IT9044821A1 - Metodo per l'assemblaggio di strutture, in particolare strutture aeronautiche - Google Patents

Description

METODO PER L’ASSEMBLAGGIO DI STRUTTURE, IN PARTICOLARE STRUTTURE AERONAUTICHE'

La presente invenzione propone un metodo per l’assemblaggio di strutture, in particolare strutture aeronautiche, mediante la posa automatica di rivetti o altro tipo di fasteners, a mezzo di due macchine accoppiata che lavorano in sincronia da parti opposte del pezzo.

Conformemente con il metodo secondo l'invenzione, le macchine vengono portate in asse in successione sui punti da lavorare, si effettuano dapprima tutti i fori previo serraggio delle parti dopo di che si procede con le altre lavorazioni quali posa del collante, posa del fastener ecc. Il metodo secondo l’invenzione trova una specifica anche se non esclusiva applicazione nel settore delle costruzioni aeronautiche per l'assemblaggio delle strutture di aerei, ad esempio durante il montaggio dei pannelli, ove si incontrano notevoli difficoltà in quanto occorre eseguire diverse lavorazioni entro tolleranze minime, su pezzi difficili da posizionare e maneggiare, quali i pannelli della fusoliera.

Trattasi, infatti, di strutture di notevoli dimensioni, aventi una lunghezza ed una larghezza di vari metri, uno spessore minimo, curve, e che devono venire fissate alle centine costituenti l’ossatura del velivolo per mezzo di rivetti.

Per fare ciò occorre, una volta posizionati i pezzi da lavorare, serrarli l'uno contro l’altro e procedere con una serie dì lavorazioni che comprendono la foratura, l’eventuale sbavatura, la svasatura del foro, la posa di collante, l’inserimento del rivetto e la sua ribaditura.

Queste operazioni fino a pochi anni or sono venivano svolte manualmente, con l’ausilio di maschere di foratura e facendo uso di utensili in grado di eseguire lavorazioni a profondità, controllata.

Solo negli anni più recenti sono state sviluppate macchine utensili in grado di svolgere automaticamente tutta una serie di operazioni con la necessaria precisione.

Macchine in grado di effettuare queste operazioni sono prodotte dalla e commercializzate con il nome

Queste comprendono una struttura mobile lungo una terna di assi cartesiani sulla quale è montata una testa porta-utensili dotata di due o più gradi di libertà, alla quale vengono applicati, di volta in volta, gli utensili o gli end effectors necessari.

Siccome però ogni qual volta si effettua la sostituzione degli end effectors occorre riqualificare la macchina, ripristinando tutti i riferimenti, gli zeri meccanici, elettronici ecc. e l'operazione richiede tempi notevoli, con i procedimenti automatici attualmente noti si effettuano dapprima tutte le lavorazioni di un determinato genere su un pannello, che viene poi rimosso dal supporto e immagazzinato per procedere con la stessa lavorazione sul pannello successivo

Al termine si ferma la macchina, ei sostituisce l’end effector si riposizionano i pannelli uno per volta sul supporto per procedere con le lavorazioni successive.

E' ovvio che questa soluzione comporta numerosi inconvenienti dovuti alla necessità di spostare ed immagazzinare numerosi pezzi non ancora completamente lavorati, di notevoli dimensioni e delicati da maneggiare.

Sono inoltre note macchine che effettuano tutte le operazioni su un foro prima di passare al successivo, ma si tratta di macchine fisse, che comportano di conseguenza la necessità di muovere i pezzi, i quali vengono inseriti nella macchina per eseguire le lavorazioni previste, con ovvie limitazioni in quanto le dimensioni del pezzo sono limitate da quelle della macchina.

Per questa ragione, è sentita l'esigenza di mezzi che consentano di effettuare tutte le operazioni necessarie per la posa dei fasteners, senza la necessità di interrompere le operazioni e fermare la macchina.

Per ovviare a tale inconveniente scopo la presente invenzione propone un metodo per l’assemblaggio di strutture, in particolare nel settore aeronautico, che prevede l’utilizzazione di una coppia di macchine che lavorano in sincronia, da parti opposte del pannello o del pezzo da assemblare.

