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Componentes principales de los sistemas de robot de soldadura y casos de uso industriales
Elementos clave de hardware: manipulador, controlador y fuente de energía para soldadura
Tres componentes hardware fundamentales conforman un sistema de robot de soldadura: el manipulador, el controlador y la fuente de energía. Los manipuladores pueden adoptar la forma de un brazo robótico, siendo la variante de seis ejes la implementación más común. Estos componentes incorporan articulaciones accionadas por servomotores y reductores de alta precisión para permitir un control de movimiento de alta fidelidad. Estos brazos también pueden controlar trayectorias de soldadura en 3D, lo que los hace altamente versátiles a la hora de resolver problemas de soldadura que implican una gran variedad de uniones y tamaños. El controlador gestiona todas las operaciones y responde con gran rapidez a los cambios que se producen durante la operación de soldadura. Recibe instrucciones cargadas previamente desde programas integrados (o dispositivos de enseñanza manual) y controla el sistema robótico para ejecutar las operaciones de soldadura. La fuente de energía de soldadura genera y mantiene el arco de soldadura para completar las uniones. Durante una operación de soldadura, regula la protección gaseosa, la velocidad de alimentación del alambre de soldadura, así como la corriente y el voltaje de soldadura. Toma en cuenta el tipo de unión que se está trabajando, el espesor y el tipo de metal, y la técnica de soldadura más adecuada para la aplicación. La combinación de estos componentes da lugar a una solución de soldadura automatizada altamente fiable. Estos sistemas de robots de soldadura se utilizan para fabricar conjuntos automotrices y maquinaria pesada, estructuras y componentes metálicos, y para realizar tareas de soldadura que exigen un alto grado de consistencia en la calidad.
Integración de software y periféricos: sistemas de visión, sensores e interfaces de seguridad
Las fábricas modernas están compuestas por una serie de componentes de hardware y soluciones inteligentes de software. Los sistemas guiados por visión, por ejemplo, son capaces de localizar juntas complejas y seguir líneas de soldadura que se mueven constantemente, mediante cámaras calibradas y sistemas de detección de bordes. Estos sistemas pueden recalibrar sus trayectorias de forma autónoma, evitando que el usuario deba hacerlo manualmente cada vez. Los sensores de proceso pueden comunicar al controlador central cambios en los niveles de voltaje del arco, así como mediciones de calor y corriente. Este controlador es capaz de realizar ajustes en los procesos en menos de un segundo. Asimismo, los fabricantes integran sistemas que cumplen con las normas ISO 10218 y RIA 15.06, y que detienen el movimiento de una máquina para proteger al operario cuando este se encuentra a una determinada distancia de la misma. Entre estos componentes figuran cortinas de luz, sistemas PLC especialmente certificados y circuitos redundantes para paro de emergencia. Un estudio publicado el año pasado en el Journal of Manufacturing Systems informó que la integración de todos los componentes avanzados de una fábrica dio lugar a un proceso de fabricación que redujo el número de defectos en una soldadura desde un promedio de 37 hasta cero, y que la fábrica operó a mayor velocidad.
Consideraciones importantes al elegir un sistema de robot de soldadura
Considere el tipo de junta, el espesor del material y el volumen de producción esperado
Elegir el sistema adecuado implica comprender los requisitos específicos de la aplicación de soldadura. Se necesitan robots capaces de realizar movimientos intrincados y soldaduras precisas para trabajos de soldadura como soldaduras de filete de múltiples pasadas o soldaduras de ranura con estrecha separación. Sin embargo, una configuración sencilla puede ser suficiente para producir soldaduras de traslape simples. Para materiales de menos de 3 mm de espesor, con el fin de evitar la perforación del material, se puede emplear un método para reducir el calor, como el uso de soldadura por arco metálico con gas (GMAW) pulsada o el uso de un láser de soldadura en combinación con otro proceso. Para secciones mayores de 25 mm, pueden resultar más adecuados métodos de soldadura que utilicen un patrón rápido de relleno y balanceo. El volumen de producción también constituye un factor importante en la decisión. Los fabricantes que producen más de 10 000 unidades al mes pueden encontrar rentable adquirir robots de alta velocidad de 6 ejes que incorporen seguimiento de juntas y otras funciones de automatización. Por el contrario, los fabricantes con volúmenes de producción menores y mayor variedad de productos pueden obtener mayores beneficios con una solución modular y flexible. Según informó el Fabricators Journal el año pasado, aproximadamente el 30 % de los problemas relacionados con la soldadura robótica se deben a una forma de junta incompatible con las capacidades del robot. Por este motivo, es fundamental recopilar desde el inicio los requisitos reales de la aplicación de soldadura.
