Lo que toda tienda fabulosa necesita saber sobre planificación, diseño y ejecución

Con una demanda cada vez mayor de los fabricantes para producir una amplia gama de productos de alta calidad que sigan siendo competitivos en el mercado, la necesidad de automatizar los procesos de producción nunca ha sido mayor. Los ciclos de vida cortos de los productos, junto con las diversas carteras de productos, crean un escenario de gran mezcla de productos y bajo volumen que impulsa cada vez más a las pequeñas y medianas empresas a invertir en tecnologías de automatización robótica. A medida que aumentan las demandas de producción, proporcionar soluciones hechas a mano a un cliente se vuelve menos viable. La automatización ya no es una opción, se ha convertido en una necesidad.

La necesidad de maximizar la funcionalidad de su inversión de capital significa que las empresas buscan constantemente formas de hacer que los sistemas sean lo más flexibles posible. Esto a menudo se presenta en forma de herramientas y accesorios especialmente diseñados que se pueden cambiar entre las series de producción de diferentes productos: el llamado conjunto de 'marco de imagen', que tiene un marco montado permanentemente dentro del posicionador y se pueden montar accesorios modulares y desmontado cuando sea necesario.

El verdadero desafío surge cuando necesitan mover células robóticas completas de un área de una instalación a otra, o incluso a otra instalación, para mantenerse al día con las demandas de un entorno de producción en constante cambio.

Un enfoque modular

Dos fuerzas impulsoras principales detrás del impulso para automatizar son aumentar el rendimiento del sistema y mantener una alta calidad constante. Por lo tanto, la mayoría de las tareas realizadas por un robot son de naturaleza repetitiva, no cambian con el tiempo y tienen ciclos cortos para maximizar el rendimiento del sistema.

Las células robóticas y líneas de producción muy grandes que involucran múltiples unidades mecánicas generalmente no son fáciles de reubicar en otras áreas de una instalación o entre instalaciones que están separadas geográficamente.

Tal movimiento implica muchos costos: mano de obra, servicios públicos, transporte, reinstalación, reprogramación o puesta en servicio y capacitación de operadores, por nombrar solo algunos. Además, construir un sistema para tener en cuenta múltiples incógnitas significa incorporar redundancia para adaptarse a esta flexibilidad, lo que aumenta el costo del sistema.

En la mayoría de los casos, cuando es necesario trasladar un sistema de fabricación robótica, especialmente entre sitios remotos, el coste del traslado puede representar un porcentaje significativo del coste original del sistema. En estos casos, una solución económicamente más viable sería aplicar esos costos de reubicación a un nuevo sistema. Sin embargo, con una cuidadosa planificación y preparación, los fabricantes pueden construir sistemas diseñados específicamente para ser reubicados de acuerdo con los cambiantes programas y demandas de producción.

Entonces, ¿qué deben hacer los fabricantes pequeños y medianos cuando se trata de especificar e instalar un sistema que algún día tendrá que ser trasladado? La respuesta es sencilla: piense en módulos.

Construir una celda robótica con la flexibilidad necesaria para permitir la fabricación de una amplia gama de productos dentro de diferentes áreas de una instalación o incluso en instalaciones geográficamente separadas es una decisión de diseño que debe abordarse al principio del ciclo de planificación. Una comprensión clara de la combinación de productos, el flujo del sistema de producción y la mejor manera de lograr el retorno de la inversión deseado son factores críticos para la fase de diseño del sistema.

Los fabricantes que deben entregar un flujo de piezas óptimo ahora, pero que conservan la capacidad de adaptarse a futuros cambios en la combinación de productos, deben considerar las ventajas de las áreas de trabajo modulares desde el inicio de la fase de planificación y diseño. No es algo que se pueda ajustar fácilmente en el momento de la instalación.

La solución flexible ideal es pequeña, autónoma y adaptable, con los posicionadores y accesorios necesarios ubicados dentro del área de trabajo del robot. En lugar de un área de trabajo que siempre está dedicada a la misma tarea, toda el área de trabajo del robot es una unidad modular que se puede intercambiar para adaptarse a cualquier tipo de dispositivo, desde simples mesas y unidades de sujeción hasta cabezales y pequeñas unidades de posicionamiento multieje. .

Sin embargo, esta flexibilidad conlleva un costo adicional durante la fase de diseño del sistema. La capacidad de intercambiar componentes del sistema y / o incluir funciones avanzadas que simplifican el traslado de la celda a una ubicación diferente implica costos de ingeniería adicionales.

Por lo tanto, se debe tomar la debida diligencia para determinar si la devolución requerida se puede realizar o no sobre el costo inicial adicional dentro del plazo requerido, especialmente porque las situaciones de alta mezcla de productos / bajo volumen generalmente tienen una tasa de retorno más baja debido a el tiempo adicional necesario para la puesta en marcha y la puesta en servicio (programación de piezas) y una menor cantidad total de piezas. Para algunas empresas con requisitos de inversión de capital más estrictos, los beneficios adicionales de ingeniería y producción que ofrece este enfoque pueden ser difíciles de definir en términos puramente financieros. En este caso, podría ser mejor, y menos costoso, instalar celdas dedicadas adicionales en lugar de una solución modular. Sin embargo, existen otras opciones móviles más económicas.

