La robótica en la fabricación actual de automóviles

Los robots industriales son esenciales para la fabricación moderna, ya que ejecutan una amplia matriz de funciones al tiempo que coordinan tareas con otras formas de automatización. De hecho, la industria automovilística, con un valor de 1 TB, fue la primera con medios para utilizar la robótica a gran escala... y hacer avanzar también las tecnologías asociadas a la robótica. No es de extrañar, ya que los automóviles son artículos muy sofisticados y costosos que pueden justificar inversiones en plantas que quizá no produzcan el rendimiento de la inversión en años. Ahora, la gran mayoría de los centros de fabricación de automóviles emplean la robótica. Solo en las dos últimas décadas los sectores del envasado, la producción de semiconductores y el relativamente nuevo campo del almacenamiento automatizado han acelerado su adopción de la robótica hasta rivalizar con la industria del automóvil.

Figura 1: La industria automovilística, más que ninguna otra, ha impulsado el avance de las tecnologías robóticas. (Fuente de la imagen: Getty Images)

Dentro de los propios robots y en los equipos complementarios de automatización industrial hay motores eléctricos, sistemas hidráulicos y sistemas de potencia de fluidos; accionamientos, controles, hardware de conexión en red, interfaces hombre-máquina (HMI) y sistemas de software; y componentes de detección, retroalimentación y seguridad. Estos elementos aportan eficacia mediante la ejecución de rutinas preprogramadas que pueden adaptarse fácilmente a las condiciones cambiantes en tiempo real. Cada vez más, se espera que las células de trabajo robóticas también presenten reconfigurabilidad para producir nuevas ofertas de automóviles... ya que las preferencias de los consumidores han llegado a evolucionar más rápidamente que nunca.

Aclaración de la terminología empleada en automatización y robótica

El Oxford English Dictionary define los robots como "máquinas capaces de realizar automáticamente series complejas de movimientos, especialmente programables". La confusión radica en que esta definición podría describir desde lavadoras hasta máquinas herramienta CNC. Incluso la definición ISO 8373 de robot como "manipulador polivalente, reprogramable, controlado automáticamente y programable en tres o más ejes" podría describir un transportador de almacén con estaciones elevadoras verticales. Sin embargo, estas máquinas nunca se clasificarían normalmente como robots.

La diferencia práctica que hay que recordar es que las máquinas construidas para un único uso [léase: muy claramente definido] en una ubicación fija no suelen considerarse robots... al menos no en los círculos industriales. Por ejemplo, aunque una fresadora típica puede ejecutar cualquier número de programas complejos para mecanizar diferentes piezas, está diseñada para cortar metal utilizando cuchillas giratorias montadas en su husillo... y es probable que permanezca fijada de forma segura en una única ubicación durante toda su vida útil.

Figura 2: En algunos casos, la distinción entre robot y máquina se basa en el aspecto de un diseño automatizado. Algunos clasifican como robots los brazos articulados que se asemejan a brazos humanos mecanizados, y como máquinas las disposiciones cartesianas automatizadas de guías lineales (como la CT4 para el ensamblaje e inspección de piezas pequeñas). (Fuente de la imagen: IAI America Inc.)

A veces, incluso estas definiciones se contradicen. Por ejemplo, las máquinas automatizadas, como las máquinas herramienta CNC, son cada vez más flexibles, con centros de fresado y torneado que desempeñan a la vez las funciones de fresadoras y tornos, y muchas de estas máquinas ejecutan también tareas de inspección y medición de piezas con sondas de contacto y escáneres láser. Estas máquinas herramienta pueden incluso estar equipadas para realizar fabricación aditiva. Por otra parte, los robots industriales supuestamente flexibles se suministran a menudo como modelos especializados diseñados para una tarea específica, como la pulverización de pintura o la soldadura... y pueden pasar toda su vida útil estacionados dentro de una célula de trabajo en una línea de producción.

La conclusión es que, en la industria automovilística actual, se espera que los sistemas automatizados clasificados como robots muestren una gran flexibilidad, sean capaces (con reconfiguración) de ejecutar tareas de transporte, clasificación, ensamblaje, soldadura y pintura que pueden variar de un día para otro. También se espera que esta robótica industrial pueda reubicarse en nuevas zonas de una planta, ya sea para reasignarse como sistemas de fabricación y reconfigurarse o para desplazarse continuamente sobre guías lineales de séptimo eje para dar servicio a matrices de células de trabajo en una línea.

Familias de robots para centros de producción de automóviles

Los robots de las plantas de producción de automóviles se clasifican a grandes rasgos en función de sus estructuras mecánicas, incluidos los tipos de articulaciones, la disposición de los enlaces y los grados de libertad.

