La fabricación aeronáutica ha experimentado en las últimas décadas una profunda transformación hacia niveles de au-tomatización cada vez mayores. Comenzó en el ámbito de

la fabricación de elementales, y ha continuado extendiéndose a las operaciones de montaje y pruebas funcionales.

De hecho, en las tecnologías de fabricación de piezas elementa-les se ha conseguido un alto nivel de automatización (operaciones de encintado automático en el caso de piezas de fibra, mecanizados por control numérico en el caso de piezas metálicas, etc.), lo que ha permitido reducir los costes y aumentar la calidad en los primeros escalones de la cadena de suministro.

En contraste, el peso de las actividades manuales en las operaciones de montaje, que pueden representar entre el 25% y el 75% del coste total de la fabricación aeronáutica, continúa siendo elevado. Las oportunidades de ahorro si se plantean mejoras en estas operaciones son significativas, y para ello la automatización ha demostrado ser una opción consolidada.

En este artículo se van a exponer algunos de los beneficios asocia-dos a la automatización de los procesos de montaje en aeronáutica, y los obstáculos a los que se suele enfrentar el equipo encargado de esta misión. nos centraremos en la evolución de dos de las operacio-nes que más se han beneficiado de las estrategias de automatización en las líneas de montaje: el taladrado y el remachado de las uniones estructurales, verdaderas costuras de una aeronave. Ciertamente estas tareas requieren tal exquisitez, que el reto de automatizarlas es comparable al de desarrollar robótica para la alta costura.

Motivos para acometer la automatización de montajes aeronáuticos

Los motivos que llevan a pensar en la automatización de un pro-ceso se reducen fundamentalmente a dos: reducción de costes e incremento de la seguridad en el trabajo.

La reducción de costes debe estar respaldada por un detallado plan de viabilidad, que condense el resultado del análisis del produc-to, del proceso de montaje a automatizar y de los ahorros potencia-les. Una máquina, al no estar sometida a fatiga física, puede desarro-

Manufacturing in the aerospace sector has undergone a profound transformation in the last decades towards ever higher automa-tion levels. It began in the scope of single parts manufacturing,

and has continued spreading to other areas such as assembly operations and functional testing.

In fact, a high level of automation has already been achieved in single part manufacturing technologies (automatic lay-up operations for composite parts, numerically controlled machining for metallic parts, etc.), enabling significant cost reductions and an increase in quality in the early steps of the supply chain.

In contrast, the weight of manual activities is still high in assembly op-erations, which account for between 25% and 75% of total manufacturing costs in the aerospace industry. The opportunity for savings is therefore significant, if improvements are made to these operations, something for which automation has demonstrated that it is a consolidated option.

This article will explore some of the benefits associated to the automation of assembly processes in the aerospace industry, and some of the obsta-cles facing the team in charge of this mission. We will focus on the evolution of the drilling and riveting of structural joints, which are indeed the ‘seams’ of an aircraft. Certainly these operations require such exquisite attention to detail, that the challenge posed by their automation could be compared to that of developing robotics for haute couture.

Some reasons to undertake the automation of aerospace assembly operations

Arguments that lead to considering the automation of a process fundamen-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-cluding detailed analyses of the product, the assembly process to be auto-mated, and the potential savings. A machine does not suffer from physical fatigue, and can therefore develop repetitive tasks at a steadier rate than a person, and with constant results. This reduces the number of failures and the costs due to repairs, and also increases the quality of the operation.

In addition, the automation allows relieving the highly specialized staff in the aerospace industry from repetitive manual tasks. There is a double

Robótica de alta costura:

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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.

la automatización de los montajes aeronáuticos

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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 un resultado constante. Esto reduce el número de fallos y los costes debidos a reparaciones, y aumenta la calidad final de la operación.

Además, la automatización permite descargar de tareas manuales rutinarias al personal altamente especializado con el que cuenta la in-dustria aeronáutica. Empleándolo en tareas de mayor valor, el benefi-cio es doble: por un lado, la calidad del producto final aumenta, y por otro se estimula el desarrollo profesional aportando nuevas tareas de mayor responsabilidad y valor añadido.

Por último, en los montajes aeronáuticos pueden producirse situa-ciones poco ergonómicas al trabajar en espacios confinados, al rea-lizar esfuerzos repetitivos, o al aplicar determinadas sustancias noci-vas. La automatización de estas operaciones incrementa la seguridad de los trabajadores y es una de las razones más poderosas al encarar el estudio de viabilidad de una aplicación automatizada.