Conformemente con il metodo dell’invenzione, le màcchine si portano in successione sui punti da lavorare, allineate da parti opposte del pezzo e in asse con i rispettivi fori, per effettuare dapprima un ciclo di preparazione di tutti i fori e qui procedere con le altre operazioni previste dopo aver sostituito automaticamente o manualmente l’utensile e serrando le parti senza creare sovraccarichi sui componenti o sulle strutture di supporto e senza deformare la struttura.

Come detto, macchine di questo genere sono già note e disponibili commercialmente.

Utensili a forare provvisti di un piede pressore regolabile sono descritti nella domanda italiana 44803 A/88 pubblicata il 9/9/89, mentre apparati portautensili previsti-per essere utilizzati in unione con dette macchine sono descritti nel brevetto USA 4344221, Sono inoltre note- macchine a sostituzione automatica degli end effectors, descritte nella domanda di brevetto italiana n. 44815 A/89 della stessa richiedente.

La presente invenzione sarà ora descritta dettagliatamente, a puro titolo esemplificativo, con riferimento alle figure in cui:

- la figura 1 illustra, nel suo complesso, una delle macchine utilizzate per l’attuazione del metodo secondo l’invenzione;

- la figura 2 illustra in sezione una piastra di supporto degli end effectors da applicare alla testa porta-utensili della macchina;

- la figura 3 è la vista di un complesso per l’attuazione del metodo secondo l’invenzione, comprendente due macchine accoppiate che lavorano lo stesso pezzo in sincronìa.

la figura 4 illustra schematicamente la successione delle operazioni per la posa di un rivetto .con il metodo secondo l'invenzione;

- la figura 5 è uno schema a blocchi che illustra le apparecchiature ed i relativi controlli;

- le figure da 6 a 10 illustrano utensili o end effectors che possono essere utilizzati per la posa e la ribaditura dei rivetti. Il metodo secondo l’invenzione prevede l’utilizzazione di una coppia di macchine utensili, ad esempio del tipo di quella illustrata in figura 1, che comprende un supporto 1 che si muove lungo un basamento 2 in direzione dell’asse X, supporto sul quale è montato un cannotto 3 mobile lungo gli assi Y e Z che, assieme all'asse X costituiscono una terna cartesiana.

All’estremità del cannotto o braccio 3 è montata una testa portautensili 4 a due gradi di libertà, definiti dagli assi di rotazione A e C.

La testa 4 è provvista di attacchi rapidi per la applicazione di una piastra porta end effectors, quale quella illustrata in sezione in figura 5.

La piastra, applicata alla testa porta-utensili 4, è dotata di due gradi di libertà lungo una coppia di assi ortogonali V e W, il secondo dei quali è perpendicolare al piano del disegno in fig.5. Queste macchine, come detto, sono di per sè già note dalla domanda di brevetto italiano 44815 A/89 alla quale si rimanda per eventuali altri dettagli. Per una buona comprensione dell’idea di soluzione qui espoeta, è sufficiente sapere che sulla piastra sono montati una serie di end effectors, ciascuno provvisto di un utensile con l’asse parallelo all’aese W.

Gli end effectors vengono portati ciascuno sul punto da lavorare facendo scorrere la piastra lungo l’asse V, dopo di che i singoli end effectors sono fatti avanzare lungo l’asse W, con spostamento controllato dal CNC della macchina, per effettuare la lavorazione. Il metodo secondo l’invenzione prevede l'utilizzazione di una coppia di queste bacchine, che lavorano in sincronia di parti opposte del pezzo.

Ciascuna di esse è equipaggiata con una piastra sulla quale sono montati più end effectors, che possono essere gli stessi per entrambi le macchine oppure differenti, a seconda del tipo di lavorazione.

Nel caso particolare delle operazioni di rivettatura, su una delle macchine saranno montati end effectors con utensili in grado di premere contro il pezzo da lavorare per bloccarlo in posizione, utensili in grado di effettuare foro e svasatura, utensili per la posa del collante e per la posa e la ribattitura del rivetto.

