Implantación de robots

La integración de robots industriales en el entorno de producción moderno ha evolucionado significativamente, pasando de ser elementos aislados a componentes fundamentales de células flexibles. Estas células, caracterizadas por su capacidad de adaptación a diferentes tareas y productos, integran robots con otras máquinas y sistemas para llevar a cabo procesos industriales complejos. Esta unidad de aprendizaje se centra en los criterios esenciales para la implantación exitosa de un robot industrial dentro de una célula flexible, abarcando desde las consideraciones técnicas de diseño y selección hasta la evaluación económica de su viabilidad y los aspectos cruciales de seguridad. Siguiendo el caso práctico de Francisco, quien busca integrar un pequeño robot en un proceso industrial para su proyecto final, exploraremos los pasos necesarios para llevar a cabo dicha implementación de manera efectiva y segura.

Diseño y Control de Células Robotizadas

La implantación de un robot en un entorno industrial requiere una planificación exhaustiva, comenzando por el diseño de la célula flexible. Un concepto fundamental en esta etapa es el lay-out, definido como el diseño final de un entorno de trabajo, específicamente de una célula flexible en robótica. El lay-out debe especificar detalladamente todos los componentes de la célula y las etapas del proceso, indicando el contenido de cada etapa de la forma más precisa posible. Para la realización del lay-out, se suelen necesitar usuarios especializados con un alto nivel en herramientas de diseño como AutoCad.

Una vez definido el lay-out, una cuestión primordial es la ubicación del robot dentro de la célula. Se plantean cuatro situaciones básicas para encontrar la solución más adecuada:

• Robot en el centro de la célula: Esta disposición implica ubicar el robot industrial en el centro de la célula flexible, permitiéndole abarcar un mayor espacio de trabajo. Se utiliza comúnmente en células donde todas las estaciones requieren la intervención del robot. Los robots típicos para esta configuración son articulares, polares, cilíndricos o SCARA, y sus aplicaciones incluyen soldadura al arco, paletizado o ensamblado.

• Robot en línea: Si el objetivo principal de la célula es transportar material mediante una cinta transportadora para que el robot lo manipule, la disposición en línea es la más apropiada. En este caso, varios robots pueden colocarse en línea para seguir un proceso secuencial, como en una línea de pintura donde cada robot realiza una etapa diferente. El transporte de material puede ser intermitente (cada robot coloca la pieza para trabajar y espera una nueva) o continuo (la cinta no se detiene y el robot trabaja en movimiento, requiriendo limitar la velocidad de la cinta).

• Robot móvil: En situaciones de transporte continuo de piezas de grandes dimensiones, puede ser necesario que el robot mantenga una distancia constante con la pieza durante un tiempo determinado. Esto se logra con un robot móvil ubicado sobre una vía, lo que le proporciona un grado de libertad adicional para moverse paralelamente a la pieza. El robot sigue la pieza hasta completar el proceso y luego regresa a su posición inicial. Un ejemplo típico es la pintura de partes de la carrocería de un coche, donde el robot móvil puede abarcar toda la superficie sin necesidad de desplazar la pieza.

• Robot suspendido: Cuando el robot no puede acceder a la parte superior de la pieza debido a su altura, se recurre al robot suspendido. Esta configuración permite abarcar toda el área de trabajo que sería inaccesible con otras disposiciones. Los robots suspendidos se emplean en tareas como soldadura, pintura, corte o aplicación de adhesivos, e incluso en aplicaciones médicas para operaciones.

Una vez diseñado el lay-out y definida la ubicación del robot, es crucial establecer un sistema de control eficaz para la célula robotizada. Este sistema debe ser capaz de mostrar si la célula funciona correctamente y permitir la actuación sobre ella. Un buen sistema de control debe poseer las siguientes características:

• Control individual: Debe permitir el control de cada máquina, cinta de transporte y dispositivo de la célula.
• Sincronización: Los diferentes dispositivos deben operar de manera sincronizada.
• Detección, tratamiento y recuperación: Debe ser capaz de identificar y solucionar situaciones defectuosas de forma eficaz.
• Optimización del funcionamiento: La célula debe operar de manera óptima para asegurar una fabricación eficiente y en el menor tiempo posible.
• Interfaz con el usuario: El usuario debe conocer el estado de la célula en todo momento para intervenir si es necesario.
• Interfaz con otras células: Debe permitir la sincronización con otras células para optimizar el funcionamiento de sistemas más complejos.
• Interfaz con un sistema de control superior: Debe tener una buena comunicación con un sistema que supervise toda la célula flexible.

La complejidad del control dependerá del número de puestos en la célula. Para células con pocos puestos, el controlador del robot puede ser suficiente, mientras que en células más complejas se requerirá un controlador central que establezca una jerarquía entre todos los puestos.

