Diseño de células de soldadura robotizada: buenas prácticas

Diseño de células de soldadura robotizada: buenas prácticas Un diseño deficiente de las células de soldadura robotizada puede costar a los fabricantes de estructuras decenas de miles de dólares en retrabajos, tiempo de producción perdido e incidentes de seguridad que podrían haberse evitado. Antes de cortar el acero o anclar un robot al suelo de la fábrica, hay relativamente pocas decisiones de compra que marquen la diferencia entre una célula que funciona de forma fiable con un 90 % de disponibilidad y otra que apenas alcanza el 60 %. En esta guía repasamos los aspectos clave —alcance del robot, utillajes de fijación, simulación de la secuencia de soldadura, seguridad y coste del equipo, tanto en células prediseñadas como a medida— para que acierte a la primera.

¿Qué elementos componen el diseño de una célula de soldadura robotizada?

El diseño de una célula de soldadura robotizada define cómo se distribuyen los robots, los posicionadores, los útiles de fijación, los sensores, las barreras de seguridad y las rutas de movimiento de materiales dentro de una superficie delimitada. El objetivo es producir soldaduras uniformes con un tiempo de ciclo determinado, equilibrando el trabajo de la máquina y el operario, y protegiendo a todas las personas frente a los destellos del arco, los humos y los equipos robóticos en movimiento. La ubicación de cada componente influye en la capacidad de producción, la capacidad del proceso y los costes de explotación. Un diseño adecuado comienza con la planificación del flujo de trabajo. Conviene trazar un mapa detallado del recorrido de cada componente, desde la recepción de la materia prima hasta la descarga del conjunto embalado, pasando por la fijación, la soldadura y el enfriamiento. Si la célula obliga a los operarios a cruzar la zona de trabajo de la máquina para cargar piezas, antes o después se producirá una lesión laboral o una grave pérdida de producción. La disposición de los componentes debe seguir el flujo de trabajo. En cada sistema de soldadura robotizada, el brazo robótico debe colocarse de modo que alcance todas las juntas de soldadura sin tener que cambiar de posición. Cada posicionador debe quedar dentro de ese alcance, y los útiles de fijación deben montarse en él. Los sensores, las estaciones de limpieza de boquillas y los cambiadores de herramientas se agrupan en el lado de la célula opuesto al operario: así siguen siendo accesibles para el mantenimiento, sin invadir las rutas de trabajo. El flujo de materiales determina el espacio necesario en planta. Siempre que sea posible, las zonas de carga y descarga deben estar juntas, para que el operario pueda dejar un conjunto terminado con solo uno o dos pasos y, a la vez, preparar otro conjunto de materia prima. Las zonas de seguridad delimitan el perímetro de la célula de soldadura robotizada. Las cortinas fotoeléctricas, las barreras físicas, los enclavamientos y las paradas de emergencia definen dónde pueden estar las personas durante el funcionamiento del robot. Estas zonas deben cumplir la norma ANSI/RIA R15.06-2012, que regula la integración de sistemas de robots industriales en Estados Unidos (Normas de OSHA sobre robótica). De los más de 1000 proyectos de automatización de la soldadura que hemos entregado, hemos comprobado que las decisiones acertadas durante la fase de diseño inicial determinan casi el 80 % de la capacidad de producción a largo plazo de una célula. Cambiar de sitio un posicionador después de verter el hormigón y tender los conductos puede costar 10X más que hacerlo sobre el plano.

Componentes imprescindibles de una célula de soldadura

La eficacia de una célula de soldadura robotizada depende de su componente más débil. Cada equipo de movimiento de materiales debe tener el tamaño adecuado, integrarse correctamente y funcionar en coordinación con los demás componentes de la célula. A continuación, explicamos cómo elegir cada elemento para una célula de soldadura robotizada lista para producción. Aunque el robot industrial sea el elemento central, el posicionador suele determinar si la célula alcanza el tiempo de ciclo previsto. Este posicionador accionado por servomotor permite que el robot siga una trayectoria programada en posición plana en cada junta —la orientación más rápida y de mayor calidad— al girar la pieza en lugar de obligar a los brazos robóticos a trabajar en posiciones elevadas y verticales peligrosas. Los útiles de fijación merecen más atención durante el diseño de la que suelen dedicarles muchos talleres. La fijación para soldadura robotizada requiere tolerancias más estrictas que la soldadura manual. El robot está programado para seguir una trayectoria y no puede adaptarse sobre la marcha como lo haría un soldador experto. Las especificaciones publicadas por Lincoln Electric exigen una precisión del útil de fijación de 0.022″ cuando se trabaja con hilo de 0.045″, aproximadamente la mitad del diámetro del hilo.