Sulla seconda macchina, oltre ad un pressore in grado di cooperare con quello della prima macchina, saranno presenti dispositivi per la pulizia del foro, per le operazioni di sbavatura, per l’eventuale controllo della presenza del rivetto ed un incudine. Questi end effectors sono commercialmente disponibili, prodotti ad esempio dalle ditte Atlas Copco, CA-V Gesipa (DE) o Kaynar (USA). In figura 4 è schematizzata la successione delle operazioni in un ciclo di rivettatura, con il metodo secondo l'invenzione

In questa ffigura il pezzo da lavorare è indicato con 5, i numeri da 6 a 10 indicano i diversi end effectors montati sulle macchine mentre con P e P' si indicano i pressori.

Lo schema del sistema di controllo delle macchine è illustrato in figura 5.

L’attività di entrambe le macchine è controllata da un computer principale 10, al quale fanno capo un terminale dell’operatore 11, una stampante 12, un sistema a dischi 13 per la memorizzazione dei programmi ed un sistema a nastro di Backup.

Questo computer principale è collegato tramite una rete Ethernet con protocollo di comunicazione IS0/0SI alle due macchine o robot 15 e 16 e ad un controller 17 preposto alla gestione delle attrezzature e dei pezzi da lavorare e dei relativi meccanismi automatici o semi automatici di posizionamento e bloccaggio in posizione di lavoro.

Il controllo numerico di ciascun robot gestisce il controller 19 degli end effectors, e il controller 20 dell’apparecchiatura di alimentazione dei rivetti, che a sua volta riceve i rivetti da una stazione di alimentazione 21.

Ciascun robot è poi interfacciato con un tastatore 18.

Prima di far partire i cicli operativi, non appena il controller 17 conferma l’aw enuto posizionamento del pezzo da lavorare, il robot fa avanzare il tastatore 18 per verificarne l’esatto posizionamento e, se la posizione rilevata è differente da quella teorica, in base al rilevamento effettuato la macchina riconfigura in funzione della posizione effettiva del pezzo.

La rete che collega i robot ai controller 19 e 20 è una rete di tipo BITBUS (marchio della INTEL).

Il computer 10 aziona poi i porta utensili 22 affinché presentino l’utensile adatto che viene poi prelevato dai robots 15 e 16, sempre sotto il controllo del PLC e del computer 10.

La prima fase del 'metodo secondo l'invenzione prevede di portare in asse con il punto da lavorare (fig.4) entrambe le macchine, equipaggiate con i pressori P e P’ che vengono fatti avanzare fino a serrare le parti da sottoporre a lavorazione (fig.4b), ad esempio un pannello ed il supporto al quale deve essere applicato. A questo scopo la prima macchina trova la posizione in cui deve essere fatto il foro e posiziona la testa 4 coassialmente al foro. Allo stesso modo la seconda macchina, dalla parte opposta, porta in posizione la rispettiva testa 4 sulla quale è montato 1’incudine.

Gli utensili sono quindi fatti avanzare lungo l'asse W per serrare le parti con una forza predeterminata e la macchina principale, o master, fa avanzare lungo l'asse l’utensile a forare (fig.4c) per effettuare il foro e la svasatura (fig.4d).

L’utensile viene quindi ritratto, sempre mantenendo serrato il pezzo e la seconda macchina, asservita alla prima, fa avanzare un end effector per soffiare via la polvere o per operazioni di sbavatura (fig.4e).

Si rilascia quindi il pezzo e le macchine si spostano corriepondenza del secondo foro, fino a completare la serie.

Si procede poi alla posa dei rivetti, dopo che le macchine hanno sostituito gli end effectors, come spiegato nella citata domanda di brevetto 44815 A/89.

Le macchine si riposizionano in corrispondenza del primo foro, effettuano il serraggio dei pezzi, dopo di che la macchina principale porta in asse il secondo end effector (fig.4f) e ne comanda l’avanzamento, per la posa dell’eventuale collante (fig.4g).

