El estilo colaborativo en la automatización de la soldadura

Un soldador consulta los parámetros en una tableta mientras un robot colaborativo suelda una parte. Foto cortesía de ARC Specialties.

Durante años los robots para soldar han tenido sitio en la fabricación a la medida, pero sólo para tipos específicos de operaciones. Idealmente han necesitado trabajos de un cierto volumen que son ordenados repetidamente. La programación fuera de línea simplificada y la simulación están cambiando la ecuación del volumen. El diseño de sujeciones y el manejo de piezas de trabajo inteligente (de modo que el brazo pueda acceder a más uniones en una configuración) han hecho al robot de soldadura aun más flexible. Actualmente, si usted visita a un fabricante a la medida encontrará un robot para soldar que es cambiado muchas veces al día. El trabajo en bajos volúmenes no es un problema.

Aun así, tampoco es raro visitar a un fa-bricante y ver robots para soldar sin operar, aun cuando el resto del taller esté ocupado. Algunos trabajadores pueden estar soldando manualmente en algunas cabinas adyacentes, quizás trabajando en algunas piezas únicas. Sin embargo, muchos empleados de taller resulta que están en otro lado de la planta. Así es como se ve una producción de productos altamente mezclados con demanda altamente variable en la planta. La mezcla de productos cambia durante un día o dos, y la demanda para ciertos procesos, como la soldadura, se desploma.

Aquí es donde muchos en la fabricación de metales ven un potencial sin explotar en la robótica colaborativa, una tecnología en desarrollo que ha encontrado sitio en muchas operaciones de ensamble, pero que apenas ahora está empezando a afianzarse en la fabricación de metales—incluso para un proceso tan complejo como la soldadura.

Trabajando con la gente

Si observa a un robot tradicional de brazo articulado hacer algunos movimientos en el aire (o indexando) entre soldaduras, podrá ver con claridad por qué estos sistemas necesitan guardas de protección adecuadas. Los robots pueden lastimar seriamente a alguien que se atraviese en su camino, y no es su culpa; ellos sólo siguen el programa que se les dio.

Un robot colaborativo, o cobot, no opera así; si golpea una obstrucción, se detiene. Además puede detectar presión, lo cual le permite, por decir, deslizar una parte contra el tope trasero de una prensa dobladora con suficiente fuerza para asegurarse de que la parte quede fija, como lo haría un humano.

Aunque la máquina que está atendiendo un robot necesita guardas de protección adecuadas, el robot colaborativo en sí no necesita las guardas de protección robustas de un robot tradicional. Esto permite a la gente no sólo operar la automatización, sino también trabajar con ésta; de ahí el término robótica colaborativa.

“Una extensión de esto es la capacidad de hacer uso del robot de manera fácil y rápida”, dijo Manuel Sordo, gerente de ventas de Universal Robots (UR) con sede en Boston. “No se necesita un equipo de programadores e ingenieros en robótica en sitio para usar el robot, y con frecuencia se les puede utilizar sin hacer grandes cambios a la producción”.

Considerando todo esto, no es de sorprender que muchos vean un tremendo potencial para esta tecnología. En 2017, Transparency Market Research de Albany, N.Y., emitió un reporte que tasaba en $10,300 millones el mercado global de los robots colaborativos en 2015. Y lo más importante, el reporte predijo una tasa de crecimiento anual compuesta del mercado del 30 por ciento. Para 2024, el mercado de los robots colaborativos podría valer $94 mil millones de dólares.

Seguramente no es para soldar, ¿verdad?

Israel Nunez, un ingeniero de soporte técnico de UR establecido en Irving, Texas, asistía a una conferencia de petróleo y gas submarino en Houston. En su pequeña exposición de mesa trajo un cobot que estaba programado para trazar el borde de un podio.

Nunez recordó, “la gente venía a preguntarnos, ‘oiga, ¿se puede soldar con esta cosa?’”. Cuando Nunez contó esto, UR pronto empezó a ver aplicaciones comunes de soldadura en robótica colaborativa y eventualmente acabó asociándose con ARC Specialties, un integrador de automatización con sede en Houston. ARC ha trabajado en el sector de la industria pesada por años. La compañía tiene una reputación por diversos proyectos de automatización de soldadura, particularmente en aplicaciones que requie-ren soldadura robótica por arco de tungsteno con gas de alambre caliente.

