Atornillar con Cobots

Ante la escasez de mano de obra y las iniciativas de relocalización, los fabricantes están utilizando robots colaborativos para automatizar las aplicaciones de atornillado. Foto cortesía de Universal Robots A/S

Atornillar tiende a ser una tarea aburrida y repetitiva para los humanos, lo que lo hace propenso a cometer errores. Es un candidato perfecto para la automatización, que puede proporcionar flexibilidad y repetibilidad.

El atornillado robótico se diferencia de las aplicaciones más tradicionales, como el atornillado fijo o manual. Entre otras cosas, los robots facilitan la realización de cambios rápidos y la ejecución de lotes pequeños y de diferentes tamaños de conjuntos relacionados.

Además, los robots pueden atornillar tornillos desde todas las direcciones sin preocupaciones ergonómicas y con distintos grados de par. También tienen la capacidad de atornillar diferentes tamaños de tornillos utilizando varios alimentadores para cada tipo de sujetador. Los fabricantes pueden lograr ciclos más altos por husillo de destornillador y tiempos de ciclo más rápidos por tornillo, al tiempo que mejoran la calidad.

Ante la grave escasez de mano de obra y las iniciativas de reubicación, grandes y pequeños fabricantes están invirtiendo en sistemas de atornillado colaborativos que permiten a humanos y robots trabajar en estrecha proximidad en las líneas de montaje.

“La escasez de mano de obra y la alta rotación de empleados están afectando a todo el mundo manufacturero en este momento”, afirma Catherine Leclerc, propietaria de producto para aplicaciones de atornillado en Robotiq Inc. “Una tarea aburrida y repetitiva como atornillar, que puede causar lesiones por tensión a largo plazo, es simplemente no es una buena perspectiva laboral.

"Sin embargo, atornillar es a menudo un proceso crítico que garantiza la calidad del producto o un indicador potencial para el cliente final de la calidad que puede esperar del producto en cuestión", señala Leclerc. “Está en juego la reputación de los fabricantes. Esta necesidad de mantener la calidad una y otra vez y el desafío de contratar y retener trabajadores es lo que hace que el atornillado sea un gran candidato para la automatización.

“El atornillado [automatizado] solía ser una tarea compleja, costosa y que ocupaba mucho espacio en la línea de montaje”, explica Leclerc. “Como tal, estaba reservado para su uso en grandes plantas con grandes presupuestos de automatización que producían en grandes volúmenes.

"Este tipo de proyecto personalizado realizado por un integrador difícilmente podría satisfacer la realidad de los pequeños fabricantes que se ocupan de un espacio [limitado] en la línea de montaje, presupuestos ajustados y personal de automatización [escaso]", señala Leclerc. “Ahora, con los cobots y los sistemas de atornillado diseñados específicamente para cobots, la tecnología se ha vuelto accesible para cualquier fabricante.

"Existen sistemas de atornillado que se pueden adquirir en el mercado, enviarse en unos pocos días laborables, instalarse fácilmente y adaptarse a los cambios de producción", afirma Leclerc. "Es una era completamente nueva".

El sistema de Robotiq incluye un destornillador SD-100 y un alimentador de tornillo SF-300 que son compatibles con máquinas de Universal Robots A/S (UR). Las populares células son utilizadas por una variedad de fabricantes, incluidos Continental, Faurecia, Hella, Philips y Siemens.

Otra empresa que ha desarrollado husillos de destornillador específicamente para cobots es OnRobot A/S. Hace tres años, presentó un destornillador y un alimentador de tornillos listos para usar que permiten a los pequeños fabricantes automatizar una amplia gama de procesos de ensamblaje de manera rápida, sencilla y flexible. Se puede utilizar con robots ABB, Doosan, Fanuc, UR y Yaskawa.

"Esto proporciona un bienvenido alivio a los fabricantes que están ansiosos por automatizar procesos de atornillado manual repetitivos, poco ergonómicos y a menudo inconsistentes, pero que luchan por integrar y programar los típicos sistemas de atornillado por partes", afirma Kristian Hulgard, director general de OnRobot US Inc.