Al termine anche questo end effector viene ritratto (fig.4h) e la macchina principale porta in asse il terzo utensile (fig.4i) per la posa del rivetto.

Viene quindi alimentato il rivetto, la cui presenza è controllata da un end effector montato sulla seconda macchina, dopo di che avviene la ribaditura del rivetto (fig.41).

Infine, viene ritratto l’utensile che ha effettuato la ribattitura del rivetto (fig.4m) e si rilascia quindi il pezzo essendo terminato il ciclo di posa del fastener.

Le macchine possono ora muoversi per portarsi in asse sul foro successivo e posare un nuovo rivetto.

Le figure da 6 a 9 illustrano ulteriori versioni di end effectors rispettivamente per forare, sbavare, inserire un rivetto e ribadirlo.

E’ ovvio che la sostituzione automaticamente degli end effectors non è indispensabile e che il metodo secondo l’invenzione essere attuato anche con le macchine già disponibili.

In unione ai già citati utensili a forare della domanda 44803 A/88, potranno essere previsti utensili quali quelli delle figure da 6 a 10.

L’end effector di figura 6 comprende una piastra 23 solidale al cono 24 per l’attacco alla testa della macchina e sul quale è montato un corpo 25 che scorre su guide 26 in contrasto a molle 27.

All’interno del corpo 25 è montato l’utensile .28, ad esempio un martello a rivettare, di tipo noto.

Questo end effector può essere accoppiato ad un alimentatore di rivetti di tipo noto.

In alternativa potranno essere previsti uno o più magazzini di rivetti 29 contenuti direttamente nel corpo 30 (fig.7), montato sulla piastra 23.

La figura 9 illustra un end effector per fissare rivetti a collare, che comprende un caricatore 31 per i collari che vengono avvitati dall’utensile 32 di tipo commercialmente disponibile. In questo caso i rivetti 33 possono essere alimentati dall’utensile di figura 8, anch'esso commercialmente disponibile. L’end effector di figura 10 è una variante del precedente, con un alimentatore di collari 34 del tipo a disco, disposto inclinato cosi da evitare qualsiasi ingombro in prossimità del dispositivo di avvitamento, per operazioni di rivettatura anche in prosimità di nervature 35 o simili.