Dimensione siempre el posicionador para la pieza más pesada, incluido el peso del útil de fijación: elegir uno demasiado pequeño es el error más habitual y costoso al planificar una célula de soldadura.

Si está eligiendo su primera célula de soldadura robotizada, un puesto de soldadura robotizada de un solo robot con posicionador integrado y cerramiento de seguridad cubre la mayoría de las aplicaciones estándar sin la complejidad de una distribución con varios robots.

Cómo influyen el alcance del robot y el tamaño de la pieza en el diseño

Los robots industriales de 6 ejes diseñados para soldar ofrecen alcances desde 650 mm en unidades de sobremesa pequeñas hasta más de 3.000 mm en aplicaciones con grandes estructuras (guía de Standard Bots). El tamaño de la pieza que se va a soldar determina qué robot elegir y, a su vez, esas dimensiones condicionan todas las demás medidas del diseño de la célula. Para elegir el robot, siga una regla: dimensiónelo para la pieza más grande. Instalar un robot pequeño para una pieza grande es una mala decisión: solo alcanzará algunas juntas sin tener que recolocar la base, lo que añade tiempo de ciclo, anclajes al suelo y complejidad de programación. Instalar un robot grande para piezas pequeñas también es una mala decisión: la mayor inercia puede perjudicar la calidad de la soldadura en materiales de poco espesor, ya que el robot se pasa de la posición a velocidades altas. Diseñe la célula para la pieza más pesada. Bernard y Tregaskiss recomiendan dimensionar toda la célula —la carga útil del posicionador, la fuerza de sujeción del útil y la carga útil del robot— para la pieza más grande y pesada de la serie. Es mucho más fácil soldar una pieza pequeña en un útil sobredimensionado que encajar una pieza pesada en una célula demasiado pequeña. Diseñar la célula de soldadura en torno a la pieza más grande evita costosas modificaciones cuando la producción pasa a conjuntos más pesados. En algunas combinaciones, la capacidad de carga es tan importante como el alcance. Un brazo robótico con un alcance de solo 2.000 mm y una carga útil de 6 kg no podrá soportar una antorcha MIG pesada y su alimentador de hilo. El peso de la antorcha, el paquete de cables y todo lo montado en el extremo cuentan para la carga útil nominal del robot. Superarla en cien gramos o tres puede provocar fallos de servomotor, desviaciones de trayectoria y averías prematuras en las articulaciones, lo que afecta a la uniformidad de la soldadura durante toda la producción.

Soldar en el límite del alcance provoca ángulos de antorcha irregulares, una calidad de soldadura deficiente y un desgaste acelerado de los cables. Mantenga siempre las juntas críticas dentro del 85 % del alcance máximo del robot.

Al diseñar la distribución de la célula, dibuje en el plano una circunferencia que represente el 85 % del alcance. Todas las juntas de soldadura de todas las piezas previstas deben quedar dentro de ella. Si alguna queda fuera, elija un robot de mayor tamaño o añada un posicionador para acercar la pieza.

Reducir el tiempo de ciclo mediante la secuencia de soldadura y la distribución

La distribución y la secuencia de soldadura están íntimamente relacionadas. La forma en que el robot suelda cada junta influye en el equilibrio del aporte térmico, el control de la deformación y el tiempo total de ciclo. La distribución física de la célula puede facilitar la secuencia de soldadura o dificultarla. Los datos de diseños probados lo confirman. Un estudio publicado en ResearchGate observó una reducción del 12,7 % en el tiempo de ciclo al reordenar la secuencia de soldadura de una célula de soldadura robotizada para automoción: dos soldaduras robotizadas recortaron 68 segundos de un ciclo de 532 segundos, que pasó a durar 464 segundos. Otro caso, recogido en el libro TOA-SE, redujo el tiempo de ciclo un 45 % al pasar de una distribución con dos robots a una célula multietapa con seis robots. A pesar de la mayor capacidad de producción, la célula terminó antes: Los posicionadores accionados por servomotor regulan la secuencia de soldadura mediante el giro indexado de la pieza mientras el robot realiza la mayor parte de las tareas de soldadura. El aporte térmico se aprovecha mejor, se minimiza la deformación y cada junta queda en posición plana, lo que permite avanzar rápidamente en la deposición y reducir los defectos. El proceso de soldadura avanza más deprisa cuando la gravedad facilita la deposición en lugar de dificultarla. Un puesto de soldadura robotizada con posicionador de doble estación permite a los talleres pequeños aprovechar este flujo de trabajo en paralelo sin necesidad de un diseño con alimentación por transportador, separado por una pantalla de seguridad: La clave: una buena calidad de soldadura y unos tiempos de ciclo rápidos no son incompatibles. Una distribución diseñada para favorecer una buena secuencia de soldadura consigue ambas cosas, y la productividad aumenta con cada turno en que la línea está en funcionamiento:

Simulación y programación offline antes de construir

El software de programación offline permite a los ingenieros programar el robot sobre un modelo virtual de la célula antes de instalar ningún equipo físico. Según Visual Components, la programación offline puede ser hasta 10x más rápida que la programación con el mando de aprendizaje. En un caso documentado, el uso de software de programación offline redujo el tiempo de programación de 13 horas a menos de 3 horas. Sin embargo, la velocidad no es el principal motivo para usar simulación; lo es el cálculo de colisiones. La simulación puede detectar interferencias entre la antorcha y las mordazas del útil de fijación, e incluso con el posicionador, antes de que se produzcan colisiones físicas. El software permite comprobar que el robot puede alcanzar todas las juntas en la secuencia programada antes de acercarse a una pieza real. También puede verificar que los giros del posicionador no acerquen las piezas en exceso a la base del robot ni pongan en riesgo los límites de flexión de los cables: Las comprobaciones de alcance durante las primeras fases del diseño evitan los errores más costosos en la distribución. Si la simulación indica que el robot no alcanza una junta desde un ángulo determinado del posicionador, puede volver al ordenador y modificar el diseño de la célula: quizá desplazar 200 mm la base del robot, cambiar la altura del posicionador o girar el útil de fijación. Ninguna de estas modificaciones cuesta nada en la simulación, pero cada una puede suponer miles en hardware. Simule la distribución de la célula de soldadura con programación offline antes de comprometerse a comprar el equipo. Las pruebas de interferencia con los útiles de fijación se realizan en paralelo a las comprobaciones de alcance. La simulación importa el modelo CAD del útil y verifica que los puntos de sujeción no bloqueen el acceso a ninguna junta. Si lo hacen, se modifica el diseño del útil antes de fabricarlo. Esta comprobación evita lo que consideramos la causa más habitual de retrasos en la instalación de células nuevas: útiles que parecen adecuados en los planos 2D, pero generan todo tipo de problemas en 3D.

Dedique tiempo a simular la distribución de la célula antes de cortar el acero. Una inversión de $5.000 en simulación puede evitar $50.000 en retrabajos.

Una vez programado y validado el diseño de la célula mediante simulación, el montaje físico se reduce a ensamblar los componentes. Los ordenadores de control del robot llegan con programas funcionales, los útiles de fijación están calibrados y listos para instalar, y la puesta en marcha pasa de llevar semanas a durar días.

Células de soldadura robotizada prediseñadas o a medida

Quien vaya a construir una célula de soldadura robotizada debe elegir entre dos opciones: comprar un paquete estándar o diseñar un sistema a medida. Ambas opciones responden a necesidades legítimas y ambas pueden generar gastos innecesarios si se eligen mal. Las células de soldadura con cobot se han convertido en la solución del sector ante este dilema. Para instalaciones iniciales, una célula de soldadura con cobot por $25.000-$50.000 es una alternativa a las barreras de seguridad y las limitaciones de espacio de una célula con robot industrial. Aunque son más pequeños y lentos que los robots industriales, los cobots permiten incorporar automatización robotizada a la estación de trabajo con una reprogramación mínima una vez definido el proceso inicial. Si el tamaño de los posicionadores estándar se ajusta a las dimensiones habituales de las piezas y se trabaja con menos de cinco familias de piezas por encargo, una célula prediseñada ofrece una mejor opción de ROI. El sistema de automatización industrial llega probado y calibrado al muelle de carga, listo para fabricar piezas en cuestión de días. En cambio, cuando se trabaja con piezas más grandes y variadas, necesidades específicas de soldadura y distintos requisitos de manipulación de materiales, merece la pena invertir en una célula robotizada a medida. Las comparaciones de costes respaldan estas opciones: los datos fiables de los socios del sector indican un ROI de 1-3 años en la mayoría de los sistemas de soldadura robotizada, con un ahorro de hasta el 50 % en costes de materiales en aplicaciones de soldadura de gran volumen. El grado de utilización, más que el coste de capital, determina el plazo total de recuperación de la inversión. Una célula a medida de $150.000 utilizada en dos turnos se amortiza antes que una célula prediseñada de $75.000 utilizada en un solo turno al 60 % de utilización. Una distribución bien planificada facilita futuras ampliaciones si se deja espacio en al menos un lado de la célula para añadir un segundo robot o una estación con otro posicionador. Diseñar con previsión los conductos de gas, alimentación eléctrica y datos, y dejar capacidad disponible desde el principio, permite ampliar la producción en el futuro sin tener que demoler y reconstruir toda la planta. Si su taller se dispone a poner en marcha su primer proyecto de soldadura robotizada, considere las células de soldadura preconfiguradas para producción: incluyen las aplicaciones robotizadas más comunes para estructuras metálicas, trabajos con chapa y fabricación general, con distribuciones probadas listas para enviar y empezar a soldar. Diseñar la célula con paquetes de robótica y consumibles validados de antemano ahorra meses de trabajo inicial.