"Hemos diseñado una herramienta automatizada que simplifica un proceso altamente complejo para nuestros usuarios, haciendo que sea rentable y fácil para los fabricantes ver resultados rápidos en términos de mayor tiempo de actividad, producción, consistencia y calidad", explica Hulgard.

"La programación es tan fácil como introducir la longitud del tornillo y el valor de par adecuados en la interfaz de usuario integrada en el mando de aprendizaje de cualquier robot líder", afirma Hulgard. "Con un control de torsión preciso y un eje integrado, el destornillador calcula automáticamente la velocidad y la fuerza necesarias para un atornillado consistente y preciso".

Según Hulgard, el dispositivo puede manejar una amplia gama de tamaños y longitudes de tornillos, desde M1,6 a M6, y hasta 50 milímetros de largo. Con su sistema de puntas fácilmente intercambiables, el destornillador se puede cambiar rápidamente a un tamaño, longitud o línea de producto diferente en cuestión de minutos, lo que minimiza el tiempo de inactividad y mejora la productividad.

“El atornillado es una gran aplicación para los cobots”, afirma Joe Campbell, director senior de marketing estratégico y desarrollo de aplicaciones de UR, la empresa pionera en esta tecnología hace más de una década. “De hecho, es una de nuestras aplicaciones más populares.

"Actualmente nos asociamos con 12 proveedores de destornilladores, desde Atlas Copco hasta Weber", explica Campbell. “Son parte de nuestro ecosistema UR+, que incluye interfaces de software que se integran perfectamente con nuestras máquinas.

"Toda la programación se realiza a través del dispositivo de enseñanza UR", señala Campbell. "Eso ha simplificado las cosas y eliminado muchos riesgos, especialmente para los fabricantes más pequeños que pueden haber evitado la automatización en el pasado".

Toda la línea de robots de UR se utiliza para aplicaciones de atornillado, pero la mayoría de los fabricantes prefieren el UR5 o el UR10. En particular, el último modelo, que cuenta con una capacidad de carga útil de 27,5 libras, es popular para atornillar muchos tamaños y tipos de tornillos.

El atornillado colaborativo se utiliza en muchas industrias, incluidos fabricantes grandes y pequeños. Y se espera que la demanda se mantenga fuerte hasta el final de esta década a medida que las empresas implementen la Industria 5.0, un concepto emergente que aborda aplicaciones centradas en el ser humano en la fabricación.

"Vemos principalmente cobots utilizados para ensamblar autopartes, productos electrónicos y dispositivos médicos", dice Jerry Perez, director ejecutivo de cuentas globales de FANUC America Corp., que suministra máquinas colaborativas además de los más tradicionales SCARA y robots de seis ejes. "Esos fabricantes normalmente dependen de múltiples estaciones de fijación una al lado de la otra donde los operadores tradicionalmente han realizado tareas mundanas y redundantes".

"La mayoría de los cobots no tienen el mismo nivel de precisión y repetibilidad que los SCARA o los robots no colaborativos de seis ejes", explica Pérez. "Sin embargo, pueden manejar la mayoría de las aplicaciones que un robot estándar puede manejar".

Por ejemplo, el cobot CRX de Fanuc tiene un “modo de producción” de alta velocidad que permite movimientos muy rápidos, lo que permite que la máquina funcione de manera similar a un robot no colaborativo estándar. Pero Pérez dice que el robot necesitaría estar debidamente protegido.

"El mayor error acerca del uso de un cobot para atornillar, o cualquier otra aplicación, es que [la tecnología] inherentemente hace que la aplicación sea 'segura' para que el robot la use junto con los humanos", advierte Pérez. “Se debe realizar una evaluación de riesgos al diseñar cualquier sistema robótico automatizado, que garantice que se implementen las medidas de protección adecuadas para garantizar la seguridad de los humanos que trabajan alrededor o con el cobot.

"Aunque el cobot está diseñado para detenerse si se hace contacto, si tuviera una herramienta de sujeción que no cumpliera con ISO TS15066, podría ocurrir una lesión grave si la mano de una persona quedara atrapada entre la herramienta de sujeción y una superficie de trabajo", señala Pérez. .