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un metodo di assemblaggio tramite rivettatura di componenti a mezzo di centri comprendenti macchine utensili mobili controllate da computer comprendente le fasi di: (a) trattenere i componenti da assemblare e rivettare, accoppiati in posizioni fisse predeterminate; (b) montare gli 'utensili per la formazione del foro e end effectors sulla testa porta-utensili di un primo robot; (c) montare end effector sulla testa porta-utensili di un secondo robot; (d) posizionare detti primo e secondo robot da parti opposte e allineati con una predeterminata posizione del foro, da parti opposte dei componenti; (e) attuare detti end effector di detti primo e secondo robot ad impegnare e stringere leggermente tra di loro detti componenti; (f) controllare le forze di serraggio applicate a detti componenti per evitare su di essi stress e sforzi non controbilanciati; (g) attuare detti utensili di foratura per ricavare un foro per un rivetto attraverso detti componenti in detta posizione del foro; (h) rimuovere detti end effector e posizionare detti robot allineati e coassiali con un'altra posizione di un foro; e ripetere le fasi da (d) a (g) fino a quando sono ricavati su detti componenti tutti i fori per i rivetti; (i) sostituire gli end effector e gli utensili di foratura sulle teste di detti robot con end effector comprendenti mezzi atti alimentare e a posizionare i rivetti; (j) riposizionare detti robot da parti opposte di detti componenti, allineati con i fori precedentemente ricavati; (k) attuare detti robot ed end effector per serrare detti componenti leggermente con una forza regolati in modo da evitare stress e sforzi non bilanciati; (l) attuare dett'i mezzi di alimentazione del rivetto per posizionare un rivetto da inserire in detto foro precedentemente ricavato; (m) attuare detti dispositivi di poeizionamento del rivetto per inserire detto rivetto in detto foro e (nj rimuovere detti end effector e successivamente risposizionare detti robot allineati con ciascuno dei fori precedentemente ricavati e ripetere le fasi da (k) a (n) fino ad installare un rivetto in ciascun foro.
2. 2. Il metodo della rivendicazione 1, in cui detto end effector montato su detta testa di detto secondo robot conformemente con la fase (c) comprende mezzi atti ad effettuare la sbavatura e in cui si azionano detti utensili di sbavatura fino a completare la fase (g).
3. 3. Un metodo di assemblaggio di componenti per mezzo di fasteners in cui si fa UBO di una coppia di macchine utensili a controllo computerizzato in grado di compiere movimenti lungo più assi e funzionanti simmetricamente da parti opposte di detti componenti, comprendenti le fasi di: fissare i componenti da assemblare in una posizione fissa; montare utensili a forare BU una di dette macchine utensili; montare su entrambe dette macchine utensili end effector atti ad impegnare e serrare detti componenti con una forza predeterminata in corrispondenza di ciascun foro; posizionare dette macchine utensili coassialmente da parti opposte rispetto alla posizione di ciascun foro; attuare detti end effector per serrare detti componenti; attuare detti utensili a forare per ricavare un foro per il fastener in detti componenti in detta posizione; rilasciare detti end effector e successivamente posizionare dette macchine utensili coassialmente da parti opposte in corrispondenza di un ulteriore foro e ripetere le operazioni di serraggio e foratura per ricavare una serie di fori distanziati in detti componenti; sostituire gli end effectors e gli utensili a forare su dette macchine utensili con end effector ed utensili di posizionamento del fastener atti a serrare i componenti e aventi mezzi per alimentare fasteners da inserire nei fori ricavati; rìposizionare dette macchine utensili coassialmente su un foro già ricavato e attuare detti end effectors per serrare detti componenti; attuare gli alimentatori del fastener e i dispositivi di posizionamento del fastener per inserire e installare un fastener in un foro e ripetere le ultime due fasi in corrispondenza di ciascun foro.
4. 4. Apparato per assemblare componenti tramite rivettatura comprendenti: - una pluralità di macchine utensili automatiche o robot ad alta velocità, con controllo a distanza, mobili, a più gradi di libertà; - ciascun robot comprendente una base atta a muoversi lungo un asse X orizzontale, una colonna verticale supportata da detta base, in grado dì ruotare attorno a un asse verticale Y, un braccio orizzontale montato su detta colonna atto a muoversi lungo detto asse verticale e lungo il suo asse orizzontale Z, una testa a due assi di rotazione montata all'estremità di detto braccio e un mandrino porta-utensili montato su detta testa e mobili indipendentemente rispetto ad essa lungo un asse lineare; - mezzi di fissaggio per bloccare rigidamente i componenti da assemblare in una posizione compresa fra detti robot, le teste di detti robot essendo mobili lungo detti assi X, Y, Z e attorno a detti assi dì rotazione per posizionare le stesse in Qualsiasi -punto da parti opposte di detti componenti; mezzi per alimentare fasteners a detti robot, mezzi per cambiare automaticamente e equipaggiare detti robot con utensili selezionati comprendenti end effectors atti a ricavare e preparare fori in detti componenti ed installarvi fasteners; - computer per controllare e coordinare il funzionamento di detti apparati secondo un programma e una geometria di assemblaggio predeterminati, facendo muovere detti robot per posizionarli in predeterminate posizioni da parte opposte di detti componenti per effettuare il collegamento degli stessi.
