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Nova automação para a aviação

novembro 5, 2014
Tempo de leitura 10 min

Linhas automatizadas para construção de aviões não são lançadas todos os anos, tampouco são parecidas com aquelas que entregam um automóvel a cada 50 minutos. As soluções para o setor aeronáutico exigem critérios de segurança, rastreabilidade, confiabilidade e qualidade que, se não adequadamente atendidos, podem causar falhas catastróficas. Um grave defeito em um único ponto de solda da carroceria de um automóvel pode passar despercebido e talvez nunca causar problema. Já um simples defeito em qualquer uma das etapas do processo de rebitagem pode comprometer toda a aeronave e certamente colocar em risco a vida de várias pessoas. Quando uma solução de automação surge no setor aeronáutico, representa inovação com elevado conteúdo tecnológico e de ineditismo.

A Embraer tomava forma em 1950 com a fundação do Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA para fomentar e desenvolver a indústria aeronáutica no País, pouco antes de o Brasil receber as primeiras montadoras de automóveis no início da década de 60. Desse o início, a demanda de produção de aeronaves nunca alcançou um número que justifique o investimento de uma linha de produção com elevado nível de automação, porém algo já está mudando.

A grande quantidade de automóveis fabricados diariamente exige nível alto de automação na produção, que facilmente alcança o ponto de equilíbrio para viabilizar o investimento. No entanto, no setor aeronáutico, esse equilíbrio é obtido por outros critérios, como nível de criticidade do processo, redução no tempo de preparação e montagem e ganho com a qualidade de execução do processo. Uma única aeronave pode demorar até dois meses para ser fabricada, testada e entregue ao cliente. Logo, um pedido de dez aeronaves pode exigir até dez vezes esse prazo. Esse fato produz um frenesi contraditório; por um lado a empresa fica satisfeita com a quantidade do pedido, por outro, insegura, caso o cliente o cancele no meio tempo. Logo, a ação importante consiste em reduzir o prazo de entrega (time to market) de cada aeronave, sendo essa a justificativa-chave para automatizar os processos de montagem.

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Figura 1 – robô tipo manipulador Fonte: autor

figura 1As soluções de automação para o setor aeronáutico são bem diferentes quando comparadas às estabelecidas no setor automotivo. Um bom exemplo é o uso de robôs industriais do tipo manipuladores (antropomórficos), já que são os representantes definitivos de qualquer processo de automação (figura 1). Todavia, seu emprego em processos aeronáuticos não ocorre naturalmente, pois as tolerâncias e os requisitos de montagem de aeronaves estão pelo menos uma ordem de grandeza menor. Pode-se citar o processo de solda a ponto das partes que compõem a carroceria de um automóvel. Existem robôs no mercado prontos para essa operação (on the shelf), bastando comprá-los e colocá-los para trabalhar: em média, erram em 1 mm na posição de cada ponto de solda (erro de posicionamento absoluto), o que para um automóvel não representa problema algum, já que é a tolerância de execução típica. Entretanto, para o setor aeronáutico, a grande maioria dos processos de fabricação tem como tolerâncias e requisitos de montagem valores em torno de 0,1 mm, ou seja, dez vezes menores (uma ordem de grandeza). Dessa forma, para que um robô industrial possa ser utilizado em processos de junção de partes do setor aeronáutico, mecanismos adicionais de refinamento de sua exatidão de posicionamento absoluto devem ser considerados.

Existem vários caminhos críticos no processo de montagem de uma aeronave, que consomem uma quantidade significativa de tempo. Destaca-se a montagem das seções da fuselagem, que não é realizada pelo processo de soldagem, mas de rebitagem. A automação desse processo é complexa, exige soluções criativas e recheadas de toques de inovação, pois não existe algo pronto no mercado para atender seus requisitos e tolerâncias. Devido a isso, mais de 95% da cravação de rebites para fechamento de fuselagens é realizada por colaboradores especializados e com uso extensivo de ferramentas manuais de furação, além da aplicação de selante.

