Automatizando lo pequeño

Las celdas de soldadura robótica evolucionan para manejar producciones cada vez más y más pequeñas

July 23, 2009

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Para ayudar en situaciones complejas de manufactura, más operaciones de fabricación están cambiando a soldadura robótica—sin importar qué tan pequenos sean los tamaños de lote.

welding robots increase efficiency

Recientemente le cortaron el pelo a mi hijo. Es un niño, por lo que el peluquero no tiene que cortarle demasiado cabello, pero a sus 5 años, mi hijo requirió algún tiempo para que lo sentaran y lo ajustaran a una altura adecuada para el peluquero. Mi hijo giró un poco, por lo que le hice ver que era importante que se sentara quieto. El peluquero puso especial atención en cortarle bien el pelo (y esto incluye sus extraordinarios esfuerzos para evitar cortarle el lóbulo de una oreja).

Puede parecer algo forzado, pero trate de comparar este escenario con la soldadura robótica, específicamente aquellas celdas dedicadas al trabajo altamente variado de bajo volumen de un taller (vea la Figura 1). Los tamaños de lote son pequeños (como el cabello de mi hijo), la configuración absorbe valioso tiempo, y el costo para que una parte conserve la tolerancia y repetibilidad (como la inquieta cabeza de mi hijo) se vuelve una consideración significativa debido a que no puede aplicarse a un volumen grande. El operador, como el peluquero, tiene que poner especial atención en mantener la calidad (un buen corte de pelo) y evitar desperdicio de partes (un lóbulo de oreja cortado).

Históricamente, los talleres pequeños no han considerado la robótica. Todo equipo comprado tenía que ser robusto, fácil de integrar y económico. Además, lo que el taller hiciera un día no era necesariamente lo que estaría haciendo al día siguiente.

Por lo tanto, ¿por qué los talleres realmente querrían un robot como algo prioritario? Es una combinación de factores, pero más que nada, la fuerte competencia ha forzado a los talleres a aumentar su productividad mientras mantienen o mejoran la calidad. Con los accesorios adecuados y la repetibilidad de las uniones, los robots pueden aumentar la productividad para una gama de geometrías de partes, sin importar el tamaño del lote.

Dicho esto, los talleres deben saber cuáles partes son adecuadas para robótica y cuáles no. Deben saber los requerimientos del modelo y ajuste de partes; que un robot demanda repetibilidad de las operaciones previas; y que existen tecnologías de robótica que consideran la variabilidad. Hay infinidad de consideraciones, pero la mayoría dependen de lo siguiente: mantener la simpleza y la flexibilidad.

Posicionamiento de partes

En su parte más elemental, el diseño del arreglo implica el soportar la parte, ubicar la parte y sostener la parte. El soporte de la parte con frecuencia se efectúa con una placa modelo de acero y es común usar principios de cambio rápido. El instalar una subplaca en la mesa de una máquina permite la instalación de cojinetes de recepción que se empatan con los pernos de localización instaladas en placas modelo modulares. Un par de vueltas de un tornillo de ajuste de los pernos de localización provee fuerza de retención positiva, posicionamiento del arreglo preciso y repetible, y cambio fácil para producción pequeña de partes.

Bastón con patas comerciales y bloques de montaje para ubicar la parte. Estos simplifican el diseño del modelo, y ya están maquinados a altas tolerancias, lo cual mantiene los costos bajos y requiere mínimas alteraciones (o ninguna) fuera de la caja. El hardware comercial, como abrazaderas de retención, brinda un método económico para sostener la parte con fines de repetibilidad (vea la Figura 2).

Idealmente, las partes deben ubi­-carse desde las superficies más precisas, y aquellas superficies usualmente son agujeros maquinados o superficies rectificadas. Como regla (aunque hay excepciones), si la parte requiere una cierta tolerancia (±0.005 pulgadas, por ejemplo), entonces el modelo debe ubicar las partes a una décima de esa tolerancia (±0.0005 pulgadas). La unión de soldadura también debe localizarse a más menos la mitad del diámetro del alambre de soldadura que requiere el trabajo. Por lo tanto, si un trabajo usa alambre de 0.035 pulgadas, la tolerancia de localización de la unión debe ser 0.017 pulgadas; un alambre de 0.045 pulgadas requiere 0.022 pulgadas.

Un robot se presta mejor para soldaduras de tapón y de cordón, y si las uniones de soldadura pueden posicionarse ligeramente hacia arriba, inclinadas a un ángulo hacia el operador, aún mejor (vea la Figura 3). Esto le facilita al operador cargar y descargar partes, haciendo más corto el camino para colocar algo sobre la placa modelo. Además permite al robot usar la gravedad como una aliada; soldar hacia abajo significa que la pistola puede viajar entre 10 y 25 por ciento más rápido que cuando se suelda en posición plana.

