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7/26/2019 El Robot Aplicado a La Manufactura
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5. El robot aplicado a la manufactura
5.1 El robot en el manejo de materiales.
Durante dcadas, los robots han sido algo comn en las plantas de fabricacin de todo el
mundo. Desde las aplicaciones de montaje y produccin de abastecimiento, soldadura,
fabricacin y pintura hasta tareas del fin de lnea del flujo descendente, como embalaje y
paletizacin de cajas, los robots son soluciones de productividad comprobadas y confiables
en la fabricacin. Las aplicaciones que realizan comparten un hilo comn de precisin y
repeticin: la gracia de las aplicaciones robticas histricas. Cualquier proceso que
requiera la misma tarea completada de manera repetida, particularmente si es un trabajo
sucio, aburrido o peligroso, es un candidato principal para una aplicacin robtica.
Sin embargo, a medida que evolucionan la capacidad de movilidad, la gu a visual y el
software de control de la robtica, tambin lo hace la capacidad de los robots para
funcionar en entornos ms dinmicos y desestructurados funciones que estn ms
alineadas con tareas que se realizan manualmente en los centros de surtido y distribucin
actuales. Esta nueva frontera precisarsoluciones robticas que sean capaces de realizar
tareas impredecibles, inexactas y no siempre repetitivas, y que requieran un mayor grado
de conciencia espacial y del objeto a travs del uso de algoritmos de control adaptables en
tiempo real. Este informe compararlas soluciones de manejo de materiales tradicionales
con sus contrapartes robticas dentro del centro de surtido de pedidos y distribucin, y
adnde podran dirigirse estas soluciones en el futuro.
Figura 1. Robot Industrial encargado de empaque y embalaje de vino
Robots, automatizacin y la impulsin hacia una cadena de suministros ms inteligente
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Los altos costos y el contacto de mltiples empleados relacionados con la recepcin, el
envo del producto y el surtido de pedidos en los centros de surtido y distribucin actuales
son objetivos potenciales para la automatizacin robtica. Estas funciones incluyen:
recepcin; almacenamiento y reaprovisionamiento; surtido de pedidos; desempaque; y
envo. Veamos con mayor detenimiento cmo algunas de estas operaciones se hanmanejado tradicionalmente y, luego, revisemos las soluciones robticas potenciales que
podran asistir en el flujo de trabajo.
Figura 2. Tabla de aplicacin de la robotica en distintos procesos de produccion
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El robot como nico elemento de transporte de la pieza entre mquinas
Se considera para cadencias relativamente bajas, 15 a 60 piezas/hora.
Al aparecer los primeros robots UNIMATE polares, bastante voluminosos, fuertes, pero
lentos, se generalizaron un tipo de clulas de trabajo en que se dispon
an las m
quinas
formando un arco de circunferencia, con el robot en su centro.
El robot se encargaba del paso directo de la pieza de una mquina a otra, no slo
transportndola sino cargndola y descargndola en cada mquina.
Este mtodo slo es apto para cadencias bajas, ya que un solo robot efecta toda la
manutencin, y adems las interrupciones afectan a todas las mquinas de la clula, por
lo que su uso ha quedado relegado en general para la produccin de productos fabricados
en series cortas y medianas, y para piezas medianas y grandes; (stas tienen el tiempo
mquina ms largo, lo que da tiempo al robot para efectuar los pasos de piezas de
mquina a mquina).
Transporte en lneas de cadencias relativamente altas
En lneas con ritmos de 250 a 450 piezas/hora.
En este caso hay que ayudar a los robots con otros mecanismos. La llegada de piezas en
bruto, tornillera, remaches, arandelas, etc. acostumbra a ser desordenada, lo que nos
obliga al empleo de mecanismos ordenadores si queremos que la carga sea automtica.
Los mecanismos ms empleados hoy se representan en la tabla siguiente.
