Os robôs estão provando ser ferramentas flexíveis para a fabricação e montagem de aeronaves. No entanto, seu potencial total pode ser limitado pelos desafios de programar um robô em um ambiente CAD/CAM. O software que integra programação off-line, simulação, geração de código e otimização de caminho torna o processo perfeito e livre de erros.
Os robôs estão preparados para transformar a indústria aeroespacial da maneira como revolucionaram o conjunto automotivo no final dos anos 1970 e 80. O aumento da produtividade e a economia de custos estão alimentando o movimento para a automação robótica flexível.
Ao contrário de seus primos terrestres, as aeronaves têm diferenças fundamentais que desafiam o paradigma da automação. As tolerâncias de fabricação aeroespacial são muito mais restritas, enquanto os subconjuntos tendem a ser significativamente maiores e mais pesados. Em comparação com o setor automotivo, os volumes de produção de aeronaves são muito menores, enquanto a expectativa de vida das aeronaves comerciais é medida em décadas, não anos.
A demanda global por aeronaves está aumentando, pressionando os recursos de fabricação atuais. O Advanced Manufacturing Research Centre with Boeing (AMRC) está na vanguarda desta tendência da indústria.
"As vendas de aeronaves comerciais estão aumentando", diz Ben Morgan, chefe do Integrated Manufacturing Group no AMRC. "A maioria dos fabricantes empurrou sua capacidade de produção até o limite absoluto e são necessários mais investimentos de capital para atingir a taxa alvo. Para algumas plataformas em que estamos trabalhando, isso pode ser até 60 aeronaves por mês, o que é uma quantidade incrível. Portanto, é necessária uma mudança gradual na fabricação."
Essa mudança está vindo na forma de automação robótica flexível. O advento dos compósitos na fabricação de componente aeronáutico abriu caminho para os robôs.
De acordo com um estudo da empresa de marketing Lucintel, espera-se que o mercado global de compósitos aeroespaciais atinja US$ 112 bilhões anualmente até 2017, com uma taxa de crescimento anual composto de 5,3 por cento (fonte: CompositesWorld ).
Os compósitos tipicamente pesam 20% menos que o alumínio e têm uma vida útil mais longa do que os materiais metálicos tradicionais. Reconhecidos por sua alta relação resistência-peso, melhor eficiência de combustível e intervalos de serviço mais longos, os materiais compostos para aeronaves são fundamentais para a indústria aeroespacial.
A revolução dos compósitos ajudou a estender o caminho do jato aos robôs. A usinagem robótica e a remoção de material estão sendo cada vez mais utilizadas em aplicações não metálicas e metálicas, incluindo fresagem, perfuração, revestimento, rebitagem e corte a jato de água e corte de peles e componentes compostos para grandes aeronaves comerciais.
Por anos, os robôs estiveram superando suas contrapartes controladas por computador. Agora, o foco mudou.
"Com os avanços na robótica nos últimos 10 anos, os dispositivos de braço serial estão se tornando uma opção mais viável", diz Morgan. "Há um aumento significativo no interesse por cortes, roteamentos e usinagens robóticas. Ao desenvolver sistemas de corte robóticos conceituais e as instalações que possuímos no AMRC, estamos começando a demonstrar aos fabricantes automotivos e aeroespaciais de alta qualidade que as células flexíveis são uma alternativa às tradicionais e dispendiosas máquinas-ferramenta CNC."
O AMRC foi estabelecido em 2001 como uma colaboração entre a Universidade de Sheffield e a Boeing. Localizado em um vasto parque industrial de alta tecnologia em Sheffield, Inglaterra, emprega mais de 400 pesquisadores e engenheiros focados na modernização da fabricação, testando e provando diferentes tecnologias, e tem mais de 100 empresas membros, desde gigantes aeroespaciais globais até pequenas empresas locais.
"Estamos falando de talvez US$ 15 milhões para algumas das grandes máquinas CNC que estão sendo usadas para fabricar essas peças aeroespaciais", diz Morgan. "Para construir uma célula robótica, provavelmente precisaríamos de algumas centenas de milhares de dólares.