Capacidad de carga, alcance y repetibilidad para soldadura de precisión
La capacidad de carga útil debe tener en cuenta todos los equipos, cables y herramientas conectadas. Dependiendo del trabajo, los requisitos de carga útil pueden ser de aproximadamente 5 kg para trabajos estándar de soldadura por arco. El alcance determina el volumen de espacio en el que puede operar el sistema. Los proyectos de construcción naval suelen requerir un alcance horizontal de 3 metros o más, mientras que los proyectos relacionados con el ensamblaje de componentes, como el trabajo en piezas de automóviles, requieren únicamente entre 1,4 y 1,8 metros. El factor más significativo es la repetibilidad, es decir, la precisión con la que el robot puede volver a la misma posición con la misma exactitud, y las especificaciones pueden ser muy exigentes. Aplicaciones como la aeroespacial y los dispositivos médicos apuntan a tolerancias de fabricación de ± 0,05 mm. Los sistemas capaces de mantener una posición térmica estable a 150 grados Celsius también eliminan el retrabajo debido a la deriva térmica. El Informe de Fabricación IMTS 2023 indica que, cuando el alcance y la repetibilidad están diseñados eficazmente, la necesidad de sistemas complejos de sujeción se reduce en un 27 % y el número de defectos disminuye en un 40 %.
Adaptar un sistema de robot de soldadura a un flujo de trabajo de producción
Diseño de celda, dispositivos de sujeción e integración con PLC
Antes de comenzar a intentar integrar las celdas de soldadura, debe diseñar dichas celdas en torno al flujo de trabajo real. Asegúrese de planificar su disposición con un espacio libre de al menos 1,5 veces el alcance máximo del robot alrededor del área de trabajo de soldadura. Esto cumplirá con los requisitos de seguridad y mantenimiento establecidos en la norma ANSI/RIA R15.06. Asimismo, facilitará el transporte de materiales alrededor del área de trabajo y brindará más espacio para sus técnicos. La expansión térmica de los dispositivos de sujeción constituye una preocupación importante. Sujetar con demasiada rigidez los dispositivos de sujeción para soldadura de aluminio y acero inoxidable provoca la mayoría de los problemas de soldadura, aproximadamente un 15 %, según una investigación reciente presentada en FabTech 2023. Para que la integración tenga éxito, deberemos abordar la comunicación entre los autómatas programables (PLC). La mayor parte del mundo opera con EtherCAT o Profinet, protocolos que permiten una comunicación más rápida entre los PLC, los sistemas de visión y los controladores de robots. Estos también reducen en aproximadamente un 40 % el tiempo necesario para configurar una tarea de integración y aumentan la eficiencia general de las líneas de producción.
La sujeción modular utiliza placas base y localizadores para facilitar la reconfiguración rápida para distintas familias de piezas
Una forma de prevención de errores que se ha adoptado es el uso de bucles de retroalimentación que emplean sensores. Un ejemplo es el uso de sensores de proximidad, que pueden detectar si una pieza está presente antes de iniciar el siguiente ciclo operativo
La gestión integrada de cables consiste en la canalización de energía, señales y gas mediante portacables blindados y con protección contra esfuerzos mecánicos, para reducir las interferencias electromagnéticas (EMI) en las señales de control
Formación del personal y planificación del plazo esperado para la recuperación de la inversión desde el momento en que se completa un cambio de configuración
Para que la automatización robótica tenga éxito, las habilidades humanas y el equipo adecuado son igualmente importantes. Con la formación que brindamos al equipo de mantenimiento y a los soldadores, estos pueden llevar a cabo una de las tareas disruptivas más importantes del nuevo proceso: ajustar los parámetros para optimizar la tarea y diagnosticar fallos en el equipo. Esta formación reduce los tiempos de cambio de configuración hasta en un 30 %. En la aplicación de automatización de soldadura, el retorno esperado de la inversión depende de varios factores, entre ellos la reducción prevista de los costes laborales de soldadura de 75 dólares por hora-hombre, la disminución de desechos, la calidad constante en todas las soldaduras de los productos y la capacidad de rastrear cada producto a lo largo del proceso de fabricación. Basándonos en nuestra experiencia con numerosas aplicaciones y empresas distintas, estimamos que el retorno de su inversión se producirá entre los 18 y los 24 meses posteriores al inicio del proyecto, siempre que se cuente con la infraestructura adecuada y se hayan implementado procesos de apoyo.
