Diseño para ensamblaje robótico

Al observar a un robot SCARA ensamblar rápidamente varias piezas pequeñas de plástico, es difícil no pensar en él como una persona: una persona rápida, precisa e incansable, pero una persona al fin y al cabo.

En realidad, equiparar las capacidades de los robots y los ensambladores humanos es arriesgado. Lo que es fácil para un ensamblador humano puede resultar difícil o imposible para un robot, y viceversa. Para garantizar el éxito del ensamblaje robótico, los ingenieros deben adaptar sus piezas, productos y procesos a los requisitos únicos del robot.

Idealmente, los ingenieros deberían abordar las cuestiones relacionadas con el ensamblaje robótico en las primeras etapas del proceso de diseño. Según Thierry Dumont, director de ventas y gestión de productos de Bosch Rexroth Corp. en Schwieberdingen, Alemania, construir una celda de trabajo robótica es más difícil para un producto que originalmente se ensambló manualmente que para un producto que fue diseñado para ensamblarse automáticamente.

"Puede resultar complicado, porque las piezas no han sido diseñadas para la automatización", afirma. "Si podemos trabajar con el cliente mientras diseña el producto, podemos incorporar características que quizás no agreguen nada al producto en sí, pero que pueden mejorar bastante el ensamblaje".

Tom Reek, vicepresidente de automatización del fabricante de pinzas SCHUNK, está de acuerdo. Dice que los mejores proyectos de automatización son aquellos con piezas y procesos bien definidos. Se finalizó el diseño de la pieza y se determinó el camino del robot desde que recoge la pieza hasta que la deja.

"Los problemas surgen cuando entran en juego lo desconocido", afirma. “Por ejemplo, si diseñamos una pinza para manipular una pieza, pero luego el diseño cambia. Ahora, de repente, hay un problema de holgura o una característica en la superficie que no nos permite conseguir un agarre adecuado de la pieza.

“O podríamos diseñar una pinza para recoger la pieza en una orientación, pero sale del alimentador en una orientación diferente que no nos permite agarrar las áreas que habíamos previsto originalmente.

“También queremos saber hacia dónde se dirige la pieza. Si el robot simplemente saca una pieza de una máquina de moldeo por inyección y la arroja a un contenedor, liberar la pieza no es gran cosa. Pero si, por ejemplo, el robot está insertando un conector en un conjunto, necesitamos saber qué superficies podemos agarrar y qué profundidad tiene el conjunto”.

Para garantizar el éxito del ensamblaje robótico, los ingenieros deben adaptar sus piezas, productos y procesos a los requisitos únicos del robot. Foto cortesía de Robert Bosch GmbH

Muchas de las pautas de diseño para mejorar los procesos de ensamblaje manual y mecanizado también se aplican al ensamblaje robótico. Por ejemplo, reducir la cantidad de piezas de un producto reducirá costos y aumentará la confiabilidad del proceso independientemente del tipo de equipo utilizado para ensamblarlo.

Otras directrices son más específicas para los robots. Por ejemplo, a diferencia de los ensambladores humanos, la mayoría de los robots no pueden sostener una pieza en una mano y una herramienta en la otra. Más bien, los robots SCARA y cartesianos tienen “una sola mano” y sólo pueden moverse a lo largo de tres o cuatro ejes. Como resultado, los productos deben diseñarse de manera que puedan ensamblarse en capas desde abajo hacia arriba.

"Si el producto no ha sido diseñado para montaje robótico, a menudo se ve que hay que acceder a él desde varios lados", afirma Dumont. "Quieres que todo sea accesible desde arriba".

Reorientar un ensamblaje agrega tiempo de ciclo sin agregar valor. También aumenta el costo de los accesorios. Y, en lugar de un SCARA o un robot cartesiano, los ensambladores pueden necesitar un robot de seis ejes más caro.

