Robots , la industria automática

La idea romántica que tenemos de los robots nos llega de la ciencia ficción. Desde que el escritor checoslovaco Karel Capek acuñó el término, que proviene del vocablo robota (que en su lengua materna significa trabajo, especialmente rutinario, o prestación personal), asociamos la palabra robot a ingenios con aspecto humano al mejor estilo del popular C3PO, el parlanchín androide de la saga La Guerra de las Galaxias .

Sin embargo, la mayor parte de los robots de nuestros días no tiene forma humana y son mucho más prácticos: resultan invalorables para efectuar tareas rutinarias u operaciones industriales de alta precisión en forma totalmente automática. Y eso, gracias a una rama de la informática, llamada robótica, que aprovechó el desarrollo tecnológico de los últimos cuatro lustros en la materia para crear estos ingenios con cientos de aplicaciones, desde la fabricación de un automóvil hasta la manipulación de elementos radiactivos o químicos de alto riesgo, sin hablar de sus aplicaciones espaciales.

Precisamente es la industria automotriz una de las que utiliza autómatas de manera intensiva. Por eso, La Nación visitó la fábrica de Ford Argentina en General Pacheco que, con 145 robots instalados, es una de las plantas con mayor automatización del país, para comprobar cómo son y cómo funcionan los robots que fabrican automóviles.

Dime qué haces

Las aplicaciones específicas de los robots en una planta automotriz son variadas, pero básicamente pueden resumirse en estas cuatro: soldadura, manipulación de piezas, aplicación de materiales selladores y colocación de pernos.

Concretamente, en un complejo como el de Ford (de 70.000 m2) la robótica se utiliza en las prensas que estampan, cortan y producen piezas tales como guardabarros, capots, tapas de baúl y hasta laterales completos y, ya en la línea de producción, en el ensamblaje de la carrocería.

En esta última, los vehículos se arman a partir de una estructura con tres secciones: el compartimiento del motor, el piso delantero y el piso trasero, que define si el auto será de 4 o 5 puertas, o rural (station wagon).

Cada sección se va ensamblando al conjunto en diferentes estaciones de trabajos en las que uno o más robots son los que realizan las tareas de manipular las piezas y soldarlas (en el extremo del brazo cuentan con pinzas y el transformador de soldadura integrado) o unirlas mediante pernos.

Así, los robots funcionan en áreas aisladas (íntegramente enrejadas) que se denominan celdas. Las puertas de éstas cuentan con un sistema de seguridad que, de inmediato y automáticamente, detiene el trabajo del robot en el caso que sean abiertas, para evitar accidentes con personas. Esto también permite a los operarios de mantenimiento ingresar en la celda y trabajar dentro de ella, ya sea en el propio robot o en los llamados elementos de campo accesorios. Cuando la puerta se cierra, el operador resetea el sistema de seguridad y se reanuda la operación dentro de la celda.

En lo que respecta a las prensas, Ford cuenta con diez Komatsu totalmente automáticas (cinco instaladas en 1973 y otras tantas en 1976) que al principio eran electromecánicas , con lógica de relays. Sin embargo, en 1998 se las equipó para hacer la carga y descarga automática con material de la firma Olofström (una ex subsidiaria de la empresa sueca Volvo) con base en Canadá. Así, de los brazos íntegramente mecánicos se pasó a una automatización usando tubos (iguales a los de un viejo televisor) y finalmente hoy se las maneja con un PLC (siglas en inglés por Control Lógico Programable) totalmente electrónico.

Ahora bien, ¿cómo funcionan los robots de las prensas para fabricar un capot, por ejemplo?: inicialmente la chapa en bruto pasa por la lavadora (que la limpia y aceita). Luego un brazo saca la chapa de allí (mediante chupetes de contacto por vacío) y la coloca en una primera prensa que la dobla (con un golpe que puede variar entre las 300 y las 1300 toneladas) según la correspondiente matriz. Posteriormente, otro brazo la extrae de la prensa y la coloca sobre una cama donde otros dos brazos automáticos la giran completamente para que entre en una segunda prensa en la que se cortan partes de la chapa.

Así, el proceso continúa por otras prensas que dan al capot su formato definitivo.

Esta automatización hizo que la producción pasara de las 200 piezas por hora que podían hacerse en forma manual a 300, sin la menor intervención humana, excepto el monitoreo de control.

Con ustedes los actores

Los robots utilizados en las líneas de armado de carrocerías de la factoría de General Pacheco son Kawasaki de las series UX, UT y UZ, producidos por Kawasaki Robotics en Michigan, Estados Unidos.

Los primeros son del tipo de piso, es decir, sus bases se apoyan directamente en el suelo. Los otros, en cambio, son de pórtico: están montados en estructuras elevadas desde las que trabajan sobre la línea de producción.

Estos ingenios tienen dos componentes básicos: el controlador (la unidad electrónica instalada en un gabinete montado externamente al perímetro de la celdas de trabajo) y el brazo manipulador (la unidad mecánica que se adapta a las funciones de soldar, manipular, colocar bulones o aplicar selladores).

