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Monday, 18 Dicembre 2017

Come automatizzare l’assemblaggio di componenti aeronautici

Molte delle parti meccaniche dei motori aeronautici sono oggi assemblate manualmente da operatori umani. Un processo di automazione che sia economicamente sostenibile, sicuro e affidabile rappresenta un’importante sfida. - Several mechanical parts of aeronautical engines are manually assembled by human workers. An automation process that is economically sustainable, safe and reliable is quite an important challenge. Molte delle parti meccaniche dei motori aeronautici sono oggi assemblate manualmente da operatori umani. Un processo di automazione che sia economicamente sostenibile, sicuro e affidabile rappresenta un’importante sfida. - Several mechanical parts of aeronautical engines are manually assembled by human workers. An automation process that is economically sustainable, safe and reliable is quite an important challenge.

A differenza del settore automotive, dove i volumi di produzione sono molto elevati e il livello di automazione è estremamente alto, l’aerospace si avvale ancora di processi di assemblaggio e controllo qualità in cui all’operatore umano spetta gran parte del lavoro. L’automazione dell’assemblaggio rappresenta una sfida che richiede di andare oltre gli approcci standard della robotica industriale e dell’automazione, sviluppando nuove tecnologie da integrare a sistemi robotici commerciali.

di C. Canali, F. Cannella, D.G. Caldwell (IIT, Genova)

Novembre-Dicembre 2017

In ambito aeronautico, i processi di manifattura, assemblaggio e produzione di molti componenti (dai telai agli elementi motoristici) sono spesso delegati a operatori umani. Sebbene questo approccio possa godere dei benefici derivanti dalla flessibilità e precisione con cui l’uomo può portare a termine il lavoro, il processo non è tuttavia esente da svantaggi, quali la difficoltà di eliminare del tutto errori umani e la naturale impossibilità di avere un database e un log certificabile contenente tutti i dettagli del processo di produzione.
In riferimento al caso dell’assemblaggio di parti standard su gearbox per applicazioni aeronautiche, l’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), in collaborazione con AVIO Aero, ha progettato e realizzato un sistema per l’assemblaggio e l’ispezione di componenti aeronautici auto-riconfigurabile, capace cioè di assemblare un elevato numero di prodotti differenti senza nessun intervento esterno nel setup della cella.
Il sistema robotico è in grado di effettuare operazioni di assemblaggio con grande flessibilità e precisione, maneggiando centinaia di parti differenti, con una singola cella di lavoro e un singolo robot. Il sistema integra non solo la capacità di assemblare un elevato numero di famiglie di componenti, ma anche strumenti di ispezione, verifica e controllo della qualità del prodotto finale.

Robot antropomorfo industriale equipaggiato con un tool changer
Nel corso del lavoro qui descritto sono stati affrontati due aspetti cruciali del processo manufatturiero di scatole per ingranaggi da utilizzare in ambito aeronautico: l’assemblaggio di parti standard (principalmente inserti e prigionieri) e l’ispezione del prodotto. Entrambi i processi, attualmente, vengono effettuati manualmente.
L’interesse per un approccio a un metodo automatizzato di assemblaggio e ispezione nasce soprattutto dall’esigenza di un’elevata precisione e dalla necessità di raggiungere gli elevatissimi standard qualitativi propri del settore aeronautico. Per contro, il numero limitato di pezzi prodotti annualmente rende necessario disporre di un sistema flessibile e adattabile a numerosi prodotti.
La flessibilità del sistema è stato il concept alla base della strategia di progettazione del sistema stesso, a cui veniva richiesta la possibilità di manipolare un numero molto alto di componenti, differenti tra loro sia per taglia sia per tipologia (principalmente inserti e prigionieri da avvitare), riducendo comunque al minimo le componenti hardware e meccatroniche. La soluzione realizzata in forma prototipale e testata sul campo è stata identificata in un robot antropomorfo industriale equipaggiato con un tool changer (realizzato su misura) in grado di utilizzare un elevato numero di utensili a seconda della parte da assemblare. Il tool changer include non solo i tool per avvitare e installare decine di parti differenti, ma anche vari sensori in grado di verificare con precisione i parametri di assemblaggio, quali posizione finale dei componenti, coppie di serraggio e coppie di ritenzione.