Criterios Técnicos para la Selección de un Robot Industrial

La selección del robot adecuado es un paso crítico para la implementación exitosa de una célula robotizada. Un responsable con experiencia debe considerar una serie de características para elegir el robot más apropiado para un sistema determinado. Si bien no es necesario que un robot cumpla con todas las características existentes, contar con la mayoría de ellas asegura un robot de garantías. Las características más importantes a tener en cuenta son:

• Área de trabajo: Es uno de los puntos más importantes, ya que determina el volumen espacial al que puede llegar el extremo del robot. Esta información se encuentra en la hoja de características del fabricante, indicando el rango de recorrido de cada articulación. Es fundamental asegurarse de que el área de trabajo del robot abarca todos los puntos donde se requiere su acción. Además, se deben considerar los puntos singulares, aquellos donde el robot no puede establecer una trayectoria rectilínea. El área de trabajo también influye en la disposición óptima de las demás estaciones de la célula flexible, evitando posibles colisiones. Herramientas de simulación gráfica pueden ser útiles para prever estas colisiones.
• Grados de libertad: Determinan hasta dónde puede llegar el robot, tanto en posición como en orientación. Normalmente, coinciden con el número de articulaciones. La cantidad de grados de libertad necesarios depende de la tarea a realizar: tres grados de libertad suelen ser suficientes para operaciones de manipulación, mientras que tareas como pintar o soldar requieren seis grados de libertad. Algunos fabricantes ofrecen grados de libertad adicionales (robots redundantes), lo que aumenta el coste del robot. Los robots redundantes son aquellos que tienen más grados de libertad de los necesarios para desempeñar su tarea.
• Precisión, repetibilidad y resolución: Son factores clave para minimizar el error de posicionamiento del robot.
  • Precisión: Es la distancia entre el punto programado inicialmente y el valor medio entre todos los puntos realmente alcanzados. Una precisión no nula suele indicar un error de calibración.
  • Repetibilidad: Es el radio formado por los diversos puntos alcanzados cuando se le ordena al robot ir al mismo punto programado repetidamente. El fabricante suele indicar este valor en la hoja de características.
  • Resolución: Es el mínimo incremento que puede aceptar el sistema de control del robot. Factores como la longitud del brazo, la pieza manejada y el tipo de estructura del robot influyen en el error de posicionamiento. Los robots cartesianos y más pequeños suelen tener errores menores que los robots articulares y grandes. La precisión también está relacionada con el número de puntos a interpolar para describir una trayectoria.
• Velocidad: Está inversamente relacionada con la pieza transportada. Puede expresarse como la velocidad de cada articulación o la velocidad media en su extremo. El fabricante proporciona la velocidad nominal en régimen permanente, que se alcanza tras un movimiento largo. La velocidad en el extremo de un robot con carga máxima suele oscilar entre 1 y 4 m/s.
• Capacidad de carga: Se refiere al peso máximo que el robot puede manipular sin que sus prestaciones dinámicas disminuyan. Está determinada por el tamaño, la configuración y el sistema de accionamiento del robot. El fabricante indica la carga nominal en la hoja de características. La capacidad de carga varía ampliamente, desde 5-50 kg hasta media tonelada en algunos casos.
• Sistema de control: Puede dividirse en dos partes:
  • Cinemática y dinámica: La cinemática se encarga del tipo de trayectorias, mientras que la dinámica controla el movimiento y la trayectoria descrita por el extremo del robot. Las trayectorias rectilíneas o con interpolación circular suelen estar incorporadas en las prestaciones dinámicas. La estructura del robot (cadena abierta o cerrada) influye en su dinámica, y un buen bucle de control asegura una buena velocidad de respuesta y estabilidad.
  • Programación: El sistema de control también incluye las herramientas y métodos para programar el robot, aspecto fundamental para definir sus tareas y movimientos.

Consideraciones de Seguridad en Entornos Robotizados

A pesar de su automatización, las células robotizadas no están exentas de accidentes, aunque suelen ocurrir en menor grado que con otras máquinas. Es fundamental considerar la seguridad tanto por el riesgo inherente a los robots (mayor índice de accidentes que otras máquinas de la célula) como por la aceptación social del robot dentro de la fábrica. Si bien los accidentes con máquinas de control numérico pueden ser similares, existen circunstancias que aumentan el riesgo en robots, como el movimiento simultáneo de varios ejes, las trayectorias complejas, un espacio de trabajo no reconocido fácilmente y un campo de acción que puede solaparse con el de otras máquinas. Además, las tareas típicas de los robots, como la pintura o el transporte de piezas grandes, pueden incrementar el riesgo. Los accidentes causados por robots industriales suelen incluir electrocución, golpes por la herramienta o la pieza transportada, y compresión al quedar atrapado entre una parte móvil y una fija del robot. La mayoría de los accidentes (90 %) ocurren durante las operaciones de mantenimiento, mientras que el 10 % restante sucede durante el funcionamiento normal de la célula.

Para prevenir accidentes, es necesario establecer medidas de seguridad que abarquen dos aspectos: la seguridad intrínseca del robot (responsabilidad del fabricante) y la seguridad en el diseño, implantación, utilización y mantenimiento de la célula (responsabilidad del usuario). En España, la normativa UNE-EN 775 establece consideraciones clave para garantizar la seguridad:

• Determinación de los límites del sistema.
• Identificación y descripción de los peligros de la máquina.
• Definición del riesgo de que se produzca el accidente.
• Comprobación de la adecuación de las medidas de seguridad.

