La automatización en la fabricación de metal se vuelve móvil

Figura 1. Un robot móvil se prepara antes de una operación de ensamblaje automotriz. La mayor cantidad de robots móviles comprados son para almacenamiento y logística. Aun así, los fabricantes están adoptando rápidamente la tecnología. Imágenes: KUKA

Nota del editor: lo siguiente se basa en "Cómo comenzar con la integración de robots móviles", presentado en FABTECH 2022, por Denise Stafford, gerente de desarrollo comercial de KUKA Robotics Corp.

Piense en una operación de chapa metálica de precisión automatizada, una con todas las campanas y silbatos tecnológicos en cada paso de fabricación. Un sistema de fabricación flexible lleva la hoja desde un sistema de torre de inventario en vivo a una cama de corte por láser. Las piezas se cortan, clasifican y apilan automáticamente con la automatización de eliminación de piezas, luego se llevan a una prensa dobladora robótica con cambios de herramientas automáticos y un robot con una pinza ultra flexible que puede manejar una gran variedad de piezas de trabajo.

Las piezas formadas se apilan y luego se llevan a procesos posteriores como soldadura y recubrimiento en polvo. Es el epítome de la automatización de la fabricación flexible, excepto para todos los trabajadores que conducen montacargas o empujan carritos llenos de piezas. El manejo de materiales entre los pasos de fabricación sigue siendo el último bastión del trabajo manual. Históricamente, los fabricantes han tenido opciones limitadas, pero las nuevas formas de automatización móvil flexible están comenzando a cambiar esto (ver Figura 1).

Los envíos de robótica móvil han estado creciendo a un ritmo extraordinario. Según ABI Research, de los 8 millones de robots que se espera enviar en 2030, casi 6 millones serán móviles. La automatización móvil ha transformado la industria de los robots, y el campo de la fabricación de chapa de precisión podría experimentar esa transformación antes de lo esperado.

Robots móviles para fabricación

¿Qué son exactamente los robots móviles? Un rasgo común entre casi todos ellos es que, con la configuración de protección y el diseño de planta correctos, están diseñados para reaccionar y evitar obstáculos deteniéndose y, a veces, maniobrando alrededor de ellos.

La industria vende sistemas de robots móviles usando varios términos, desde vehículos guiados automatizados (AGV) hasta robots móviles autónomos (AMR) con navegación avanzada. Algunos consideran ciertos tipos de automatización móvil más o menos inteligentes y autónomos que otros. Ciertos sistemas necesitan algún tipo de atributo físico como cinta magnética o reflectante, mientras que otros usan tecnología de visión avanzada LiDAR (detección y rango de luz) para sortear paletas de piezas, columnas de construcción u otros obstáculos.

Aun así, a medida que avanzan las tecnologías, las líneas entre las diferentes clasificaciones de productos (AMR versus AGV, por ejemplo) tienden a difuminarse. Algunos son más autónomos en ciertos aspectos, menos autónomos en otros. Algunos también tienen opciones de manipulación manual para cuando el robot necesita moverse de una manera única o inusual y simplemente no vale la pena todo el trabajo técnico básico para la operación autónoma.

Llamar a cierta tecnología por este o aquel acrónimo realmente no importa. Lo que importa es qué tan bien se adapta un robot móvil a las necesidades de una aplicación en particular.

Por ejemplo, algunos robots móviles tienen rutas definidas, se detienen cuando hay una obstrucción y reanudan cuando se elimina. Otros pueden sortear un obstáculo. Este último podría funcionar bien en almacenes con un tráfico peatonal mínimo, pero ¿qué pasa con un entorno de fabricación con mucha congestión? En estos casos, es posible que desee mantener sus robots móviles en una ruta definida.

Los robots móviles pueden usar sistemas de accionamiento omnidireccional, lo que significa que pueden moverse en cualquier dirección, incluido el movimiento diagonal y lateral ("crabbing"), útil cuando se trabaja en espacios muy reducidos. Los sistemas de transmisión diferencial también son muy flexibles; muchos pueden girar en el acto (radio de giro cero).

