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domingo, 19 de marzo de 2017

Introduccion a la robotica industrial

Madurez tecnológica

La implantación de la robótica en la industria cuenta con una gran experiencia consolidada a lo largo de más de 30 años. es, por tanto, una tecnología madura que no para de crecer. se encuentra en la vanguardia de la integración de los más modernos avances en diferentes sectores, tales como actuadores, sensores, materiales, mecánica, hardware y software, comunicaciones, etc.


Su tecnología está en continuo desarrollo, aumentando continuamente sus prestaciones y, consecuentemente, los campos de aplicación. en los últimos años se han producido mejoras en el rendimiento y funcionamiento de los robots; mejora de las comunicaciones, posibilidad de cooperación y sincronización entre robots, facilidad de manejo, fiabilidad y programación. los robots actuales disponen de consolas ligeras de programación, táctiles, en color, con menús sencillos y amigables, que permiten incluso el manejo desde un teléfono móvil. los robots se han hecho más rápidos, más fiables, más precisos, con mayor capacidad de carga y más versátiles. la evolución de las principales características de los robots que muestra la figura 1 es la prueba evidente de la evolución radical que se ha producido en las últimas décadas. destacan las fuertes reducciones de precio que han disminuido considerablemente las barreras para su aplicación.




Los avances actuales permiten que un robot industrial, en combinación con útiles, herramientas, sensores y dispositivos de control e identificación sea capaz de intervenir en una gran parte los procesos de fabricación con una gran flexibilidad.

La integración con otros sistemas es un problema menor y ya existen soluciones compactas que integran el robot junto a sus accesorios, periferia y software para soluciones específicas de paletizado, pintura, mecanizado o soldadura. la evolución de los programas específicos de simulación de robots permiten recrear el entorno real de trabajo y la programación de los robots de forma offline. todo esto va ligado a la búsqueda de la eficiencia, el aumento de la productividad y el ahorro económico.

Los sectores a los que actualmente está orientada la robótica son muy amplios desde la industria manufacturera hasta la exploración de ambientes hostiles, tales como entornos submarinos y espacio.

Además de la robótica industrial, objeto de estudio en la presente publicación, se está empezando a desarrollar la robótica de servicios, incluyendo servicios personales y a la sociedad como asistencia personal, medicina, limpieza, inspección y mantenimiento de infraestructuras.


El mercado mundial de la robótica


La robótica es ya el principal motor de competitividad y flexibilidad en las industrias de fabricación a gran escala y es un sinónimo de progreso y desarrollo tecnológico. los países y las empresas que cuentan con una fuerte presencia de robots consiguen altos niveles de competitividad y productividad. en los países más desarrollados, las inversiones en tecnologías robóticas han crecido de forma significativa y muy por encima de otros sectores. sin embargo, actualmente el mercado está cambiando y hay un estancamiento significativo de la demanda en europa en comparación a los países emergentes, especialmente corea y china.

Según el último estudio de la international Federation of robotics (iFr), el año 2014 ha sido un año record en cuanto a entrega de robots industriales en el mercado mundial, superando la cifra de 200.000 unidades y duplicando cifras del año 2007 previo al inicio de la crisis. durante el periodo 2015 a 2017, iFr estima que las instalaciones de robots se incrementarán un 12 % por año, de forma específica un 6% en europa y un 16% en Asia.

De forma concreta, la cifra de ventas de ventas de robots industriales se ha incrementado en un 27% respecto a las ventas del año anterior lo que supone una tasa record de 225.000 unidades vendidas en un año. las mayores tasas de crecimiento de las ventas corresponde a Asía en donde las ventas de robots en 2014 son superiores en un 42 % a las que se registraron el año pasado. los porcentajes de europa y América están muy lejos de estas cifras.

