La automatización en la fabricación de metales sigue volviéndose más móvil

FIGURA 1. Un robot móvil se prepara antes de una operación de ensamblaje de automóviles. La mayor parte de los robots móviles adquiridos se destinan a almacenamiento y logística. Aún así, los fabricantes están adoptando rápidamente la tecnología. Imágenes: KUKA

Nota del editor: lo siguiente se basa en “Cómo comenzar a integrar robots móviles”, presentado en FABTECH 2022 por Denise Stafford, gerente de desarrollo comercial de KUKA Robotics Corp.

Piense en una operación automatizada de chapa de precisión, una con todos los detalles tecnológicos en cada paso de fabricación. Un sistema de fabricación flexible lleva la lámina desde un sistema de torre de inventario activo a una plataforma de corte por láser. Los espacios en blanco se cortan, clasifican y apilan automáticamente con la automatización de extracción de piezas, luego se llevan a una prensa plegadora robótica con cambios automatizados de herramientas y un robot con una pinza ultraflexible que puede manejar una 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, claro está, para todos los trabajadores que conducen carretillas elevadoras o empujan carros llenos de piezas. La manipulación de materiales entre los pasos de fabricación sigue siendo el último bastión del trabajo manual. Históricamente, los fabricantes han tenido opciones limitadas, pero nuevas formas de automatización móvil y flexible están comenzando a cambiar esto (consulte la Figura 1).

Los envíos de robótica móvil han crecido a un ritmo extraordinario. Según ABI Research, de los 8 millones de robots que se espera que se envíen en 2030, casi 6 millones serán móviles. La automatización móvil ha transformado la industria de los robots, y el ámbito de la fabricación de chapa de precisión podría sentir esa transformación más temprano que tarde.

¿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 adecuados, están diseñados para reaccionar y evitar obstáculos deteniéndose y, a veces, maniobrando alrededor de ellos.

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

Aún así, a medida que avanzan las tecnologías, las líneas entre las diferentes clasificaciones de productos (AMR versus AGV, por ejemplo) tienden a desdibujarse. Algunos son más autónomos en ciertos aspectos y 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 para la operación autónoma.

Realmente no importa si llamas a una determinada tecnología con este o aquel nombre. Lo que importa es qué tan bien se adapta un robot móvil a las necesidades de una aplicación particular.

Por ejemplo, algunos robots móviles tienen caminos definidos, se detienen cuando hay una obstrucción y reanudan su marcha cuando se supera. Otros pueden sortear un obstáculo. Este último podría funcionar bien en almacenes con un tránsito peatonal mínimo, pero ¿qué pasa con un entorno de fabricación con mucha congestión? En estos casos, es posible que desees mantener tus robots móviles en una ruta definida.

Los robots móviles pueden utilizar sistemas de accionamiento omnidireccionales, lo que significa que pueden moverse en cualquier dirección, incluido el movimiento diagonal y lateral ("cangrejo"), lo que resulta 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 más remolcan cargas útiles detrás de ellos (ver Figuras 2 y 3).

Cada tipo y diseño tiene una capacidad 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 de gran tamaño, de varias toneladas, de un extremo del taller a otro, sin necesidad de grúa puente (consulte la Figura 4).

Sin duda, estos robots móviles de alta carga útil siguen siendo una minoría. La mayoría transporta cargas útiles bajas y, en realidad, muchos terminan en áreas fuera de la manufactura, en sectores como el almacenamiento, el comercio electrónico y otras industrias relacionadas con la logística. Aquellos 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 por un almacén sin encontrarse con nadie durante horas. En la fabricación, esto normalmente no sucede. Las plantas de fabricación tienen operadores de máquinas y, en algunos casos, robots móviles interactúan directamente con ellas o junto a ellas, como un robot móvil que alimenta una paleta de piezas cortadas a una celda de doblado de prensa plegadora manual. Otros robots móviles, especialmente los montados con brazos (ver Figura 5), ​​pueden maniobrar hasta estaciones para cambiar sus propias herramientas o efectores finales y luego trasladarse a una máquina cercana para cargar y descargar piezas. En la fabricación, la complejidad de las aplicaciones va mucho más allá del simple desplazamiento del punto A al B.

Ahora que conoces las opciones disponibles, ¿por dónde empezar? En primer lugar, es necesario tener en cuenta cuatro consideraciones básicas que sustentan toda aplicación de robot móvil: el proceso, las características específicas del manejo de piezas, el entorno y el software. Y es necesario pensar en la seguridad en cada paso del camino. El hecho de que la mayoría de los robots móviles se detengan frente a un obstáculo no significa que toda la configuración sea segura cuando y donde se utilicen. Como ocurre con cualquier tecnología, las medidas de seguridad deben adaptarse a la aplicación.

