Automatización de soldadura de vigas estructurales, no requiere programación

Un robot de soldadura lee la información del modelo del software de detallado y, con una cámara 3D, la compara con la viga estructural que tiene delante. Realiza ajustes y comienza a soldar, no requiere programación ni ajustes adicionales. Imágenes: Robótica AGT

Nota del editor: este artículo fue adaptado de “Beneficios de la robótica adaptativa para la industria metálica”, de Louis Dicaire, gerente general, y Denis Dumas, director de marketing y ventas de AGT Robotics, presentado en FABTECH 2018 en Atlanta y actualizado en 2024.

Si camina por el taller de fabricación estructural podrá ver una automatización impresionante, especialmente en el proceso de corte primario. Las máquinas avanzadas perforan agujeros, tallan e incluso trazan marcas de diseño y luego cortan las vigas a la longitud adecuada. A continuación, los haces fluyen hacia una zona que contrasta claramente con la automatización anterior: las estaciones de soldadura manual.

Cuando los fabricantes de estructuras hablan de automatización, la escasez de mano de obra calificada suele entrar en la conversación. El problema es que el autómata más eficiente y eficaz normalmente elimina sólo las tareas repetitivas. Y para tecnologías como los robots de soldadura, "repetitivo" ha significado tradicionalmente "idéntico", no "similar". Los soldadores en fabricación estructural pueden trabajar todo el día en trabajos muy similares, pero aún distintos: una viga de diferente tamaño con un revestimiento único; bridas que deben fijarse en determinadas orientaciones. Históricamente, esto ha creado grandes obstáculos para la soldadura robótica. Nuevamente, ¿por qué pasar tanto tiempo con una consola de aprendizaje cuando los soldadores pueden simplemente generar un arco?

Todo esto ha cambiado en los últimos años gracias a los recientes avances en la automatización de la soldadura, especialmente en lo que respecta a la programación. Las capacidades de programación de robots de soldadura totalmente automatizados han seguido creciendo, al igual que la tecnología de visión y detección. En resumen, la industria ha recorrido un largo camino desde la consola de aprendizaje.

Niveles de programación de robots

De un paso atrás y observe todas las tecnologías de programación de robots disponibles, verá características que se pueden agrupar en ciertos niveles. Los dos primeros siguen dominando la industria, el tercer nivel sigue creciendo, el cuarto nivel apenas está emergiendo, y el quinto nivel (programación en línea verdaderamente autónoma) es hacia donde se dirige la industria.

Nivel 1: Programación Manual. En este escenario, el técnico, normalmente utilizando una consola de aprendizaje, programa cada ruta que sigue un robot. Es decir, la persona debe enseñar al sistema dónde soldar, qué soldar y cómo soldar. Esta programación puede llevar horas y requerir una cierta cantidad de piezas idénticas (no sólo similares). Este proceso heredado ha mantenido la mayor parte del trabajo con una alta combinación de productos alejado del robot. Y, en verdad, es por eso que los robots aún no son omnipresentes, excepto en los entornos de fabricación de mayor volumen.

Nivel 2: Programación Asistida. En este escenario, un técnico debe programar cada camino que toma un robot. La plataforma de programación podría brindar cierta asistencia y emplear nuevas interfaces, como tabletas, o brindarle al operador la capacidad de mover físicamente el brazo del robot (o cobot) a diferentes puntos a lo largo de la ruta de soldadura. Pero, aun así, puede llevar mucho tiempo y requiere que el técnico elija y revise dónde suelda el robot, qué suelda y cómo lo hace.

Nivel 3: Programación fuera de línea. Esto automatiza la programación de algunas rutas del robot. Aun así, el técnico aún necesita realizar cierto nivel de programación manual (o “retoque”), ya que el modelo digital generalmente difiere de la pieza real que está fijada en la celda de soldadura. Aquí, el método de programación maneja la mayor parte de dónde soldar, algo de cómo soldar (sugiriendo ciertos patrones de tejido y otras técnicas) y un poco de qué soldar, pero nuevamente, el "qué" (la parte real frente al robot) puede diferir del modelo digital 3D, y un técnico debe tener en cuenta esas diferencias.

Nivel 4: Programación autónoma fuera de línea. Aquí, la tecnología recupera información 3D de un dibujo y genera automáticamente las costuras de soldadura. Genera todos los puntos de programa necesarios para la herramienta de soldadura y determina automáticamente el procedimiento de soldadura correcto a aplicar. También define todos los movimientos del robot (sin colisiones) y planifica la secuencia de todas las operaciones que realizará el robot. Este método, que representa el estado actual del arte, le dice al robot dónde, qué y cómo soldar, todo con una mínima intervención humana.

Cualquiera que sea el nivel en el que se encuentre un fabricante, los gerentes aún deben considerar el tiempo total que requiere la soldadura robótica. Esto incluye la programación, por supuesto, pero también incluye el punteado, el posicionamiento de las piezas y el tiempo entre el momento en que se fija una pieza y el momento en que comienza la soldadura. En algunos entornos de fabricación, si un robot dedica demasiado tiempo a escanear una pieza de trabajo antes de iniciar una soldadura, el rendimiento puede verse afectado.