5. 5. L'apparato della rivendicazione 4, in cui detto sistema di computer comprende un computer principale che controlla una pluralità di sub computer che comandano direttamente detti robot, detti mezzi di fissaggio, detti mezzi di alimentazione dei faeteners, detti mezzi per equipaggiare detti robot e detti end effectors.
6. 6. L’apparato della rivendicazione 4, in cui detti computer fanno lavorare detti robot simmetricamente da parti opposte di detti componenti per formare una serie di fori per i fasteners in punti predeterminati, con il successivo riposizionamento di detto robot da parti opposte di detti fori preventivamente ricavati per installarvi un fastener.
7. 7. L’apparato della rivendicazione 4 comprendente un sensore montato su detti robot per verificare la posizione programmata dal computer di detta struttura di fissaggio e detti componenti.
8. 8. L’apparato della rivendicazione 4 in cui ciascuno di detti end effectors comprende un corpo da applicare alla testa di un robot e avente un piede collegato a un sensore per determinare la pressione esercitata su detti componenti, detti piedi montati su detti robot cooperando per serrare detti componenti attorno a ciascun foro con una forza predeterminata senza imporre stress o forze sbilanciate su'deΜtti3⁄4cοomponenti e detta struttura.
9. 9. L’apparato della rivendicazione 8, in cui detto end effector comprende mezzi atti a fare avanzare e ritornare il relativo utensile.
10. 10. L’apparato della rivendicazione 9, in cui detti utensili sono utensili per la preparazione di fori.
11. 11. L'apparato della rivendicazione 9, in cui detti utensili sono utensili per installare dei fasteners.
12. 12. L'apparato della rivendicazione 4 in cui detti end effectors comprendono un piede pressore per impegnare uniformemente i componenti da assemblare in corrispondenza di ciascun foro e mezzi per muovere assialmente detto piede ad impegnare detti componenti indipendentemente dal movimento assiale di detto braccio portautensile, per serrare assieme detti componenti.
13. 13. Apparato per assemblare automaticamente componenti metallici di una struttura per mezzo di rivetti comprendenti: - una coppia di macchine utensili automatiche o robot ad alta velocità, mobili e comandate a distanza aventi teste portautensili atte a muoversi lungo 3 assi lineari ed almeno una coppia di assi rotazionali così da poter assumere qualsiasi posizione nello spazio; - mezzi di fissaggio per trattenere rigidamente i componenti da assemblare in una posizione fissa fra detti robot così che le rispettive teste di questi ultimi possono muoversi in qualunque posizione da parti opposte di detti componenti; - mezzi dì serraggio montati su dette teste dei robot per serrare detti componenti con una forza predeterminata per controllare ed evitare stress su detti mezzi di fissaggio e detti componenti, detti mezzi di fissaggio essendo selettivamente azionati in predeterminate posizioni di detti componenti ove occorre ricavare dei fori e installarvi dei fasteners·, - utensili selettivamente accoppiabili a dette teste dei robot per formare e preparare i fori per fasteners in detti componenti in dette posizioni; - mezzi per alimentare almeno uno di detti robot con i fasteners selezionati; - utensìli addizionali selettivamente accoppiabili ed azionabili da dette teste porta-utensili per ricevere e installare detti fasteners in detti fori e - computer per controllare e coordinare il funzionamento di detti robot conformemente con un programma ed una geometria di assemblaggio predeterminati, facendo muovere le teste da parti opposte di detti componenti per effettuare la preparazione del foro e l'installazione di detti fasteners.
14. 14. Il complesso della rivendicazione 13 in cui detto computer controlla detti robot a lavorare simmetricamente da parti opposte dei componenti per formare una serie di fori in posizioni predeterminate con il successivo riposizionamento di dette teste portautensili da parti opposte di detti fori già formati per l'installazione di detti fasteners.
15. 15. Il complesso della rivendicazione 13 in cui detti mezzi di serraggio sono provvisti di end effectors allineati e disposti dà parti opposte montati sulle teste di detti robot, ciascun end effector comprendente un piede pressore per impegnare una superficie di una componente da assemblare e mezzi sensori montati su detti utensili per rilevare l’impegno di ciascun pressore con detti componenti e determinare le forze di serraggio da applicare.
16. 16. Il complesso della rivendicazione 13 in cui detto computer comprende un computer principale che controlla una pluralità di sub-computer che controllano direttamente detti robot, detti mezzi di fissaggio e detti mezzi di alimentazione dei fasteners, detti mezzi di fissaggio e dette teste portautensili e detti utensili.