Figura 2. Los robots móviles se clasifican en parte por la forma en que transportan sus cargas.

Algunos robots móviles están diseñados para recoger y transportar, como el montacargas sin conductor de uso común. Otros tienen transportadores, lo que les permite moverse a una ubicación específica y luego transportar una carga útil a una superficie u otro transportador. Otros tipos están diseñados para mover carros y estanterías. Otros remolcan cargas útiles detrás de ellos (ver Figuras 2 y 3).

Cada tipo y diseño tiene una clasificación de carga útil específica, desde varios cientos de kilogramos hasta varias toneladas. Algunos de los robots móviles más resistentes del mercado transportan piezas de trabajo fabricadas en toneladas de gran tamaño de un extremo del taller a otro, sin necesidad de una grúa puente (ver Figura 4).

Sin duda, estos robots móviles de alta carga útil siguen siendo una minoría. La mayoría transporta cargas útiles bajas y realmente, muchos terminan en áreas distintas a la fabricación en sectores como almacenes, comercio electrónico y otras industrias relacionadas con la logística. Los adecuados para la fabricación deben estar diseñados para operar en entornos específicos, resistir el polvo y navegar en áreas pobladas.

Los robots móviles pueden maniobrar alrededor de un almacén sin encontrarse con alguien durante horas. En la fabricación, esto generalmente no sucede. Las plantas de fabricación tienen operadores de máquinas y, en algunos casos, los robots móviles interactúan directamente con ellos o junto a ellos, como un robot móvil que alimenta una tarima de piezas cortadas a una celda de doblado de prensa manual. Otros robots móviles, especialmente aquellos montados con brazos (ver Figura 5), pueden maniobrar a las estaciones para cambiar sus propias herramientas o efectores finales, luego trasladarse a una máquina cercana para cargar y descargar partes. En la fabricación, la complejidad de las aplicaciones va mucho más allá de simplemente pasar del punto A al B.

Cuatro pasos para volverse móvil

Conociendo todas las opciones disponibles, ¿por dónde empezar? Primero, debe considerar cuatro consideraciones básicas que sustentan cada aplicación de un robot móvil: proceso, detalles de manejo de piezas, entorno y software. Además, debe pensar en la seguridad en cada paso del camino. El hecho de que la mayoría de los robots móviles se detengan frente a una obstrucción no significa que toda la configuración sea segura cuando y donde sea que se usen. Como con cualquier tecnología, las medidas de seguridad deben adaptarse a la aplicación.

Paso 1: Proceso. ¿Qué papel jugará el robot móvil? ¿Se trata de mover piezas, atender una máquina o hacer una combinación de ambos? ¿Cuál es la gama de tamaños de las piezas, cómo se presentan y qué debe hacer el robot móvil con ellas? ¿Qué sucede cuando las piezas se extravían, se dañan o se encuentran defectuosas? Con respecto a la seguridad, ¿cuántas personas hay en el área y cuáles son las obstrucciones? Además, ¿qué sucede cuando la máquina falla?

Como parte del análisis del proceso, piense en los juicios y decisiones que requiere la operación. Considere un robot móvil con un brazo que mueve piezas a un transportador u otros procesos posteriores. Cuando se le presenta una tarima de cuatro pilas, ¿de qué pila se debe tomar primero, cuándo y a qué ritmo y secuencia? ¿Se necesitan soluciones integradas para manejar o prevenir eventos inesperados o raros, como un cuchillo de aire u otro dispositivo para evitar la recolección doble de espacios en blanco? ¿El robot móvil necesitará sortear diferentes obstáculos?

¿Qué interacciones son necesarias (entre humanos, software y maquinaria) para que el proceso funcione? ¿Cuáles son los requisitos de repetibilidad? Es probable que el posicionamiento preciso requiera enfoques alternativos para las herramientas y la sujeción de piezas.