O custo de implantar robôs continua a diminuir, enquanto sua rigidez e precisão estão melhorando. A tecnologia robótica agora pode competir por uma ampla gama de aplicações aeroespaciais anteriormente limitadas a máquinas personalizadas, incluindo montagem única, perfuração e enchimento, colocação automatizada de faixa (ATL) e colocação automatizada de fibra (AFP).
A maioria dos principais fornecedores aeroespaciais reconhece as vantagens de implantar robôs para suas operações de subconjunto e até tem orçamentos anuais destinados à robótica. Para muitos, programar robôs é um desafio real.
Singularidade, calibração, colisões, limitações de alcance e granularidade de movimento são exclusivos dos sistemas robóticos e podem tornar a programação de robôs para operações de usinagem particularmente complicada. Navegar pelos erros pode ser uma tarefa demorada.
As empresas habituadas a usar máquinas-ferramentas CNC ficam presas quando tentam implementar um robô pela primeira vez. Eles frequentemente tentam utilizar o software fornecido pelo fabricante do robô para programação. Entretanto, esse software é geralmente utilizado para simulação, não para programação. Em um ambiente de simulação, é possível visualizar o erro, porém a dificuldade está em identificar a causa e como corrigi-la.
Uma abordagem diferente é o uso de conversores de pontos CAD/CAM, que criam trajetórias robóticas para diferentes tipos de aplicações. Os conversores de pontos tendem a fazer uma conversão rápida e barata para um sistema robótico, mas não há maneira de validar a cinemática e verificar se há erros.
O principal problema com esses métodos é a falta de uma ferramenta de otimização de caminhos. Quando o programa é carregado no robô, pode haver um extenso período de testes.
"Quando decidimos comprar uma nova solução para peças compostas de ferramentas com um robô, não podíamos imaginar como o mundo da robótica era diferente do nosso mundo tradicional de máquinas CNC", afirma Eddy Coubard, gerente de engenharia de produção CAD & CAM da SOGERMA COMPOSITES AQUITAINE. "Novo vocabulário, um novo método de trabalho e novos problemas, foi um desafio."
Celebrando seu trigésimo aniversário, a SOGERMA COMPOSITES AQUITAINE é uma subsidiária totalmente detida pelo Grupo SOGERMA, com sede na França, com 475 funcionários de produção e P&D que apoiam mais de 100 principais fornecedores na Europa e em todo o mundo com produtos de materiais compósitos de alto desempenho.
"Produzimos peças de compósitos aeronáuticos em pequenas quantidades, o que significa que temos que acertar na programação do robô logo na primeira vez", diz Coubard. "Caso contrário, nossos custos aumentam drasticamente."
"O primeiro software robótico que tentamos não foi eficiente de jeito nenhum", ele diz. "Foi preciso criar o percurso da ferramenta no software CAD/CAM e gerar um código G por meio de um pós-processador. Em seguida, era necessário ler esse código em um simulador, apenas para descobrir que, na maioria das vezes, havia erros." Em seguida, tivemos que voltar ao software CAD/CAM e escrever o código do robô através de outro pós-processador."
Este é um cenário típico. Uma empresa adquire um robô e tenta implantá-lo em uma operação de usinagem, apenas para perceber que não possui o software adequado para o trabalho.
Uma estratégia melhor: Planeje o software de programação do robô com antecedência. Isso deve ser feito no momento da aquisição do sistema robótico ou mesmo antes da compra.
Software CAD/CAM especificamente projetado para programação de robôs aborda questões de singularidade, colisões, limites articulares, problemas de alcance e inversões de pulso. O software correto deve calcular e otimizar automaticamente as trajetórias do robô, integrar perfeitamente eixos externos e fornecer feedback visual instantâneo. Deve ser fácil de usar, mesmo para operadores novatos em robótica.