La Federación internacional de robótica lo tiene claro: si continúa el actual ritmo de ventas, china será en 2017 el país con más robots trabajando en sus fábricas. en 2015 se espera que el gigante asiático mueva cerca de 8.400 millones de euros en este sector. A fecha de hoy, el número de robots por cada 10.000 trabajadores ocupados en el sector de la fabricación asciende a 437 en corea del sur y a 323 en Japón. para Alemania, la ratio es de 282, mientras que en eeuu se alcanzan los 152. por su parte, china solamente registra 30 robots por cada 10.000 trabajadores industriales. Hasta ahora, la industria china se benefició notablemente de costes laborales muy inferiores a los países desarrollados. el coste anual de un trabajador industrial chino rondaba los 900 euros ($1.000 dólares) en el año 2002 cifra radicalmente distinta a los 6.000 euros ($7.000 dólares) registrados en 2012. semejante aumento de los sueldos invita a pensar que china realizará un gran esfuerzo en los próximos años en sustituir el uso intensivo de mano de obra por robots. Además de razones de coste laboral están las de descuelgue tecnológico, ya que china apuesta porque sus nuevas plantas tengan la misma tecnología que las de los países más industrializados.

Tendencias de futuro

Dada la madurez de la tecnología, el futuro pasará por el desarrollo de aplicaciones muy concretas y específicas. Actualmente el desarrollo tecnológico de la robótica industrial va encaminado a la programación por aprendizaje, manipuladores de 7 ejes —que pretenden parecerse cada vez más al brazo humano— control por visión artificial, comunicaciones inalámbricas y mejora del entorno e interactividad hombremáquina. la robótica industrial afrontará cada vez con mayor frecuencia áreas o campos de trabajo más allá de las grandes fábricas. por otro lado, los robots tienden a ser más eficientes energéticamente hablando, respetuosos con el medio ambiente,  19 sistemas de automatización y robótica para las pymes más ligeros, con automatización flexible, más resistentes, más polivalentes y capaces de usar nuevos materiales. otro aspecto muy importante es que las expectativas de aplicación de los robots de servicio han superado, en los últimos años, los límites de las aplicaciones industriales. todos los indicadores confirman que nos encontramos ante una revolución que nos llevará a un mercado de robots de consumo, mediante la utilización en el hogar de electrodomésticos móviles, que complementarán a los actuales estáticos. de la misma forma, las aplicaciones profesionales como la medicina, la construcción o la seguridad y defensa, presentan unas notables expectativas de crecimiento. los puntos clave que apoyan el crecimiento de la robótica en los próximos años son:

• la competencia global y nuevos mercados requerirán la modernización y ampliación de la capacidad en las instalaciones de producción.

• la colaboración hombre-máquina abrirá nuevas aplicaciones ahora desconocidas.

• la disminución de ciclo de vida de los productos y el aumento de la variedad de productos requerirá la automatización flexible.

• las mejoras técnicas de los robots industriales aumentarán el uso de robots en la industria en general y en las pequeñas y medianas empresas, por ejemplo, robots fáciles de usar robots, sin complicaciones, y robots de bajo precio para aplicaciones sencillas.

• la mejora de la calidad requerirá de sistemas de robots de alta tecnología sofisticada.

• la industria 4.0 unirá de form


Sectores demandantes de soluciones robotizadas

Identificación de sectores


Usualmente la mayoría de las estadísticas y estudios de la industria española toman como punto de partida la clasificación de actividades económicas cnAe. sin embargo, en muchos casos los datos se desvirtúan debido a la dificultad de asignar la clasificación correcta a empresas con actividades que pueden abarcar a varios sectores. Así una empresa del sector de fabricación de piezas plásticas puede encuadrarse dentro del sector del plástico, químico o de industrias manufactureras dependiendo de la tipología de sus productos y de sus clientes.





Del estudio de estos datos y atendiendo a un criterio exclusivamente tecnológico se ha considerado que un análisis de los sectores demandantes de soluciones robotizadas debe ser lo más general posible, ya que muchas de las tecnologías y aplicaciones son de carácter horizontal y pueden aplicarse a varios sectores de actividad. en este sentido, será más interesante profundizar en el capítulo 2 en los diferentes campos tecnológicos de aplicación. en base a estas consideraciones son tres los principales sectores demandantes de soluciones robotizadas son:

• sector del automóvil.

