1. 48 DIvULGACIÓN A+A
Robótica de
alta costura:
la automatización de los
montajes aeronáuticos
Rubén Carvajal vázquez y Manuel Heredia Ortiz, autores de la web http://aergenium.es, primer portal web dedicado
a la industria aeronáutica andaluza desde 2008.
L M
a fabricación aeronáutica ha experimentado en las últimas anufacturing in the aerospace sector has undergone a profound
décadas una profunda transformación hacia niveles de au- transformation in the last decades towards ever higher automa-
tomatización cada vez mayores. Comenzó en el ámbito de tion levels. It began in the scope of single parts manufacturing,
la fabricación de elementales, y ha continuado extendiéndose a las and has continued spreading to other areas such as assembly operations
operaciones de montaje y pruebas funcionales. and functional testing.
De hecho, en las tecnologías de fabricación de piezas elementa- In fact, a high level of automation has already been achieved in single part
les se ha conseguido un alto nivel de automatización (operaciones manufacturing technologies (automatic lay-up operations for composite
de encintado automático en el caso de piezas de fibra, mecanizados parts, numerically controlled machining for metallic parts, etc.), enabling
por control numérico en el caso de piezas metálicas, etc.), lo que ha significant cost reductions and an increase in quality in the early steps of
permitido reducir los costes y aumentar la calidad en los primeros the supply chain.
escalones de la cadena de suministro. In contrast, the weight of manual activities is still high in assembly op-
En contraste, el peso de las actividades manuales en las operaciones erations, which account for between 25% and 75% of total manufacturing
de montaje, que pueden representar entre el 25% y el 75% del coste total costs in the aerospace industry. The opportunity for savings is therefore
de la fabricación aeronáutica, continúa siendo elevado. Las oportunidades significant, if improvements are made to these operations, something for
de ahorro si se plantean mejoras en estas operaciones son significativas, y which automation has demonstrated that it is a consolidated option.
para ello la automatización ha demostrado ser una opción consolidada. This article will explore some of the benefits associated to the automation
En este artículo se van a exponer algunos de los beneficios asocia- of assembly processes in the aerospace industry, and some of the obsta-
dos a la automatización de los procesos de montaje en aeronáutica, cles facing the team in charge of this mission. We will focus on the evolution
y los obstáculos a los que se suele enfrentar el equipo encargado de of the drilling and riveting of structural joints, which are indeed the ‘seams’
esta misión. nos centraremos en la evolución de dos de las operacio- of an aircraft. Certainly these operations require such exquisite attention to
nes que más se han beneficiado de las estrategias de automatización detail, that the challenge posed by their automation could be compared to
en las líneas de montaje: el taladrado y el remachado de las uniones that of developing robotics for haute couture.
estructurales, verdaderas costuras de una aeronave. Ciertamente
estas tareas requieren tal exquisitez, que el reto de automatizarlas es Some reasons to undertake the automation of aerospace
comparable al de desarrollar robótica para la alta costura. assembly operations
Motivos para acometer la automatización de montajes Arguments that lead to considering the automation of a process fundamen-
aeronáuticos tally fall in two categories: cost reduction and the increase of safety at work.
The cost reduction must be endorsed by a detailed feasibility plan, in-
Los motivos que llevan a pensar en la automatización de un pro- cluding detailed analyses of the product, the assembly process to be auto-
ceso se reducen fundamentalmente a dos: reducción de costes e mated, and the potential savings. A machine does not suffer from physical
incremento de la seguridad en el trabajo. fatigue, and can therefore develop repetitive tasks at a steadier rate than a
La reducción de costes debe estar respaldada por un detallado person, and with constant results. This reduces the number of failures and
plan de viabilidad, que condense el resultado del análisis del produc- the costs due to repairs, and also increases the quality of the operation.
to, del proceso de montaje a automatizar y de los ahorros potencia- In addition, the automation allows relieving the highly specialized staff
les. Una máquina, al no estar sometida a fatiga física, puede desarro- in the aerospace industry from repetitive manual tasks. There is a double
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2. DIvULGACIÓN A+A 49
Haute
couture
robotics:
the automation
of aeronautical
assemblies
Rubén Carvajal vázquez, and Manuel Heredia Ortiz.