Hoy en día, las cámaras 3D pueden tomar varias fotografías del área de soldadura. El robot puede comparar la posición de la unión y las propiedades de espesor con el archivo digital, realizar los ajustes necesarios y comenzar a soldar.

Por qué la consola de aprendizaje todavía se utiliza tanto

Visite un taller de soldadura altamente automatizado y probablemente encontrará que la mayoría de los robots están programados con una consola de aprendizaje, incluso si el taller tiene un buen modelo 3D que incorpora información de soldadura. La pregunta es: ¿por qué? La programación y simulación fuera de línea para robots de soldadura existen desde hace años. Alejar toda la programación del taller aparentemente haría que la soldadura automatizada fuera efectiva incluso para operaciones con una alta mezcla de productos.

Además, como probablemente sepa cualquiera que haya estado en una FABTECH reciente, la innovación en la programación de robots de soldadura se ha acelerado. Los soldadores ahora trabajan con tabletas para elegir “recetas” de soldadura para programar el robot (o cobot) e iniciar el ciclo de soldadura en cuestión de minutos. En algunas configuraciones, los operadores mueven físicamente el brazo del robot de un punto a otro. Y con la potencia informática y los algoritmos en constante avance detrás de la inteligencia artificial y el aprendizaje automático, no es probable que el ritmo de la innovación disminuya en el corto plazo.

Con tantas opciones de programación, ¿por qué se sigue utilizando tanto la consola de aprendizaje? Tiene que ver con el tiempo, la inercia de la tecnología heredada, la estandarización y los recursos disponibles. La gran mayoría de los robots de soldadura actuales se pueden programar con una consola de aprendizaje. Cambiar a un método alternativo de programación en el taller puede tener sentido si se cuenta con la tecnología de celda robótica adecuada, pero la operación aun requiere que las personas dediquen tiempo valioso a programar el robot en la celda. Y cuando un robot está aprendiendo, no produce piezas.

¿Qué pasa con la programación fuera de línea (Nivel 3)? En primer lugar, los mejores programadores tienen experiencia en soldadura, y es difícil encontrar experiencia en soldadura. Las tiendas con una o varias personas programando y simulando una multitud de robots fuera de línea pueden experimentar un cuello de botella en la programación.

En segundo lugar, como se indicó anteriormente, la realidad siempre difiere ligeramente del modelo 3D. La persona que carga la celda con un nuevo trabajo a menudo tiene que hacer pequeños arreglos al programa para tener en cuenta las variaciones. El tiempo dedicado a estos arreglos también puede acumularse. Dado que ya es necesario un retoque, ¿por qué no aprender el programa de soldadura desde cero para empezar? O, como preguntan muchos fabricantes de estructuras, ¿por qué no hacer que los soldadores suelden manualmente? La automatización de la soldadura simplemente no parece valer la pena.

¿Por qué es tan problemático? Tiene que ver con la naturaleza de la programación de robots. Teniendo en cuenta los avances más recientes de la industria, la naturaleza de la programación cambiará drásticamente. Los sistemas más recientes (ahora en el nivel 4) utilizan cámaras 3D que pueden literalmente "mirar" una viga en varios puntos, comparar lo que ven con el modelo 3D del software de detallado, calcular los ajustes necesarios sobre la marcha y luego comenzar a soldar. Detectan la posición de juntas en T, juntas superpuestas y otras geometrías, y pueden hacerlo en menos tiempo que las iteraciones anteriores de la tecnología.

El robot también realiza ajustes durante el proceso para tener en cuenta las condiciones del mundo real. Por ejemplo, si el robot se mueve dentro de la geometría de la articulación, cuanto más se acerque la punta del electrodo al borde de la ranura (la distancia de separación), mayor será la corriente. Si la variación actual sale de un cierto rango, el robot sabe que la posición de la articulación se ha movido y puede realizar los ajustes apropiados.

El enfoque va un paso más allá de la programación paramétrica, donde un programa se construye alrededor de parámetros específicos, como la longitud mínima y máxima de una soldadura, y a partir de ahí, el programa puede ajustarse rápidamente al trabajo que tiene por delante. Por el contrario, la programación totalmente automatizada puede funcionar con un amplio grupo de piezas y utiliza algoritmos avanzados para crear un programa. No simplemente varía un programa en función de parámetros específicos como largo, alto, grosor, profundidad u otra dimensión.

Esto automatiza eficazmente tanto la programación de la soldadura como el acto de retocar en la celda de soldadura. Un técnico abre el archivo, selecciona las piezas e inicia la programación y simulación automática. Luego se envía al control, donde el operador carga la pieza, selecciona el programa y se marcha.

Soldar con contexto

La capacidad de un robot de “mirar y luego soldar” es sólo una pequeña pieza del rompecabezas de la productividad, especialmente en la fabricación estructural. Deshacer una viga no es barato y, si se hace por medio de soldadura, todo el valor invertido en ella durante los procesos anteriores se pierde. Las vigas deben cortarse, ajustarse, alimentarse, manipularse y posicionarse para un acceso óptimo a la soldadura.