Las libertades , ejes o movimientos determinan la capacidad de trabajo de este brazo y, por extensión, del robot. Los de última generación son aquellos que poseen siete libertades , aunque en el caso de la fábrica de Ford están configurados en su mayor parte con seis. Los movimientos que puede hacer el brazo mecánico de un robot industrial calca los de un brazo humano, ya que posee las mismas articulaciones. Así, los ejes pueden mover sólo la mano (1), la muñeca (2), ambos simultáneamente (3), el hombro (4), girar el brazo (5) y rotar el codo (6). El séptimo movimiento que puede ser configurado o no en función de las necesidades del trabajo por realizar es el desplazamiento transversal del robot.

Para dar una idea de la capacidad de estos brazos, un robot modelo UX 120, extensamente utilizado en dicha planta, tiene una capacidad máxima de carga de 120 kilogramos y sus ejes o libertades pueden realizar giros de hasta 720º con una velocidad máxima de 240º por segundo. Otros, como el UZ 150, pueden manipular pesos de hasta 150 kilogramos.

El centro neurológico

El componente que la informática aporta a estos autómatas son los controladores; es decir, la electrónica que maneja el brazo articulado multiaxial.

En su mayoría, el 95%, de los controladores que se utilizan en Pacheco son Kawasaki AD, montados, como ya se dijo, en gabinetes exteriores a las celdas de trabajo del robot, al alcance de los técnicos que verifican su funcionamiento.

Los robots tienen una CPU principal (modelo 9ZA) con microprocesador de 32 bits del tipo RISC ( Reduced Instruction Set Computer , computadora con conjunto reducido de instrucciones) y un coprocesador matemático de punto flotante. También cuentan con una memoria CMOS RAM estándar de 512 KB (con opción a 1024), para soportar los pasos o steps de los programas operativos. Además, tienen varias plaquetas de E/S (Entrada/Salida) para controlar los periféricos (pinzas de soldadura, manipuladores, etcétera), es decir, gestionan los motores servocontrolados de éstos (uno para cada libertad o eje). Claro está, también cuenta con un software de control para comandar estos servos usando circuitos del tipo PWM ( pulse width modulation , modulación por ancho del pulso).

Para programar los robots, es decir fijar los movimientos que debe realizar durante una determinada operación (por ejemplo, soldar y ensamblar la trompa de un automóvil) se utiliza un lenguaje llamado AS a través de dos interfaces: un teclado existente en el gabinete controlador, que también tiene una pantalla de proceso, o el denominado teach (enseñar), una especie de tabla digital que forma parte de la unidad de enseñanza del controlador, que también permite manejar el robot. El teach es especialmente útil para reprogramar (enseñarle) algunos movimientos del robot durante las operaciones. Así, por ejemplo, las articulaciones del robot envían señales de aviso cuando llegan a un punto en el que no pueden efectuar un movimiento programado o alcanzar un punto de la carrocería. Mediante el teach un técnico lo opera para buscar el mejor proceso de trabajo (frenos, giros, rotaciones, etcétera). Una vez que éste es alcanzado se lo graba, dando forma al programa operativo que le indica al robot los movimientos y las posiciones que debe alcanzar. Luego, el robot funciona en forma autónoma.

En definitiva, con el teach y el teclado del controlador se programa el brazo para regular la apertura y cierre de las pinzas de soldadura o la colocación de pernos (mediante impactos de 10 kilogramos y 30 kilogramos de golpe) y para determinar el grado de precisión de los puntos de la carrocería por alcanzar. Esta calibración puede realizarse con precisión de hasta centésimas de milímetro.

Por supuesto, en el gabinete de control hay elementos de energía: un transformador que recibe 380 vatios y los transforma en 110, 24 o 5 según las necesidades de comando de los distintos componentes del robot. Además cuenta con un intercambiador de calor (un conjunto de ventiladores) que permite mantener constante la temperatura de las placas.

El gabinete también tiene un panel del control. El monitor de éste indica el programa operativo que está corriendo (si es la soldadura del piso de un Focus de 4 puertas o de 5, o el de un Escort, ya que la línea de montaje tiene capacidad para producir diferentes modelos), los pasos ( steps ) que se están ejecutando (con un controlador AD estos robots tienen una capacidad de 36.000 steps) y el porcentaje de la velocidad de desplazamiento del robot en forma instantánea (la máxima es de 200 mm por segundo).

Estos controladores también están equipados con una diskettera de 3,5 pulgadas para rescatar información de los procesos o cargar programas y con un puerto de impresión.

Estaciones de monitoreo

En todas las líneas de producción automáticas existen además estaciones de monitoreo. Son computadoras que permiten controlar la línea íntegra. Así, el operador cuenta con una vista de planta de la línea, puede analizar los paneles de los controladores de los robots y verificar los propios autómatas. Además, estas estaciones de monitoreo pueden emitir información mediante planillas de producción horarias (robot por robot, modelo por modelo, etcétera) y otras.