• sector de la alimentación y bebidas.

• sector manufacturero que engloba los sectores tradicionales y de fabricación de productos metálicos, maquinaria y equipo.

La Pyme frente a la robotización

Las pequeñas y medianas empresas (pymes) constituyen con mucha diferencia el núcleo del tejido industrial español pero es fuera de ellas donde se concentra el mayor número de robots industriales instalados. esta realidad contrasta con el hecho de que la actividad de muchas de ellas sería susceptible de usar tecnologías bien desarrolladas y consolidadas internacionalmente. la pyMe tiene unas características intrínsecas que muchas veces la hace ir por detrás de la implantación de nuevas técnicas de fabricación. entre estas características diferenciales podrían destacarse:

• desventajas competitivas frente a grandes empresas; de mercado, regulatoras, ayudas.

• insuficiente formación en técnicas de automatización y prácticas de gestión, tanto de personal técnico como directivo.

• reducidas oportunidades de interactuar con compañías similares.

• Mayores dificultades para acceder a fondos de modernización.

• Carencia de planes estratégicos de mejora continua de la productividad.

Desde un punto de vista estrictamente técnico, también existe en un gran desconocimiento sobre las posibilidades de aplicación de los robots, lo que hace que muchas pequeñas y medianas empresas vean lejana su aplicación.

Las pyMes deben apostar decididamente por la implementación de la robótica como una nueva herramienta para optimizar sus sistemas de producción. el incremento del uso de la robótica será uno de los indicadores relacionados con el cambio de modelo productivo en nuestro sistema de innovación y fabricación. las empresas que no hacen algún cambio en el trabajo tradicional son empresas que se mueren. implementar equipos que faciliten sus procesos, les da competitividad.

En estas condiciones, muchas empresas saben que necesitan robotizar pero no saben cómo. una manera de iniciarse en este campo es identificar el proceso con mayor garantía de éxito.es muy probable que siempre exista una posibilidad de robotización. el reto está en identificar y empezar el primer proyecto.

Campos generales de aplicación


Existen un conjunto de aplicaciones específicas que son las más adecuadas para una aplicación de la robotización. estas aplicaciones están suficientemente maduras y cualquier pyMe puede encontrar suministradores e ingenierías con numerosas experiencias en estos campos generales. en muchos casos, cada una de estas aplicaciones tiene asociadas tipos específicos de robots o soluciones integradas. de manera usual, las aplicaciones más frecuentes se agrupan en ocho campos generales:

• Manipulación y atención a máquinas. utilización de manipuladores para desplazamiento de materiales, piezas y productos dentro de una célula de trabajo.

• Soldadura. procesos de unión de materiales y piezas mediante las distintas técnicas de soldadura.

• Aportación de materiales.
Aplicación o dispensación de sustancias como adhesivos, pintura o sellantes sobre superficies.

• Procesado.
procesos de fabricación con herramientas específicas de mecanizado de materiales metálicos y no metálicos como corte, pulido, desbarbado, fresado, etc..

• Ensamblado y desensamblado.
Montaje o desmontaje de partes en conjuntos mecánicos.

• Empaquetado y paletizado.
Formado de paquetes y palets de productos terminados.

• Manutención y almacenaje.
utilización de robots en tareas logísticas de transporte y almacenaje de productos, normalmente ya terminados e incluso empaquetados.

• Inspección.
comprobación de la calidad de cada producto durante el proceso de fabricación y también bancos de ensayos robotizados para el análisis de muestras de producto.

Salas blancas. procesos de fabricación y manipulación en espacios con una contaminación mínima, habitual en la fabricación de ciertos productos electrónicos.