Por razones similares, las piezas deben diseñarse para permanecer en su lugar después de que el robot las instale. Mejor aún, las piezas se pueden diseñar con ajustes rápidos, eliminando la necesidad de sujetarlas, soldarlas o unirlas posteriormente. Además, debido a que los robots no pueden moverse con la misma repetibilidad que la automatización "dura" dedicada, las piezas deben tener características de autoalineación, como labios o chaflanes, para ayudar al robot a insertarlas.

“Una de las primeras cosas a considerar cuando se diseña un ensamblaje es: '¿Los componentes quieren ir juntos?'”, dice Phil Baratti, gerente de ingeniería de aplicaciones de Epson Robots. "Si tienes que forzar piezas para que encajen cuando simplemente deberían caer en su lugar, entonces puedes tener problemas con el ensamblaje automatizado".

Las pinzas robóticas no son tan ágiles como las manos humanas y algunas piezas son más fáciles de agarrar para los robots que otras. Una pieza con dos superficies paralelas se puede manipular con una pinza de dos dedos. Una pieza circular se puede manipular por sus bordes exteriores o, si tiene un agujero en el medio, por sus bordes interiores. Agregar un labio pequeño a una pieza puede ayudar a la pinza a manipular la pieza de manera confiable y aumentar la eficiencia del sistema. Si el robot va a manipular más de un tipo de pieza, las piezas deben diseñarse de manera que todas puedan manipularse con la misma pinza. Una pinza servoaccionada también podría ayudar en esa situación, ya que los ingenieros pueden programar la longitud de la carrera y la fuerza de agarre.

Los robots son flexibles, pero eso no significa necesariamente que puedan compensar piezas inconsistentes. Foto cortesía de Cadcamatic

A menudo, el éxito de un proyecto de automatización robótica se reduce a la creatividad y la habilidad del diseñador de herramientas, añade Reek. Recuerda haber trabajado con un cliente que necesitaba un robot para recoger botellas de vidrio.

“El cliente quería agarrar las botellas por el cuello, pero cada botella tenía su propio perfil único. Se podría hacer una pinza que pudiera agarrar una botella, pero no una pinza que pudiera agarrar todas las botellas.

“Pensamos en utilizar un cambiador de herramientas, pero el tiempo del ciclo era demasiado rápido. Otra opción habría sido incorporar gomaespuma u otro material flexible en el dedo de agarre, pero eso no siempre funciona.

“Al final, se nos ocurrió un diseño que podía hacer el trabajo con un par de dedos. Se mecanizaron varios perfiles en cada dedo, uno para cada tipo de botella. Para una automatización exitosa, debe poder agarrar y soltar una pieza correctamente el 100 por ciento del tiempo. Incluso un error entre 100 oportunidades es un fracaso”.

El material de la pieza también puede ser un problema en el ensamblaje robótico. Las piezas flexibles son menos atractivas para la manipulación robótica porque requieren fijaciones y pinzas especiales. Las piezas flexibles también son más difíciles de alimentar. Las piezas con superficies cosméticas o piezas de materiales frágiles podrían resultar dañadas por las pinzas.

La calidad de las piezas también puede ser un problema. “Los robots son flexibles. Se pueden cambiar para ensamblar diferentes productos. Pero eso no significa necesariamente que puedan compensar piezas inconsistentes”, señala Baratti. "Si tiene una pieza fabricada con una tolerancia de 0,01 pulgadas y otra pieza fabricada con una tolerancia de 0,005 pulgadas, tendrá problemas para ensamblar ese producto".

Otra consideración es cómo se alimentarán y presentarán las piezas al robot. Nuevamente, las pautas de diseño para mejorar cualquier proceso de ensamblaje automatizado también se aplican a los procesos robóticos. Las piezas que se suministrarán desde alimentadores vibratorios deben diseñarse de manera que no se enreden ni se superpongan. Una vez que las piezas están en la pista de salida, el robot debería poder recoger una pieza e insertarla sin ninguna manipulación adicional.