Principales obstáculos

La automatización de una operación de montaje requiere una inver-sión económica importante, cuya justificación debe estudiarse cuidado-samente para salvar prejuicios basados en falsas creencias. Por ejem-plo, las bajas cadencias típicas de los programas aeronáuticos no son necesariamente un impedimento. La decisión de automatizar debe to-marse atendiendo al número de veces que la operación se repite, tanto si se ejecuta una vez sobre un gran número de productos iguales, como si se repite un gran número de veces sobre un único producto.

Por otro lado, el montaje es uno de los últimos eslabones en la com-pleja cadena de fabricación de una aeroestructura, y en él se suelen acumular todos los errores cometidos en los pasos anteriores.

Esto obliga a realizar en el montaje tareas adicionales muy difíciles de automatizar, como inspecciones o pequeños ajustes. En este sen-tido, y estrictamente hablando, el único montaje flexible es el montaje manual. En contraste, un montaje automatizado necesita una cade-na de suministro robusta y con un número de fallos limitados y tipifi-cados. Es necesario estar dispuesto a perder cierta flexibilidad para ganar en repetitividad y estandarización.

benefit to employing workers in tasks of higher added value: on one hand, the quality of the final product increases, and on the other hand, this fosters professional development towards other activities of greater responsibility and added value.

Finally, assembly operations may lead to unfavourable ergonomics, par-ticularly when working in small areas, applying repetitive efforts, or handling certain toxic products. The automation of these operations increases the safety of workers and is one of the most powerful arguments when prepar-ing a feasibility study for an automated application.

Obstacles facing automation of aerospace assemblies

The automation of an assembly operation requires a significant financial investment, which justification must be carefully analysed to avoid prejudic-es based on false beliefs. For example, the typically low cadences of aero-space programs are not necessarily a hurdle. The decision to automate 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-ucts, or it is performed many times on a single product.

On the other hand, the assembly is one of the last links of the complex production chain of an airframe, and it accumulates all the defects coming from the previous steps: manufacture of elementary parts, formation of su-bassemblies, on-time delivery, delivery conditions, etc.

This has traditionally forced to include additional tasks during the assem-bly which are very difficult to automate, such as inspections or small adjust-ments. In this sense, and strictly speaking, the only flexible assembly is the manual one. An automated assembly line needs a robust supply chain with a number of limited and typified failures. It is necessary to trade in some flex-ibility in favour of higher repeatability and standardization.

Another traditional disadvantage of automated lines is the high cost as-sociated to start-up (Figure 1) and maintenance (Figure 2), although this has been partly mitigated with the arrival of electronic control technologies. An automated line is very sensible to unexpected defects, and the start-up phase usually reveals errors undetected in previous steps of the production chain. In addition, the fine-tuning phase requires the support of highly spe-cialized workers and engineers, with a high cost associated.

Haute couture robotics: the automation of aeronautical assemblies

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Otro inconveniente tradicional de las líneas automatizadas es el ele-vado coste de puesta a punto (Figura 1) y de mantenimiento asociado (Figura 2), aunque se ha visto mitigado en parte por la irrupción de la tecnología electrónica en el control de estas células. Una línea automa-tizada es muy sensible a defectos no esperados, y en su fase de arran-que suele poner de manifiesto errores indetectados en etapas anterio-res en la cadena de producción. Además, su puesta a punto precisa la atención de operarios e ingenieros altamente especializados, con el 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 estas costuras pueden llegar a estar formadas por decenas de miles de taladros y remaches.

En este tipo de uniones bulonadas se requieren tolerancias de posición y geometría del taladro respectivamente del orden de las décimas y milé-simas de milímetro. El acabado de las superficies a unir debe cumplir con requerimientos muy exigentes en cuanto a rugosidad y limpieza.

Tradicionalmente, las operaciones de unión de elementos como re-vestimientos y carenas a la estructura interna formada por largueros y costillas se ha realizado de manera manual, ejecutando miles de tala-dros en cada elemento (Figura 3.a). Una operación altamente repetiti-va, que en algunos casos se complica debido a la dureza y resistencia de los elementos a taladrar.