Manipulación y atención a máquinas

En este tipo de aplicaciones, el robot realiza el desplazamiento de cargas entre distintos puntos del espacio. la carga puede ser una pieza en proceso, una parte de material, un subconjunto, un contenedor, un paquete, etc. la herramienta que utiliza el robot para esta tarea es la pinza o garra robótica, elemento montado en la parte final del brazo robot que se puede encontrar en una gran variedad de formas y modos de agarre. en este tipo de aplicaciones un parámetro fundamental en la selección del robot será la carga que debe ser capaz de desplazar, ya que puede ser modificada al variar el modelo de pieza que desplaza. Aplicaciones habituales de esta aplicación son:

• Alimentación y extracción de piezas en máquinas. en estas aplicaciones el robot coloca una pieza en el interior de una máquina para que una herramienta realice un procesado sobre la pieza. el robot no participa en la actividad de procesado. un ejemplo típico son los manipuladores entre prensas, que extraen piezas de una prensa y la colocan en la siguiente. dado que la forma de agarre de las piezas y su movimiento puede imponer reorientar la pieza desplazada, son habituales los robots de seis articulaciones.

• Extracción de piezas de máquinas de fundición o inyectoras. la retirada de piezas en este tipo de aplicaciones ha permitido mejorar la seguridad y condiciones de trabajo en las plantas, al evitar que los operarios realicen este tipo de tareas en ambientes de elevadas temperaturas. también se usan robots articulados verticales de seis articulaciones.

• Manipulación de piezas entre líneas de manutención. ejemplos frecuentes son el desplazamiento de piezas entre bandas o líneas de rodillos, tareas de clasificación en las que se separan piezas de dos o más tipos, o la colocación de productos de forma ordenada en bandejas. en este caso, donde normalmente la carga se desplaza entre superficies horizontales a alturas próximas, con una elevación pequeña de la carga durante su movimiento, es habitual la configuración de robot de tipo scArA. este tipo de robots tiene también sólo cuatro grados de libertad, como los robots de paletizado, pero su rango de desplazamiento vertical es menor. por otro lado, pueden alcanzar velocidades más elevadas con cargas pequeñas, por lo que son muy habituales en tareas “tomar & poner”.

Soldadura

Son las aplicaciones más extendidas y conocidas, más ensayadas y con mayor oferta en el mercado. existen empresas que sólo se dedican a la implantación de este tipo de aplicaciones, incluso en forma de células compactas, en las que el robot y el equipo de soldadura se rodean de un cerramiento de configuración fija que se instala de forma rápida en las industrias.
  Normalmente, las aplicaciones no son generalmente complejas, precisando una integración de sensores pequeña y una programación de trayectorias relativamente sencilla. las aplicaciones más extendidas son la soldadura por puntos y la soldadura por arco. existen soluciones robotizadas para prácticamente cualquier modalidad de soldadura, incluida la soldadura por láser. la configuración de robot típica en estas aplicaciones es el robot antropomórfico, dado que la herramienta requiere aproximarse a la pieza en cualquier orientación y que el brazo no interfiera con la pieza.



Procesado y acabado de materiales

Comprende un amplio rango de aplicaciones actualmente no muy elevadas pero con un gran potencial de crecimiento. en estas aplicaciones el robot puede intervenir de dos posibles formas: puede llevar instalada una herramienta y procesar la pieza fija en un utillaje, o puede tener instalada una pinza y presentar la pieza a la herramienta que va realizando el procesado. en esta aplicación el robot debe ser capaz de generar la fuerza requerida entre herramienta y pieza más el peso de la herramienta o pieza. este tipo de aplicaciones son en general más complejas al ser necesaria la generación de trayectorias CAM para ir desbastando la pieza o en algunas aplicaciones medir y controlar la fuerza que la herramienta ejerce sobre la pieza. Actualmente las aplicaciones más comunes son:

• corte por chorro de agua.

• corte por láser.

• corte mecánico.

• pulido, desbarbado, fresado…



Aportación de materiales


Son aplicaciones en las que se cubren superficies con algún material. normalmente se utilizan en aplicaciones de dos tipos:

• pintado, esmaltado, pulverizado sobre superficies.

• Aplicación de adhesivos, sellantes y lubricantes.

Dependiendo de la calidad necesaria en el acabado pueden ser necesarias instalaciones de alta precisión y complejidad para controlar adecuadamente el tamaño del área de superficie que es cubierta en cada instante. el robot habitual es el robot antropomórfico de seis o cinco grados de libertad. el disponer de seis articulaciones ayuda en estas aplicaciones a conseguir un mayor alcance y accesibilidad a la geometría del producto.