En exhibición en la FABTECH en noviembre, la cabeza de soldadura para este cobot podría quitarse y reemplazarse con otro efector final diseñado para otra aplicación.

Cualquiera involucrado en la automatización de fabricación pesada hace varios años probablemente habría sido escéptico sobre el potencial para un “cobot para soldar”, incluyendo a John Martin, vicepresidente de ARC. “Cuando escuché sobre robots colaborativos, pensé que no veríamos mucha aplicación para éstos”, recordó Martin. “La mayoría de las aplicaciones con las que trabajamos implican automatización pesada con cargas útiles altas y alcances largos”.

Generalmente, los robots colaborativos tienen capacidad limitada de carga en comparación con los robots tradicionales. Aun así, en una situación típica de soldadura, el cobot no necesitaría llevar o mover la pieza de trabajo, las pistolas de soldar no son particularmente pesadas, y un alimentador de alambre no necesita estar en el brazo de robot en sí. Los cables para la alimentación de alambre y enfriamiento de la antorcha son algo pesados, pero no tanto como para exceder el límite de carga del sistema.

Luego estaba la cuestión de la velocidad. En el mundo de la automatización, mantener suficiente velocidad para la soldadura típica por arco no es un problema. Teóricamente, un robot suelda tan rápido como un humano (aunque el robot nunca se desconcentra ni toma descansos). Son los movimientos en el aire, o indexado (esos movimientos sumamente rápidos entre soldaduras) los que le permiten a un robot típico soldar más en menos tiempo.

Como otras formas de automatización, los robots colaborativos ofrecen consistencia en la calidad. Con el programa y las sujeciones adecuadas, el cobot debe producir la misma soldadura de alta calidad una y otra vez; y un robot colaborativo puede soldar tan rápido como un robot convencional. Sin embargo, los movimientos de aire de un robot colaborativo son relativamente lentos. Siguen una estrategia mucho más deliberada, parecido al humano, mientras se mueven de un punto a otro.

Luego está el precio. Los robots cola-borativo son económicos, así que teóricamente, si un fabricante necesita aumentar la producción para un producto, podría construir otro anexo y comprar e integrar otro robot. De hecho, ese precio bajo es lo que llevó a ARC Specialties a prestar más atención a la tecnología.

“Muchas veces una solución automatizada excedía el presupuesto específico de un cliente, debido a que la operación simplemente no tenía la cantidad de partes para justificarlo”, dijo Martin. “Así que éste fue el factor impulsor [para considerar los robots colaborativos]: encontrar un sistema de menor costo que cumpliera sus necesidades”.

Cobots en ambientes agresivos

Aunque antes de adentrarse en el proyecto, ARC sí investigó un poco, especialmente en lo que respecto a dichos robots operando en ambientes agresivos. Se incluyó uno en Aircraft Tooling Inc. (ATI), un centro de reparación para la industria de la aviación con sede en Dallas. De acuerdo con un comunicado de prensa de UR, ATI estaba buscando automatizar tareas de reparación que involucraban un proceso de aspersión térmica de oxígeno combustible de alta velocidad (HVOF, por sus siglas en inglés).

“Realmente creí que el robot no lo soportaría”, dijo Juan Puente, supervisor de aspersión térmica de ATI. “Algunos de estos recubrimientos en polvo son carburo de tungsteno, el cual es un recubrimiento de metal duro; si llegaba a filtrarse en los cojinetes del robot, temíamos que los des-truiría”.

Puente agregó que después de tres años del cobot en operación, ATI abrió los sellos y encontró los cojinetes intactos. “No había partículas ahí. No se ven”.

A ATI además le preocupaba el culatazo en la pistola de aspersión. “Estábamos ner-viosos de que el culatazo golpeara al robot o interfiriera con las servo capacidades”, dijo Puente. “Alcanzamos las presiones que lo harían rebotar, pero no pasó; el robot permaneció en su sitio”.

En un video mostrado en el stand de Ready Robotics en la FABTECH se ve a un robot colaborativo alimentando la estación de cizallado de una máquina de corte multiusos.

