COLABORATIVO CON APLICACIONES INTERCAMBIABLES PARA OPERACIONES AUTOMATIZADAS DE TALADRADO, AVELLANADO Y

REMACHADO

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un sistema basado en robótica colaborativa que sirve de apoyo a la fabricación y al montaje para estructuras complejas aeronáuticas.

Incluye el análisis del proceso y el desarrollo de las soluciones de montaje que permitan la integración de robots colaborativos en las líneas de producción para la realización de aplicaciones para el taladrado, avellanados, aspirado y la instalación de remaches hi-lok y hi-lite en estructuras de fibra de carbono y metálicas.

Hoy en día la aplicación de robots está muy extendida en una gran variedad de sectores industriales, sobre todo en plantas de fabricación a gran escala, donde estos realizan habitualmente una gran multitud de tareas como soldadura, pintura, ensamblaje, ‘pick-and-place’, inspección de productos y pruebas de calidad, todo con gran velocidad y relativa precisión. Sin embargo, los últimos avances en la tecnología de robótica y la miniaturización de los componentes electrónicos y procesadores han permitido el nacimiento de una nueva era en la automatización industrial: la de los robots colaborativos.

Caracterizados por ser ligeros, flexibles y fáciles de instalar, los robots colaborativos están diseñados especialmente para interactuar con humanos en un espacio de trabajo compartido sin necesidad de instalar vallas de seguridad.

Ofrecen un rápido retorno de inversión, no requieren técnicos especializados para su montaje y puesta en marcha, se pueden reconfigurar para operar en diversos puntos de una línea de producción y permiten a las empresas optimizar su productividad. Representan una nueva era en la automatización industrial porque permiten la introducción de robots en sectores y procesos industriales en los que, hasta ahora, no había sido viable. Los robots colaborativos no compiten con los robots industriales tradicionales, simplemente son diferentes. La robótica colaborativa es una nueva forma de automatización industrial que complementa la actual oferta.

A medida que las empresas industriales adoptan cada vez más esta tecnología, se benefician de la sencillez y flexibilidad que los cobots les ofrecen. Las industrias y empresas donde la automatización es menos prevalente en la actualidad debido al coste, los riesgos y la poca flexibilidad de los robots tradicionales serán las que más se beneficiarán de la robótica colaborativa a lo largo de la próxima década.

Actualmente los procesos industriales del Sector Aeronáutico siguen estando bastante alejados de lo que representa en sí una Industria 4.0.

La industria aeronáutica, debido a la alta competitividad del sector, se enfrenta a una importante necesidad de reducción de los costes en sus procesos productivos.

Pese a ser una industria altamente tecnológica, la mayor parte de los ensamblajes aeronáuticos están todavía escasamente automatizados, debido a los bajos volúmenes de producción comparado con otras industrias, como por ejemplo la del automóvil, que condiciona el retorno de las inversiones.

Las dificultades actuales, como el estado del arte de los sistemas robotizados, no permite su aplicación directa en la industria aeronáutica debido a que sus precisiones de posicionamiento y ensamblajes no cumplen los altos requerimientos de este sector.

Uno de los pilares de la implantación de la Industria 4.0 es la Automatización de Procesos.

Dentro de esta automatización de los procesos productivos siempre existe la decisión entre el grado de automatización, donde un punto de conflicto es la decisión entre la implantación de la robótica industrial frente a la robótica colaborativa.

En aquellos procesos donde una robotización de alto nivel no puede ser rentable debido a la tipología del proceso, una solución a desarrollar es la implantación de los robots colaborativos. Los robots colaborativos han de estar diseñados para trabajar con seguridad e interactuar con los operarios, esto significa que no requieren jaulas y puede trabajar junto al operador.