La robótica de manipuladores en serie incluye la mayoría de los robots industriales. Los diseños de esta familia tienen una cadena lineal de eslabones con una base en un extremo y un efector final en el otro... con una sola articulación entre cada eslabón de la cadena. Entre ellos se encuentran los robots articulados, los robots de brazo articulado de cumplimiento selectivo (SCARA), los robots colaborativos de seis ejes, los robots cartesianos (formados esencialmente por actuadores lineales) y los robots cilíndricos (algo poco común).

Figura 3: Los robots colaborativos son cada vez más comunes en las instalaciones de proveedores de automoción de nivel 2 que se benefician de la automatización del paletizado. (Fuente de la imagen: Dobot)

Los manipuladores robóticos paralelos se destacan cuando las aplicaciones requieren una gran rigidez y velocidad de funcionamiento. A diferencia de los brazos articulados (suspendidos en el espacio tridimensional mediante una única línea de eslabones), los manipuladores paralelos se apoyan o suspenden mediante matrices de eslabones. Algunos ejemplos son los robots delta y Stuart.

Los robots móviles son unidades con ruedas que desplazan materiales y artículos en stock por fábricas y almacenes. Pueden funcionar como carretillas elevadoras automatizadas para recuperar, mover y colocar palés en estanterías o en el suelo de la fábrica. Algunos ejemplos son los vehículos de guiado automático (AGV) y los robots móviles autónomos (AMR).

Usos de robots clásicos en la fabricación de automóviles

Aplicaciones clásicas de la robótica en las fábricas de automóviles son la soldadura, la pintura, el ensamblaje y (para el transporte de las 30.000 piezas que componen un coche medio) las tareas de manipulación de materiales. Veamos cómo se utilizan algunos subtipos de robots en estas aplicaciones.

Los robots de brazo articulado de seis ejes son manipuladores en serie en los que cada articulación es una junta de revolución. La configuración más común es el robot de seis ejes con grados de libertad para colocar objetos en cualquier posición y orientación dentro de su volumen de trabajo. Se trata de robots muy flexibles que se adaptan a infinidad de procesos industriales. De hecho, los robots de brazo articulado de seis ejes son lo que la mayoría de la gente imagina cuando piensa en un robot industrial.

Figura 4: Los lectores de códigos de barras de alto rendimiento pueden descodificar con rapidez y fiabilidad códigos de barras 1D y 2D. Algunos se montan en efectores finales robóticos para facilitar la recogida de piezas electrónicas y de automoción, así como elementos de subensamblaje. (Fuente de la imagen: Omron Automation and Safety)

De hecho, los grandes robots de seis ejes se utilizan a menudo en la soldadura de bastidores de automóviles y en la soldadura por puntos de paneles de carrocería. A diferencia de los métodos manuales, los robots tienen la capacidad de trazar con precisión trayectorias de soldadura en el espacio tridimensional sin detenerse y, al mismo tiempo, adaptarse a los parámetros cambiantes del cordón de soldadura en respuesta a las condiciones ambientales.

Figura 5: Estos robots de seis ejes son lo que la mayoría de la gente imagina cuando imagina un robot industrial. (Fuente de la imagen: Kuka)

En otros lugares, los robots de brazo articulado de seis ejes se montan en sistemas de séptimo eje para ejecutar procesos de imprimación, pintura, revestimiento transparente y otros procesos de sellado en carrocerías de paneles de automóviles. Estos sistemas ofrecen resultados impecables y uniformes, en parte porque se ejecutan en cabinas de pulverización bien aisladas que no se contaminan con partículas del entorno exterior. Los robots de seis ejes también siguen trayectorias de pulverización optimizadas mediante programación para obtener acabados perfectos, al tiempo que minimizan el exceso de pulverización y los residuos de pintura y sellador. Además, eliminan la necesidad de exponer al personal de las fábricas de automóviles a los vapores nocivos asociados a algunos materiales aplicados por pulverización.

Figura 6: La aplicación SIMATIC Robot Integrator simplifica la integración de robots en entornos automatizados adaptando los parámetros de los robots de distintos proveedores y las geometrías y requisitos de montaje de diversas aplicaciones; completan estas instalaciones controladores SIMATIC S7 escalables de alto rendimiento con E/S integradas y diversas opciones de comunicación para adaptaciones de diseño flexibles. (Fuente de la imagen: Siemens)

Los robots de brazo robótico articulado de cumplimiento selectivo (SCARA) tienen dos juntas de revolución con ejes de giro paralelos que discurren en dirección vertical para el posicionamiento X-Y en un único plano de movimiento. A continuación, un tercer eje lineal permite el movimiento en dirección Z (arriba y abajo). Los SCARA son opciones relativamente económicas que destacan en espacios reducidos, incluso con movimientos más rápidos que los robots cartesianos equivalentes. No es de extrañar que los robots SCARA se utilicen en la producción de sistemas electrónicos y eléctricos para automóviles, incluidos los de climatización, conectividad de dispositivos móviles, elementos audiovisuales, entretenimiento y navegación. Aquí, los SCARA son los más utilizados para ejecutar las tareas precisas de manipulación y ensamblaje de materiales para producir estos sistemas.