O software também deve suportar a programação off-line, sem interromper a produção no chão de fábrica, exceto para o teste final e ajuste fino. As trocas se tornam, então, uma operação paralela, em vez de sequencial.
Recentemente nomeada como um dos 10 Fornecedores de Soluções de Design de Engenharia Mais Promissores pela revista CIO Review, a Jabez Technologies de Montreal, Canadá, lançou o primeiro software de programação robótica off-line baseado em CAD/CAM em 2002. A versão mais recente do software Robotmaster® simplifica a programação, simulação, geração de código e otimização de caminho em uma solução integrada. Todos os principais modelos de robô são suportados.
"Um robô pode ser um dispositivo difícil de gerenciar", diz Chahe Bakmazjian, presidente da Jabez Technologies. "Ele é composto de seis juntas rotativas empilhadas uma sobre a outra, então é muito difícil antecipar erros." Normalmente, você percebe o erro quando ele acontece. Não há aviso.
"Os fabricantes de aeronaves frequentemente implementam grandes sistemas robóticos, mas eles os utilizam apenas em uma área limitada onde sabem que podem evitar erros", afirma Bakmazjian. "Sempre que eles querem sair dessas áreas, se torna muito restritivo."
Coubard, da COMPOSITES AQUITAINE, afirma que, ao substituir seu antigo software, o tempo de programação deles foi reduzido de duas a três vezes.
"O Robotmaster nos permite trabalhar da mesma forma que costumávamos usar nossas máquinas CNC para usinar peças", diz ele. "Como o Robotmaster também se integra ao software Mastercam®, conseguimos realizar fresamento e perfuração em 7 eixos de forma rápida e fácil."
Coubard diz que eles estão usando o Robotmaster para programar um robô de 6 eixos montado em trilhos. As aplicações incluem ferramentas de proteção térmica feitas de fibra de vidro para o avião Airbus A330 e de favo de mel para o helicóptero Airbus Super-Puma MK II.
"Com o Robotmaster, somos capazes de abraçar o mundo da robótica. "Agora podemos preparar nossas peças compostas da mesma maneira fácil que costumávamos fazer com a máquina CNC", diz Coubard. "Na verdade, o novo recurso de simulação é tão poderoso que ainda não exploramos todas as suas capacidades."
Sem o Robotmaster, Coubard diz que provavelmente teriam abandonado a robótica e voltado aos antigos métodos de usinagem CNC.
No AMRC, o grupo de Morgan utiliza robótica e metrologia para desenvolver novos métodos de montagem de produtos complexos para aeroespacial e outras indústrias de alto valor.
"Estamos trabalhando com o Robotmaster nos últimos três anos", diz Morgan. "O software permitiu que nossos operadores e engenheiros reprogramassem a célula de forma rápida e eficaz, além de otimizarem o caminho da máquina." Ele apresenta uma grande flexibilidade e controle.
"Usar esse software se adapta especialmente ao ambiente de pesquisa, devido à nossa variedade de trabalho e variabilidade de peças", diz Morgan. "Nós não produzimos nada aqui, então frequentemente acabamos fabricando uma, duas ou três peças e depois passamos para a próxima." Mas o setor aeroespacial em si também está exigindo reconfigurabilidade, então estamos atendendo a esse requisito com o Robotmaster.
Os operadores afirmam que o software funciona perfeitamente 100% das vezes - na primeira tentativa - sem necessidade de intervenção manual para ensino ou ajustes. É programação de robô livre de erros, sem a complexidade. Tão fácil que até um novato pode usar.
Combine um robô flexível com uma solução de software avançada. Agora você tem total liberdade para explorar todo o espaço de trabalho do robô. O que antes era visto como uma responsabilidade de um sistema superdeterminado, com várias maneiras de alcançar o mesmo ponto, agora se transformou em uma oportunidade, graças às sofisticadas ferramentas de otimização de caminhos.
Os robôs provaram sua navegabilidade. Eles apenas precisam do software correto para obter todo o seu potencial.