Authors of http://aergenium.es, first web dedicated since 2008 to the aerospace industry
in Andalusia, Spain.
llar tareas repetitivas a un ritmo más estable que una persona y con benefit to employing workers in tasks of higher added value: on one hand,
un resultado constante. Esto reduce el número de fallos y los costes the quality of the final product increases, and on the other hand, this fosters
debidos a reparaciones, y aumenta la calidad final de la operación. professional development towards other activities of greater responsibility
Además, la automatización permite descargar de tareas manuales and added value.
rutinarias al personal altamente especializado con el que cuenta la in- Finally, assembly operations may lead to unfavourable ergonomics, par-
dustria aeronáutica. Empleándolo en tareas de mayor valor, el benefi- ticularly when working in small areas, applying repetitive efforts, or handling
cio es doble: por un lado, la calidad del producto final aumenta, y por certain toxic products. The automation of these operations increases the
otro se estimula el desarrollo profesional aportando nuevas tareas de safety of workers and is one of the most powerful arguments when prepar-
mayor responsabilidad y valor añadido. ing a feasibility study for an automated application.
Por último, en los montajes aeronáuticos pueden producirse situa-
ciones poco ergonómicas al trabajar en espacios confinados, al rea- Obstacles facing automation of aerospace assemblies
lizar esfuerzos repetitivos, o al aplicar determinadas sustancias noci-
vas. La automatización de estas operaciones incrementa la seguridad The automation of an assembly operation requires a significant financial
de los trabajadores y es una de las razones más poderosas al encarar investment, which justification must be carefully analysed to avoid prejudic-
el estudio de viabilidad de una aplicación automatizada. es based on false beliefs. For example, the typically low cadences of aero-
space programs are not necessarily a hurdle. The decision to automate
Principales obstáculos should be based on the number of times that the operation is repeated,
whether it is performed once on every one of a great number of equal prod-
La automatización de una operación de montaje requiere una inver- ucts, or it is performed many times on a single product.
sión económica importante, cuya justificación debe estudiarse cuidado- On the other hand, the assembly is one of the last links of the complex
samente para salvar prejuicios basados en falsas creencias. Por ejem- production chain of an airframe, and it accumulates all the defects coming
plo, las bajas cadencias típicas de los programas aeronáuticos no son from the previous steps: manufacture of elementary parts, formation of su-
necesariamente un impedimento. La decisión de automatizar debe to- bassemblies, on-time delivery, delivery conditions, etc.
marse atendiendo al número de veces que la operación se repite, tanto This has traditionally forced to include additional tasks during the assem-
si se ejecuta una vez sobre un gran número de productos iguales, como bly which are very difficult to automate, such as inspections or small adjust-
si se repite un gran número de veces sobre un único producto. ments. In this sense, and strictly speaking, the only flexible assembly is the
Por otro lado, el montaje es uno de los últimos eslabones en la com- manual one. An automated assembly line needs a robust supply chain with
pleja cadena de fabricación de una aeroestructura, y en él se suelen a number of limited and typified failures. It is necessary to trade in some flex-
acumular todos los errores cometidos en los pasos anteriores. ibility in favour of higher repeatability and standardization.
Esto obliga a realizar en el montaje tareas adicionales muy difíciles Another traditional disadvantage of automated lines is the high cost as-
de automatizar, como inspecciones o pequeños ajustes. En este sen- sociated to start-up (Figure 1) and maintenance (Figure 2), although this
tido, y estrictamente hablando, el único montaje flexible es el montaje has been partly mitigated with the arrival of electronic control technologies.
manual. En contraste, un montaje automatizado necesita una cade- An automated line is very sensible to unexpected defects, and the start-up
na de suministro robusta y con un número de fallos limitados y tipifi- phase usually reveals errors undetected in previous steps of the production
cados. Es necesario estar dispuesto a perder cierta flexibilidad para chain. In addition, the fine-tuning phase requires the support of highly spe-
ganar en repetitividad y estandarización. cialized workers and engineers, with a high cost associated.