Los robots cartesianos tienen, como mínimo, tres ejes lineales que se apilan para ejecutar el movimiento en las direcciones X, Y y Z. De hecho, algunos robots cartesianos empleados por proveedores de automoción de nivel 2 adoptan la forma de máquinas herramienta CNC, impresoras 3D y máquinas de medición por coordenadas (MMC) para verificar la calidad y consistencia de los productos finales. Si contamos estas máquinas en el recuento, los robots cartesianos son fácilmente la forma más común de robot industrial de la industria. Sin embargo, como ya se ha mencionado, las máquinas cartesianas solo suelen denominarse robots cuando se utilizan para operaciones que implican la manipulación de piezas de trabajo y no de herramientas: en ensamblaje, pick-and-place y paletizado, por ejemplo.

Otra variante de robot cartesiano utilizada en la industria del automóvil es la grúa pórtico automatizada. Son indispensables para los procesos de fijación y unión que requieren acceder a los bajos de los conjuntos de vehículos parcialmente terminados.

Nuevos y novedosos usos de los robots en la fabricación de automóviles

Los robots cilíndricos son robots compactos y económicos que ofrecen un posicionamiento de tres ejes con una junta revólver en la base y dos ejes lineales para las extensiones de altura y brazo. Están especialmente indicadas para la alimentación de máquinas, el embalaje y la paletización de subcomponentes de automóviles.

Los robots colaborativos de seis ejes (cobots) mencionados anteriormente presentan la misma estructura básica de articulación que las variantes industriales de mayor tamaño, pero con accionamientos basados en motores extremadamente compactos e integrados en cada articulación... normalmente en forma de motorreductor o de opción de accionamiento directo. En automoción, se encargan de soldar soportes, fijaciones y subchasis geométricamente complicados. Entre sus ventajas se incluyen una gran precisión y repetibilidad.

Los robots Delta tienen tres brazos que se accionan mediante juntas giratorias desde la base, a menudo montada en el techo para una disposición suspendida. Cada brazo tiene un paralelogramo con juntas universales montadas en su extremo, y todos estos paralelogramos se conectan después al efector final. De este modo, el robot delta tiene tres grados de libertad de transmisión y el efector final nunca gira con respecto a la base. Los robots Delta pueden alcanzar aceleraciones extremadamente altas, lo que los hace muy eficaces para las operaciones de recoger y colocar en aplicaciones que implican la clasificación y otras manipulaciones de pequeños elementos de fijación de automoción y componentes eléctricos.

Las plataformas Stewart (también llamadas hexápodos) constan de una base triangular y un efector final triangular conectados por seis actuadores lineales en un octaedro. Esto confiere seis grados de libertad a una estructura extremadamente rígida. Sin embargo, la amplitud de movimiento es relativamente limitada en comparación con el tamaño de la estructura. Las plataformas Stewart se utilizan para la simulación de movimientos, el mecanizado de precisión móvil, la compensación de movimientos de grúas y la compensación de vibraciones a alta velocidad en rutinas de pruebas de física de precisión y óptica... incluidas las de verificación de diseños de suspensión de vehículos.

Los vehículos de guiado automático (AGV) siguen rutas establecidas marcadas por líneas pintadas en el suelo, cables en el suelo u otras balizas de guiado. Los AGV suelen tener cierto grado de inteligencia, por lo que paran y arrancan para evitar colisiones entre sí y con los humanos. Son muy adecuadas para tareas de transporte de materiales en instalaciones de producción de automóviles.

Los robots móviles autónomos (AMR) no necesitan rutas fijas y pueden tomar decisiones más sofisticadas que los AGV. Especialmente útiles en los extensos almacenes de los fabricantes de automóviles, suelen navegar libremente utilizando escáneres láser y algoritmos de reconocimiento de objetos para detectar su entorno. Cuando se detecta una posible colisión, en lugar de detenerse y esperar como un AGV, los AMR pueden simplemente modificar el rumbo y sortear los obstáculos. Esta adaptabilidad hace que los AMR sean considerablemente más productivos y flexibles en los muelles de carga de las plantas de automoción.

Conclusión:

En los últimos 30 años, el sector de la automoción ha impulsado una enorme innovación en el campo de la robótica, tendencia que continuará con el floreciente mercado de los vehículos eléctricos. La industria también ha empezado a beneficiarse de nuevas adaptaciones de IA y visión artificial para mejorar las instalaciones robóticas para usos de todo tipo.