¿Cómo se organizará la carga? Esto dependerá del tipo de batería (como plomo ácido o iones de litio). ¿Se cargarán durante el proceso o en una estación? Si tiene más de un robot móvil, ¿cuáles serán las prioridades (es decir, qué robot hace qué primero y cuándo) en los puntos de entrega y recogida y en las intersecciones? ¿Y el sistema de robot móvil permite una posible expansión futura?

Con estos detalles respondidos, puede comenzar a realizar un análisis para justificar su inversión en robots móviles. ¿Cuál es el tiempo de ciclo y el rendimiento actual, y cuál debe ser?

Figura 3. Un robot móvil transporta una tarima de piezas en cajas en el departamento de envíos de un fabricante. Estos modelos, junto con los montacargas sin conductor, son quizás los más familiares para quienes se dedican a la fabricación de metal.

Tenga en cuenta, sin embargo, que las mejoras en el rendimiento y el tiempo de ciclo son solo dos factores a considerar. Hay muchos otros más. Por ejemplo, los robots móviles pueden reducir su dependencia de mano de obra difícil de encontrar y aumentar su flexibilidad. Lo más importante, podrían mejorar la seguridad y la ergonomía.

También pueden mejorar la calidad, principalmente porque, si están bien diseñados y programados, los robots móviles hacen su trabajo de la misma manera a un ritmo constante que se puede medir. Un fabricante puede agregar sensores en ciertos pasos, de modo que cuando el robot móvil completa una tarea, los datos regresan instantáneamente al software, dejando una huella digital para actualizaciones de estado, optimización de procesos y trazabilidad.

Dicho todo esto, hay un equilibrio. Lo más simple suele ser lo mejor. Por ejemplo, un robot móvil puede tener sensores que leen códigos QR que indican qué parte lleva y cuántas, pero ¿es necesario ese paso? ¿O hay una forma más sencilla? Quizás cuando una pila de piezas alcanza cierta altura, una señal activa un robot móvil para moverlas del punto A al B. El robot móvil no necesita saber qué piezas son; simplemente sabe que todas las partes desde el punto A tienen que ir al punto B. La aplicación indica qué características debe tener un sistema de robot móvil: en la mayoría de los casos, cuanto menos complejo tenga que ser el sistema, mejor.

Lo mismo se aplica a los problemas de repetibilidad y precisión. Por ejemplo, un fabricante de automóviles utiliza robots móviles para presentar piezas grandes a varios robots de soldadura. Los propios robots móviles están diseñados para trabajar en ese entorno, pero no son tan precisos como los robots de soldadura. Sí, en teoría, la operación podría usar varios sensores para que el robot móvil pudiera colocar el trabajo "justo a la derecha" dentro de la celda. Pero en este caso, los ingenieros eligieron la opción más simple (y probablemente mejor): usar dispositivos mecánicos para el posicionamiento final de la pieza de trabajo (ver Figura 6).

Paso 2: Manipulación de piezas. Con los conceptos básicos del proceso resueltos, junto con un buen comienzo para justificar la inversión, es hora de profundizar en los detalles. Primero, ¿cuáles son las dimensiones físicas y el peso de las piezas a transportar y cuál será su centro de gravedad? ¿Cómo las cargarán y descargarán exactamente los robots móviles? ¿Cómo se instalarán para un proceso o se almacenarán en un estante?

¿Y cómo se conectará el robot móvil con el equipo y las herramientas? Esto depende de lo que desee que logre el robot móvil, con el objetivo de ayudar a su personal calificado a ser tan productivo como sea posible. En teoría, un robot móvil podría interactuar con una máquina para activar un ciclo o posicionar una pieza de una manera específica, pero ¿qué tan complicado sería? ¿Sería más sencillo hacerlo manualmente? Nada es más frustrante para un trabajador calificado que tener que lidiar con una automatización poco confiable, móvil o de otro tipo.