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3. 50 DIvULGACIÓN A+A
And finally, one of the most difficult obstacles to save when facing the
automation of a process is the resistance to change of their very own
users. On one hand, managers are not always aware of the recurrent
costs of not automating, and on the other hand, it is difficult to change
Rendimiento
Performance the common perception in the workshop that the machine is an enemy
that destroys jobs, instead of an ally that will allow dedicating the people
to safer and more valuable activities.
A good candidate for automation
Personal
Staff
In airframe assemblies, drilling and riveting is a repetitive operation that
consumes great amount of resources. Grids or joint lines that constitute
Tiempo these seams typically consist of tens of thousands of holes and rivets.
Time In this type of structural joints, positioning and form tolerances for the
Fase de puesta a punto Fase operativa
Start-up phase Production phase holes are respectively in the order of magnitude of tenths and thousandths
of millimetres. The surfaces to be joined must fulfil very demanding require-
Figura 1. Soporte y rendimiento de un sistema de montaje automatizado en su fase ments in terms of finishing and cleanliness.
de arranque. / Figure 1. Support staff and output performance of an automated
Traditionally, joining of elements such as skins and fairings to the internal
assembly system in the start-up phase.
aircraft structure formed by spars and ribs has been performed by manually
Otro inconveniente tradicional de las líneas automatizadas es el ele- drilling thousands of holes in each element (Figure 3.a). This is a highly re-
vado coste de puesta a punto (Figura 1) y de mantenimiento asociado petitive operation, complicated in some cases by the strenght and stiffness
(Figura 2), aunque se ha visto mitigado en parte por la irrupción de la of the aerospace materials.
tecnología electrónica en el control de estas células. Una línea automa- These are two of the operations that have benefited the most from au-
tizada es muy sensible a defectos no esperados, y en su fase de arran- tomation strategies in the assembly lines. The progressive automation of
que suele poner de manifiesto errores indetectados en etapas anterio- these operations stems from an understanding and detailed analysis of the
res en la cadena de producción. Además, su puesta a punto precisa whole process. Each step has been taken only after the previous one was
la atención de operarios e ingenieros altamente especializados, con el considered sufficiently mature and controlled.
alto coste horario que esto conlleva.
Y por último, uno de los obstáculos más difíciles de salvar a la hora
de acometer la automatización de un proceso es la resistencia al cam-
bio de los propios usuarios. Por un lado, los directivos no siempre son
conscientes del coste recurrente asociado a la decisión de no automa-
tizar un proceso, y por otro, es difícil hacer ver a pie de taller que una
máquina no es un enemigo destructor de empleo, sino un aliado que
permitirá dedicar los recursos a tareas más seguras, y de mayor valor.
Una buena candidata para ser automatizada
En el montaje de una aeroestructura, el taladrado y remachado de
los elementos que la forman es una operación repetitiva que consume
gran cantidad de recursos. Las mallas o líneas de unión que forman
Tiempo
estas costuras pueden llegar a estar formadas por decenas de miles
Fallos iniciales Madurez Fase de desgaste Time
de taladros y remaches. Early failures Maturity Wear phase
En este tipo de uniones bulonadas se requieren tolerancias de posición
y geometría del taladro respectivamente del orden de las décimas y milé- Figura 2. Patrón de costes de mantenimiento en los sistemas de montaje automatiza-
simas de milímetro. El acabado de las superficies a unir debe cumplir con dos. / Figure 2. Pattern of maintenance costs for automated assembly systems.
requerimientos muy exigentes en cuanto a rugosidad y limpieza.