"Los cobots se han comercializado, de forma algo incorrecta, como 'intrínsecamente seguros'", afirma Chris Emanuele, ingeniero técnico de ventas de automatización en ASG, división de Jergens Inc. "Aunque eso es cierto si la [máquina] funciona a menos de 250 milímetros por segundo con sin herramientas al final del brazo, ese casi nunca es el caso.

"Por ejemplo, instalar una de nuestras [unidades] de atornillado en el extremo de un cobot crea un posible peligro corporal para un operador que trabaja dentro de la envolvente de movimiento del cobot, igual que lo sería para un SCARA u otro tipo de robot industrial". señala Emanuele.

"Se debe realizar una auditoría de seguridad adecuada independientemente del tipo de robot", afirma Emanuele. "Los resultados podrían cambiar la velocidad a la que se mueve el cobot o la ruta de movimiento en sí, o requerir protección física del área de trabajo, como cortinas de luz o un escáner de área".

"La seguridad siempre es un problema al atornillar", añade Boris Baeumler, vicepresidente de tecnología de Deprag Inc. "Ciertamente hay un interés creciente en la tecnología colaborativa, pero la mayoría de las aplicaciones que vemos todavía utilizan protecciones tradicionales".

El destornillador SFM de Deprag se utiliza para aplicaciones que involucran robots colaborativos livianos. Está combinado con el controlador de secuencia Deprag Plus AST12, que cuenta con un URCap incorporado que proporciona una interfaz de usuario intuitiva para todo el proceso, desde la alimentación hasta el montaje de sujetadores.

"La premisa básica detrás de los robots colaborativos es excelente", dice Baeumler. “Pero existen limitaciones. Los ingenieros deben prestar atención al tipo de herramienta final que se utiliza. Atornillar es intrínsecamente peligroso, con esquinas afiladas y puntos de pellizco. Incluso si utiliza un cobot, debe tener en cuenta las cuestiones de seguridad y los requisitos de OSHA.

"Tendemos a ver que los cobots se utilizan más para aplicaciones de mantenimiento de máquinas", explica Baeumler. "La mayoría de los atornilladores robóticos todavía involucran SCARA tradicional o robots de seis ejes que pueden manejar cargas útiles más altas y viajar a velocidades más rápidas".

"Cada empresa es diferente en cómo determina lo que significa 'colaborativo' y cómo establece reglas internas de participación", añade Jarrod Neff, gerente de marketing de Visumatic Industrial Products Inc.

La empresa desarrolló hace varios años el módulo de robot colaborativo VCM-3X.2 para aplicaciones de atornillado automático. Incluye un alimentador de tornillo automático, un sistema de accionamiento y un efector final que se monta directamente en la muñeca de un cobot. Las herramientas livianas mitigan el efecto de inercia en los sensores del robot y permiten que la máquina se mueva a la máxima velocidad sin sacrificar las salvaguardas colaborativas.

"Tenemos algunos clientes que utilizan cobots junto con cortinas de luz, protecciones de seguridad o sensores de área que pueden detectar el movimiento humano", dice Neff. "Quieren un mayor rendimiento, pero simplemente no se sienten cómodos operando su máquina a la máxima velocidad".

Según Neff, los cobots son populares para atornillar tornillos pequeños que varían en tamaño desde M1 a M3. "Normalmente, los tornillos con longitudes de hasta 20 milímetros funcionan mejor", señala.

"El atornillado con cobot requiere movimientos más lentos, menores rendimientos y herramientas más ligeras en el extremo del brazo", afirma Neff. "Como regla general, cualquier aplicación que requiera un torque de 50 libras-pulgada o menos debería poder usarse con cobots".

Russ Hughes, director de marketing de Desoutter Industrial Tools, afirma que el atornillado cobot es popular en los sectores aeroespacial y automovilístico, especialmente entre los proveedores de primer nivel. "Un fabricante líder recientemente conectó una de nuestras herramientas a un cobot debido a los problemas de escasez de mano de obra que enfrentaba", explica. “La solicitud tuvo tanto éxito que la empresa pronto añadió seis más a sus instalaciones.