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Figura 2 – projeto de pesquisa para utilizar robôs no alinhamento e rebitagem de seções de fuselagem Fonte: autor

Recentemente a Embraer adquiriu uma célula especial para realizar o fechamento da fuselagem de sua linha de jatos executivo Legacy™. Essa máquina realiza de forma automática a furação e a rebitagem das seções da fuselagem (chamadas de charutos), além do alinhamento prévio dessas partes. Essa aquisição é o resultado de um projeto de pesquisa que durou dois anos em conjunto com o ITA para justamente desenvolver esse processo de alinhamento e rebitagem com o uso de robôs industriais, os mesmos usados no setor automotivo. Um fragmento desse projeto é apresentado na figura 2, em que é possível ver um robô (à direita) suportando uma seção de fuselagem e outro com uma ferramenta especial de rebitagem. Seu uso em sistemas de manufatura aeronáutica representa uma inovação para o setor, sendo que, nesse projeto de pesquisa, eles foram usados tanto para o posicionamento das seções de fuselagem, quanto para realizar os processos de furação, aplicação de selante e rebitagem.

Para atender o requisito de erro de posicionamento do processo de alinhamento das seções de fuselagem, tipicamente da ordem de 0,5 mm, um sistema metrológico externo foi integrado ao controlador de posição dos robôs para corrigir interativamente seu posicionamento. Foram avaliadas soluções de metrologia de grandes volumes, como sistemas de iGPS (in door Global Positioning System), CLR (Coerent Laser Radar) e Fotogrametria, sendo esse o sistema de melhor desempenho para o processo.

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Figura 3 – destaque dos sensores de um sistema de Fotogrametria para melhoria do posicionamento absoluto de robôs Fonte: Nikon K-series system

O uso do sistema metrológico baseado em CLR também atendeu o desafio, porém seu elevado custo e atuais problemas de integração com o controlador do robô acrescentam fatores negativos para sua escolha. O sistema de iGPS não apresentou, até a data de fechamento do projeto, maturidade tecnológica suficiente para viabilizar sua aplicação em uma linha de produção de alta criticidade produtiva. Já o sistema de Fotogrametria avaliado foi capaz de realizar medições estáticas e dinâmicas com elevada acurácia (tipicamente ± 0,02 mm), sendo formado por conjunto de três câmeras digitais e um aplicativo dedicado a medir e fornecer as coordenadas espaciais de cada grupo visível de marcadores luminosos. Esses marcadores, destacados no exemplo da figura 3, são pontos luminosos no infravermelho formados por LED que piscam cada um em uma determinada frequência, sendo detectados pelas câmeras. Esses pontos no espaço são calculados pelo computador de coordenadas do sistema, que, por sua vez, fornecem um retorno de posição e orientação para o robô, aumentando a exatidão de posicionamento absoluto. Esse sistema foi escolhido devido à sua robustez, boa relação custo/benefício e relativa facilidade de operação.

Figura 4 – ferramenta para realizar a rebitagem automática de estrutura aeronáutica com robô industrial Fonte: autor

Figura 4 – ferramenta para realizar a rebitagem automática de estrutura aeronáutica com robô industrial
Fonte: autor

Para realizar o processo automático de furação, aplicação de selante e rebitagem, esse projeto apresentou o desenvolvimento de um ferramental exclusivo (end-effector), fixado no punho de um robô industrial, sendo capaz de realizar cada um desses processos, conforme apresenta a figura 4. Para cravar cada rebite, são necessárias seis operações sequenciais e distintas: furação, escareamento, aplicação de selante no rebite, inserção do rebite, cravação e inspeção visual do processo. O dispositivo desenvolvido realiza todas com a vantagem de gerar pouco cavaco na interface de fixação das fuselagens, além de corrigir a posição e a orientação do robô para atender os requisitos exigentes de tolerância do setor aeronáutico.