Cuestiones de Repetibilidad

Algunas veces puede culparse al modelo por problemas de tolerancias, pero es más frecuente que la operación no sea repetitiva debido a problemas previos, como dobleces fuera de tolerancia en una prensa dobladora. La solución más fácil es programar al robot para soldadura oscilada o por tramos (intermitente). De manera alternativa, usando dispositivos sensores como puntas y cámaras de bajo costo, los robots pueden “ver” la variación de las uniones y tomarla en cuenta.

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Como con cualquier tecnología, el rastreo de las uniones tiene aspectos positivos y negativos. Mientras más separación haya en una unión, mayor cantidad de datos tendrán que procesar estos dispositivos sensores, lo cual aumenta el tiempo del ciclo y con frecuencia causa una soldadura excesiva. Esto no quiere decir que no valga la pena invertir en estos dispositivos; éstos han introducido muchas aplicaciones a la soldadura robótica que de otra manera no habrían sido prácticas. Fuera de eso, en aplicaciones de taller, tales diferencias en el tiempo del ciclo son casi despreciables en comparación con la eficiencia y la calidad global de una celda robótica.

Al analizar el tiempo del ciclo y el tamaño del lote, asegúrese de considerar en la ecuación el tamaño de la parte. Por ejemplo, si se requieren 2 minutos para soldar una parte, entonces 200 partes pueden considerarse un tamaño pequeño de lote. Si se requieren 30 minutos para soldar una parte porque su fabricación es mayor, 200 partes pueden ser un tamaño significativo de lote. El tamaño de la parte importa, y ayuda a traer a consideración el uso de las opciones de detección y rastreo de partes. Diez segundos adicionales a un ciclo de 30 segundos son más significativos que 10 segundos adicionales a un ciclo de 3 minutos.

Programando la Simplicidad

Hubo una época en que programar no era fácil ni intuitivo. Las compañías solían contratar programadores e intentaban enseñarles cómo programar un robot para soldar, un arte que requiere conjuntos de habilidades muy diferentes y experiencia.

Esto actualmente no pasa con tanta frecuencia. Los controles colgantes de

programación brindan comandos para robot fáciles de entender, en inglés simple, tales como arc start (iniciar arco), arc end (concluir arco), etc. Las celdas robóticas en un taller no requieren necesariamente escritores de código o alguien del personal para que se encarguen de los PLC. Si alguien sabe soldar, es muy probable que pueda operar el control colgante para un robot.

Para un técnico que programará sólo ciertas producciones pequeñas, la capacitación puede hacerse hasta en medio día. Una capacitación más completa puede requerir de tres a cinco días. En el primer día, los estudiantes pueden llegar a dominar las bases del movimiento del robot y empezar a programar sus primeras soldaduras.

En el segundo día, pueden aprender cómo programar de una manera más eficiente. Un robot puede no soldar más rápido que un soldador experimentado, especialmente en costuras rectas; más bien, es en los movimientos entre soldaduras donde el robot gana la competencia. Para asegurarse de que los robots se muevan rápidamente entre soldaduras, los programadores pueden definir un punto final de un movimiento de aire con una amplia tolerancia, por decir, ±30 pulgadas. Una vez que el robot llega a un punto cercano, puede hacer movimientos precisos más lentos hacia la posición de inicio del arco, con tolerancias hasta de unas cuantas milésimas de pulgada.

El tercer día, los estudiantes están

soldando partes y aprendiendo a programar lógica simple para recolección de datos, incluyendo cómo insertar un temporizador de programa para medir el tiempo del ciclo o un contador para medir el número de soldaduras particulares o movimientos en un periodo de tiempo.

Factores de la Geometría

Considere una aplicación que involucra lotes de 200 partes para un ensamble de rueda instalado sobre una placa con abrazaderas de palanca comerciales. El robot se programa para soldar un círculo, algo que puede hacer de manera muy eficiente, con sólo un inicio y un fin de arco. Los humanos tienen dificultad en hacer una soldadura así, porque es un reto mantener una pistola estable a un ángulo de pistola y a una velocidad de viaje consistentes alrededor de un círculo cerrado. Más bien, el soldador se vería forzado a arrancar y parar de dos a cuatro veces a lo largo de la circunferencia del círculo. Soldando a mano la unión, un soldador experimentado podría lograr 15 pulgadas por minuto (IPM), mientras que un robot podría soldar la misma unión a 45 IPM—Un aumento de la velocidad al triple con sólo un arranque y un paro de arco.

Por supuesto, las geometrías de algunas partes no entrarán en una celda de robot. Repetibilidad es el nombre del juego, y separaciones significativas en el arreglo pueden causar problemas. Un robot puede programarse para soldar esas separaciones, pero si esas separaciones son inconsistentes, surgen problemas. Aquí, la mano de un soldador sería más adecuada para soldar por tramos esas separaciones que programar a un robot para el peor caso en cada parte.