"Otro cliente de la industria aeroespacial nos pidió que automaticáramos una tarea de ensamblaje de un conjunto de antenas que involucraba más de 2000 tornillos", dice Hughes. “Se utilizó un proceso manual que requirió dos operadores y tomó cinco días. Armamos un sistema con un cobot y un presentador de tornillos que lo redujo a un proceso de 30 minutos.

"Una de nuestras herramientas más populares para aplicaciones de cobots es nuestra herramienta de batería fija EFB, que fue desarrollada específicamente para su uso con robots colaborativos", señala Hughes. “También hemos visto a algunos clientes utilizar nuestra herramienta de pulso con empuñadura de pistola ELRT. Es un producto estándar que nuestro equipo de ingeniería modificó para que funcione con un cobot”.

Según Hughes y otros observadores, las líneas de montaje final de automóviles serán un mercado en crecimiento para la automatización colaborativa en el futuro próximo.

Una aplicación innovadora es la de Stellantis, que ha equipado varias plantas de montaje en Europa con cobots que realizan diversos tipos de aplicaciones de atornillado y atornillado de tuercas. En una línea de construcción de vehículos eléctricos, se montan seis máquinas sobre un soporte móvil. Se utilizan para automatizar varias tareas de montaje que tradicionalmente realizan los humanos.

"Es una aplicación interesante, porque normalmente no se encuentran muchos robots en esta parte del proceso de montaje", dice Campbell de UR. “Creemos que esto es solo el comienzo de una tendencia y esperamos ver más cobots implementados en las líneas de acabado finales para abordar diversos problemas ergonómicos relacionados con la flexión, los estiramientos y las posturas incómodas.

"Dado que los cobots pueden trabajar muy cerca de los humanos, las estaciones de trabajo a menudo no necesitan estar cercadas y totalmente vigiladas como en el pasado", afirma Campbell. “Los operadores pueden trabajar codo con codo con los cobots. Los humanos se concentran en tareas que son de fácil acceso, mientras que las máquinas trabajan en cosas que son más difíciles, como insertar y atornillar en áreas de difícil acceso o espacios reducidos donde los sujetadores no siempre son visibles”.

"La mayoría de las aplicaciones de cobot actualmente implican un ensamblaje de bajo volumen y alta combinación", agrega Don Seay, gerente general de ESTIC America Inc. "Pero, durante el resto de esta década, espero ver una mayor penetración de los robots de velocidad media y alta". Líneas de montaje.

"En particular, veremos muchos más cobots implementados en las líneas de montaje de automóviles", predice Seay. “Además de Stallantis, Nissan ha estado experimentando con esta tecnología en Europa. Las aplicaciones de par en cobots serán uno de los mayores disruptores del ensamblaje en los próximos cinco años”.

Aunque los cobots son una tecnología atractiva de la que a todo el mundo le gusta hablar, muchos tipos de robots industriales desempeñan un papel importante en el atornillado automatizado. Como la mayoría de los debates en la fabricación, depende del tipo de aplicación.

"A medida que el mundo de los robots industriales continúa evolucionando, los cobots han surgido no sólo como una solución viable sino a menudo preferible para las necesidades de fabricación", dice Leclerc de Robotiq. “Aunque los tradicionales SCARA y los robots de seis ejes siguen siendo el camino a seguir para aplicaciones de atornillado muy rápido en líneas de montaje dedicadas y duraderas, estos sistemas ofrecen muy poco a la mayoría de los fabricantes actuales.

"Ante ciclos de vida de productos cada vez más cortos, carteras de productos en constante expansión y, por tanto, líneas de producción en constante cambio, la flexibilidad de los equipos es clave", explica Leclerc. “En términos de tipos de aplicaciones, los robots colaborativos pueden proporcionar lo mismo que los tradicionales SCARA y los robots de seis ejes, con la excepción tal vez de aplicaciones de par muy alto, superiores a 150 newton-metro.

