Introducción a la Implantación de Robots Industriales

• Objetivo general: Estudiar la posibilidad de insertar un robot industrial en una célula flexible y conocer sus posibles riesgos.
• Objetivos específicos:
  • Estudiar el diseño de una célula flexible.
  • Conocer las características necesarias al elegir un robot.
  • Conocer la normativa de seguridad en células robotizadas.
  • Estudiar la rentabilidad y viabilidad de un proyecto robotizado.
• En unidades anteriores, aprendimos sobre posicionamiento, orientación, trayectorias y programación de robots.
• Ahora veremos cómo implantar un robot en un entorno industrial, desde aspectos técnicos hasta económicos.

Diseño y Control de una Célula Robotizada

• Para implantar un robot, se deben considerar muchos aspectos como mesas, alimentadores de corriente, máquinas hidráulicas y neumáticas.
• Lay-out: El diseño final de un entorno de trabajo, en robótica, el diseño final de una célula flexible.
• En el lay-out se debe especificar detalladamente todo lo que formará parte de la célula, dividiéndola en etapas.
• Se necesitan usuarios especializados con alto nivel en herramientas de diseño como AutoCad para el lay-out.

Ubicación del Robot en la Célula

• Una cuestión importante al diseñar el lay-out es dónde se implantará el robot.
• Se plantean cuatro situaciones básicas:
  • Robot en el centro de la célula: Abarca más espacio de trabajo, útil cuando todas las estaciones necesitan la acción del robot. Suelen ser robots articulares, polares, cilíndricos o SCARA. Se usa en soldadura al arco, paletizado o ensamblado.
  • Robot en línea: Para transportar material por una cinta y que el robot lo manipule. Varios robots en línea pueden seguir un proceso secuencial, como la pintura. El transporte puede ser intermitente (cada robot coloca la pieza una vez acabada) o continuo (la cinta no se detiene).

Ubicación del Robot en la Célula (Continuación)

• Robot móvil: Necesario en transporte continuo cuando el robot debe estar siempre a la misma distancia durante un tiempo. Se coloca en una vía para moverse paralelo a la pieza. Sigue la pieza hasta acabar el proceso y luego vuelve a su posición inicial. Útil para piezas de grandes dimensiones, como pintar la carrocería de un coche.
• Robot suspendido: Se usa cuando el robot no puede acceder a la parte superior de la pieza por su altura. Permite abarcar toda el área de trabajo. Se utiliza en tareas como soldadura, pintura, corte o aplicación de adhesivos, e incluso en aplicaciones médicas.

Diseño y Control de la Célula (Control)

• Para insertar el robot adecuado, se necesita una célula flexible adecuada que se compenetre perfectamente con el robot.
• Se necesita un sistema de control capaz de mostrar si la célula funciona correctamente y permitir actuar sobre ella.
• Si la célula tiene pocos puestos, el controlador del robot puede actuar en paralelo.
• Si la célula tiene muchos puestos, se necesita un controlador central que jerarquice todos los puestos.

Características de un Buen Sistema de Control

• Control individual: Control de cada máquina, cinta de transporte y dispositivo.
• Sincronización: Funcionamiento sincronizado de los diferentes dispositivos.
• Detección, tratamiento y recuperación: Solucionar eficazmente cualquier situación defectuosa.
• Optimización del funcionamiento: Asegurar la fabricación eficiente y rápida.
• Interfaz con el usuario: El usuario debe conocer el estado de la célula para actuar en caso de error o para cambiar parámetros.
• Interfaz con otras células: Sincronización para optimizar el funcionamiento de varias células independientes.
• Interfaz con un sistema de control superior: Buena comunicación para la supervisión general.

Características a Considerar en la Selección de un Robot

• Un responsable con experiencia debe escoger el robot más adecuado para un sistema determinado.
• No es necesario considerar todas las características, pero tener la mayoría asegura un robot de garantías.
• Veremos las características más importantes a la hora de escoger un robot.

Área de Trabajo

• Es uno de los puntos más importantes, ya que un área mayor permite abarcar más campo.
• Viene indicada en la hoja de características del fabricante como el rango de recorrido de cada articulación.
• Definición: El volumen espacial al que puede llegar el extremo del robot.
• Debe asegurarse de que el área de trabajo del robot cubra los puntos donde se requiere su acción.
• Además de los puntos necesarios, se deben considerar los puntos singulares (donde el robot no puede establecer una trayectoria rectilínea).