Ridotti a zero i tempi di riconfigurazione della cella
La cella così progettata ha dunque la possibilità di essere impiegata nell’assemblaggio di prodotti differenti. Un sistema intelligente di riconoscimento del prodotto in corso di assemblaggio consente di ridurre praticamente a zero i tempi di riconfigurazione della cella: per ciascun prodotto il sistema è istruito su quali componenti assemblare, quali attrezzi utilizzare e su quali sono i parametri ottimali. Il sistema può inoltre essere facilmente istruito per l’assemblaggio di nuovi prodotti.
Il robot dedicato all’assemblaggio è, infatti, in grado di registrare tutti i parametri in tempo reale e immagazzinarli in un database disponibile per il controllo della qualità della produzione in linea con il paradigma di Industria 4.0.
Ciò che, tuttavia, rende il sistema unico nel suo genere, oltre alla capacità di riconfigurarsi in modo da adattarsi a prodotti differenti senza necessità di intervenire sul setup hardware della cella, è la capacità di effettuare operazioni di ispezione e controllo qualità già in fase di assemblaggio. Questo è stato reso possibile dall’integrazione di varie tecnologie: il sistema è equipaggiato con tool di riconoscimento immagini, sensoristica e dispositivi sviluppati appositamente.

Controllo durante e dopo l’assemblaggio
L’ispezione e il controllo qualità avvengono sia in tempo reale, durante l’assemblaggio, sia immediatamente dopo: in questa fase, sensori ottici e laser a triangolazione controllano il corretto posizionamento delle parti e confermano che l’assemblaggio sia stato realizzato conformemente alle specifiche di progetto.
Un ulteriore controllo viene effettuato da un dispositivo endoscopico automatizzato in grado di esplorare i condotti dell’olio nelle parti di motore e gearbox. Tale sistema individua la presenza di eventuali residui di lavorazione, trucioli, sabbie di fonderia o corpi estranei nei condotti, segnalando il problema. Studi di fattibilità sono in corso per aggiungere un sistema in grado di effettuare anche la rimozione automatica del corpo estraneo. Anche in questo caso, il dispositivo è stato sviluppato appositamente per lo scopo e testato in un caso reale.
Al termine della ricerca qui descritta il sistema, realizzato in una forma prototipale, ha raggiunto un livello di TRL6/TRL7 e si appresta ad avviarsi a una fase di ingegnerizzazione.

CASE STORIES

How to Automate the Assembly of Aeronautical Components

Unlike the automotive industry, where production volumes are quite relevant and the degree of automation in manufacturing is equally high, assembly and quality control processes in aerospace are still largely based on the work of human operators. Here, assembly automation is a challenge that goes beyond a standard approach to industrial robotics and automation, thus developing new technologies to be integrated into standard robotic systems.

In the aeronautical field, the manufacturing, assembly and production processes of several components (from chassis to motor elements) are often delegated to human workers. Although this approach might enjoy the benefits of flexibility and precision related to the way a human worker can fulfil a task, the process presents some disadvantages, such as the difficulty of completely avoiding human errors and the natural impossibility of having a certified log and database with all the details of the production process.
As for the assembly of standard parts on gearboxes for aeronautical applications, the Italian Institute of Technology (IIT), in collaboration with AVIO Aero, has designed and built a self-configurable system for assembling and inspecting aeronautical components, which is capable of assembling a large number of different products without any external intervention in the cell setup.
The robotic system can perform assembly operations with great flexibility and accuracy, handling hundreds of different parts, with a single cell and a single robot. The system integrates not only the ability to assemble a large number of component types, but also tools for inspection, check and quality control of the final product.