“Por otro lado, los cobots son mucho más accesibles”, señala Leclerc. “Permiten que una variedad mucho mayor de industrias aprovechen estos beneficios. Gracias a su capacidad para programarse y moverse fácilmente según el alcance de cualquier proyecto, ahorran tiempo y dinero a las empresas y, al mismo tiempo, garantizan precisión y exactitud en la entrega del producto”.

"Los SCARA y otros tipos de robots industriales suelen tener las ventajas de velocidad y precisión en comparación con los cobots", añade Emanuele de ASG. “La carga útil y las fuerzas de reacción son otros dos factores importantes.

"Para nuestro sistema de atornillado cobot, que cuenta con el X-PAQ SD2500 y un alimentador de tornillo integrado con un robot UR, recomendamos una capacidad de carga útil de al menos 5 kilogramos", explica Emanuele. “Eso no incluye ningún accesorio suplementario, como cámaras o cambiadores de herramientas. Generalmente, las soluciones que brindamos son lo que la mayoría en la industria consideraría un torque más bajo, por lo que generalmente no es necesario considerar las fuerzas de reacción para la mayoría de nuestras aplicaciones”.

"Como cualquier aplicación, hay casos en los que el retorno de la inversión es mejor y vale la pena que otros, independientemente del tipo de robot utilizado para la automatización", afirma Leclerc. “A diferencia de otras aplicaciones, como el cuidado de máquinas o el paletizado, que son tareas independientes [en las que] normalmente se dedica un operador, el atornillado es una de las muchas tareas de montaje que un operador puede estar realizando.

"Para introducir un cobot de atornillado, es necesario asegurarse de que la tarea requiera una cantidad significativa de tiempo en los pasos generales de montaje", explica Leclerc. “Como ejemplo extremo, sería difícil justificar el uso de un robot para apretar sólo dos tornillos en un [período de tiempo] de cuatro minutos.

"En general, las aplicaciones de alta mezcla y bajo volumen son las más adecuadas para el atornillado con cobot", afirma Leclerc. “Por lo general, requieren menos rendimiento, pero deben poder manejar los cambios de producción. El espacio limitado y la necesidad de trabajar muy cerca de la celda automatizada también son otros factores”.

Según Seay, de Estic, atornillar con cobots requiere que los ingenieros piensen de manera diferente. De hecho, cree que requiere una mentalidad completamente diferente.

“En lugar de diseñar para un proceso de ensamblaje totalmente automatizado y protegido, que generalmente es costoso, complicado y requiere mucho mantenimiento, los ingenieros ahora pueden adoptar un enfoque híbrido y considerar qué procesos de ensamblaje son mejor atendidos por un operador y qué procesos podrían realizarse. mediante una herramienta de torsión integrada en un cobot que trabaja junto a un humano”, dice Seay.

"Los ingenieros deben considerar qué aplicaciones puede realizar un operador mejor que un robot", señala Seay. “Luego, asigne tareas a la máquina que facilitarían el trabajo del humano. Es posible que vea a humanos arrancando tornillos manualmente, y los cobots apretando finalmente con una herramienta dinamométrica en el futuro. Eso permite que los tiempos de ciclo para los humanos sean más rápidos”.

"No diría necesariamente que requiere un enfoque diferente", argumenta Leclerc. “[En cambio], diría que permite un enfoque diferente y más simple. Atornillar con cobots puede no requerir prácticamente ningún conocimiento de programación o codificación. Lo hace perfecto para [ingenieros] que buscan introducir la automatización en su planta.

"Los empleados actuales podrán integrar ellos mismos la célula automatizada", señala Leclerc. “Esto fomenta una mayor innovación y comunicación en la fábrica como nunca antes, ayudando a los trabajadores a comprender mejor la nueva tecnología y [ofrecer] consejos a colegas que pueden estar menos familiarizados con ella.

"Gracias a su naturaleza colaborativa, los cobots son capaces de trabajar de forma segura y eficaz junto con los humanos", concluye Leclerc. “Dado que la mayoría de las líneas de montaje suelen estar muy optimizadas y abarrotadas, cualquier solución vallada sería difícil de implementar. En definitiva, atornillar con cobots es un enfoque sencillo pero revolucionario para cualquier empresa que busque una forma eficiente de mejorar la producción”.