A tolerância típica de erro de posicionamento de cada furo é de ± 0,1 mm, impossível de ser obtida por um robô industrial sem um sistema metrológico externo. Com efeito, cada furo deve atender os requisitos de forma (erro de circularidade < 36 µm) e orientação (erro de desvio de perpendicularidade < ± 0,5°), conforme ilustrado na Figura 5.

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Figura 5 – exemplo de erro de circularidade, posicionamento e perpendicularidade em furos Fonte: autor

Um típico avião comercial pode conter mais de 100 mil rebites, exigindo para isso a mesma quantidade de furos com a mesma qualidade e repetição dos demais processos. Esses procedimentos devem ainda ser repetidos em outras aeronaves com a máxima semelhança possível e confiabilidade, principalmente devido aos requisitos de segurança de fabricação impostos ao produto. A automação desse processo, mesmo que realizado parcialmente em uma aeronave, acarreta ganhos consideráveis de produtividade e qualidade, sendo esse o divisor de águas para investir em automação do processo de rebitagem em estruturas aeronáuticas. Grande parte dessa nova automação, chamada de automação de precisão, está representada por atividades de pesquisa realizada em laboratórios dedicados para isso, a exemplo do Laboratório de Automação da Manufatura do Centro de Competência em Manufatura do ITA, mostrado na figura 6.

figura 6

Figura 6 – vista parcial do processo de alinhamentos de fuselagens desenvolvido no CCM/ITA Fonte: autor

Apesar das limitações com relação à exatidão de posicionamento absoluto, robôs industriais apresentam erro de repetitividade (capacidade de repetir seu posicionamento) muito baixo (± 0,2 mm), ou seja são muito bons para realizar tarefas repetitivas. A grande oferta de capacidade de carga (payload), aliada à elevada robustez de funcionamento, colocam os robôs industriais em uma categoria de equipamento confiável e de elevada maturidade tecnológica (Technology Readiness Level 9). Seu uso em sistemas de manufatura aeronáutica ou aeroespacial é possível pela integração de sistemas metrológicos para medição de grandes volumes junto ao controlador de eixos do robô.

Existem diferentes tecnologias capazes de permitir a medição da posição e atitude (coordenadas e orientação) de ferramentas ou peças acopladas em um robô industrial, porém sua correta seleção e integração representam os desafios tecnológicos de automação que o setor aeronáutico e aeroespacial enfrenta.

Referências consultadas:

Alvarado, B. H. L., Avaliação do desempenho metrológico do sistema de medição iGPS, Dissertação de mestrado, ITA, 2010.

Amorim, D. Y. K., Avaliação de um sistema de fotogrametria para medição e correção da posição de robô industrial empregado na montagem de fuselagem aeronáutica. Dissertação de mestrado, ITA, 2011.

Anjos, J. M. S., Proposta de arquitetura de software de controle para efetuador robótico multifuncional. Dissertação de mestrado, ITA, 2010.

Eguti, C. C. A. & Trabasso, L. G., Design of a robotic orbital driller for assembling aircraft structures, Mechatronics Vol. 24, pp. 533-545, 2014.

Mosqueira, G. L., Towards the robotic assembly of fuselage, Dissertação de mestrado, ITA, 2012.

Crédito:

Artigo escrito por Carlos Eguti, doutor em engenharia mecatrônica pela Technische Universität Darmstadt – TUD e pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA na área de engenharia aeroespacial e mecatrônica, mestre em engenharia mecânica (ciências térmicas) pela Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” –Unesp e engenheiro elétrico pela Unesp. Atualmente faz pós-doutorado no Centro de Competência em Manufatura – CCM/ITA na área de mecatrônica, onde atua como pesquisador.

Para ler outros artigos, acesse: http://www.nei.com.br/artigos/artigos.aspx

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