Área de Trabajo y Grados de Libertad

• El área de trabajo permite definir la disposición óptima de las estaciones de la célula para evitar colisiones. Se pueden usar herramientas de simulación gráfica para verificar.
• Grados de libertad: Determinan hasta dónde puede llegar el robot en posición y orientación. Normalmente coinciden con el número de articulaciones.
• Robots con tres grados de libertad para manipulación.
• Robots con seis grados de libertad para pintar o soldar.
• Los fabricantes ofrecen grados de libertad adicionales (robots redundantes), lo que aumenta el coste. Robots redundantes: tienen más grados de libertad de los necesarios.

Precisión, Repetibilidad y Resolución

• Un robot se basa en velocidad, flexibilidad y bajo error de posicionamiento.
• Para minimizar el error, se considera la precisión, repetibilidad y resolución.
• Nota: El fabricante indica la repetibilidad en la hoja de características, siendo un factor clave.
• Precisión: Distancia entre el punto programado y el valor medio de los puntos alcanzados. Un error indica falta de calibración.
• Repetibilidad: Radio formado por los puntos alcanzados al intentar ir al mismo punto repetidamente.
• Resolución: Mínimo incremento que acepta el sistema de control.

Factores que Influyen en el Error y la Precisión

• Factores como la longitud del brazo, pieza manejada y tipo de estructura influyen en el error de posicionamiento.
• Robots cartesianos y pequeños tienen errores pequeños, a diferencia de robots articulares y grandes.
• La precisión de una trayectoria interpolada depende del número de puntos a interpolar, limitado por el cálculo de la matriz inversa y la velocidad.

Velocidad y Capacidad de Carga

• Velocidad: Inversamente relacionada con la pieza transportada. Puede ser la velocidad de cada articulación o la velocidad media del extremo.
• El fabricante da la velocidad nominal en régimen permanente, que se alcanza con movimientos largos.
• Nota: La velocidad en el extremo con carga máxima oscila entre 1 y 4 m/s.
• Capacidad de carga: El robot debe tener la capacidad adecuada para la pieza deseada.
• Importante: Determinada por el tamaño, configuración y sistema de accionamiento.
• El fabricante indica la carga nominal que el robot puede transportar sin disminuir su rendimiento.
• Nota: La capacidad de carga varía entre 5-50 kg, algunos hasta media tonelada.

Sistema de Control

• Se divide en dos partes: cinemática y dinámica.
• Cinemática: Se encarga del tipo de trayectorias.
• Dinámica: Control del movimiento y la trayectoria descrita por el extremo del robot. Las trayectorias rectilíneas o de interpolación circular vienen incorporadas. Indica si el sistema es de cadena abierta o cerrada. Un buen control dinámico asegura velocidad de respuesta y estabilidad.

Programación

Este tema es muy importante que el robot seleccionado tenga un lenguage de programación accesible al personal de la empresa.

Comparación Robot Industrial vs. Máquina CNC

Característica	Robot industrial	Máquina de control numérico
Movimiento	Movimiento simultáneo de varios ejes	Movimiento simultáneo de uno o dos ejes como mucho
Trayectorias	Trayectorias complejas	Trayectorias simples
Espacio de trabajo	Espacio de trabajo no reconocido fácilmente	Espacio de trabajo reconocido fácilmente
Campo de acción	Campo de acción solapado con el de otras máquinas	Campo de acción con el de otras máquinas no solapado

| Tareas típicas | Suelen realizar tareas de pintura o transporte de piezas de grandes dimensiones, lo que aumenta el riesgo de accidentes | -

Seguridad en Instalaciones Robotizadas

• Aunque menos frecuentes que con otras máquinas, las células robotizadas no están exentas de accidentes.
• La seguridad es importante por el mayor índice de accidentes del robot y por la aceptación social en la fábrica.
• Los accidentes con robots son similares a los de máquinas de control numérico, pero hay circunstancias que aumentan el riesgo.

Tipos de Accidentes y Causas

• Accidentes causados por robots industriales:
  • Electrocución.
  • Golpes por la herramienta o la pieza transportada.
  • Herramienta peligrosa.