La presente invención viene a resolver este problema, presentando ventajas técnicas frente a otros sistemas similares existentes, dando una solución integral de aplicaciones específicas que permitan la realización de operaciones automatizadas, principalmente:

- Operaciones de remachado automatizadas para robots colaborativos, mediante cabezal eléctrico acoplado a robot c, que permite realizar tareas de alimentación de remaches a partir de un sistema de alimentación automatizado, posicionado de remaches, remachado y verificación digital de que la operación. Este dispositivo tiene integrado un sensor de par de apriete para asegurar el par de apriete o rotura del collar, permitiendo consolidar la operación de remachado.

- Operaciones de taladrado, avellanado y aspirado con requerimientos muy altos de precisión, mediante el empleo de plantillas y sistemas de calibración, así como software específico integrado en el sistema que permitan la minimización de cualquier error.

- Operaciones de comunicación, monitorización/gestión e interface hombre & Robot, basadas en programación del siguiente hardware: robot colaborativo, operario, periféricos y sistema de comunicación mediante HMI para la ejecución de operaciones mecánicas de taladrado, avellanado, aspirado y remachado, a partir de un sistema automatizado de gestión de equipos y comunicaciones entre los diferentes dispositivos, que permita gestionar la seguridad de los operarios mediante sensores de seguridad, un sistema de calibración y configuración de tolerancias y precisiones mediante equipo de visión artificial e interconexión entre los elementos hardware para la configuración del proceso de fabricación.

En resumen, esta invención comprende el desarrollo de un nuevo equipo que, mediante sistemas de medición y posicionamiento, permita automatizar operaciones complejas del sector aeronáutico desde dispositivos portátiles que gestionarán los operarios. Con ello se busca el aumento de productividad y flexibilidad de las líneas productivas, además de la mejora en materia de calidad, seguridad y ergonomía de los operarios.

Las ventajas de esta invención son las siguientes:

- Ajuste de forma flexible a las necesidades de sincronización de procesos de fabricación y logística integrada.

- Monitorización de la situación y grado de avance en tiempo real.

- Simulación real y mejora continua de procesos.

- Disminución de los tiempos de producción.

- Seguridad industrial totalmente integrada.

- Aseguramiento de los niveles de calidad requeridos en el sector aeronáutico.

Para todo ello, se integran sensores y periféricos que garantizan la eficacia y robustez de operaciones rutinarias de montajes preservando la seguridad y ergonomía del operario, dentro del marco de la Innovación y Desarrollo. Se establecen tablas paramétricas y algoritmos para su ubicación de forma optimizada en función de las zonas de trabajo correspondiente a cada elemento estructural.

La aplicación industrial de esta invención se encuentra dentro de la implementación y desarrollo de sistemas de operaciones de precisión que garantice el cumplimiento de los requisitos de la industria aeronáutica.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En el contexto tecnológico y productivo en el que nos encontramos, surgen las siguientes necesidades relacionadas con los robots en la implantación en distintos sectores:

• Deben ser aún más precisos. La Tecnología actual de los robots produce errores de posicionamiento de piezas, no pudiendo ser utilizados dentro de los sectores en donde se requiere tolerancias muy estrechas.

• Han de ser más seguros y trabajar en colaboración con los operarios. • Deben ser multifuncionales. Los robots colaborativos deben realizar vahos procesos sobre una misma estructura para asegurar su rentabilidad.

• La falta en el mercado actual de Cabezales herramientas adaptados a robots para procesos productivos.

• Hay que adaptarlos a nuevos espacios seguros de trabajo colaborativos, en donde van a trabajar con personas.

Tienen que reconocer su entorno, mediante sensores y cámaras, y actuar en función de las circunstancias y dotarlos de cierta inteligencia.

Aunque no se ha encontrado ninguna invención idéntica a la descrita, exponemos a continuación los documentos encontrados que reflejan el estado de la técnica relacionado con la misma.

