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Carriere Industrial Supply (CIS) en Sudbury, Canadá, produce equipos pesados para entornos mineros hostiles. Gran parte de la maquinaria, como equipos de acarreo, palas y excavadoras, se utiliza para mover material desde el subsuelo a la superficie. Al igual que la mayoría de los fabricantes, la empresa se está adaptando a una fuerza laboral cambiante mediante la contratación de nuevos trabajadores y la retención de talento calificado al tiempo que fortalece su cultura de seguridad.

Si bien la automatización es un enfoque ideal para aplicaciones repetibles, CIS lleva a cabo un entorno de fabricación de mezcla alta y bajo volumen con muchas piezas de trabajo grandes que son difíciles de mover. En este caso, no se suelen considerar los robots tradicionales.

El equipo de la empresa descubrió Universal Robots (UR), Novi, Michigan, en una feria comercial y quedó impresionado al ver robots colaborativos (cobots) que realizaban tareas mientras las personas interactuaban con ellos. Los cobots han permitido a la empresa llevar los robots al trabajo en lugar de hacerlo al revés, y su fácil programación ha permitido a los trabajadores mejorar continuamente la calidad y el rendimiento.

El cobot de corte por plasma ahorra tiempo y reduce costos

El primer proyecto que CIS identificó para la aplicación de cobot fue el corte por plasma de piezas metálicas grandes. Los cortes manuales requerían una limpieza exhaustiva debido a la acumulación de escoria en la parte inferior de la pieza, así como a los bordes dentados que se producen cuando los trabajadores necesitan reposicionarse para realizar cortes largos (Fig. 1). La reducción del tiempo de limpieza era un área ideal para mejorar.

“Con un brazo robótico, sabíamos que obtendríamos un corte más preciso y la posibilidad de eliminar todo el esmerilado y la limpieza de las juntas”, dijo Pierre Levesque, gerente de innovación y tecnologías de CIS.

La empresa eligió la UR10e, que cumplía con sus requisitos de alcance y carga útil incluso con el peso de la herramienta de corte por plasma y las piezas de trabajo largas. Y a pesar del tamaño y la potencia del brazo robótico, Levesque lo describió como una “célula robótica muy accesible” en términos de facilidad de uso, incluso para operadores sin experiencia en robótica. Los operadores pueden colocar la pieza de trabajo sobre la mesa, enseñarle al robot dónde está la pieza y ejecutar el programa para un corte por plasma limpio y preciso, incluso en piezas curvas con geometrías complejas.

Después de la programación, la celda se volvió aún más accesible para los operadores, quienes estaban entusiasmados por hacer ajustes continuos para mejorar la calidad y el rendimiento. Mason Fraser, ingeniero de software junior en CIS, inicialmente programó el corte de las partes más complejas de principio a fin y luego creó un nuevo programa URCap (software handshake entre el brazo del cobot y sus periféricos accesibles en la consola de programación del cobot) que pone al operador en el asiento del conductor con una interfaz fácil de usar (Fig. 2). Esto permite que los operadores se involucren completamente en instruir al robot sobre los puntos y la velocidad para hacer el corte.

“Lo que hace URCap es aumentar la capacidad del operador navegando automáticamente por cualquier imperfección de la geometría de la placa y ajustando la velocidad de la esquina cuando sea necesario en función de la geometría y los puntos que proporcionaron”, agregó Levesque. “Por lo tanto, ahora usted tiene un corte muy satisfactorio, un tiempo reducido y menos riesgo para el operador, y es beneficioso tanto para la operación como para el operador”.

Si bien los operadores aprecian que el trabajo sea más gratificante y menos exigente físicamente, la empresa también vio importantes ahorros de tiempo y costos. Anteriormente, el 80% del tiempo de corte por plasma se dedicaba a limpiar el corte manual. En un contrato de carrocería de camión grande que abarca los próximos tres años, Levesque determinó que el proceso de recorte por sí solo sería de más de 50 horas para cada camión. Pasar a una aplicación robótica redujo ese tiempo a 12 horas por camión ahorrando finalmente 1000 horas y reduciendo costos significativos en este proyecto.

Levesque agregó: “Con la facilidad de poder manipular el robot y usar el accionamiento libre para colocar la antorcha en diferentes ángulos, los operadores tenían más cuidado al aplicar biseles en las piezas finales, lo cual fue bastante impresionante”.