Medidas de Seguridad (General)

• Una vez identificados accidentes y causas, se deben establecer medidas de seguridad preventivas.
• Sabías que...: El 90% de los accidentes ocurren en mantenimiento, y el 10% durante el funcionamiento.
• Las medidas de seguridad abarcan dos aspectos:
  • Seguridad intrínseca del robot (responsabilidad del fabricante).
  • Seguridad en diseño, implantación, uso y mantenimiento (responsabilidad del usuario).
• Para cumplir estos aspectos, se desarrolló la normativa UNE-EN 775 en España.

Normativa de Seguridad

• La normativa UNE-EN 775 establece las siguientes consideraciones:
  • Determinación de los límites del sistema.
  • Identificación y descripción de los peligros de la máquina.
  • Definición del riesgo de que se produzca el accidente.
  • Comprobar si las medidas de seguridad son adecuadas.
• Para seleccionar las medidas de seguridad, se deben tomar en cuenta las razones descritas a continuación.

Medidas de Seguridad en la Fase de Diseño del Robot

• Al diseñar un robot, se debe considerar la posibilidad de accidentes.
• El robot debe tener internamente varias prevenciones:
  • Supervisión del sistema de control: Supervisión continua del funcionamiento del sistema y de sí mismo.
  • Paradas de emergencia: Para detener completamente el robot en cualquier momento.
  • Velocidad máxima limitada: Reducir la velocidad nominal cuando una persona esté cerca.
  • Detectores de sobreesfuerzos: Desactivar el accionamiento si el esfuerzo supera lo establecido.
  • Pulsador de seguridad: Botón en la paleta de programación para evitar movimientos accidentales.
  • Códigos de acceso: Llaves o claves para acceder a programación, arranque o sistema de control.
  • Frenos mecánicos adicionales: En los accionamientos para cuando el robot se desconecte con cargas pesadas.
  • Comprobación de señales de autodiagnóstico: Antes del primer funcionamiento.

Medidas de Seguridad en la Fase de Diseño de la Célula Robotizada

• En el lay-out se deben considerar posibles accidentes e incluir barreras y protecciones:
  • Barreras de acceso a la célula: Cercan la zona de trabajo, impidiendo el acceso.
  • Resguardos: Fijos o móviles, con enclavamiento.
  • Dispositivos de detección: Sensores para detectar personas en la zona de trabajo y detener el robot.
  • Mandos a dos manos: Requieren la activación simultánea para iniciar movimientos peligrosos.
  • Movimientos condicionados: Programación que permite al usuario acceder a la zona sin peligro en ciertos momentos.
  • Zona de seguridad para mantenimiento: Espacio dentro del campo del robot para reparaciones.
  • Protecciones adecuadas en la instalación auxiliar: Sistemas eléctricos, neumáticos e hidráulicos protegidos.

Medidas de Seguridad en la Fase de Instalación y Exploración

• Durante la puesta en marcha o mantenimiento, el usuario debe respetar normas indicadas en la célula:
  • Abstenerse de entrar en la zona de trabajo: Permanecer fuera del alcance del robot, especialmente durante el funcionamiento. Debe haber dos usuarios, uno para operar y otro para accionar la parada de emergencia.
  • Señalización adecuada: Advertir sobre los riesgos.
  • Prueba progresiva del programa: Iniciar a baja velocidad y aumentarla gradualmente.

Normativa Actual de Seguridad

• Hace 30 años la normativa era escasa, pero actualmente es muy amplia.
• Normativa ISO 10218:1992.
• Normativa europea EN 775 y española UNE-EN 775 (publicada en 1996). UNE-EN 775: Seguridad en instalaciones robotizadas.
• Normativa americana R15.06-1992.
• Nota: Hace dos años se publicó la norma ISO 150066:2016, orientada a robots colaborativos.

Justificación Económica

• Antes de ejecutar un proyecto, se debe realizar un análisis de viabilidad y rentabilidad, imprescindible en instalaciones robotizadas.
• El análisis económico consta de tres pasos:
  • Factores económicos y datos básicos necesarios.
  • El robot como elemento principal del análisis económico.
  • Métodos de análisis económico.

Factores Económicos y Datos Básicos Necesarios

• Para comenzar el análisis, se deben tener en cuenta factores económicos e información previa útil.
• Ejemplo: Para una instalación robotizada, el principal factor es el tipo de instalación, y los datos útiles son coste de inversión, costes de instalación y ahorros o beneficios.
• Esquema de factores y datos económicos:
  • Coste de adquisición del robot.
  • Coste de ingeniería e instalación.
  • Mantenimiento.
  • Entrenamiento del personal.
  • Coste de herramientas y equipos especiales.
  • Aumento de productividad.
  • Mejora de la calidad.
  • Reducción de mano de obra.