Las medidas de seguridad deben tomarse en cuenta en diferentes fases:

• Fase de diseño del robot: Los robots deben incorporar internamente una serie de prevenciones:
  • Supervisión continua del sistema de control.
  • Paradas de emergencia.
  • Velocidad máxima limitada cuando una persona está cerca.
  • Detectores de sobreesfuerzos.
  • Pulsador de seguridad en la paleta de programación.
  • Códigos de acceso para programación y arranque.
  • Frenos mecánicos adicionales para cuando el robot se desconecta con cargas pesadas.
  • Comprobación de señales de autodiagnóstico antes del primer funcionamiento.
• Fase de diseño de la célula robotizada: El lay-out debe considerar posibles accidentes e incorporar protecciones:
  • Barreras de acceso para cercar la célula e impedir el acceso a la zona de trabajo.
  • Interfaces hombre-máquina que permitan la interacción a distancia.
  • Movimientos condicionados para permitir el acceso seguro a la zona de trabajo durante ciertos periodos.
  • Previsión de una zona segura dentro del campo de acción del robot para reparación y mantenimiento.
  • Protecciones adecuadas en la instalación auxiliar (sistemas eléctricos, neumáticos e hidráulicos).
• Fase de instalación y exploración del sistema: Durante la puesta en marcha y el mantenimiento, el usuario debe seguir una serie de normas:
  • Abstenerse de entrar en la zona de trabajo durante el funcionamiento. En caso de necesidad, debe haber al menos dos usuarios, uno trabajando y otro preparado para pulsar el botón de emergencia.
  • Señalización adecuada de la zona de trabajo y los riesgos.
  • Prueba progresiva del programa del robot, comenzando a baja velocidad y aumentándola gradualmente.

Además de la normativa UNE-EN 775, existen otras normativas relevantes en la seguridad de instalaciones robotizadas, como la normativa internacional ISO 10218:1992 y la normativa americana R15.06-1992. Más recientemente, ha surgido la norma ISO 15066:2016, orientada específicamente a los robots colaborativos.

Análisis Económico para la Justificación de Proyectos Robotizados

Antes de la ejecución de cualquier proyecto de instalación robotizada, es imprescindible realizar un análisis de viabilidad y rentabilidad. Este análisis económico consta de tres pasos principales: considerar los factores económicos y los datos básicos necesarios, analizar el robot como elemento principal del análisis económico y aplicar los métodos de análisis económico.

Para comenzar el análisis económico, se deben tener en cuenta una serie de factores económicos (como el tipo de instalación) e información previa de datos útiles (como el coste de inversión, los costes de la instalación y los ahorros o beneficios esperados). Los costes pueden incluir la adquisición del robot, la ingeniería e instalación, el mantenimiento, el entrenamiento, el aumento de herramientas y equipos especiales, y la mano de obra. Los beneficios pueden derivar de la mejora de la calidad, el incremento de la productividad y la reducción de costes operativos.

Desde una perspectiva económica, el robot puede considerarse un elemento aislado con características como su coste y mantenimiento, pero también es importante destacar su versatilidad y flexibilidad. A diferencia de otros equipos industriales cuya vida útil está ligada al producto que se fabrica, el robot puede adaptarse a nuevas circunstancias sin coste adicional, lo que lo hace potencialmente más rentable a largo plazo. Sin embargo, es importante considerar que, aunque reprogramable, no siempre se asegura al 100 % que un robot utilizado en una célula con ciclos de vida cortos pueda integrarse fácilmente en otro tipo de célula, lo que puede complicar la justificación de la inversión.

Para evaluar la viabilidad y rentabilidad de un proyecto robotizado, se utilizan tres métodos principales:

• Periodo de recuperación: Es el tiempo necesario para que el flujo de caja acumulado iguale la inversión inicial. Se calcula determinando el momento en que los beneficios acumulados superan la inversión.
• Valor Actual Neto (VAN): Indica si el proyecto es rentable. Si el VAN es mayor o igual a cero, el proyecto se considera rentable, teniendo en cuenta una tasa de descuento (rentabilidad requerida).
• Tasa Interna de Retorno (TIR): Es la tasa de descuento que hace que el VAN del proyecto sea igual a cero. Se compara con la tasa de rentabilidad requerida; si la TIR es mayor, el proyecto se considera atractivo.

Estos métodos proporcionan una base cuantitativa para la toma de decisiones sobre la implementación de robots industriales.

Conclusiones

La implementación de robots industriales en células flexibles es un proceso complejo que requiere una consideración detallada de aspectos técnicos, de seguridad y económicos. Desde el diseño inicial de la célula y la selección del robot con las características adecuadas hasta la implementación de medidas de seguridad exhaustivas y el análisis económico riguroso, cada etapa es crucial para el éxito del proyecto. La comprensión de los conceptos presentados en este capítulo proporciona una base sólida para abordar los desafíos y aprovechar los beneficios de la automatización robótica en la industria moderna.