El requerimiento mínimo de una estación de monitoreo es una PC Pentium a 100 MHz con un disco de 4 GB. En Ford, sin embargo, utilizan equipos Dell con Pentium III a 450 MHz, 64 MB de RAM, disco de 20 GB y sistema operativo Windows NT o 2000. Pero el verdadero cerebro de cada línea de producción es el PLC, el control lógico programable. Básicamente el PLC es una CPU con tarjetas accesorias de entrada /salida (E/S), análogas a los controladores de cada robot, pero en el nivel de la línea.

Concretamente, un PLC controla y procesa toda la información de la línea de producción. Para eso se vale de una red (que trabaja a 100 Kilobaudios) mediante la cual gestiona la información que llega de los robots y de los elementos de campo de la línea (sensores, barreras infrarrojas y todo otro elemento externo al robot).

En Ford se utilizan los PLC Allen-Bradley, que se montan en gabinetes de dos metros de altura o más y, como se dijo, cuentan con una placa principal y con otras remotas (en la línea del Focus, la más nueva de la planta, todas estas plaquetas son de 32 bits, analógicas o digitales según los elementos que controlen) que se agregan en slots a medida que se necesitan. También pueden coexistir placas de 8 y 16 bits.

En total, una línea de producción como la del Focus tiene 2500 sensores y elementos de campo, además de los robots, que son controlados por el PLC.

Una de las funciones principales de éste, por lo tanto, consiste en el manejo del sistema de seguridad, que llega al punto de verificar todos los elementos y detener la línea realizando un corte de fuerza (power lockout), antes que se produzca alguna falla.

En este sentido es muy importante el concepto de disponibilidad del equipo, que se aplica, fundamentalmente, en los robots. Hay dos componentes que se verifican: el MTBF ( Mean Time Between Failures , tiempo medio entre fallas) y el MTTR (tiempo medio de reparación).

Los robots de Ford tienen un MTBF de 4 horas y un MTTR de 1 o 2 minutos. En otras palabras, esto es el lapso esperable de fallas, lo que permite prevenir la posibilidad de que sucedan.

A su vez, la línea íntegra también tiene su central de monitoreo, en este caso una cabina con varias computadoras corriendo el software RS-View de Allen-Bradley que permite controlar y, eventualmente, manejar toda la línea desde allí. Como se dijo, los robots industriales constituyen una de las aplicaciones prácticas de la informática más evolucionadas y expandidas en todo el mundo. Claro está que no son únicos; algunos, como las sondas-robot de la NASA ya han salido del sistema solar. Quizás, en un futuro no muy lejano, C3PO también sea una realidad cotidiana.

Breve historia de los robots

En 1920, el escritor checoslovaco Karel Capek (1890-1938) escribió su obra de teatro Los robots universales de Rossum (RUR, tal como se la conoce por sus siglas en inglés Rossum´s Universal Robots ) con la cual, seguramente sin proponérselo, añadió una nueva palabra al vocabulario: robot. La puesta en escena de la premiére en Praga, un año más tarde, seguía fielmente la temática de la obra: la exploración de la pérdida de identidad del hombre en una civilización basada en la tecnología. La palabra robot no es casual en ese contexto; proviene del vocablo checo robota , que tiene connotaciones de trabajo rutinario, forzado o dificultoso. La fama inmediata del término no desubicó a Capek, que alguna vez remarcó: "Confieso que, como autor, estaba mucho más interesado en los hombres que en los robots".

En 1941, otro escritor, el famoso Isaac Asimov, acuñó la expresión robótica para designar la tecnología aplicada en los robots. Una vez más, la ficción se anticipó a la ciencia. Sólo en 1956 se fundó la primera compañía de robots (creada por George Devol y Joseph Engelberger) y en 1961, General Motors ensambló el primer robot industrial del mundo en su fábrica de Nueva Jersey. Dos años después se creó otro adelanto: el Rancho Arm, el primer brazo controlado por una computadora. Y, en 1970, el Shakey fue el primer robot móvil comandado por inteligencia artificial.

Hace cuatro años, la NASA envió a Marte al pequeño Sojourner dentro del módulo Pathfinder.

Cómo se fabrica la carrocería de un automóvil

1º) Materia prima: la chapa llega de los proveedores electrozincada para evitar la corrosión.

2º) Proceso de estampado: de 3 a 7 operaciones con prensas.

3º) Areas de subarmado: ensamblaje de subconjuntos (pisos, vano motor, baúl, etcétera).

4º) Línea de armado: los subconjuntos confluyen en la estación AIMS, que configura la carrocería (error máximo: 1,2 mm).

5º) Soldaduras: en una carrocería como la del Ford Focus se aplican 4020 puntos.

6º) Se colocan y alinean puertas, guardabarros, tapa de baúl y capot.

7º) Control de calidad del 100% de la producción.

Por Gabriel Tomich

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