Ensamblado y desensamblado


En este tipo de aplicaciones se encuentran aplicaciones de:

• Ajuste por presión.

• ensamblado, montaje o inserción de componentes.

• desensamblado.

• Atornillado.

En relación con las otras aplicaciones estos casos requieren de una elevada precisión y repetitividad, y también pueden precisar que se mida la fuerza que se ejerce en cada instante sobre los distintos componentes, lo que requiere una instalación sensorial y un control de las trayectorias más complejo. incluso existen aplicaciones en las que se han diseñado dos brazos robóticos trabajando de forma coordinada, igual que trabajarían los brazos de un operario montador.




Empaquetado y paletizado de productos finales

Son aplicaciones en las que el robot debe ir formando una distribución geometría espacial (mosaico o apilado) con los productos que debe paletizar o empaquetar. en este caso es habitual que los robots utilizados sólo dispongan de cuatro grados de libertad, de modo que pueden colocar la carga en cualquier punto del espacio. estos robots se identifican claramente por el conjunto de segmentos que se mueven paralelos al cuerpo principal, cuyo objetivo es que la pinza permanezca siempre en posición horizontal.




Salas blancas


Se trata de aplicaciones robotizadas que requieren una total ausencia de partículas. ejemplos de aplicación se encuentran en el sector electrónico, en la fabricación de pantallas, circuitos integrados y otros componentes electrónicos en los que no se puede permitir la existencia de impurezas. el tipo de manipulador a utilizar depende de la operación o manipulación que se realice. normalmente se usan robots de tipo antropomórfico, scArA o cartesiano. los requisitos de estas aplicaciones afectan a los componentes del robot y su posible recubrimiento protector.



Manutención y almacenaje


En esta categoría se engloban aplicaciones logísticas relacionadas con almacenes automatizados y los vehículos de autoguiado automático para el transporte de cargas (AgVs). el radio de acción de estos robots AgVs alcanza áreas amplias de la planta de fabricación, siendo generalmente robots móviles dotados de ruedas y guiados según distintas tecnologías; filoguiados, por láser, sistemas radio, visión artificial. este tipo de robots tendrá una fuerte crecimiento en la industria en los próximos años. la oferta actual ya se puede considerar alta y los sistemas están suficientemente probados.



Inspección

La utilización del robot en la detección de fallos y comprobación de calidad en los productos fabricados pueden permitir la inspección del 100% de la producción. para realizar estas tareas existen varios métodos. lo normal es que el robot sirva para colocar el producto en la máquina de inspección o de reglaje, como sería el caso de operaciones de equilibrado. en otras aplicaciones el robot desarrolla directamente la operación. en muchas de estas aplicaciones se utiliza un robot para la manipulación del producto, de modo que el robot coloca de forma adecuada el producto delante de un sensor o sistema de visión de manera que tras el chequeo devuelve el producto a la línea de fabricación principal o a una línea de productos rechazados. en otros casos se coloca un sensor como elemento terminal del robot que se encarga, de forma autónoma, de realizar la pauta de inspección. generalmente se trata de inspección de piezas de mayor tamaño, como la inspección de soldaduras, superficies y metrología, en las que se aprovecha el alcance del robot y su capacidad de seguimiento de trayectorias programadas para obtener multitud de observaciones con un sensor de alta precisión. por último, también se utilizan robots en celdas de ensayo de productos. los robots permiten de forma repetitiva aplicar fuerzas puntuales o continuas sobre una muestra de producto, o movimientos con diferentes velocidades y aceleraciones de la muestra o sus componentes para comprobar la calidad y robustez de un nuevo diseño o un producto en fabricación.