-Cubas vibratorias
-Cubas giratorias
-Cintas sin fin con alojamientos inclinados
-Rampas con cangilones
-Depsitos con un elemento oscilante
Oscila el elemento recolector
Oscila el depsito
-Robots con visin
Dos dimensiones
Tres dimensiones
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Cuando la carga automtica presenta serias dificultades, o el mecanismo resulta
demasiado caro, se recurre a la carga semi-automtica con operario, mediante
"cargadores" o "cadenas cargadoras", cuyo ciclo de carga sea ms corto que el de
produccin, lo que permite al operario cargar varias mquinas o dedicarse parcialmente a
otras tareas.
A partir de la primera mquina lo mejor es no perder el orden en la posicin de las piezas
ya que ello puede ahorrarnos mucho dinero.
La forma de la pieza influye en la dificultad de su manutencin, as las piezas de
revolucin sern las ms fcilmente manipulables. Ello explica que los aros, rodillos y
bolas de los cojinetes (rodamientos) tuvieron el proceso totalmente automatizado antes de
aparecer los robots. Bastaba proveer para el paso de mquina a mquina, pequeos
mecanismos como ascensores, rampas y pequeos manipuladores del ms bajo nivel, para
efectuar la carga y la descarga de la mquina.
Pero cuando la pieza es irregular, se pierde fcilmente el orden, lo que con una persona
en la mquina siguiente no representaba ningn problema. Cuando instalamos un robot,
se convierten en no aptos" unos medios de transporte que ven amos utilizando con xito
desde hace varias dcadas.
Pulmones entre mquinas
Cuando el ritmo de produccin de las mquinas de una misma cadena es muy distinto, o
cuando hay muchas interrupciones, ya sea por cambios de programa o por incidentes, nos
vemos obligados al uso de pulmones entre mquinas con una regular capacidad de
acumulacin de piezas. He aqutres ejemplos:
En hlice
-sin palet (piezas de revolucin).
-con palet (piezas irregulares)
Hay que evitar golpes entre piezas, a veces mediante frenos.
En espiral
En general usado para piezas de revolucin o piezas muy regulares. Las piezas no se
golpean peligrosamente entre s, slo se mantiene un ligero contacto.
Pater-nosters
Este sistema puede acumular gran cantidad de piezas. Es muy apto para piezas
simtricas y presenta dificultades cuando se trata de piezas irregulares.
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El transporte en el montaje
Lo dicho para el transporte entre mquinas-herramientas es tambin vlido para las
lneas de montaje. La antigua cadena Ford, de movimiento uniforme, resulta hoy en da
poco apta.
Resulta mucho ms cmodo el trabajo a pieza parada, cuando proliferan las operaciones
automticas. La habilidad del hombre se pone de manifiesto una vez ms por su
capacidad para trabajar en cadenas en movimiento.
No es que no se haya intentado la automatizacin con las cadenas o los conveyors areos
en marcha continua, pero si bien conocemos algunas aplicaciones que trabajan con xito,
tambin hemos visto convertir en chatarra varias instalaciones de este tipo, en las que se
haba invertido generosamente.
Se intuye con facilidad donde reside el problema: cada mquina debe poseer un
movimiento de traslacin paralelo al de la cadena, que debe sincronizarse con el
movimiento de la misma, con el agravante de que en general las cadenas poseen un
variador de velocidad. Una vez terminada la operacin, el mecanismo debe retroceder
hasta la posicin de la prxima pieza. La solucin es tomar el movimiento de la cadena
misma, pero todava hay que conectar y desconectar en el momento oportuno.
Para los robots, esta operacin resulta algo ms fcil, si es posible mantener constante la
velocidad de la cadena. En algunos casos se aplica todav a este sistema, por ejemplo en
cadenas de pintura para automviles; pero se evita en las de soldadura por puntos de los
mismos (ya que los errores de sincronizacin tendran peores efectos en el segundo caso).
El montaje a pieza parada posee otra ventaja decisiva: podemos localizar la pieza con
gran precisin. Por ello utilizamos dos mtodos fundamentales:
Conjuntos perfectamente localizables en un palet de precisin.