Nuevamente, no olvide la seguridad, especialmente cuando las cargas se mueven hacia y desde un robot móvil. ¿Cómo se llevará a cabo una transferencia segura? ¿Cómo se asegurarán o fijarán? La robótica móvil debe mantener y mejorar la seguridad de los procesos, no empeorarla.

Paso 3: Medio ambiente. Después de esto, considere el entorno en el que operarán los robots móviles: interior o exterior (o ambos), temperatura y humedad, partículas en el aire. La forma en que responda a estas preguntas determinará el tipo de robot móvil que funcionará en su entorno de fabricación. Nuevamente, un robot móvil que funciona perfectamente bien en un almacén de comercio electrónico podría no funcionar en una operación de fabricación de metal.

Además, no pase por alto las condiciones del piso, incluida su calidad y uniformidad. ¿Cuál será el nivel de fricción entre las ruedas del robot móvil y la superficie del piso? ¿Hay obstáculos o líquidos en el suelo? ¿Separaciones? ¿El robot subirá y bajará pendientes?

Finalmente, considere las condiciones de manejo, incluido el nivel de congestión del tráfico peatonal y otros vehículos, el ancho de los pasillos e intersecciones, y cómo se separan los diferentes caminos en toda la instalación. Los robots móviles requieren espacio libre, especialmente si transportan piezas largas que pueden sobresalir un poco de una tarima. A veces, estos factores pueden ser un desafío, pero si se encarga de ellos a buen tiempo, es más probable que los supere.

Figura 4. Un enorme robot móvil transporta una parte del fuselaje de un avión de un extremo a otro de la planta

Paso 4: Software. Finalmente, considere los diferentes niveles de software que necesitan interactuar para que su flota de robots móviles funcione (ver Figura 7). El software de su planta (como la planificación de recursos empresariales o el sistema de ejecución de fabricación) deberá comunicarse con su software de gestión de flota móvil, que coordina sus robots móviles como un todo: la colmena de robots móviles, por así decirlo. Realiza la planificación de caminos, establece reglas de derecho de paso y toma otras decisiones relacionadas.

Luego, el software de gestión de flotas interactúa con la navegación del robot, que realiza la localización (para que el robot móvil sepa dónde está) y el control de la velocidad. Esto, a su vez, interactúa con el control del robot (el firmware), que lleva a cabo medidas de seguridad locales y tareas básicas de conducción.

El software también podría conectarse a sistemas externos como PLC, paneles LED y controles de semáforos que, de un vistazo, muestran el estado de la flota móvil, dónde está y qué está haciendo. Varios niveles de software pueden trabajar juntos para procesar pedidos, priorizando y dividiendo tareas entre varios miembros de la flota móvil, que luego las ejecutan. Luego retroalimentan los datos para monitorear el proceso (¿cómo podemos hacerlo mejor la próxima vez?) y para corregir excepciones y errores.

El siguiente paso en la automatización

El fabricante de metal de precisión de hoy cuenta con un corte por láser extraordinariamente rápido, descarga de piezas automatizada, cambios de herramienta automatizados en el doblado y soldadura automatizada y, muy probablemente, manejo manual de materiales entre todos estos pasos de fabricación avanzados.

Los robots móviles podrían representar el próximo gran paso en la automatización de la fabricación de metales. Los observadores de la planta no solo verán láseres cortar y prensas doblar, sino que también verán robots móviles que transportan continuamente piezas de trabajo en un ballet logístico, encontrando el mejor camino para cada ruta de trabajo y cada flujo de valor.

Ninguna tecnología puede resolver todos los desafíos de fabricación, y los robots móviles no son una excepción. Los fabricantes deben lidiar con una amplia variedad de tamaños, pesos y formas de piezas. Pero también hay una extraordinaria variedad de robots móviles en uso hoy en día, desde los modelos extremadamente compactos hasta los de uso pesado capaces de transportar vigas estructurales e incluso fuselajes de aviones. Al menos algunas de estas tecnologías podrían llegar pronto a más talleres de fabricación de metal.

Slide Show | 7 Images