La automatización progresiva de estas operaciones ha partido de una comprensión y análisis detallado del proceso completo. Cada nuevo paso se ha dado cuando el anterior se consideró suficientemen-te maduro y controlado.

Hacia la automatización del taladrado y remachado

Un primer paso en la automatización del taladrado y remachado fue el desarrollo de máquinas de taladrado semiautomáticas, equipadas con módulos neumáticos e hidráulicos para asistir los movimientos de giro y avance de la herramienta de corte. Estas máquinas, todavía en uso, se anclan a unas grandes y pesadas plantillas de taladrado, de modo que se descarga al operario del esfuerzo de posicionar y empujar la máquina he-

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 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

In airframe assemblies, drilling and riveting is a repetitive operation that consumes great amount of resources. Grids or joint lines that constitute these seams typically consist of tens of thousands of holes and rivets.

In this type of structural joints, positioning and form tolerances for the holes are respectively in the order of magnitude of tenths and thousandths of millimetres. The surfaces to be joined must fulfil very demanding require-ments in terms of finishing and cleanliness.

Traditionally, joining of elements such as skins and fairings to the internal aircraft structure formed by spars and ribs has been performed by manually drilling thousands of holes in each element (Figure 3.a). This is a highly re-petitive operation, complicated in some cases by the strenght and stiffness of the aerospace materials.

These are two of the operations that have benefited the most from au-tomation strategies in the assembly lines. The progressive automation of these operations stems from an understanding and detailed analysis of the whole process. Each step has been taken only after the previous one was considered sufficiently mature and controlled.

Towards the automation of drilling and riveting operations

A first step in the automation of drilling and riveting operations was the development of semiautomatic drilling machines, equipped with pneumatic and hydraulic modules to aid the rotation speed and feed movement of the drill bit. These machines – still in use today – are secured to heavy and bulky drilling templates, hence relieving the worker from the strenuous tasks of holding in position and pushing the tool. Instead, the operator only has to move the machine from one position in the drilling grid to another, and press a button (Figure 3.b).

Once this technology was established successfully, the next step was the introduction of the first fully automatic drilling machines, capable of po-sitioning the tool and conducting the whole drilling operation. Robots of various morphologies have been used in aerospace assembly factories – gantry, parallel kinematics, or linear arm –controlled by pneumatic logic at the beginning, and later by electronic controls.

Especially when drilling modern materials, these robots had to be structur-ally very rigid in order to achieve sufficient accuracy. This translated into hefty structures and robust guides on which to move their drilling units (Figure 3.c).

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Fase de puesta a puntoStart-up phase

Fase operativaProduction phase

TiempoTime

RendimientoPerformance

PersonalStaff

Fallos inicialesEarly failures

Fase de desgasteWear phase

TiempoTimeMadurez

Maturity

Figura 1. Soporte y rendimiento de un sistema de montaje automatizado en su fase de arranque. / Figure 1. Support staff and output performance of an automated assembly system in the start-up phase.

Figura 2. Patrón de costes de mantenimiento en los sistemas de montaje automatiza-dos. / Figure 2. Pattern of maintenance costs for automated assembly systems.

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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 al introducir las primeras máquinas automáticas de taladrado, capaces de posicionar la herramienta y realizar toda la operación de taladrado. En las fábricas de montaje aeronáutico se empezaron a ver robots in-dustriales de tipo pórtico, de cinemática paralela, o de brazos lineales controlados mediante lógica neumática en un principio, y mediante control electrónico posteriormente.

Estos robots realizaban la operación de taladrado completa, y para conseguir las precisiones requeridas al taladrar los resistentes materia-les modernos, necesitaban de la rigidez de robustas guías por las que se movían sus cabezales de taladrado (Figura 3.c).

Esta necesidad de rigidez se vio acentuada al seguir avanzando en el proceso de automatización, cuando se planteó dotar a los cabeza-les de taladrado de módulos capaces de realizar todas las operacio-nes necesarias para remachar por completo la unión. Un cabezal de taladrado y remachado debe dotarse de algún medio para rebabar el agujero taladrado, medir la longitud del remache a instalar, aplicar el sellante necesario, insertar el bulón y efectuar el cierre del mismo.

Estos cabezales incrementan de manera importante su tamaño y su peso. Y la única manera de garantizar las tolerancias y precisiones es au-mentar la rigidez del sistema completo, lo que se traduce en elementos de soportado tales como guías y transmisiones cada vez más robustas, grandes y pesadas, así como la necesidad de cimentaciones especiales.