Ventajas de la robotización

Las ventajas que aporta la robótica, como medio de automatización de los procesos de producción, son múltiples y bien conocidas. la robotización tiene dos claros objetivos iniciales; reducir costes e incrementar la productividad. los resultados de su aplicación práctica no dejan duda sobre la rentabilidad de su implantación; productividad por aumento de la producción, reducción de costes laborales, flexibilidad, calidad y seguridad. un análisis detallado de la robotización permite identificar diez ventajas competitivas:

1. Mejora la disponibilidad

Los robots trabajan rápido y a menudo se configuran en un sistema de múltiples estaciones para que puedan trabajar de forma continua, si es necesario las 24 horas del día. incluso con una comparación directa con la mano de obra para el mismo volumen de producción se obtiene una tasa de rendimiento más favorable.

2. Mejora los tiempos de proceso
La robotización tiene relación directa con la reducción de tiempos de ciclo, siendo en muchos casos la solución necesaria para romper cuellos de botella. un robot no tiene paradas ofreciendo un tiempo operativo mayor y por tanto reduciendo el tiempo ciclo final.

3. Mejora la flexibilidad


Un robot es un operador flexible, programable y reutilizable. se puede utilizar para llevar a cabo diferentes procesos como corte, soldadura y el acabado. puede modificar su trabajo modificando el elemento terminal del brazo de robot. el uso de interfaces y técnicas de programación apropiadas permite una mayor rapidez de programación que reduce los tiempos necesarios para el cambio de tarea. los robots pueden adaptarse a la fabricación de una familia de productos sin necesidad de que se modifique o se detenga la cadena de producción. esta flexibilidad cobra mayor importancia cuando es precisa la fabricación de series cortas o de un amplio número de referencias. en casos de paletización, soldadura o carga de máquinas, la flexibilidad de un robot es superior a cualquier solución de producción especializada y a menudo tiene un nivel de inversión más bajo.

4. Mejora la calidad


Los robots tienen un alto grado de precisión en el seguimiento de la trayectoria y la repetibilidad. en combinación con los parámetros de proceso óptimos, por ejemplo, en la soldadura por arco, pegado, o desbarbado, el robot ofrece una calidad constante.

5. Reduce el espacio

Las células robotizadas se pueden construir ocupando el mínimo espacio y, en comparación con procesos manuales, requieren menos espacio para la misma producción.

6. Reduce la dependencia de mano de obra


Un robot puede ser usado para cumplir, y a menudo superar, un nivel de competencia cualificado y así reducir el coste de la rotación de personal. elimina la variabilidad del trabajo humano cada vez que una persona de hace cargo de un proceso. si la demanda de la empresa es temporal o depende de las entregas repentinas de proyectos de gran envergadura, puede ser un reto atraer la mano de obra adecuada. puede ser demasiado caro mantener al personal en espera del siguiente pedido .

7. Reduce los problemas de salud y seguridad

Los robots pueden levantar objetos pesados, con altas temperaturas o se pueden implementar en procesos peligrosos que reducen los riesgos en el personal. También se reducen y evitan problemas ergonómicos, así como la realización de tareas repetitivas o desagradables.

8. Reduce el trabajo en curso

Los robots pueden producir según pedido en lugar de acumular existencias. de esta manera el coste de almacenamiento y manipulación de productos se puede reducir considerablemente.

9. Reduce los residuos y desechos


Por su propia naturaleza un robot es una máquina consistente que produce resultados consistentes, día tras día, año tras año. la producción del robot es estable y puede ayudar a reducir considerablemente los costes asociados a los residuos, deshecho o reproceso.

10. Reduce el coste de capital


Los sistemas robotizados son asequibles y reducen los costes de capital y gastos generales. la moderna tecnología robotizada es también respetuosa con el medio ambiente y reduce costes de energía. por otra parte, los procesos con robotización, como medio de automatización, tienen un mayor nivel de autonomía, permitiendo un mayor control del proceso, y precisando un menor mantenimiento fruto de su alta fiabilidad.

El efecto de todas las ventajas anteriores revierte sobre los resultados finales de la empresa aumentando la productividad, la rentabilidad y el beneficio económico de la empresa.

En estas condiciones parece concluyente que toda empresa debe plantearse la viabilidad de implantar robots en su sistema productivo, siguiendo un proceso de reflexión que se expondrá a lo largo de la publicación.


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