Marc Sauve, líder de procesos para el procesamiento de acero en CIS y operador de robots de corte por plasma, abordó la preocupación que algunos pueden tener sobre los robots y los trabajos. “Si tuviera un colega que tuviera miedo de que un robot UR viniera a tomar su trabajo, lo tranquilizaría”, aseguró. “Cada uno de esos robots necesita un operador, por lo que es solo un activo para ellos, no es una herramienta para eliminarlos”.

Los cobots GMAW duplican la producción y mejoran la ergonomía

Después del éxito del robot de corte por plasma, CIS sabía que podía aprovechar esa programación para proyectos de soldadura por arco metálico con gas (GMAW), aunque esa es una aplicación más difícil.

“La soldadura MIG [GMAW] UR10e está haciendo perfiles similares a los que está haciendo el robot de corte por plasma en el sentido de que sigue curvaturas y perfiles. Es simplemente soldarlos en lugar de cortarlos”, dijo Fraser.

Levesque sabía que GMAW pagaría dividendos en función del gran volumen de trabajo de soldadura que realiza la empresa. El desafío era encontrar piezas repetibles en su entorno de bajo volumen y alta mezcla. Una aplicación se destacó: la producción de carrocerías de camión con siete grandes costillas soldadas con filete, una al lado de la otra, separadas entre 3 y 4 pies. “Visualizamos que el soldador puede estar trabajando en una de las costillas mientras que el cobot puede hacer la siguiente costilla en coordinación, y luego simplemente indexar”, dijo Levesque.

“Hay un montón de soldadura en esas [costillas], por lo que estamos tratando de hacer que esto les ahorre tiempo a los soldadores”, agregó Fraser. “Pueden trabajar junto con el robot y dividir el trabajo a la mitad”. Debido a la longitud de las soldaduras, el trabajo manual plantea desafíos ergonómicos críticos para los soldadores.

“Al robot no le importa la ergonomía, por lo que el operador puede configurar el robot y trabajar en otras cosas que son más productivas y fáciles de hacer”, dijo Fraser. “Algunos de los trabajos más productivos que podrían hacer es limpiar las soldaduras y hacer que se vean bien. Cuanto más podamos liberarlos para hacer ese tipo de trabajo, mejor”.

El proceso GMAW se aplica a piezas masivas que pesan más de 15 toneladas en las carrocerías de camiones mineros de trabajo pesado, piezas de trabajo que no se pueden fijar dentro de una celda robótica tradicional. Eso requería que CIS llevara el robot a la pieza de trabajo y no al revés. Al no poder encontrar una solución estándar, el equipo de la empresa desarrolló un patín de soldadura personalizado que se puede mover con una carretilla de izaje a cualquier lugar donde se necesite el robot de soldadura (Fig. 3). El robot está montado en un elevador para crear un séptimo eje para llegar a toda la soldadura en el lateral de la carrocería de un camión. El peso relativamente ligero del brazo cobot permitió a la empresa desarrollar este enfoque.

La programación abierta ofrece más opciones

“Tradicionalmente, en las aplicaciones de robots industriales tienes que hacer toda tu programación en la celda con él a una velocidad muy reducida, y luego salir de la celda y presionar el botón y esperar lo mejor”, dijo Fraser. En contraste, la plataforma abierta y la facilidad de programación de los cobots fue una ventaja significativa. Los robots industriales suelen utilizar código propietario que requiere un software especial para su desarrollo y prueba; sin embargo, como explicó Fraser, “Universal Robots fue un cambio grande y refrescante debido a que todas las secuencias de comandos y programabilidad en él estaban abiertas, y puede interactuar con cualquier software, cualquier programa y cualquier herramienta de simulación. No estás limitado”.

Cuando Fraser comenzó el proyecto, pudo encontrar fácilmente los recursos que necesitaba en el sitio web de UR. “Estaba la Academia UR que tiene excelentes ejemplos y tutoriales sobre la programación del robot”, dijo. “De hecho, te brinda una simulación completa de cómo se vería un programa y cómo escribirlo sin tener que descargar ningún software. Todo es en línea, por lo que fue extremadamente útil”.

Fraser y su equipo desarrollaron su propio URCap internamente con la ayuda de herramientas en línea, como UR+ Developer Forum. Fraser también descubrió el valor de las herramientas de simulación para ahorrar tiempo y esfuerzo. El UR Sim es un simulador fuera de línea para la consola del fabricante del cobot. Le permitió probar los URCaps que desarrolló sin tener que cargarlos en el robot y probarlos en la planta de producción.