El Robot como Elemento Principal del Análisis Económico

• El robot se analiza como un elemento aislado de los demás equipos.
• Además del coste y mantenimiento, se consideran versatilidad y flexibilidad.
• La vida de los equipos industriales suele coincidir con la del producto, pero el robot se adapta a las circunstancias sin coste, siendo más rentable al no limitarse al ciclo de vida de la instalación.
• Dos aspectos a tener en cuenta:
  • Aunque reprogramable, no siempre se asegura al 100% que se pueda incluir en otro tipo de célula robotizada con ciclos de vida cortos, dificultando justificar la inversión.

Métodos de Análisis Económico

• Una vez diseñado el sistema y los equipos, se realiza un análisis de viabilidad y rentabilidad.
• Tres métodos principales:
  • Periodo de recuperación.
  • VAN (Valor Actual Neto).
  • TIR (Tasa Interna de Retorno).

Datos para los ejemplos

Años	0	1	2	3	4	5
Coste inversión	300	---	---	---	---	---
Coste de explotación	---	20	40	90	90	90
Ingresos	---	90	100	200	200	200

CI = np.array([300,0,0,0,0,0])
C = np.array([0,20,40,90,90,90])
R = np.array([0,90,100,200,200,200])
A = np.array([0,1,2,3,4,5])

plt.plot(A,-CI)
plt.plot(A,-C)
plt.plot(A,R)
plt.legend(["Costo Inicial","Coste de explotación","Ingresos"]);

PRI (Periodo de Recuperación de la inversión)

Tiempo desde el inicio del proyecto hasta que el cash-flow sea mayor que cero (se recupera la inversión).

$$ PRI = a + \frac{CI-\sum_{j=0}^{a} (R_j-C_j)}{(R_{a+1}-C_{a+1})} $$

donde $CI$ es coste de inversión, $R$ ingresos, $C$ son costos de explotación y $a$ es el número de años precedentes al que se completa la recuperación.

for i in A:
    if i > 0:
        B = np.sum(R[0:i]) - np.sum(C[0:i])
        PRI = i-1+(CI[0]-(B))/(R[i]-C[i])
        print(f'Añor {i} - PRI = {"%.2f" % PRI}')

Añor 1 - PRI = 4.29
Añor 2 - PRI = 4.83
Añor 3 - PRI = 3.55
Añor 4 - PRI = 3.55
Añor 5 - PRI = 3.55

Gráfica del Cash-Flow

plt.plot(A,np.cumsum(-CI-C+R),A,np.zeros(A.shape));

VAN (Valor Actual Neto)

Indica si el proyecto es rentable. Si VAN < 0, el proyecto no es rentable. Si VAN ≥ 0, el proyecto sí es rentable.

$$ VAN = -CI + \sum_{j=1}^{n} \frac{(R_j-C_j)}{(1+i)^j} + \frac{VF}{(1+i)^{n+1}} $$

Tomemos para el ejemplo : rentabilidad del $i=10\%$ y valor final de $80$.

VAN = -CI[0]
for i in A:
    if i > 0:
        #print(R[i],C[i],i)
        VAN = VAN + (R[i]-C[i])/(1+0.1)**(i)
        #print(f'Añor {i} - VAN = {"%.2f" % VAN}')
VAN = VAN + 80/(1+0.1)**6
print(f'VAN = {"%.2f" % VAN}')

VAN = 84.46

TIR (Tasa Interna de Retorno)

• Por último, se calcula el TIR.

$$ TIR = \sum_{j=0}^n \frac{Fn}{(1+i)^j} = 0 $$

Resumen

• Para introducir un robot en una célula flexible, primero se debe diseñar la célula.
• Luego, se debe decidir la ubicación del robot: centro, en línea, móvil o suspendido.
• Para seleccionar el robot adecuado, se deben considerar características cinemáticas, dinámicas, tipo de movimientos, modo de programación, tipo de accionamiento, comunicaciones, servicio proveedor y coste.
• En células robotizadas pueden ocurrir accidentes como electrocución, golpes, quemaduras y compresiones.
• La seguridad se rige por normativas como EN 775, UNE-EN 775, ISO 10218:1992 y R15.06-1992.
• Todo proyecto debe tener un análisis económico con métodos como periodo de recuperación, VAN y TIR.