Un robot para soldadura—en continuo movimiento

Las celdas flexibles se adaptan para satisfacer la demanda futura

September 13, 2013

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Un robot para soldadura—en continuo movimiento - TheFabricator.com

La variabilidad de la demanda es un hecho inmutable de la fabricación metálica por contrato. La mezcla de clientes de un fabricante puede cambiar, y con ésta, la mezcla de productos. Debido a ello, el taller tiene que estar listo para cualquier cosa. Para ser competitivos, muchos han repensado los conceptos tradicionales de arreglo del taller para reducir el tiempo de un proceso a otro. Si la mezcla de productos cambia significativamente, es probable que los gerentes de planta deseen reordenar a las máquinas para esta nueva condición.

Esto no es un trabajo tan arduo para máquinas pequeñas—pero ¿qué tal si se trata de celdas de soldadura robótica? La mayoría no consideran moverlas, y con razón. Mover una celda compleja requiere una seria planeación y costos significativos, lo cual tradicionalmente ha hecho que todo este esfuerzo sea impráctico.

Aun así, para ser competitivo actualmente, un fabricante debe producir productos variados de alta calidad. Los cortos ciclos de vida de los productos aunados a portafolios de productos variados crean un escenario de mezclas elevadas de productos en volúmenes bajos. Y conforme las demandas de producción aumentan, los métodos manuales se están haciendo menos viables. En resumen, la automatización ya no es una opción, se ha vuelto una necesidad.

Hay dos fuerzas que impulsan a las compañías a automatizar: aumentar la producción y mantener una alta calidad consistente de los productos. Para maximizar la producción, tradicionalmente los robots han hecho tareas repetitivas que no cambian con el tiempo y tienen tiempos de ciclo cortos.

Pero queda la pregunta: ¿cómo adopta una compañía la automatización sin dejar de ser adaptable? Las compañías deben encontrar formas de hacer sistemas lo más flexibles que se pueda. Por ejemplo, actualmente muchos usan herramental y elementos de fijación que pueden cambiarse entre operaciones de producción de diferentes productos. En este ensamble denominado de “marco”, un marco montado permanentemente dentro del posicionador permite que diferentes elementos de fijación se monten y desmonten cuando se requiera.

Sin embargo, pueden surgir verdaderos retos cuando necesitan mover celdas robóticas completas de un área de la instalación a otra, o incluso a otra ins-talación por completo, para seguirle el ritmo a las demandas de un ambiente de producción en constante cambio.

Las celdas robóticas y líneas de producción grandes que involucran múltiples unidades mecánicas, generalmente no son fáciles de reubicar en otras áreas de una instalación o entre instalaciones que pueden estar a muchos kilómetros. Dicha mudanza implica muchos costos: mano de obra, servicios, flete, reinstalación, reprogramación o puesta de nuevo en operación y capacitación de operadores—por mencionar sólo algunos. Cuando un sistema de manufactura robótica necesita moverse, particularmente entre sitios remotos, el costo de la mudanza puede ser un porcentaje significativo del costo original del sistema. Con frecuencia una opción más económica es aplicar esos costos de reubicación a un sistema nuevo.

Sin embargo, éste no tiene que ser el caso, especialmente si una celda de robot para soldadura se diseña desde el principio para ser reubicada, en caso de que surja la necesidad. Cada sistema de robot requiere ciertas conexiones para extracción de vapores, energía del sistema y otros elementos, así que reubicar toda celda requiere planeación. Sin embargo, algunas celdas de robot para soldadura son más fáciles de mover y reconfigurar que otras. Los sistemas robóticos flexibles vienen en diversas configuraciones, pero en un sentido amplio pueden agruparse en dos categorías: modulares y paletizados.

Un enfoque modular

En un sistema robótico modular no todo componente está permanentemente conectado a otros componentes, sino que ciertos elementos en una celda modular pueden desconectarse y reensamblarse en una configuración completamente diferente—una con un espacio de trabajo mayor o menor, un sistema de fijación o posicionamiento diferente, etc.

Sin embargo, estas características avanzadas requieren una previsión significativa. Durante las primeras etapas de diseño y planeación, todo mundo debe tener una clara comprensión de la mezcla de productos, flujo del sistema de producción, y de cómo lograr mejor la recuperación de la inversión. Los fabricantes que deben entregar un flujo de partes óptimo ahora sin perder la capacidad de adaptarse a cambios futuros de mezcla de productos, deben considerar las ventajas de áreas de trabajo modulares desde el inicio de la fase de planeación y diseño. Esto no es algo que pueda ajustarse fácilmente al momento de la instalación.