Marcos de competencias con certificaciones escalonadas basadas en las funciones laborales (por ejemplo, operador que progresa hacia programador y luego hacia integrador)
Uso de la tecnología de gemelo digital, que permite simulaciones digitales para posibilitar la planificación de trayectorias fuera de línea y la programación libre de colisiones sin interrumpir la línea de producción
Implementación de paneles de control de OEE (Eficacia Global de los Equipos) para mostrar la producción real frente a la planificada, en cuanto al tiempo de arco encendido, disponibilidad, rendimiento, calidad y pérdidas
El mantenimiento programado y proactivo mejora el tiempo medio entre fallos en un 35 %. Las plataformas de análisis de soldadura, que analizan los patrones de salpicaduras, los cambios de voltaje y la velocidad de desplazamiento, reducen las tasas de desecho en un 22 % en la producción mixta.
Alcanzar un rendimiento óptimo y una fiabilidad a largo plazo para su sistema de robots de soldadura
Mantenimiento programado y ajuste de los parámetros del arco
Alcanzar resultados fiables proviene de realizar el mantenimiento necesario, en lugar de esperar a que los equipos fallen primero. Esto incluye seguir las especificaciones de lubricación para las articulaciones de los ejes y llevar a cabo el mantenimiento de los motores servo y los cables del circuito. De hecho, esto elimina aproximadamente la mitad de todas las paradas imprevistas, según la investigación de (cita preferida) 2023. Otro aspecto fundamental es ajustar los parámetros de soldadura según sea necesario.
Mejoras basadas en datos mediante el monitoreo de la Eficacia Global del Equipo (OEE) y el análisis de la calidad de la soldadura
En el contexto de la supervisión de la eficiencia global del equipo (OEE), lo que estamos abordando es que la fiabilidad va más allá de su representación como un indicador de mantenimiento e incorpora el potencial de crecimiento mediante la mejora continua. El sistema registra datos en los que los arcos se mantienen durante períodos prolongados, identifica incidencias en las que el efector final se desvía de la trayectoria prevista y registra incidentes de sobrecarga térmica. Con estos datos, el sistema correlaciona el rendimiento de la operación con respecto al de otras instalaciones que realizan la misma tarea e identifica posibles problemas antes de que se agraven. En el ámbito de la soldadura, la inteligencia artificial amplía sus capacidades para analizar los cambios en la formación y el comportamiento de las salpicaduras de soldadura. Asocia los problemas derivados de las salpicaduras con el desgaste y deterioro de la boquilla y de la punta de contacto, así como con el flujo de gas. Las instalaciones manufactureras con distintas experiencias productivas han informado una reducción aproximada del 40 % en los tiempos medios de reparación, y una tasa de aceptación superior al 98 % en la conclusión exitosa de la soldadura a la primera intentona se ha convertido en la nueva norma.
Preguntas frecuentes
1. ¿Cuáles son los componentes principales de un sistema de robot de soldadura?
Un sistema de robot de soldadura consta de tres componentes principales: manipulador, controlador y fuente de energía para soldadura. Estos componentes trabajan conjuntamente para realizar tareas de soldadura automatizadas con alta precisión y consistencia.
2. ¿Cómo contribuye el software a los sistemas de robots de soldadura?
El software, combinado con el hardware, mejora el rendimiento de los sistemas de robots de soldadura. Mediante el uso de sistemas de visión, sensores e interfaces de seguridad, se pueden lograr mejores resultados en la soldadura, tiempos de configuración más cortos y el cumplimiento de los requisitos de seguridad.
3. ¿Qué factores son importantes al elegir un sistema de robot de soldadura?
Los factores a considerar al elegir un sistema de robot de soldadura son el tipo de uniones soldadas, el espesor de los materiales a unir, el tamaño del lote de producción y la carga útil, el alcance y la repetibilidad requeridos.
4. ¿Cuáles son las ventajas de la integración de robots de soldadura?
Las ventajas de integración de los robots de soldadura son la capacidad de diseñar la disposición de la celda, los dispositivos de sujeción y la comunicación con el autómata programable (PLC). Una buena integración se traduce en tiempos de puesta en marcha más cortos, mayor eficiencia en el flujo de trabajo y consecución oportuna de los objetivos operativos.
5. ¿Cómo se puede incrementar el rendimiento y la fiabilidad de los robots de soldadura?
Se pueden obtener robots de soldadura más fiables y con mejor rendimiento si se combina el mantenimiento programado con el ajuste de los parámetros del arco. Realizar mejoras basadas en datos, tras analizar la eficiencia global del equipo (OEE) y evaluar la calidad de las soldaduras, permite lograr una mejora continua.