Si las piezas se entregan en bandejas, las piezas deben descansar en los bolsillos en una posición constante y estable. Los bolsillos deben dejar espacio para los dedos de la pinza y, al igual que con los alimentadores de tazones, el robot debe poder tomar una pieza e insertarla sin ninguna manipulación adicional. Equipar el robot con una pinza autocentrante permitirá a los ingenieros utilizar bandejas o accesorios menos precisos.

Por supuesto, una ventaja del ensamblaje robótico es que es posible que ni siquiera sean necesarios alimentadores con herramientas duras. En cambio, las piezas se pueden entregar al robot que se desplaza libremente sobre un transportador. Un sistema de visión, montado encima del transportador o en el brazo del robot, le indica al robot dónde encontrar las piezas y cuáles están en la orientación correcta.

Sin embargo, si se utiliza la guía visual, los ingenieros deben asegurarse de que las piezas tengan una apariencia visual consistente, aconseja Baratti. Por ejemplo, los ingenieros podrían agregar un saliente u otra característica a una pieza de doble cara para ayudar al sistema de visión a distinguir un lado del otro.

El método de alimentación a elegir (piezas aleatorias en un transportador o piezas fijas en un riel o bandeja) depende de la aplicación. El método transportador es factible si la mayoría de las piezas de una muestra aleatoria se encuentran naturalmente sobre la cinta en la orientación correcta. “Por lo general, es más fácil instalar las piezas, pero eso no quiere decir que al final será menos costoso”, dice Dumont.

A menudo, el éxito de un proyecto de automatización robótica se reduce a la creatividad y la habilidad del diseñador de herramientas. Foto cortesía de SCHUNK

En las líneas de montaje manuales, es mejor limitar el número de operaciones que realiza cada ensamblador. Lo mismo ocurre con las células de trabajo robóticas. En teoría, un robot podría realizar todas las tareas necesarias para ensamblar un producto pequeño de arriba a abajo. En la práctica, sin embargo, es casi imposible. A medida que aumenta el número de operaciones realizadas por el robot, aumenta el coste de la célula y disminuye su fiabilidad.

"Lo que se desea es agrupar las tareas de una manera que tenga sentido para el proceso de ensamblaje y para el robot", dice Dumont.

Por ejemplo, si un conjunto de piezas se puede manipular con una ventosa y otro conjunto de piezas se puede manipular con una pinza, normalmente es mejor utilizar dos robots (uno para cada conjunto de piezas) en lugar de un solo robot con dos pinzas. y un cambiador de herramientas. El tiempo dedicado a cambiar las pinzas es tiempo dedicado a no ensamblar el producto.

"Si el ensamblaje requiere que se inserten dos pasadores diferentes, las herramientas y accesorios para manejar esos pasadores serán similares, por lo que no es difícil para el robot manejar ambas piezas", dice Baratti. “Sin embargo, si una pieza requiere una ventosa y otra requiere una pinza, no querrás que el robot maneje ambas. Cuanto más cargues al robot con tareas completamente diferentes, menos confiabilidad obtendrás de la máquina”.

Al especificar el robot, los ingenieros deben recordar que la capacidad de carga útil de la máquina incluye el peso de las piezas, así como la pinza y las herramientas.

"A menudo, los fabricantes no tienen en cuenta el peso de la pinza y las herramientas cuando piensan en la carga útil del robot", dice Reek. "Creen que está bien mover una pieza de 5 kilogramos con un robot que tiene una capacidad de carga de 7 kilogramos, pero no se dan cuenta de que la pinza podría pesar más de 2 kilogramos".

Los mejores proyectos de automatización son aquellos con partes y procesos bien definidos. Se finalizó el diseño de la pieza y se determinó el camino del robot desde que recoge la pieza hasta que la deja. Foto cortesía de Kuka AG

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