“El gran beneficio de poder cargar en un simulador en lugar del robot real fue una reducción importante en los tiempos de ciclo”, explicó Fraser. “No tuvimos que ir y venir al robot para probarlo. Pude probar todo directamente en mi computadora”.

También descubrió el software de simulación fuera de línea RoboDK que le permitió cargar datos de piezas en 3D y programar una ruta completa. “Debido a la naturaleza abierta de Universal Robots, cargar y leer el script UR en RoboDK fue pan comido, y las pruebas fueron muy rápidas”, dijo Fraser.

Futuros proyectos de cobots

Ahora que CIS tiene experiencia con cobots tiene confianza para iniciativas y aplicaciones futuras como la atención de máquinas en el ensamblaje de fabricación. Fraser también está considerando agregar capacidades de visión a los robots GMAW similares al enfoque utilizado para el corte por plasma. Otras opciones son la implementación de cortes más complejos con los robots de corte por plasma, como por ejemplo hacer frente a vigas de acero o la incorporación de cortes de piezas estándar que el robot podría hacer rápidamente y minimizar la interrupción de la producción.

“UR es definitivamente una plataforma con la que vamos a seguir trabajando”, concluyó Levesque. “La facilidad de uso y la accesibilidad de la plataforma son definitivamente atractivas para la empresa”. 

Automatización de geometrías complejas para corte por plasma

La aplicación de corte por plasma de Carriere Industrial Supply (CIS) se configura con el robot en una posición típica frente a una mesa de corte por plasma. Los operadores pueden presentar la pieza de trabajo, enseñarle al robot dónde se coloca la pieza en relación con ella y ejecutar el corte por plasma. CIS comenzó con un modo de enseñanza de marco de usuario estándar de tres puntos, que funcionó bien para muchas partes, pero los ajustes eran difíciles de hacer rápidamente. Mason Fraser, ingeniero de software junior en CIS, y su equipo encontraron una biblioteca de visión por computadora de Java llamada BoofCV y la

 aprovecharon con la biblioteca de motor de juego 3D jMonkeyEngine. Con estas herramientas y una cámara web, pudieron proyectar y alinear la pieza en el espacio de forma similar a la realidad aumentada, para permitir que el operador supiera exactamente dónde cortar cada vez.

Una vez que comenzaron a cortar, el equipo se dio cuenta de que ninguna de las piezas se había formado perfectamente en la prensa, por lo que necesitaban desarrollar una forma de mantener una altura de corte uniforme sobre la placa. Debido a que el robot UR10e tiene un controlador de fuerza/par incorporado, utilizaron una boquilla de arrastre en el soplete de corte por plasma para arrastrar a lo largo de la superficie de la placa para mantener una distancia constante durante el corte. Desaf

ortunadamente, la presión generada por la boquilla del soplete hizo que rebotara en la placa. Para resolver el problema, el equipo escribió un controlador proporcional integral derivado (PID) personalizado en código de script de Universal Robot puro y lo usó para compensar la altura de la antorcha con retroalimentación de voltaje. Esto permitió que el robot mantuviera una distancia constante de la placa en cada corte.

Debido a que el equipo tenía más de 20 años de experiencia con máquinas CNC, conocían las compensaciones de curvas y sabían que necesitaban desarrollar algo que siguiera la placa correctamente y se ajustara a las curvas. “Si piensa en conducir un automóvil, no puede tomar una curva a 90 km/h [56 mph], y el robot no es diferente”, explicó Pierre Levesque, Gerente de Innovación y Tecnologías de CIS. “Cuando tuvimos geometrías complejas, tuvimos que construir algunos algoritmos que se ralentizaran a la vuelta de la esquina”. El equipo aplicó esa lógica de una manera que permite que la aplicación de corte aumente la capacidad del trabajador.

“La persona tiene el control”, dijo Levesque. “Nos dan el camino y luego aplicamos todas esas mejoras”. Eso permite que alguien con menos experiencia aún tenga cortes de buena calidad y rendimiento garantizado.

JOE CAMPBELL (joca@universal-robots.com) ies gerente senior de desarrollo de aplicaciones y marketing estratégico, Universal Robots USA, Novi, Michigan.