Grandes conjuntos difcilmente orientables con precisin respecto al palet o
elemento de transporte.
En los primeros proveemos al palet de un enclavamiento de precisin. En cada mquina
enclavamos el palet por estas referencias. La mquina acta sin problemas ya que las
desviaciones son del orden de centsimas.
En los segundos proveemos a la pieza con unas seales fcilmente reconocibles. Por
medios pticos reconocemos estas seales y ordenamos a los robots o mquinas, la mini-
correccin de la orientacin, para acoplarse al pequeo desvo respecto a la posicin
prevista; (se emplea este mtodo en soldadura de carroceras de automviles y en
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calderera).
Figura 3. Linea de produccion actual de Ford
5.2 El robot en las operaciones, el ensamble y la inspeccin
Operaciones
Son tres las principales operaciones que pueden llevarse a cabo prensando: corte,conformacin y ensamble. Las primeras dos estn confinadas a producir componentes a
partir de metal laminado, mientras que la tercera abarca una gran variedad de
componentes. Una operacin de prensado requiere la aplicacin de una fuerza de
compresin, por lo general en sentido vertical, por medios mecnicos o hidrulicos. El
papel del robot en las operaciones con prensas es en esencia el de cargador y descargador.
Primero se resumen las operaciones de prensado en que resulta aplicable el uso de un
robot. Las operaciones de recorte y perforacin se distinguen entre spor el hecho de que
un recorte consiste en cortar el perfil de una parte y la perforacin implica cortar orificios
en una parte. Un punzn se fuerza contra la placa metlica, con lo que se realiza un corte
de acuerdo con la forma de un dado estacionario. La placa de liberacin separa la placa
del punzn en el golpe de retroceso. Debe considerarse tambin el proceso de
conformacin. El doblado produce uno o ms dobleces sobre un mismo eje a todo lo largo
de la placa; el ajuste de la herramienta se hace por lo general a unos cuantos grados
adicionales con respecto al ngulo deseado con el fin de tomar en cuenta la ligera
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recuperacin elstica al liberar la parte. Si se sujeta la placa por medio de tenazas, puede
utilizarse una prensa para alargar la forma del material y, en caso de ser necesaria una
deformacin adicional, puede recurrirse al proceso de estirado profundo. Diversas
operaciones de ensamble resultan adecuadas para su ejecucin por medio de prensas; un
ejemplo caracterstico es el ensamble de una rueda automotriz por medio de una maza ypernos, en donde los pernos se fuerzan en la maza por medio de una prensa.
Es posible atender herramientas de prensado utilizando solamente tres grados de
libertad. Lo anterior requiere que el robot se coloque en la posicin adecuada con respecto
al dado ya la placa a ser sujetada con una orientacin correcta de la herramienta (el eje
de rotacin debe ser normal a la placa). Ocasionalmente se encuentran tenazas mecnicas
en este tipo de aplicacin, pero en los trabajos de prensado es mucho ms comn el uso de
tenazas de vaco o magnticas.
Las mquinas de prensado que se atienden en forma manual requieren interacciones de
seguridad muy completas. El pistn no debe comenzar su desplazamiento sino hasta que
se opriman los dos interruptores de un dispositivo de seguridad manejado a dos manos y
hasta que la pantalla protectora haya bajado por completo. Si la celda del robot est
protegida en forma adecuada es posible eliminar algunas de las precauciones inherentes
a la operacin de una prensa; aun as, se requiere una interaccin adecuada para
asegurar que no se inicie la operacin de prensado hasta que las tenazas hayan librado la
mquina y que el robot no se acerque a la mquina sino hasta que el pistn se haya
retrado completamente. Se requieren sensores en las tenazas para comprobar que tanto
los productos como el material de desperdicio se han retirado por completo del dado.