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Una celda robótica así es sumamente adaptable. En lugar de tener un área de trabajo dedicada para cada tarea, la celda puede tener unidades modulares que pueden intercambiarse para dar cabida a todo tipo de dispositivo, desde mesas y unidades de sujeción sencillas hasta cabezales de soporte y pequeñas unidades de posicionamiento de múltiples ejes.

Estas celdas robóticas pueden di-señarse para manejar una variación significativa de productos. Las caracte-rísticas avanzadas pueden simplificar la reubicación de una celda robótica de una parte a otra de la planta. Pero todo esto puede agregar costos de ingeniería durante la fase de diseño. Por lo tanto, las compañías deben hacer un análisis para determinar si pueden lograr la recuperación requerida. Las operaciones con alta mezcla de productos en volúmenes bajos típicamente tienen una tasa más lenta de recuperación, debido al tiempo adicional requerido para el inicio, programación de partes, y menor conteo global de partes.

De hecho, para algunas compañías con estrictos requerimientos de inversión de capital, los beneficios adicionales de ingeniería y producción pueden ser difíciles de definir en términos netamente financieros. En este caso, puede ser mejor—y menos costoso—instalar celdas dedicadas adicionales en lugar de un sistema modular.

La opción paletizada

Una opción móvil más económica es una celda paletizada de robot. Un fabricante por contracto puede instalar una placa base común (o marco) con diferentes elementos de sujeción. Si los elementos de sujeción están puestos y los programas se escriben y prueban fuera de línea, un técnico potencialmente puede conectar el elemento de sujeción, llamar al programa, ubicar la parte y empezar el siguiente trabajo en minutos.

A diferencia de los sistemas modulares, las celdas paletizadas usualmente se diseñan como una unidad con un espacio de trabajo fijo. Esto limita el tamaño y el tipo de partes que el robot puede aceptar. Y aun si la parte cupiera en el espacio de trabajo, el brazo de robot puede no alcanzar todas las juntas de soldadura para cada parte.

Sin embargo, estos sistemas pueden moverse a otra área de la planta—o a otra planta—con relativa facilidad. Las unidades paletizadas grandes pueden separarse en componentes más pequeños y embarcarse en secciones. Algunas de las celdas paletizadas incluso se diseñan con receptáculos integrados para permitir movimiento mediante un montacargas. Cuando se diseñan de manera eficiente, pueden simplemente desconectarse, levantarse y ponerse en un camión para su reubicación.

Si el objetivo es la movilidad de la celda, la alternativa modular o la pa-letizada ayudan a atender la necesidad de una producción altamente mezclada. Sin embargo, sepa que entre los sistemas paletizados de menor costo y los sistemas modulares más caros existen ventajas y desventajas.

Consideraciones básicas

Cuando una celda robótica necesita moverse, los talleres pueden llevar a cabo ciertos pasos para optimizar el proceso. Los traslados deben planearse con anticipación, nunca sobre la marcha.

Por ejemplo, ya sea que usen componentes de celda modulares o sistema paletizado, los talleres deben asegurar de antemano que las unidades estén construidas con desconexiones rápidas para cables eléctricos y de aire, para permitir una remoción rápida de la red pública. Los cilindros de gas montados directamente en las unidades evitan la necesidad de ubicar la celda cerca de una conexión central de gas. La alimentación local de alambre de soldadura elimina la necesidad de conexión a una fuente de alambre remota. También pueden usarse unidades locales de extracción de vapores si no hay un sistema central disponible en el taller. Los circuladores de aire portátiles aceptan múltiples celdas.

La seguridad también es una conside-ración importante en un traslado. Muchas celdas robóticas modernas tienen sistemas de seguridad integrales que cumplen con los estándares de la Robotic Industries Association. No se requieren elementos de seguridad adicionales cuando estas unidades se mueven dentro de la instalación o de un lugar a otro.

Los robots no poseen una inteligencia como la humana con la capacidad de razonar. Una persona debe programar cada movimiento del robot. Cuando se mueve una celda, los componentes mecánicos pueden flexionarse y moverse también, especialmente cuando se intercambia el herramental.

