットプログラミングが難しいという人もいます。
ロボットシステムにおいては、特異点、キャリブレーション、衝突、可動範囲の制限、動作の粒度などが特に複雑であり、切削加工などの作業用にロボットをプログラミングする際に非常に煩雑になることがあります。エラーを回避するには時間がかかる場合があります。
CNC加工機の使用に慣れている企業は、初めてロボットを導入しようとすると行き詰まります。多くの場合、ロボットメーカーのソフトウェアをプログラミングに使用しようとします。ただし、このソフトウェアは通常、プログラミングではなく、シミュレーション目的を意図しています。シミュレーション環境ではエラーを確認することはできますが、原因を特定して修正する方法が困難です。
CAD/CAMポイントコンバーターを使用すると、異なる種類のアプリケーション向けにロボット軌道を作成できます。ポイントコンバーターは、ロボットシステムへの迅速で安価な変換を行う傾向がありますが、運動学を検証し、エラーを確認する方法はありません。
これらの方法の主な問題は、パス最適化ツールの欠如です。プログラムがロボットに適用されると、長い実証期間が発生する場合があります。
SOGERMA COMPOSITES AQUITAINEのCAD & CAM生産エンジニアリングマネージャーであるEddy Coubard氏は次のように述べています。「ロボットで複合部品を加工するための新しいソリューションを購入することを決めたとき、ロボットの世界が従来のCNC加工機の世界とどれほど異なるかは想像もできませんでした」。「新しい語彙、新しい作業方法、そして新しい問題。それは挑戦でした」。
創立30周年を迎えるSOGERMA COMPOSITES AQUITAINEは、SOGERMAグループの完全子会社であり、フランスに拠点を置き、475人の生産・研究開発人員を擁し、高性能複合材料製品で欧州および世界中の100社を超える大手サプライヤーを支援しています。
「当社は航空機用複合材部品を少量生産しているので、ロボットのプログラミングを最初から正しく行う必要があります」とCoubard氏は言います。「そうしないと、コストが大幅に増加します」。
「最初に試したロボットソフトウェアは全く効率的ではありませんでした」と彼は言います。「ツールパスをCAD/CAMソフトウェアで作成し、ポストプロセッサで一種のGコードを書き込み、シミュレータでこのGコードを読み取る必要がありましたが、ほとんどの場合、エラーが発生していることに気付かなければなりませんでした。CAD/CAMソフトウェアに戻り、別のポストプロセッサーでロボットコードを書き込む必要がありました。」
これは典型的なシナリオです。ある企業がロボットを購入し、それを機械加工作業に導入しようとしますが、その仕事に適したソフトウェアがないことに気づきます。
より良い戦略とは：事前にロボットプログラミングソフトウェアを検討してください。これは、ロボットシステムの購入時、または購入前に行う必要があります。
ロボットのプログラミング用に特別に設計されたCAD/CAMソフトウェアは、特異点、衝突、関節の制限、到達範囲の問題、手首の反転などの問題に対処します。適切なソフトウェアは、ロボット軌道を自動的に計算して最適化し、外部軸をシームレスに統合し、即座に視覚的なフィードバックを提供する必要があります。ロボット工学の初心者でも簡単に使用できるはずです。
ソフトウェアは、最終テストや微調整以外の現場での生産を中断することなく、オフラインプログラミングもサポートする必要があります。切り替えは順次的な操作ではなく、並行して行われる操作になります。
最近、カナダのモントリオールのJabez TechnologiesがCIO Review誌で最も有望なエンジニアリング設計ソリューションプロバイダー10社に選ばれ、2002年に最初のCAD/CAMベースのオフラインロボットプログラミングソフトウェアをリリースしました。Robotmaster ®ソフトウェアの最新バージョンは、プログラミング、シミュレーション、コード生成、パス最適化を1つの統合ソリューションに合理化します。すべての主要なロボットモデルがサポートされています。
「ロボットは管理が難しい装置になり得ます」と、Jabez Technologiesの社長であるChahe Bakmazjian氏は語ります。「6つの回転ジョイントが積み重ねられているため、エラーを予測するのは非常に困難です。通常、そのエラーが発生した際に遭遇します。警告はありません」。
「航空機メーカーは大規模なロボットシステムを導入することが多いですが、エラーを回避できるとわかっている範囲に限定されております」と Bakmazjian氏は言います。「その範囲外に出ようとすると、非常に制限が厳しくなります」。
COMPOSITES AQUITAINEのCoubard氏は、古いソフトウェアを交換することで、プログラミング時間が2倍から3倍に短縮されたと述べています。
「Robomasterを使用すると、CNC加工機を使用して部品を加工するのと同じように作業できるようになります」と彼は言います。「RobotmasterはMastercam®ソフトウェアともインターフェースするため、完全な7軸フライス加工と穴あけ加工を迅速かつ簡単に実行できました」。
Coubard氏は、レール式6軸ロボットのプログラム作成にRobotmasterを使用していると述べています。用途には、エアバス A330 航空機用のガラス繊維製熱保護部品や、エアバススーパープーマMK IIヘリコプター用のハニカム型部品などがあります。
「Robotmaster を使用することで、ロボット工学の世界を存分に活用することができます。今では、CNC加工機で加工していたのと同じ簡単な方法で複合部品を加工できるようになりました」とCoubard氏は言います。「実際、新しいシミュレーション機能は非常に強力で、そのすべての機能をまだ十分に活用できていません」。
Coubard氏は、Robotmasterがなければ、ロボット工学を放棄して、旧来のCNC加工方法に戻っていた可能性が高いと述べています。
AMRCにおいて、Morganの研究グループはロボット工学と測定技術を活用し、航空宇宙産業をはじめとする高付加価値産業向けの複雑な製品の組み立てに新たな手法を開発しています。
「当社は過去3年間、Robotmasterと協力して業務を進めてまいりました」とMorgan氏は言います。「このソフトウェアにより、オペレーターとエンジニアはセルを迅速かつ効果的に再プログラムし、機械のパスを最適化することができました。これは高い柔軟性と制御性を備えています」。
「このソフトウェアの使用は、作業範囲と部品の多様性のため、特に研究環境に適しています」とMorgan氏は言います。「ここでは何も製造していないので、多くの場合、1つ、2つ、または3つの部品を製造してから、別の部品に移ります。しかし、航空宇宙業界自体も再構成可能性を要求しているため、その要件に対応するためにRobotmasterを採用しています」。
オペレーターは、このソフトウェアが100％の確率で、初回から問題なく動作し、手動での教示介入や手直しが不要であると報告しています。複雑さなしのエラーのないロボットプログラミングです。とても簡単なので、初心者でも簡単に使えます。
柔軟なロボットと高度なソフトウェアソリューションを組み合わせます。ロボットのワークスペース全体を自由に利用できるようになりました。当初は、同じポイントに到達するさまざまな方法を持つ過剰決定システムの欠点として現れたものが、洗練されたパス最適化ツールによって今ではチャンスとなっています。
ロボットは耐空性を証明しました。潜在能力を最大限に発揮するには、適切なソフトウェアが必要です。