Tradicionalmente, las operaciones de unión de elementos como re- Towards the automation of drilling and riveting operations
vestimientos y carenas a la estructura interna formada por largueros y
costillas se ha realizado de manera manual, ejecutando miles de tala- A first step in the automation of drilling and riveting operations was the
dros en cada elemento (Figura 3.a). Una operación altamente repetiti- development of semiautomatic drilling machines, equipped with pneumatic
va, que en algunos casos se complica debido a la dureza y resistencia and hydraulic modules to aid the rotation speed and feed movement of the
de los elementos a taladrar. drill bit. These machines – still in use today – are secured to heavy and bulky
La automatización progresiva de estas operaciones ha partido de drilling templates, hence relieving the worker from the strenuous tasks of
una comprensión y análisis detallado del proceso completo. Cada holding in position and pushing the tool. Instead, the operator only has to
nuevo paso se ha dado cuando el anterior se consideró suficientemen- move the machine from one position in the drilling grid to another, and press
te maduro y controlado. a button (Figure 3.b).
Once this technology was established successfully, the next step was
Hacia la automatización del taladrado y remachado the introduction of the first fully automatic drilling machines, capable of po-
sitioning the tool and conducting the whole drilling operation. Robots of
Un primer paso en la automatización del taladrado y remachado fue el various morphologies have been used in aerospace assembly factories –
desarrollo de máquinas de taladrado semiautomáticas, equipadas con gantry, parallel kinematics, or linear arm –controlled by pneumatic logic at
módulos neumáticos e hidráulicos para asistir los movimientos de giro y the beginning, and later by electronic controls.
avance de la herramienta de corte. Estas máquinas, todavía en uso, se Especially when drilling modern materials, these robots had to be structur-
anclan a unas grandes y pesadas plantillas de taladrado, de modo que se ally very rigid in order to achieve sufficient accuracy. This translated into hefty
descarga al operario del esfuerzo de posicionar y empujar la máquina he- structures and robust guides on which to move their drilling units (Figure 3.c).
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4. DIvULGACIÓN A+A 51
rramienta. El operario sólo tiene que trasladar la máquina de una posición
a otra en la plantilla de taladrado y presionar un botón (Figura 3.b).
Una vez que esta tecnología fue asentándose con éxito, el siguiente
paso en la automatización del proceso de unión de estructuras se dio Tres pasos en el
al introducir las primeras máquinas automáticas de taladrado, capaces camino hacia el (a)
de posicionar la herramienta y realizar toda la operación de taladrado. taladrado
En las fábricas de montaje aeronáutico se empezaron a ver robots in- automático: (a)
taladrado
dustriales de tipo pórtico, de cinemática paralela, o de brazos lineales manual, (b)
controlados mediante lógica neumática en un principio, y mediante taladrado
control electrónico posteriormente. mediante
Estos robots realizaban la operación de taladrado completa, y para máquina
semiautomática,
conseguir las precisiones requeridas al taladrar los resistentes materia- y (c) taladrado
les modernos, necesitaban de la rigidez de robustas guías por las que mediante robot
(b)
se movían sus cabezales de taladrado (Figura 3.c). industrial.
Esta necesidad de rigidez se vio acentuada al seguir avanzando en
el proceso de automatización, cuando se planteó dotar a los cabeza- Three steps on
the path towards
les de taladrado de módulos capaces de realizar todas las operacio- automatic drilling:
nes necesarias para remachar por completo la unión. Un cabezal de (a) manual
taladrado y remachado debe dotarse de algún medio para rebabar el drilling, (b)
automatic feed (c)
agujero taladrado, medir la longitud del remache a instalar, aplicar el
drilling machine,
sellante necesario, insertar el bulón y efectuar el cierre del mismo. and (c) drilling by
Estos cabezales incrementan de manera importante su tamaño y su means of an
peso. Y la única manera de garantizar las tolerancias y precisiones es au- industrial robot.
mentar la rigidez del sistema completo, lo que se traduce en elementos
de soportado tales como guías y transmisiones cada vez más robustas, Figura 3. / Figure 3.
grandes y pesadas, así como la necesidad de cimentaciones especiales.