Paso 1: Proceso. ¿Qué papel jugará el robot móvil? ¿Se trata de piezas móviles, de cuidar una máquina o de hacer una combinación de ambos? ¿Cuál es el tamaño 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? En cuanto a la seguridad, ¿cuántas personas hay en el área y cuáles son las obstrucciones? Además, ¿qué pasa cuando falla la máquina?

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 los espacios en blanco hasta un transportador u otros procesos posteriores. Cuando se le presenta una paleta de cuatro pilas, ¿de qué pila toma el robot primero, cuándo y con qué ritmo y secuencia? ¿Se necesitan soluciones integradas para manejar o prevenir eventos inesperados o raros, como una cuchilla de aire u otro dispositivo para evitar la doble recolección de espacios en blanco? ¿Necesitará el robot móvil 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 un 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 les cobrará 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 y en las intersecciones para dejar y recoger? ¿Permite el sistema de robot móvil 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 del ciclo y el rendimiento actual y cuál debe ser?

FIGURA 3. Un robot móvil transporta una plataforma de piezas en cajas en el departamento de envío de un fabricante. Estos modelos, junto con las carretillas elevadoras sin conductor, son quizás los más familiares para quienes se dedican a la fabricación de metales.

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

También pueden mejorar la calidad, principalmente porque, si se diseñan y programan bien, los robots móviles hacen su trabajo de la misma manera a un ritmo constante, que puede medirse. 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 sencillo suele ser lo mejor. Por ejemplo, un robot móvil podría tener sensores que lean códigos QR que indiquen qué pieza lleva y cuántas, pero ¿es necesario ese paso? ¿O hay una manera más sencilla? Quizás cuando una pila de piezas alcanza una determinada 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 del punto A tienen que ir al punto B. La aplicación dicta 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 las cuestiones 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 utilizar varios sensores para que el robot móvil pudiera colocar el trabajo "perfectamente" dentro de la celda. Pero en este caso, los ingenieros eligieron la opción más simple (y probablemente mejor): utilizar dispositivos mecánicos para el posicionamiento final de la pieza de trabajo (ver Figura 6).

Paso 2: Manejo de piezas. Una vez resueltos los conceptos básicos del proceso, junto con un buen comienzo para justificar la inversión, es hora de profundizar realmente 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 los cargarán y descargarán exactamente los robots móviles? ¿Cómo se fijarán para un proceso o se almacenarán en un estante?

¿Y cómo interactuará el robot móvil con los equipos y herramientas? Esto depende de lo que desee que logre el robot móvil, con el objetivo de ayudar a su personal calificado a ser lo más productivo 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 esto? ¿Sería más sencillo realizarlo manualmente? No hay nada más frustrante para un trabajador cualificado que tener que lidiar con una automatización poco fiable, ya sea móvil o de otro tipo.

Nuevamente, no olvide la seguridad, especialmente cuando las cargas se mueven hacia y desde un robot móvil. ¿Cómo se realizará una transferencia segura? ¿Cómo se asegurarán o fijarán? La robótica móvil debería mantener e, idealmente, 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. Estos y otros detalles determinarán el tipo de robot móvil que funcionará en su entorno de fabricación. Una vez más, un robot móvil que funciona perfectamente en un almacén de comercio electrónico podría no funcionar en una operación de fabricación de metales.

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

Finalmente, considere las condiciones de conducción, incluido el nivel de congestión del tráfico peatonal y otros vehículos, el ancho de los pasillos y las intersecciones, y cómo se separan los diferentes caminos en toda la instalación. Los robots móviles requieren espacio libre, especialmente si transportan piezas largas que podrían sobresalir un poco de una plataforma. A veces puede ser un desafío lidiar con estos factores, pero si los manejas temprano, es más probable que los superes.

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

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

Luego, el software de gestión de flotas interactúa con la navegación en el robot, que realiza la localización (para que el robot móvil sepa dónde está) y el control de 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 datos para monitorear el proceso (¿cómo podemos hacerlo mejor la próxima vez?) y corregir excepciones y errores.

El fabricante de metales de precisión actual cuenta con un corte láser extraordinariamente rápido, descarga automatizada de piezas, cambios automatizados de herramientas en el plegado 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 cortes con láser y plegadoras plegadoras, sino que también verán robots móviles que transportan continuamente piezas de trabajo en un ballet logístico, encontrando el mejor camino en 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 modelos extremadamente compactos hasta modelos de alta resistencia capaces de transportar vigas estructurales e incluso fuselajes de aviones. Al menos algunas de estas tecnologías pronto podrían llegar a más talleres de fabricación de metales.