Un láser cenital proyecta marcas de diseño en la estación de montaje. El sistema extrae directamente del archivo digital del software de detallado.

Imagine un centro de procesamiento de vigas altamente automatizado en un fabricante de estructuras. Se cargan las piezas, la máquina lee la información del software de detallado y comienza la operación. Todo fluye con poca intervención del operador. A continuación, la viga llega a la estación de montaje. Alguien podría medir y colocar marcas de diseño a mano y luego cometer un error de medición o ubicación (ubicarse desde el borde en lugar de una característica crítica, por ejemplo), o tal vez leer mal un dibujo. Aquí aparece el retrabajo.

El fabricante estructural tiene, en efecto, dos “islas de automatización” en medio de un mar de operaciones manuales (a veces impredecibles). Otra forma de verlo: el flujo rompe el “hilo digital”. La automatización se alimenta de archivos directamente desde el software de detalles 3D, aunque todavía se siguen haciendo marcas de diseño con una cinta métrica y un marcador.

Trazar en el centro de procesamiento de vigas puede ayudar a solucionar este problema, pero trazar marcas de diseño complejas (un contorno de un componente instalado, por ejemplo) agrega tiempo de ciclo. Cualquier cosa que obstaculice el rendimiento de un proceso anterior, y especialmente la operación de corte principal de un taller, puede generar más problemas posteriores. Por lo tanto, los programadores podrían decidir minimizar el trazado con algunas marcas sutiles en lugar de, digamos, un contorno completo de la pieza que se va a instalar. En lugar de ello, podrían reservar las operaciones de marcado para marcar la identificación de piezas.

Alternativamente, la operación podría optar por emplear una estación de adaptación con marcas de diseño proyectadas por un láser superior. Esta estrategia tiene varias ventajas. En primer lugar, elimina la necesidad de realizar un diseño manual o la necesidad de ocupar una línea de procesamiento de vigas con una cantidad excesiva de trazado. En segundo lugar, dado que la tecnología de proyección se basa directamente en modelos 3D, mantiene ese hilo digital en todo el recorrido del taller.

Desde allí, la viga fluye directamente a una celda con un posicionador que lo hace girar y un robot de soldadura que puede acceder a todas las juntas. Y ese posicionador flexible es fundamental. Su diseño debe ser lo suficientemente flexible para aceptar una variedad de vigas estructurales y otras formas, y debe diseñarse para permitir un acceso completo a la soldadura, incluidos 360 grados de rotación. Como cualquiera que trabaje en la fabricación de piezas de trabajo grandes, estructurales o de otro tipo, una operación puede dedicar más tiempo a mover una placa que a fabricarla.

En la celda de soldadura robótica, una cámara montada en el robot escanea rápidamente dos puntos, realiza los ajustes del modelo digital versus la realidad y comienza a soldar. No hay programación manual en el taller o fuera de línea, no hay arduos reposicionamientos de la viga o de la forma estructural, no hay errores de ajuste, no hay restricciones en el diseño, no hay falta de comunicación y no hay un hilo digital ininterrumpido en todas partes.

Sin embargo, lo más significativo es cómo dicha automatización puede ayudar ahora a los fabricantes de estructuras a optimizar todo el ciclo de corte, ajuste y soldadura. Un flujo más confiable y una configuración mínima o nula permiten a los planificadores trabajar con menos trabajo en proceso (WIP) entre pasos. Menos WIP equivale a un tiempo de entrega más corto y un mayor rendimiento, incluso en un entorno altamente variable como la fabricación estructural, donde los cambios inesperados en la cadena de valor de la construcción pueden obligar a los fabricantes a girar en un abrir y cerrar de ojos.

El panorama

La programación automatizada en soldadura seguramente evolucionará y eventualmente se convertirá en parte del curso de la industria. Los clientes de un fabricante pagan por el rendimiento, no pagan por la programación de robots y no pagan por reposicionar la obra. Están pagando por el metal fabricado enviado a su puerta y en el momento, calidad y cantidad adecuados.

Esta automatización podría ayudar a los fabricantes a escalar de nuevas formas. Los soldadores manuales continuarían trabajando en una amplia variedad de piezas, pero no en trabajos repetitivos. Todos los días que llegan al trabajo verán algo nuevo.

Mientras tanto, los robots de soldadura de un taller podrían producir grandes volúmenes de piezas idénticas, como siempre lo han hecho, pero los sistemas con programación automatizada podrían procesar un amplio grupo de productos relacionados. Puede que estos no sean todos los trabajos. Una celda de soldadura flexible con un programa automatizado debe funcionar dentro de un sistema, incluida una preparación de soldadura eficiente, fijación flexible y posicionamiento.

Con el tiempo, a medida que la tecnología evolucione, ese amplio grupo de productos podría ampliarse para incluir aún más variedad y un funcionamiento aún mayor autónomo. Algún día, un nivel aún mayor y completamente autónomo de programación de robots bien podría convertirse en algo común. El robot “observará” el trabajo que tiene delante y comenzará a soldar, sin intervención humana alguna.

Un posicionador rota una viga para que el robot pueda tener acceso a todas las juntas en una sola configuración.