Las partes producidas por medio de prensas con frecuencia requieren ms de una
operacin, por lo que es comn que una prensa flexible dcabida a ms de un dado para
realizar operaciones sucesivas en cada parte. La tendencia actual es hacia mquinas
flexibles que ofrecen un sistema por completo automatizado que maneja varias
operaciones, adems de la habilidad para cambiar a lotes de productos diferentes sin
necesidad de cambiar los dados en forma manual. Una mquina de este tipo incorpora un
robot que acepta piezas de un alimentador automtico que se eleva para mantener el
nivel mximo de alimentacin posible y carga y descarga cuatro dados en la prensa
(Mizutame y colaboradores, 1984). Los dados pueden escogerse en forma automtica de
un grupo de 16 diferentes; se incorporan adems bandas transportadoras para la
recoleccin automtica de productos y desperdicios.
Algunos problemas especiales se presentan durante el desempeo de operaciones de
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doblado. El doblado se lleva a cabo por medio de una prensa de pie y, como es posible que
en el proceso estn involucradas grandes lminas del metal, es importante asegurar que
el robot pueda cargar y decargar la prensa de pie y sin sufrir una colisin.
Figura 4. Robot ensamblador de automoviles Honda
Ensamble
Aun cuando no se trata de la aplicacin ms comn de los robots, las operaciones de
ensamble, dada su elevada utilizacin de mano de obra, son la aplicacin con mayor
potencial de desarrollo. El ensamble manual se clasifica con frecuencia como una
operacin "no calificada", pero en lo que respecta al empleo de robots, es una operacin
complicada ya que requiere retroalimentacin generada por sensores. Los robots de la
primera generacin no tuvieron mucho impacto sobre la automatizacin de las
operaciones de ensamble, pero las mquinas ms recientes, con su gran precisin y mejor
acondicionadas para procesar datos generados por sensores, estn remediando esta
situacin.
El principio del grado de cedencia se ha extendido en el brazo de robot para ensam- ble
con grado de cedencia selectivo (Selective Compliance Robot Arm, SCARA) (Makino y
Furuya, 1982), que es una configuracin en particular adecuada para el manipulador de
un robot para ensamble. En su forma original el SCARA contaba con cuatro motores: la
posicin de las articulaciones del hombro y del codo defin an las Coordenadas de la
mueca en el plano horizontal y dos motores en la mueca controlaban la orientaci6n y la
elevacin del efector final. Al contar con cuatro grados de libertad, la mquina estaba
restringida a operaciones de ensamblaje sobre una mesa con desplazamientos verticales y
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horizontales. Una caracterstica exclusiva de la configuracin SCARA es que el grado de
cedencia puede controlarse -grado de cedencia selectivo. Como los brazos del manipulador
son relativamente rgidos, el grado de cedencia derivado en las articulaciones puede
controlarse al alterar los parmetros del sistema para control de las coordenadas de la
mquina. La configuracin SCARA permite una rotacin continua de la mueca, lo quehace que resulte adecuada para tareas de perforacin e insercin de tornillos sin
necesidad de motores adicionales.
Figura 5. Prototipo de un robot SCARA
Las mquinas pueden agruparse sobre una banda transportadora; las piezas de trabajo
por lo general se montan en plataformas estndar que se sujetan para lograr una
ubicacin precisa en cada estacin de ensamble. Algunas de las aplicaciones citadas paraeste robot (Ruder, 1982), por ejemplo, conectores electrnicos, cubiertas de motores,
vlvulas de inyeccin, caracterizan muchas tareas de ensamble donde las partes por
ensamblar consisten en partes o subensambles de gran tamao que llegan en una
plataforma proveniente de operaciones previas, y pequeas partes para fijacin de los
componentes, por ejemplo, tornillos o rondanas. Con frecuencia se ha encontrado que
resulta prctico suministrar a la estacin de trabajo las partes y subensambles de gran
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tamao en plataformas. Las partes pequeas como tornillos pueden manejarse en forma
ms adecuada por medio de alimentadores de cubo y depsitos. La deteccin es una
caracterstica esencial para lograr un ensamblaje adecuado; un ejemplo es en la operacin
de insertar un tornillo, en la cual el robot debe ser capaz de detectar que el tornillo se ha
sujetado de manera adecuada, que algn desarmador neumtico se ha atorado, que hayaalguna cuerda macho o hembra barrida, etc. Estas operaciones de deteccin se dan por
hechas en un sistema manual, pero en un sistema automtico requieren sensores e
instrucciones apropiadas para el equipo y los programas.