No sólo del punto A al punto B

La soldadura para un cobot es un poco diferente de las tareas básicas de ensamble, como por ejemplo las aplicaciones de carga ligera de asir y colocar donde la tecnología ha puesto la mayor parte de su atención.

De todos modos, la integración de cobots se está volviendo más sofisticada. Por ejemplo, en la FABTECH® el año pasado, la empresa integradora Ready Robotics, Baltimore, mostró varias aplicaciones de atención a máquinas que van más allá de la tarea básica de asir y colocar. La compañía mostró un video de un cobot operando una sierra de cinta y una máquina cortadora multiusos.

Durante una entrevista en la expo, Kelleher Guerin, presidente y director general de tecnología de Ready Robotics explicó “estos sistemas pueden equiparse para atender diferentes tareas en la máquina: doblar me-tal con la dobladora en una máquina cortadora multiusos, punzonar en la estación de punzonado, ranurar en la estación de ranurado. De hecho, usamos una máquina cortadora multiusos en nuestra oficina para probar diferentes tareas que podemos hacer con el robot colaborativo. Podemos llevar el robot a diferentes estaciones, y tenemos un sistema de realineación para una alineación real del robot con la máquina”.

Algunos fabricantes han usado cobots para producir partes pequeñas en una prensa dobladora. En estos casos, el robot puede detectar cuando la pieza ha golpeado el tope trasero, después de lo cual activa el ciclo de doblez, luego reorienta la parte.

En muchas aplicaciones, los puntos de inicio y fin importan, pero la trayectoria que sigue el robot, no importa tanto. En estos casos, el robot simplemente calcula la trayectoria más eficiente entre dos puntos.

Éste no es el caso para la soldadura. Los puntos de inicio y fin importan, pero también importa la trayectoria entre éstos—por supuesto, debido a que se trata de la soldadura en sí. Esto hace que la repetibilidad sea importante; es decir, la capacidad de mo-verse al mismo punto una parte tras otra.

Martin dijo que el programa de soldadura del cobot incluye parámetros básicos de soldadura como inicio del arco al principio y llenado de cráteres y post-flujo de gas de protección al final. Además incluye retraso de la fusión controlado, que aplica los parámetros de soldadura para permitir que el alambre tenga un pequeño retraso de la fusión hacia la pistola para asegurar que el alambre no se atasque en el pozo de soldadura en proceso de solidificación.

Otras variables incluyen parámetros de viaje y ángulo de la pistola para que se ajus-ten a los requerimientos de penetración, con empuje o tracción (arrastre) del alambrea lo largo de la unión, dependiendo de la o-rientación (plana, vertical, etc.) y el tamaño de la soldadura.

“El robot mantiene la orientación de la pistola, incluyendo el ángulo de la pistola de empuje o tracción, durante todo el movimiento”, explicó Martin. “Éste es el caso para movimientos de indexado o mo-vimientos de soldadura. Nuestro software controlará la velocidad del robot en el punto de soldadura para mantener la velocidad de avance de la soldadura. La velocidad de soldadura, el voltaje de soldadura y la velocidad del alambre pueden ajustarse en tiempo real desde los ajustes de parámetros de soldadura iniciales”.

Un soldador puede no querer trabajar en una orientación incómoda al soldar en lo alto debido al aumento del calor y de la penetración, lo cual causa que el metal fundido de la soldadura gotee, más bien opta por una orientación de tracción o arrastre, la cual tiene menos calor y penetración. Sin embargo, la orientación que elija el soldador depende del espesor del material y de otros factores. “Todo esto viene de la experiencia del soldador”, dijo Martin, y agregó que un soldador que opera un robot colaborativo debe ser capaz de afinar todos estos factores para que sean acordes. “Y usted necesita software en el lado del software para interpretar esos movimientos y hacer esa maniobra”.