Así el documento ES2666834T3 hace referencia a un sistema mejorado de remachado automático, del tipo de los utilizados en las instalaciones robotizadas de precisión para la realización de funciones múltiples con el mismo equipo, que consiste en una máquina de cinemática paralela que comprende un conjunto de varios cabezales monofunción fijados individualmente y alineados paralelamente a una brida de trabajo de la máquina de cinemática paralela, encargándose esta última de realizar los oportunos desplazamientos de los cabezales monofunción independientes al mismo punto de trabajo durante las diferentes fases del remachado, siendo estos desplazamientos de la máquina de cinemática paralela equivalentes a la corrección de su control numérico para compensar el desplazamiento u offset entre los cabezales monofunción independientes. Dicho sistema mejorado solo se refiere al remachado, mientras que la invención principal contempla otras operaciones, como el taladrado.

CH101005908A propone un sistema de remachado automático mejorado para un dispositivo de precisión automático que implementa múltiples funciones en el mismo dispositivo, que el sistema de remachado automático emplea un cabezal de herramienta independiente de función única que está acoplado de manera fija a una máquina herramienta paralela a través de una brida de conexión mecánica. Coincide con su homologa nacional, explicada anteriormente. CN102083567A describe un dispositivo multifunción para el remachado automático mediante control digital, que es adecuado para el acoplamiento mediante remachado de piezas de metal, piezas de fibra de carbono, piezas de fibra de vidrio u otras piezas que tengan tolerancias de fabricación estrictas, como en la industria aeroespacial. El dispositivo comprende una máquina o robot con un sistema de posicionamiento de alta precisión que se mueve mediante control digital y está provisto de una cabeza que se aplica a la pieza pendiente; en el que el cabezal tiene una pluralidad de módulos de función única, cada uno de los módulos de función única realiza una operación continua en un único punto de operación. El sistema de posicionamiento comprende una máquina cartesiana controlada digitalmente, un pórtico, una puerta de puente, una máquina tipo "C" u otra máquina, una máquina cinemática paralela o robot, un robot articulado de precisión, o tiene máquinas o robots con suficiente precisión y repetibilidad para aplicar a estructuras grandes con tolerancias estrictas. Al igual que en los documentos citados anteriormente, se trata de un dispositivo/sistema que no comprende instrumentación dedicada a otras actividades como son las de taladrado, por ejemplo, que sí se contemplan en el sistema objeto de la invención principal.

CN105642769A propone un mecanismo de remachado con la función de cambiar automáticamente los cabezales de remachado. El mecanismo de remachado comprende un soporte, un primer dispositivo de accionamiento fijado al soporte, un bloque de presión impulsado por el primer dispositivo de accionamiento para moverse hacia arriba y hacia abajo, y un módulo de conmutación automática fijado al soporte y ubicado debajo del bloque de presión, en el que el módulo de conmutación comprende un cilindro servo eléctrico fijado al soporte, una pluralidad de manguitos de guía independientes, bielas y cabezales de remachado; los manguitos de guía se fijan al extremo móvil del cilindro servo eléctrico y son impulsados por el cilindro servo eléctrico para moverse hacia la izquierda y la derecha, las varillas de conexión se alojan en los manguitos de guía y los cabezales de remachado se fijan a las partes inferiores de las varillas de conexión. Una vez más, se trata de un mecanismo orientado exclusivamente al remachado, con cambio automático de cabezales, y que no comprende otras funciones como hace la invención principal. Conclusiones: Como se desprende de la investigación realizada, ninguno de los documentos encontrados soluciona los problemas planteados como lo hace la invención propuesta.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El sistema robótico colaborativo con aplicaciones intercambiables para operaciones automatizadas de taladrado, avellanado y remachado objeto de la presente invención se constituye a partir de una estación que comprende los siguientes elementos:

Robot colaborativo antropomórfico de seis ejes con sensores externos de contacto, que garantizan la seguridad de los operarios.

Controladora robot caracterizada por procesadores de alto rendimiento y servoamplificadores que gestionan todos los ejes del robot.

Sistema de traslación que permita el desplazamiento del robot colaborativo aumentando así su alcance.