Programación y ubicación de partes

Debido a la holgura inherente en los sistemas mecánicos, un programa que corre fluidamente en una ubicación pue-de tener errores significativos en otra ubicación. Afortunadamente, estos problemas pueden vencerse con diversas tecnologías robóticas.

Éstas pueden ser simples estructuras de programación o sofisticados sensores que permiten al robot determinar y reaccionar a cambios en el ambiente físico local. Por ejemplo, un técnico puede hacer un corrimiento en 3-D en un programa para considerar un desplazamiento de elemento de sujeción, o incluso definir marcos de programa especiales anexados a un elemento de sujeción. Esto requiere que un programador de robots experto acceda al programa del robot directamente y haga estas operaciones.

En lugar de invertir en herramental caro y complicado para ubicación de partes, los talleres pueden implementar otras tecnologías que permitan a un robot hacer estas tareas de manera autónoma. Por ejemplo, la detección de contacto permite al robot usar ya sea la punta del alambre o un sensor láser para detectar características básicas en una parte y hacer los ajustes necesarios a su programa. Aun cuando es relativamente fácil programar un robot para esto, el tiempo de ciclo total puede aumentar.

Una alternativa más rápida que requiere más tiempo de programación durante la puesta en operación es usar una cámara en el lado del robot. Un robot literalmente puede “ver” el mundo a su alrededor para hacer tareas como detección de partes, reconocimiento de partes, detección de características y ajustes de programas. Incluso puede detectar qué tipo de elemento de sujeción o herramienta está cargado en su área de trabajo.

CAD es la herramienta más efectiva con la que cuenta un diseñador de sistemas. Haciendo uso intensivo del modelado en 3-D en la fase de diseño del sistema, el diseñador puede ver cómo se verá y funcionará un sistema una vez construido. Ya que un sistema está construido, pueden escribirse y verificarse programas fuera de línea, asegurando un sistema con un tiempo productivo y efectividad máximos.

Tres opciones

Un taller con alta mezcla de productos puede elegir entre diversas configuraciones de celda de soldadura robótica, pero generalmente, éstas pueden reducirse a tres opciones. Primera: el fabricante pue-de elegir un sistema paletizado independiente. Éste puede moverse fácilmente y es menos caro que otras opciones, pero su espacio de trabajo usualmente es fijo, y esto limita los tamaños y formas de partes que puede soldar. Sin embargo, dentro de estas restricciones, estos sistemas pueden soldar diversos trabajos en producciones en lotes pequeños que los clientes ordenan repetidamente.

Segunda: un fabricante puede elegir una celda diseñada para soldar una sola parte o una familia de partes de manera sumamente eficiente. Ésta puede ser una buena opción si la operación tiene una orden consistente en un volumen relativamente alto en la mezcla de productos. Sin embargo, estos sistemas no pueden moverse ni reconfigurarse con facilidad.

Tercera: un fabricante puede elegir un sistema modular altamente elaborado, el cual puede reconfigurarse para una eficiencia óptima para varias partes. Este sistema puede configurarse para soldar una sola parte o una familia de partes y luego moverse y reconfigurarse por completo para una aplicación totalmente diferente.

Esta última opción implica flexibilidad y redundancia que pueden requerir costos iniciales significativos. Por esta razón, los fabricantes necesitan preguntarse: ¿queremos invertir por adelantado en un sistema flexible que crecerá y se adaptará a nuestro taller, o queremos amortizar dichos costos seleccionando un sistema robótico fijo menos caro?

Esta decisión debe tomarse durante la fase de diseño, porque aun cuando la flexibilidad es cara al inicio, actualizar una celda sobre la marcha puede ser incluso más caro. Requiere un enfoque holístico que examine todo el proceso de producción para determinar la recuperación final de la inversión.

Los talleres deben ver sus procesos y procedimientos que tienen actualmente, y luego determinar qué procesos quieren que mejore el sistema automatizado. La opción propuesta para automatización no sólo debe tener sentido en términos económicos, sino que además debe concordar con los requerimientos de producción actuales y previstos. Conforme el campo de la robótica sigue evolucionando, así lo harán las tareas que se les asignen a los robots.



Richard Stokes

Application Engineer
Lincoln Electric Co
22221 St. Clair Ave.
Cleveland, OH 44117
Phone: 216-481-8100

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