Todas estas maniobras han existido por años en los sistemas tradicionales de soldadura robótica, y el software que está saliendo actualmente ofrece estas variables para cobots. De acuerdo con Martin, las futuras emisiones de software incluirán desplazamientos como oscilación (ondeo), donde el cobot necesita moverse de lado a lado dentro de la trayectoria de la unión; soldadura por tramos, donde el cobot debe activar y desactivar el arco durante una trayectoria definida; y la soldadura de pasadas múltiples, que incorpora los desplazamientos y otros parámetros requeridos conforme el cobot cambia de la raíz a las pasadas de re-llenado y tapado.

Todos estos desarrollos eventualmente llevaron a ARC Specialties y UR a introducir un sistema de soldadura robótica colaborativa el año pasado en FABTECH en Chicago, uno con un forro para protegerlo de la salpicadura y otros elementos ambientales.

Los soldadores pueden programar el cobot cinéticamente—es decir, moviéndolo físicamente de un punto a otro—y estable-cer parámetros usando una interfaz de tableta. Alternativamente, el sistema puede programarse y simularse fuera de línea. Una vez que comienza la soldadura, los datos de soldadura (alimentación, viaje, etc.) son realimentados al sistema, brindando un registro digital de soldadura para cada trabajo.

En este punto, ARC está trabajando para ir más allá de la soldadura por arco metálico con gas de acero al carbón (la aplicación inicial lanzada en FABTECH) e introducir un sistema capaz de efectuar soldadura con alambre de aluminio. “Actualmente te-nemos un alimentador en la base del robot”, dijo Martin, “pero dado que el aluminio es un alambre más suave, además se necesita un motor de tracción”. Agregó que está programado para desarrollo futuro un sistema robótico cobot de soldadura por arco de tungsteno con gas.

No es una panacea

“Un cobot para soldar no es algo que pue-da adaptarse a todas las aplicaciones”, dijo Martin, y agregó que la robótica tradicional seguirá siendo la manera más productiva para ambientes de volúmenes más altos. “Vemos a los cobots más como un punto de partida hacia la automatización para operaciones de mezclas altas y baja calidad. No se necesita espacio para guardas de seguridad, y no se necesita un programador avanzado para operarlo. Alguien en un taller pequeño puede aprender a usarlo y trabajar con él”.

Como explicó Nunez de UR, “sus soldadores que no están habituados a los robots ya no necesitan estarlo. Pueden ser sólo soldadores y saber cómo cambiar parámetros de soldadura adecuadamente, y aun así trabajar con un robot”.

Aún queda el obstáculo del alcance limitado del cobot, lo cual podría ser un problema para piezas de trabajo grandes. “El alcance limitado es un problema con los robots tanto convencionales como cobots; típicamente el robot está montado en una guía lineal para tener alcance”, dijo Martin. “Actualmente, sólo los robots de soldadura convencionales han sido usados con sistemas de guía lineal, pero no hay razón para que no podamos montar un cobot en una guía para aumentar su área de trabajo”.

Aun sin un sistema de guía, teóricamente los operadores podrían reposicionar el robot en sí para llegar a todas las soldaduras en una pieza de trabajo más grande. En estos casos, dijo Martin, puede ser más fácil para un soldador quitar el cobot y operar un arco manualmente.

De todos modos, el hecho de que los cobots puedan quitarse simplemente es lo que los hace tan interesantes, especialmente para el fabricante a la medida con niveles de demanda cambiantes y mezclas de productos. Martin agregó que el sistema podría quitarse, y además podría equiparse con otro efector final y llevarse a una prensa dobladora, sierra de banda, máquina cortadora multiusos, o diversas máquinas más.

Por supuesto, el reto estará en los deta-lles para que esto ocurra, pero la idea podría ser una manera para ayudar a aumentar la producción en ambientes altamente varia-bles. Los fabricantes estarían invirtiendo en automatización no para un solo paso de manufactura, sino para muchos.

En muchos fabricantes a la medida, un cuello de botella en el proceso puede cambiar dependiendo de la mezcla de productos y del nivel de demanda, así que la gente se mueve para liberar ese cuello de botella. Con los cobots, sería la automatización la que se movería para liberar esos cuellos de botella también.

Aircraft Tooling Inc., www.atirepairstation.com

ARC Specialties, www.arcspecialties.com

FABTECH, www.fabtechexpo.com

Ready Robotics, www.ready-robotics.com

Universal Robots, www.universal-robots.com