Sistema de alimentación y posicionado automático de remaches compuesto principalmente por un sistema vibrador electromagnético que permite la alimentación continúa de remaches al sistema de remachado.

Porta Herramientas. Sistema de almacenaje de herramientas para la realización de operaciones de taladrado, avellanado y remachado. Este sistema podrá estar dotado de sensores para tener un mayor control del sistema.

Aplicaciones. Herramientas de los diferentes procesos de montajes que se encuentran almacenados en el portaherramientas. Estas aplicaciones o end-effector, estarán dispuestas para realizar las diferentes operaciones de taladrado, avellanado, posicionado de bulón y remachado, realizando así el proceso completo de montaje requerido en estructuras que precisan de estas operaciones.

Sistema de calibración TCP (Tooling Control Point) que calibra las aplicaciones de montaje electrónicamente. El programa del robot se corrige de forma automática por las variaciones medidas y asegura que la herramienta siempre funcione en la posición correcta.

Sensores de seguridad que sirven para protección de áreas peligrosas, protección de puntos peligrosos o protección de acceso a máquinas y sistemas. Estos sensores permiten el reconocimiento del entorno pudiendo vahar los parámetros del sistema orientados siempre a la seguridad de los operarios. Estos pueden ser células fotoeléctricas, radares, escáner láser, etc.

Armario eléctrico compuesto de PLC, magnetos térmicos y módulos de seguridad necesarios que permitan la alimentación, distribución, gestión y conversión de la energía eléctrica.

Utillaje. Estructura soporte necesaria que permite el posicionado de la pieza a ensamblar. Este utillaje dispone de una plantilla con taladros para poder realizar las operaciones de taladrado y avellanado.

Sistema de visión artificial para verificación de los procesos realizados por medio de reconocimiento de contornos. Realizara las verificaciones de taladrado, avellanado, posicionado de bulón y remachado.

Interfaz HMI (Interfaz Hombre-Máquina) que sirve de intermediario entre las operaciones y el robot, que controla los principales parámetros del sistema colaborativo.

Y a su vez, el robot colaborativo comprende un cabezal con intercambiador automático (parte A) con las siguientes aplicaciones, y elementos:

Cabezal multifuncional eléctrico que permite el control de avance, control de revoluciones y control del par de apriete. Este cabezal posee una controladora para facilitar sus comunicaciones y por consiguiente su versatilidad. Integrado al cabezal se adapta un sistema de cambio automático (Parte A) que permite el cambio de aplicación, pudiendo así realizar operaciones diversas con un mismo cabezal.

Sensor de esfuerzos multicom ponente que permite que el robot detecte la fuerza y el par aplicados al end-effector en 6 grados de libertad. Electroválvula de dos vías que sirve de alimentación neumática al Concentric Collet en las aplicaciones de taladrado y avellanado.

Aplicación para taladrado y avellanado por Concentric Collet (parte B del intercambiador integrada). Compuesto por:

Parte B, Elemento que sirve de interfaz entre la aplicación de taladrado o avellanado y el cabezal.

Concentric Collet. La operación de taladrado y avellanado se realiza por medio de un casquillo expansor que se ajusta a una plantilla metálica prevista en el utillaje para tal fin. Este casquillo expansor se activa y desactiva neumáticamente.

Sistema de sujeción de herramienta de corte, necesario para aplicaciones de taladrado y avellanado.

Aplicación de remachado para remaches tipo hi-lok y hi-lite (parte B del intercambiador integrado).

Parte B, Elemento que sirve de interfaz entre la aplicación de remachado y el cabezal.

Herramienta de remachado acorde a los requerimientos de remachado para remaches tipo Hi-lok y Hi-Lite.

Todos los elementos descritos anteriormente están orientados a la fabricación de grandes estructuras aeronáuticas complejas, en concreto las tareas de taladrado, avellanado y remachado, que se desarrollan en las siguientes etapas técnicas:

I.- Reconocimiento de entorno colaborativo para auto parametrización de valores en estación colaborativa.

