Havacılık endüstrisi için robot konseptli yeniden yapılandırılabilir montaj sistemi tasarım metodolojisi geliştirilmesi
Development of robot based reconfigurable assembly system design methodology for aerospace industry
Yazar: OSMAN EMRE ÇELEK
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA YURDAKUL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Modern havacılık endüstrisi tek bir üretim hattında üretilen yeni uçaklar için montaj proses hatlarını geliştirirken üretim sürelerini de kısaltmaktadır. Montaj otomasyonu, robotik, malzeme taşıma, ölçüm, proses modelleme ve simülasyon, imalat prosesleri süreçlerindeki hızlı gelişmeler uçak yapıları montaj sistemlerinin tasarımı için sistematik metodolojilerin kullanılmasını gerektirmektedir.  Literatür araştırmaları, havacılıktaki montaj operasyonları için tasarım metodolojilerinin eksikliğini ortaya koymaktadır. Bu tezde, aksiyomatik tasarım prensipleri kullanılarak yolcu uçağı gövde yapıları montajı için tasarım karmaşıklığına çözüm öneren yeni bir montaj sistemi tasarım metodolojisi geliştirilmiştir. Teknik olarak uygulanabilir olan dört montaj sistemi tasarım alternatifi sunulmuş ve montaj sistemi tasarım çözümleri elde edilip bu çözümler detaylı olarak açıklanmıştır. Detaylı bilgisayar simülasyon modelleri oluşturularak ürünler, prosesler, analiz ve optimize edilmiştir. Simülasyon sonuçlarına göre, fikstürlerin havacılık montaj operasyonları için kritik olduğu tespit edilmiştir. Bu nedenle, montaj proseslerinde oldukça zaman alan ve maliyeti yüksek olan geleneksel montaj fikstürleri yerine modüler montaj fikstürleri tasarlanmıştır. Montaj fikstürleri, tamamen farklı uçak gövde panellerinin montajının yapılabilmesi için modüler çelik kiriş konstrüksiyon sisteminin geliştirilmiş tasarımına sahip olan ve boxjoint adı verilen kutu profil bağlantı yapısı ile CATIA kullanılarak tasarlanmıştır. Montaj fikstürlerinde diğer önemli bir gereksinim ise mukavemet ile ilgilidir. Bu nedenle geleneksel ve modüler fikstür yapıları hem analitik metotlar ile hem de sonlu elemanlar metodu ile Nastran, Patran ve Siemens UG NX kullanılarak analiz edilmiştir. Modüler fikstür çalışmalarından sonra montaj ve komponent yerleştirme proseslerinde endüstriyel robotların seçim problemleri için MOORA yöntemi kullanılmıştır. Robot seçim problemi, montaj prosesleri için 9 robot ve komponent yerleştirme prosesleri için 6 robot kullanılarak 6 adet tamamen bağımsız teknik kritere göre çözülmüştür. Proseslere yönelik en uygun robotların parametrik olarak seçimleri yapılmıştır. Bu tez sadece havacılık sektörü için değil, aynı zamanda farklı endüstri dallarındaki tüm montaj sistemlerinin tasarımı için bir referans kılavuzu olarak kullanılabilir.

Abstract:
The modern aerospace industry develops assembly process lines for new aircraft which are produced on a single production line while shortening production times by seeking new technologies. Rapid advances in assembly automation, robotics, material handling, measurement, process modeling and simulation, manufacturing processes require the usage of systematic methodologies for the design of assembly systems for aircraft structures.  A literature review establishes a lack of design methodologies for aerospace assembly operations. In this dissertation, a novel assembly system design methodology is developed by using axiomatic design principles in order to propose a solution to design complexity for aircraft fuselage structure assembly. Four technically feasible assembly system design alternatives are presented and assembly system design solutions are obtained and described in detail. Using a detailed computer simulation model products, processes analyzed, and optimized. According to the simulation results, it is understood that fixturing represents a critical aspect of aerospace assembly operations. Thus, instead of dedicated assembly fixtures, which is quite time consuming and expensive, modular assembly fixtures are designed. The assembly fixtures are redesigned to carry out completely different aircraft fuselage assembly panels by using CATIA with an improved design of the modular steel beam construction system called box joint. Another prominent requirement relates to the stiffness and the strength, thus dedicated and modular fixture structures are analyzed both analytical methods and finite element methods by using Nastran, Patran, and Siemens UG NX. After modular fixture studies, the MOORA method is used for the selection of KUKA industrial robots in assembly and stringer placement processes. The robot selection problem is solved according to 6 completely independent technical criteria by using 9 robots for the assembly processes and 6 robots for the stringer placement processes. The most convenient robots for the processes are parametrically selected. This dissertation can be used as a reference guide to assembly system design for not only the aerospace industry but also whole assembly systems in different industry branches.