Las consideraciones de la geometría de las partes no siempre están definidas de manera tan clara, y con frecuencia deben sopesarse contra otros factores, como la disponibilidad de mano de obra calificada. Un taller puede doblar una caja de hoja metálica en una operación de prensa. Las costuras generalmente son fáciles de soldar porque pueden localizarse sobre un molde. Esto no es necesariamente cierto en una esquina con radio de la caja, donde las costuras se unen. Dependiendo del tipo de cizalla que se esté usando, esa esquina puede tener un contorno peculiar, y la separación puede ser muy difícil de controlar. En algunas aplicaciones, es mejor para el operador fijarla y soldar manualmente. Note que los robots pueden soldar dichas uniones, y comúnmente lo hacen, con frecuencia simplemente porque no se cuenta con mano de obra calificada. Sin embargo, si un taller tiene un soldador experimentado en su personal, éste puede ser capaz de unir estas partes de manera más eficiente que su contraparte robótica.

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La meta del taller es maximizar la producción, y con frecuencia eso significa no enviar cada soldadura a la celda de robot. Considere una parte para la cual la mayoría de las soldaduras puede hacerse en la posición plana en un lado, mientras que se requieren dos soldaduras básicas por tramos en el otro lado. Una compañía podría buscar construir un posicionador para girar la pieza de trabajo debajo del robot. Pero en una situación de producciones pequeñas, ¿por qué gastar el tiempo construyendo un accesorio tan complejo o lidiar con un mayor tiempo de ciclo, particularmente teniendo a un soldador entre el personal? Un robot podría hacer la mayoría de las soldaduras, después de lo cual un soldador podría simplemente quitar la parte y tomarse unos cuantos segundos para hacer las dos soldaduras por tramos y luego mandar la parte al siguiente paso.

Flujo de Partes

Un robot (dependiendo del modelo) puede guardar alrededor de 15,000 puntos de programa en memoria, con capacidad de expansión opcional de memoria. Cada programa de parte pequeña podría tener alrededor de 40 ó 50 puntos de programa, incluyendo movimientos de aire y movimientos de soldadura. Por lo tanto, un robot tiene casi capacidad ilimitada para programas, y el programador debe usar esta capacidad y flexibilidad para maximizar la producción.

Para hacer esto, el robot nunca debe esperar a que un operador cargue partes. Usando una simple hoja de cálculo que muestre los tiempos de ciclo para diversas partes y tamaños de parte, un taller puede ver qué arreglo de partes pequeñas y grandes asegura que el brazo de robot esté siempre en movimiento.

Considere dos trabajos que deben pasar a través de una celda de robot. Una producción de 32 piezas de partes de 5 pulgadas de ancho, y una producción de cuatro piezas con partes de 40 pulgadas de ancho. Un operador podría cargar una parte grande e iniciar el programa, después de lo cual podría anidar ocho partes más pequeñas en una placa de arreglo y tenerla lista antes de que acabara el ciclo de soldadura. Después de cargar las ocho partes, el operador se mueve a la siguiente parte grande. El organizar estos dos lotes maximiza la producción, y el robot nunca está esperando partes.

Tiempo para Mantenimiento

En talleres, la gente usa muchos sombreros. La persona que programa puede ser la misma persona que diseña el arreglo, que opera el robot y que le da mantenimiento. En estos casos, el sombrero de mantenimiento no debe tirarse.

A diferencia de los humanos, los robots no pueden anticipar cuándo surgen problemas. Un soldador manual puede sentir la vibración en la pistola cuando el desperdicio empieza a colgar en la punta de contacto. Un robot, por supuesto, no puede, por lo que es mejor reemplazar las puntas de contacto de manera regular y programada.

Aunque los calendarios pueden cambiar debido a diferencias en el tiempo productivo, las prácticas PM (manejo de proyectos) de soldadura manual generalmente reflejan las prácticas PM para soldadura robótica. Es aquí donde trabajar con soldadores experimentados ayuda enormemente. Ellos ya saben que las puntas de contacto necesitan cambiarse regularmente, con frecuencia una vez por turno. Las boquillas podrían reemplazarse en algún punto entre una vez a la semana y una vez al mes, mientras que las guías de antorcha y los rodillos impulsores deben cambiarse cada seis meses.

Algunos puntos de mantenimiento son únicos para robots. Éstos deben limpiarse periódicamente, y deben aceitarse o engrasarse, dependiendo del tipo de robot. Las baterías de respaldo, las cuales permiten a los sistemas mantener la integridad del posicionamiento del motor durante un corte de energía, deben reemplazarse dos veces al año o algo así. Además, busque puntos de roce repetitivo y ajuste el movimiento del robot conforme sea necesario.

Oportunidades para producciones pequeñas

En los E.U. muchos talleres están invirtiendo en su primera celda de soldadura robótica. Conforme los sistemas de huella pequeña y las tecnologías adaptativas se vuelven más accesibles, es seguro que más robots tengan éxito en el taller pequeño, y la mayoría se enfrentará con producciones pequeñas de partes—aquéllas que se creían demasiado pequeñas para automatización hace apenas unos cuantos años.



Geoff Lipnevicius


The Lincoln Electric Company
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