Zonas de seguridad y cumplimiento normativo en el diseño de células de soldadura

ANSI/RIA R15.06-2012 es la norma de referencia para la seguridad de los robots industriales en Estados Unidos. Abarca tanto la fabricación como la instalación de sistemas robóticos y es también la norma a la que recurre OSHA al inspeccionar instalaciones robotizadas. OSHA no dispone de una normativa específica para robots; sus inspectores y los empleadores se basan en ANSI/RIA R15.06 y en la cláusula de deber general para determinar si el diseño de una célula de soldadura robotizada es seguro (tienda web de ANSI). Antes de pedir un solo elemento de seguridad para una célula de soldadura robotizada, se debe realizar y documentar una evaluación de riesgos. Esta debe identificar los peligros —destellos del arco, humos de extracción, puntos de atrapamiento, proyecciones en suspensión y movimientos del robot— y asignar medidas de control. Sin una evaluación de riesgos, la presión por cumplir los objetivos del proyecto puede llevar a omisiones en el diseño que comprometan la seguridad de la instalación terminada. La parte 2 de ANSI/RIA R15.06 exige esta evaluación en todas las instalaciones nuevas o modificadas, con independencia del tipo de aplicación robotizada o del volumen de producción. Estas son las buenas prácticas de seguridad que revisará con nosotros antes de aprobar el diseño de la célula:

• ✔ Realizar una evaluación de riesgos conforme a la parte 2 de ANSI/RIA R15.06, documentada y firmada por un integrador cualificado
• ✔ Instalar protecciones físicas: vallas perimetrales, cortinas fotoeléctricas en las aberturas de carga y descarga y enclavamientos en las puertas con bloqueo de las fuentes de energía
• ✔ Colocar paradas de emergencia al alcance del brazo desde todos los puestos del operario y todos los puntos de acceso para mantenimiento
• ✔ Instalar extracción de humos de soldadura conforme a los requisitos de AWS Z49.1, con extracción localizada en el arco y no solo ventilación general del taller
• ✔ Proporcionar EPI: cascos de soldadura con oscurecimiento automático para los trabajadores cercanos y cortinas de protección contra destellos para las estaciones de trabajo adyacentes
• ✔ Proteger contra las proyecciones los sensores, los cables y todas las articulaciones expuestas del robot: su acumulación provoca desviaciones en los sensores y acelera el desgaste de los cables
• ✔ Establecer un calendario de inspección periódica de las puntas de contacto consumibles, los escariadores de la estación de limpieza de boquillas y los difusores de gas
• ✔ Colocar procedimientos de bloqueo de las fuentes de energía y señalización de la consignación en cada puerta de acceso para las tareas de mantenimiento dentro de la zona de trabajo del robot

Las células de soldadura MIG y por puntos generan más proyecciones que cualquier otro tipo de proceso de soldadura, y estas se depositan en todo lo que hay dentro del cerramiento. Es necesario proteger los útiles de fijación, las lentes de los sensores, los haces de cables y la superficie del posicionador. Aplicar un compuesto antiproyecciones a las superficies de los útiles y limpiar la boquilla periódicamente evita la acumulación gradual que deteriora la calidad de la soldadura a lo largo de semanas de producción. Las buenas prácticas de seguridad no son un gasto: mejoran la productividad. Una célula de soldadura robotizada que reduzca las dudas y las restricciones de los operarios permite aprovechar más horas de cada turno que una distribución que les haga sentir inseguros en la zona de carga. Evitar incidentes y organizar bien el flujo de piezas y la secuencia de soldadura reduce las paradas y alarga la vida útil de todo el sistema.

Preguntas frecuentes

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