II.- Calibración en cabezal de la interfaz de unión con la aplicación, por medio de sistema de auto calibración TCP (Tooling Control Point).

III.- Retorno robot a Posición Cero para inicio de actividad de montaje gobernada por medio del HMI. Una vez realizadas estas tareas generales para la estación, se detallan las tareas específicas de los dos campos de acción del sistema objeto de la presente invención, ya sea el taladrado/avellanado o remachado:

Proceso de taladrado o avellanado IV’.- Activar Herramienta aplicación de montaje para taladrado o avellanado.

V’.- Calibrar vía TCP la Herramienta de Taladrado o avellanado.

VI’.- Seleccionar secuencia de taladrado o avellanado en HMI.

Vil’.- Activación de operación automatizado para aproximación de aplicación de montaje a plantilla utillaje para emboque de Concentric Collet. VIII’.- Auto parametrización en aproximación a plantilla por medio del sensor de esfuerzos, para emboque de Casquillo Expansor en plantilla.

IX’.- Expansión del casquillo del concentric collet por activación neumática.

X’.- Realización de la operación de taladrado o avellanado, en función de los parámetros de avance y corte seleccionados previamente en HMI. XI’.- Salida de plantilla de aplicación de montaje para finalización del proceso.

XII’.- Verificación de la operación y estado por medio de sistema de visión artificial.

XIII’.- Realización del ciclo secuencial completo seleccionado.

XIV’.- Retorno robot a Posición Cero para inicio de nueva actividad de montaje. Proceso de remachado

IV”.- Activar Herramienta aplicación de montaje para aplicación de remachado.

V”.- Calibrar vía TCP la Herramienta de remachado

VI”.- Reconocimiento del estado de pieza a remachar por medio de sistema de visión artificial. Vil”.- Seleccionar secuencia de taladrado o avellanado en HMI.

VIII”.- Alimentación automática de remache.

IX”.- Aproximación y realización de proceso de remachado.

X”.- Verificación de la operación por medio de visión artificial. XI”.- Realización del ciclo secuencial completo seleccionado.

XII”.- Retorno robot a Posición Cero para inicio de nueva actividad de montaje.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para una mejor comprensión de la presente descripción se acompañan unos dibujos que representan una realización preferente de la presente invención: Figura 1 : Vista en planta general y detalle del sistema robótico automatizado de taladro, avellanado y remachado de cabezales intercambiables objeto de la presente invención.

Figura 2: Detalle del cabezal multifuncional eléctrico del sistema robótico automatizado de taladro, avellanado y remachado de cabezales intercambiables objeto de la presente invención.

Figura 3: Vista en alzado del Robot colaborativo antropomórfico de seis ejes montado sobre sistema de traslación de track lineal.

Figura 4: Vista en alzado del Robot colaborativo antropomórfico de seis ejes montado sobre plataforma móvil. Figura 5: Vista explosionada en detalle del cabezal de aplicación para taladrado.

Figura 6: Vista explosionada en detalle del cabezal de aplicación para remachado.

Figura 7: Flujograma de taladrado o avellanado

Figura 8: Flujograma de remachado. Las referencias numéricas que aparecen en dichas figuras corresponden a los siguientes elementos constitutivos de la invención:

1. Robot colaborativo

2. Sistema de traslación

3. Sistema alimentador automático de remaches

4. Portaherramientas

5. Sistema de calibrado TCP

6. Sistema de sensores de seguridad para entornos colaborativos

7. Controladora

8. Interfaz HMI

9. Cuadro eléctrico

10. Cabezal

11. Intercambiador automático

12. Aplicación de Montaje:

12’ aplicación para taladrado o avellanado 12” aplicación para remachado

13. Electroválvula

14. Sensor de esfuerzos multicomponente

15. Sistema de visión artificial

16. Monitor para el control de proceso

17. Utillaje

DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERENTE

Una realización preferente del sistema robótico automatizado para taladrado, avenado aspirado y remachado con un cabezal y diferentes aplicaciones intercambiables objeto de la presente invención, con alusión a las referencias numéricas, puede basarse en una estación de trabajo para taladrado y remachado mediante robot colaborativo (1) de 15 kg y seis ejes montado en un sistema de traslación (2) basado en track lineal de 3 metros para desplazarse a lo largo de la estación y acceder a los distintos puntos y utillaje (17) que se describen a continuación, que también cuenta también con un sistema alimentador automático de remaches (3), un portaherramientas (4), sistema de calibrado TCP (5), un sistema de sensores de seguridad aplicados para entornos colaborativos (6), controladora de robot (7), interfaz HMI (8) y cuadro eléctrico (9) con sus elementos de gestión de señales eléctricas y electrónicas.

Además, el robot colaborativo (1) comprende un cabezal (10) con electrónica programable y con un intercambiador automático (11 ) para acoplarle distintas aplicaciones de montaje (12), en función de la operación de trabajo a realizar, bien sea usando una aplicación para taladrado o avellanado (12’) por concentñc collet, o una aplicación para remachado (12”) hi-lok o hi-lite, así como otros elementos complementarios como son una electroválvula (13), un sensor de esfuerzos multicomponente (14), y un sistema de visión artificial (15).

Esta configuración del cabezal (10) acoplado al robot nos permite realizar múltiples procesos de montaje. El cabezal dispone de electrónica con control de avance, control de revoluciones y control de par.

El concentñc collet está compuesto por un casquillo expansor acoplado a la aplicación de montaje para operaciones de taladrado y avellanado (12 ). El cabezal de pinza concéntrica es un adaptador equipado neumáticamente y alimentación mecánica. Una primera acción del sistema permite retraer el mandril de la punta de la pinza concéntrica. Una segunda acción del sistema permite que el mandril expandióle se trabe en el casquillo de perforación. Un movimiento hacia delante de la nariz realizada por el mecanismo también permite contactar y empujar la pieza.

El apoyo de un sensor de fuerza multicomponente (14) acoplado en el robot colaborativo (1 ) permite tener un control de esfuerzos en los procesos de taladrado y avellanado. Este control de esfuerzos permite absorber pequeñas desviaciones que se hubieran producido superiores a la décima, recalibrando el robot en su movimiento de ajuste final para la correcta operación de taladrado y avellanado.

El sistema de visión artificial (15) es capaz de identificar cualquier elemento físico, por lo que es útil para comprobar que hay un bulón insertado en taladro o comprobar que ya está la tuerca instalada.

El usuaño/operaño cuenta a su vez con un monitor para el control de proceso (16), que registra y almacena los parámetros del sistema a tiempo real, y una interfaz HMI (8) de comunicación entre hombre & robot colaborativo que controla los principales parámetros del sistema colaborativo. Esta interfaz permite al operario gobernar las acciones que realiza el robot en el momento que el proceso lo requiera.

Para este ejemplo se disponen en el portaherramientas (4) de cuatro aplicaciones que son, una aplicación para el taladrado, una aplicación para el avellanado y dos aplicaciones para el remachado, de los cuales uno es para remachado con fácil acceso (cabezal recto) y el otro para el remachado con difícil acceso (cabezal acodado), pudiendo ampliarse el número de estos para una mayor flexibilidad de operaciones de montaje. El entrono colaborativo está compuesto principalmente por los sensores de seguridad (6) que delimitan diferentes zonas de trabajo. Un sistema inteligente programado, gestiona los parámetros de la estación acorde a las personas que detecta en distintas zonas. Estas zonas son:

Zona Colaborativa. Zona que activa todos los sistemas de seguridades colaborativos acorde a normativa vigente.

Zona Intermedia. Zona en la que los parámetros se encuentran optimizados según la ley de prevención de riesgos laborales aplicados en robots colaborativos.

Zona Industrial. Zona en la que se activan los parámetros industriales al robot, deshabilitando el sensor colaborativo.