Inspeccin
Existen muchas aplicaciones, como el ensamble, la soldadura por arco y la fundicin por
inyeccin a presin en donde la inspeccin es una parte necesaria e integral del proceso,
que debe llevarse a cabo durante el ciclo de operacin. Esta seccin se ocupa de sistemas
automticos de inspeccin en donde los componentes esenciales son un robot, un sistema
sensor automtico y un medio de comunicacin entre los dos. Los robots y los sensores
deben instalarse juntos cuando es necesario transportar el sensor hasta la parte, o la
parte hasta el sensor. Se ha visto ya una aplicacin de este ltimo caso en el ejemplo
anterior de inyeccin. Al igual que el ensamble, la inspeccin abarca varios procesos y
puede ilustrarse en forma ms adecuada mediante el estudio de algunos ejemplos
especficos. Se ha empleado con xito un robot para transportar un sensor ultrasnico que
sc usa en la inspeccin de partes de fibra de carbono compuesta fabricadas en la industria
aeroespacial (Campbel y colaboradores, 1984 ). Este material estconstruido a partir de
varias capas de material tejido con fibras de carbono que estn unidas con una matriz de
resina. Despus de curado el material no debern existir Cisuras o burbujas de gas en la
matriz, ni tampoco ninguna separacin entre capas posteriores, conocida como
delaminacin. El mtodo de prueba no destructivo para probar estas fallas consiste en
transmitir una seal ultrasnica a travs del material; se identifica la presencia de
fisuras o delaminaciones a partir del patrn de la seal atenuada recogida por un
receptor en el otro lado del material.
La inspeccin de una parte compuesta requiere un barrido regular, por lo general en
forma de rejilla; en el caso de partes relativamente planas, esto puede lograrse con
facilidad con mquinas de tres ejes construidas con esta finalidad especfica. Como es
necesario mantener la cabeza de barrido normal a la superficie de la parte, se requieren
cuando menos cinco grados de libertad cuando se trabajan partes curveadas, por lo que en
este sistema se utiliza un robot para transportar la cabeza de barrido. Una configuracin
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de calibrador para la montura de la cabeza permite el acceso a componentes profundos.
La capacidad de los robots de primera generacin con frecuencia puede mejorarse en gran
medida si estos se conectan a una microcomputadora (Harris e Irvine, 1984); este ejemplo
sirve para ilustrar el punto. No es necesario programar la ruta del robot por medio de la
enseanza, dado que se cuenta con informacin sobre el diseo de la parte en una base dedatos de diseo asistido por computadora (CAD). La microcomputadora lleva a cabo dos
funciones: recopila informacin de diseo del sistema de diseo asistido por computadora
y la transforma en datos de coordenadas adecuados para su transmisin al robot y,
adems, interpreta la informacin del sistema ultrasnico para desplegar una
representacin bidimensional de la parte. La sincronizacin del sistema depende de las
seales que el robot le enva a la computadora al inicio del barrido de cada lnea para
comenzar un muestreo de la seal del scnsor. La computadora realiza el muestreo a una
velocidad calculada para monitorear puntos a intervalos de 3 mm.
Figura 6. Robot Hitachi desarrollado para la inspeccion de lagos y piscinas nucleares
Bibliografia
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5. El robot aplicado a la manufactura
Piedrafita Moreno Ramn, Ingeniera de la automatizacin industrial, Mxico, Editorial
Alfaomega, 2004.
Rentara, Arantxa, Robtica Industrial: Fundamentos y Aplicaciones, Mxico, Editorial
Mc Graw Hill, 2000.