Six-axis industrial robot with a tool changer
Two key aspects of gearboxes manufacturing for aeronautical use have been tackled during the work described here: the assembly of standard parts (mainly inserts and studs) and the product inspection. Both processes are currently performed manually.
The interest in an approach to an automated assembly and inspection arises above all from the need for high precision, in addition to the need to reach the very high quality standards of aeronautics. On the other hand, the limited number of pieces manufactured annually highlights the need to have a flexible system, which can be also adapted to manifold products.
The system flexibility was the concept behind the design of the system itself, requiring the possibility of handle a large number of components, different in size and type (mainly inserts and studs to screw), while minimizing hardware and mechatronic components. The prototype and field-tested solution was an industrial six-axis robot equipped with a tailor-made tool changer capable to use a large number of tools according to the part to be assembled.
The tool changer includes not only the tools for screwing and installing dozens of different parts, but also several sensors that can accurately check assembly parameters such as the final position of components, tightening torque and retaining torque.

Cell reconfiguration time is reduced to zero
The cell might be used in the assembly of different products. A smart system for detecting the product during the assembly process makes it possible to virtually eliminate cell reconfiguration time. For each product, the system is trained on which components to assemble, what tools to use and which are the optimal parameters. Besides, the system can also be easily instructed for assembling new products.
The robot dedicated to assembly, in fact, is capable to record all the parameters in real time and store them in a database available to check production quality according to Industry 4.0.
In addition to the ability to reconfigure itself in order to adapt to different products with no need for interventions on the cell hardware setup, what makes the system unique is the ability to carry out quality control and inspection tasks already in the assembly stage. This has been made possible by the integration of several technologies: the system is equipped with image recognition tools, sensors and special devices.

Control during and after assembly
Inspection and quality control are performed both in real time, during the assembly and immediately afterwards: at this stage, optical sensors and laser triangulation check the correct positioning of parts and confirm that the assembly has been carried out in accordance with the project requirements.
An automated endoscopic device capable to scan the oil pipes in the engine and gearbox parts carries out an additional control. Such a system detects the presence of any machining scraps, chips, foundry sand or foreign bodies, pointing out the anomaly. Feasibility studies are underway to add a system that might also automatically remove the foreign body. Even in this case, the device was developed specifically for the purpose and tested in a real case.
At the end of the research described above, the system, made as a prototype, has reached a TRL6/TRL7 level. It will face soon the engineering stage.

Premio Innovazione 4.0
Questo progetto ha partecipato, nella categoria “Ricerca”, al Premio Innovazione 4.0, lanciato con successo nell’autunno 2016 nell’ambito dell’11ma edizione di A&T, al quale hanno partecipato centinaia di aziende eccellenti, università e start-up, presentando idee e casi applicativi concretamente utili per favorire l’introduzione delle tecnologie innovative e del modello Industria 4.0 nelle singole aziende.
Il Premio è stato ideato in collaborazione con le principali associazioni imprenditoriali: il comitato scientifico ha selezionato 97 contributi di particolare rilievo, costruendo così un programma informativo di concreta utilità che ha portato ulteriore valore aggiunto ad A&T (Torino, 3-5 maggio 2017), la manifestazione espositiva italiana dedicata alle tecnologie e soluzioni innovative in ottica 4.0.
Tutti gli interessati a partecipare all’edizione 2018 del Premio Innovazione 4.0 sono pregati di scrivere a Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo..

Innovation Award 4.0    
This project was part of the “Research” category at the Innovation Award 4.0, successfully launched in Autumn 2016 under the 11th edition of A&T, which gathered hundreds of prestigious companies, universities and start-ups, presenting ideas and case studies useful indeed to encourage the introduction of innovative technologies and the Industry 4.0 model in individual companies.
The Award was created in collaboration with the leading business associations: the scientific committee chose 97 relevant contributions, thus promoting a truly useful information programme that brought added value to A&T (Turin, 3-5 May, 2017) the Italian exhibition addressed to 4.0 innovative technologies and solutions.
Whoever might be interested to participate in the 2018 edition of the Innovation Award 4.0 is kindly requested to refer to the following address: Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo..

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