Nuevos retos The next step in the automation was equipping the drilling units with ad-
ditional modules so as to completely rivet the joint. A fully-automatic drilling
En los últimos años, y aprovechando los avances en técnicas de visión and riveting unit must include means for deburring the drilled hole, measur-
artificial, reconocimiento de patrones, materiales y sistemas de anclaje, se ing the length of the rivet to be installed, applying sealant, inserting the bolt,
comienza a conceptuar un tipo de sistema de taladrado y remachado más and closing the stack-up.
versátil que los descritos anteriormente. All these functionalities significantly increase the size and weight of a drill-
Poco a poco las grandes máquinas diseñadas ad hoc y dedicadas a un ing and riveting unit. The only way to guarantee tolerances and accuracy is
único producto van dando paso a células flexibles, formadas por robots co- to increase the structural stiffness of the whole system even further, which
merciales de menor tamaño que no precisan cimentaciones especiales, y means more robust and heavy elements such as guides and transmissions,
que pueden reconfigurarse fácilmente para usarlas en distintos productos. and expensive special foundations.
Haciendo un ejercicio de imaginación, en la estación de montaje del
futuro operarán conjuntamente técnicos montadores y robots de las New challenges
formas más variadas (ya existen prototipos de robots caminantes de as-
pecto arácnido, reptantes con forma de serpiente, o articulados como In recent years, advances in fields such as artificial vision techniques, pat-
un brazo humano) colaborando e interactuando de manera continua en tern recognition, materials and clamping systems, have opened the way for
la misma zona. a more versatile type of drilling and riveting system.
Estas tendencias y desarrollos futuros son compartidos por los especialis- Little by little, the huge machines designed ad hoc and dedicated to a sin-
tas en jornadas como la que hace unos meses celebraron en Sevilla el CDTI gle product are giving way to flexible cells, using smaller off-the-shelf robots
y el CATEC. Aerorobot 2010 repasó el estado del arte actual en materia de that do not need special foundations, and can be easily reconfigured for use
robótica aplicada a la industria aeronáutica, y centró parte de su atención en on different products.
el papel que la aeronáutica andaluza ha tenido en su evolución. Making an exercise of imagination, assembly stations in the future will
Andalucía está hoy por hoy en la vanguardia de la automatización de have human operators and robots of different shapes operating together
montajes aeronáuticos, contando con el Centro de Excelencia a nivel eu- in the same area, collaborating and interacting – prototypes already exist
ropeo en la automatización de montajes de estabilizadores horizontales y of arachnid walking robots, snake-shaped crawlers, or robots articulated
con una de las líneas de ensamblaje final más modernas de Europa. Este like a human arm.
éxito está basado en la experiencia y el esfuerzo aplicado en cada uno de These future tendencies are shared by specialists in meetings like the one
los programas aeronáuticos que se han ido sucediendo en el tiempo. organized in March by the CDTI and the CATEC in Seville. Aerorobot 2010
Los programas Mercure, SAAB 2000 y Dornier 728, los Productos Pro- reviewed the state-of-the-art of robotics applied to the aerospace industry,
pios de la antigua CASA, o los primeros Airbus permitieron adquirir los co- focusing on the role that Andalusian aerospace has played in its evolution.
nocimientos que hoy se aplican en programas como el A380 y el A400M. Andalusia is today at the forefront of the automation of aerospace as-
Y el futuro ya está aquí con el A350, y los nuevos desarrollos Airbus. semblies, being home to the Airbus Centre of Excellence for the automation
of the assembly of Horizontal Tail Planes at European level, and to one of the
most advanced Final Assembly Lines in Europe. This success is based on
Para saber más sobre el tema de este artículo, visite la web http://sabermas.aergenium.es, the know-how developed in a number of aerospace programs industrial-
donde encontrará más información, material de soporte, fotografías, vídeos y enlaces de
interés.
ised in the region through time.
The Mercure, SAAB 2000 and Dornier 728, the light and medium military
If you want to know more about the topic of this article, visit the web http://sabermas.aergenium.es, transports from the old CASA, or the first Airbus programmes taught some
where you can find more information, support material, photographs, videos and links of of the lessons applied today to the A380 and A400M programmes. And the
interest. future is already here with the A350 and the new Airbus developments.
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