Las unidades autónomas paletizadas que se centran en un accesorio ya ubicado dentro del área de trabajo presentan otra alternativa, si el costo es un factor. Las unidades más grandes pueden dividirse en componentes más pequeños y enviarse en partes. Algunas de las celdas paletizadas incluso están diseñadas con receptáculos especiales incorporados para permitir el movimiento mediante carretilla elevadora. Cuando se diseñan de manera eficiente, simplemente se pueden desenchufar, levantar y dejar en un camión para su reubicación.

Si la movilidad de la celda es el objetivo final, una solución modular o paletizada trabaja para abordar las necesidades de una instalación de producción de alta mezcla, pero existen compensaciones entre un costo más bajo (paletizado) y la redundancia y flexibilidad de la construcción (modular) en un sistema.

Mantenlo simple

Cuando es necesario mover una celda robótica, los talleres pueden tomar medidas para agilizar el proceso. Los movimientos nunca deben realizarse sobre la marcha, sino planificarlos con anticipación.

Por ejemplo, ya sea que se utilicen componentes de celdas modulares o un sistema paletizado, los talleres deben asegurarse de antemano de que las unidades estén construidas con desconexiones rápidas para la electricidad y el aire para permitir una rápida extracción de la red pública. Las botellas de gas montadas directamente en las unidades evitan la necesidad de ubicar la celda cerca de una conexión de gas central. Utilice soluciones de distribución de cables locales, como las cajas Accu-Pak® y los carretes de tambor de Lincoln Electric, para eliminar la necesidad de conexión a una fuente de cables remota. También considere usar unidades de extracción de humos locales si no hay un sistema central disponible en el taller. Los circuladores de aire portátiles se adaptan a varias celdas.

Safety also plays a big consideration in a move. Many modern robotic cells have integral safety systems that are compliant with Robotics Industries Association standards. No additional safety items are required when these units are moved around a facility or between locations.

When moving a robotic cell, remember that robots do not possess human-like intelligence with the ability to reason. Every robot movement must be programmed by a person. When moving a cell, mechanical components can flex and move, especially when swapping out tooling.

A program that runs flawlessly in one location may have significant error in another location due to the inherent slack in mechanical systems. Fortunately, modern industrial robots have several technologies available to overcome these problems. These can be simple programming constructs or sophisticated sensing technologies that allow the robot to determine and react to changes in the local physical environment.

For example, a user can perform a 3D shift on a program to account for fixture displacement during travel, or even define special program frames attached to a fixture. This requires a skilled robot programmer to access the robot program directly and perform these operations. Instead of investing in very expensive and complicated tooling for part locating, other technologies exist that allow a robot to perform these tasks autonomously.

Touch sensing allows the robot to use either the tip of the wire or a laser sensor to detect basic features on a part and make necessary adjustments to its program. While this is relatively easy to program a robot to do, it can add to the overall cycle time of the robot. A faster solution that requires more programming time during commissioning is to use a camera on the end of the robot. FANUC® Robotics’ 2D and 3DL iRVision® platforms provide an extremely powerful feature set that deliver one of the most flexible solutions available. With this system, a robot can literally see the world around it, and can easily perform tasks such as part detection, part recognition, feature detection, program offset, and can even detect which type of fixture or tool is loaded in its work area.

The most effective tool at a system designer’s disposal is CAD (Computer Aided Design). By making extensive use of 3D modeling software in the system design phase, one can literally see what a system will look and perform like when it is built. At Lincoln Electric, design engineers make extensive use of DELMIA® for designing cell layouts and performing reach analysis. Once a system is built, it can be programmed offline and programs can be verified using FANUC Robotics’ proprietary RoboGuide® suite of applications, ensuring maximum uptime and effectiveness for a system.

Planning for the future
Fundamentally, developing a successful strategy for mobile robotic cells is a design and planning challenge. Not only must manufacturers develop the solution for today’s product portfolio, but anticipate future demands. Thus, it is critical to build redundancy and flexibility into a system to create the most versatile and, ultimately, mobile solution.

As discussed, because flexibility and redundancy have definite costs, fabricators need to ask this:  “Do we want to invest upfront in a flexible solution that most definitely will grow and adapt with our shop or do we want to amortize such costs by selecting a less-expensive, fixed robotic solution?”  This decision must be determined during the design phase because, while flexibility is expensive on the front end, retrofitting a cell down the road can be even more costly. It requires a holistic approach that examines the entire production process to determine the ultimate return on investment.

The best way to approach this problem is to look at the processes and procedures currently in place and then determine what processes you want the automated solution to improve. The proposed solution must not only make economic sense, but must also fit in with current and anticipated production requirements. As the field of robotics continues to evolve, so will the tasks to which they are assigned.

Richard Stokes is an application engineer with Lincoln Electric’s Automation Division. He moved to the United States from New Zealand in 2011 and holds a bachelor’s degree in Mechatronics.