Nuevos retos

En los últimos años, y aprovechando los avances en técnicas de visión artificial, reconocimiento de patrones, materiales y sistemas de anclaje, se comienza a conceptuar un tipo de sistema de taladrado y remachado más versátil que los descritos anteriormente.

Poco a poco las grandes máquinas diseñadas ad hoc y dedicadas a un único producto van dando paso a células flexibles, formadas por robots co-merciales de menor tamaño que no precisan cimentaciones especiales, y que pueden reconfigurarse fácilmente para usarlas en distintos productos.

Haciendo un ejercicio de imaginación, en la estación de montaje del futuro operarán conjuntamente técnicos montadores y robots de las formas más variadas (ya existen prototipos de robots caminantes de as-pecto arácnido, reptantes con forma de serpiente, o articulados como un brazo humano) colaborando e interactuando de manera continua en la misma zona.

Estas tendencias y desarrollos futuros son compartidos por los especialis-tas en jornadas como la que hace unos meses celebraron en Sevilla el CDTI y el CATEC. Aerorobot 2010 repasó el estado del arte actual en materia de robótica aplicada a la industria aeronáutica, y centró parte de su atención en el papel que la aeronáutica andaluza ha tenido en su evolución.

Andalucía está hoy por hoy en la vanguardia de la automatización de montajes aeronáuticos, contando con el Centro de Excelencia a nivel eu-ropeo en la automatización de montajes de estabilizadores horizontales y con una de las líneas de ensamblaje final más modernas de Europa. Este éxito está basado en la experiencia y el esfuerzo aplicado en cada uno de los programas aeronáuticos que se han ido sucediendo en el tiempo.

Los programas Mercure, SAAB 2000 y Dornier 728, los Productos Pro-pios de la antigua CASA, o los primeros Airbus permitieron adquirir los co-nocimientos que hoy se aplican en programas como el A380 y el A400M. Y el futuro ya está aquí con el A350, y los nuevos desarrollos Airbus.

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 and riveting unit must include means for deburring the drilled hole, measur-ing the length of the rivet to be installed, applying sealant, inserting the bolt, and closing the stack-up.

All these functionalities significantly increase the size and weight of a drill-ing and riveting unit. The only way to guarantee tolerances and accuracy is to increase the structural stiffness of the whole system even further, which means more robust and heavy elements such as guides and transmissions, and expensive special foundations.

New challenges

In recent years, advances in fields such as artificial vision techniques, pat-tern recognition, materials and clamping systems, have opened the way for a more versatile type of drilling and riveting system.

Little by little, the huge machines designed ad hoc and dedicated to a sin-gle product are giving way to flexible cells, using smaller off-the-shelf robots that do not need special foundations, and can be easily reconfigured for use on different products.

Making an exercise of imagination, assembly stations in the future will have human operators and robots of different shapes operating together in the same area, collaborating and interacting – prototypes already exist of arachnid walking robots, snake-shaped crawlers, or robots articulated like a human arm.

These future tendencies are shared by specialists in meetings like the one organized in March by the CDTI and the CATEC in Seville. Aerorobot 2010 reviewed the state-of-the-art of robotics applied to the aerospace industry, focusing on the role that Andalusian aerospace has played in its evolution.

Andalusia is today at the forefront of the automation of aerospace as-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 the know-how developed in a number of aerospace programs industrial-ised in the region through time.

The Mercure, SAAB 2000 and Dornier 728, the light and medium military transports from the old CASA, or the first Airbus programmes taught some of the lessons applied today to the A380 and A400M programmes. And the future is already here with the A350 and the new Airbus developments.

Para saber más sobre el tema de este artículo, visite la web http://sabermas.aergenium.es, donde encontrará más información, material de soporte, fotografías, vídeos y enlaces de interés.

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Tres pasos en elcamino hacia eltaladradoautomático: (a)taladradomanual, (b)taladradomediantemáquinasemiautomática,y (c) taladradomediante robotindustrial.

Three steps onthe path towardsautomatic drilling:(a) manualdrilling, (b)automatic feeddrilling machine,and (c) drilling bymeans of anindustrial robot.

(a)

(b)

(c)

Figura 3. / Figure 3.