Desarrollo de una célula robotizada de paletizado

No cabe duda de que, a lo largo de los años, la automatización ha ido cobrando cada vez más importancia en los procesos industriales hasta convertirse en una parte fundamental de los mismos. El afán por mejorar los tiempos de producción, reducir los costes y obtener mejores productos ha provocado que hoy en día, prácticamente cualquier proceso industrial que pueda estar sujeto a ser automatizado, lo sea. Con esta idea en mente, el campo de la automatización de procesos de cara a la formación de un ingeniero industrial, es cada vez más importante. La probabilidad de que a lo largo de la carrera profesional de un ingeniero sea preciso el diseño de un sistema de producción o de un proceso de automatización es muy elevada. Tener una idea clara del concepto automatización, así como de los elementos necesarios para llevarla a cabo, como sensores, actuadores, controladores, sistemas de montaje, etc. supone una gran ventaja a la hora de incorporarse a un mercado laboral cada vez más formado y competitivo. En este proyecto se llevará a cabo la concepción, diseño e implantación desde cero de una célula robotizada de empaquetado y paletizado. La célula constará de todos los elementos necesarios para el desarrollo de su actividad. La finalidad concreta del montaje realizado en el proyecto será principalmente educativa, ya que dicha célula será ensamblada en el departamento de Tecnología Mecánica de la Escuela Superior de Ingenieros Industriales de la UPM. La diferencia entre la célula desarrollada en el proyecto y una industrial para una fábrica es mínima en cuanto a tecnología de sensorizado, planteamiento y programación, por lo que podría ser implantada en una industria sin grandes modificaciones. El trabajo puede dividirse en cuatro componentes principales, el robot y armario de control, la línea de entrada de cajas, el suministro de productos y por último las zonas de palés. Cada una de ellas debe ser diseñada de acuerdo con los requerimientos del proceso y programada para realizar su función concreta. Para comenzar el diseño es necesario definir previamente los objetivos y las solicitaciones. El objetivo es crear una célula que empaquete latas (cilindros de 50mm de diámetro y 25mm de altura) en cajas plásticas, para posteriormente empaquetar estas cajas en palés de 60x60cm. Se sabe también que la cantidad de latas por caja debe de ser de 12, por lo que se dimensiona una caja de acuerdo con los criterios de paletización explicados en el capítulo 2, siendo la caja resultante de 200x150mm por lo que podrán ser almacenadas en capas de 4x3 latas. Se decide por sencillez y optimización de la velocidad del proceso que las latas sean transportadas de 4 en 4 hasta las cajas y las cajas sean paletizadas de una en una. Una vez conocidos todos los parámetros de los productos de entrada y salida se procede al diseño de los elementos transportadores y alimentadores. Se comienza por el robot de empaquetado y paletizado. Se elige un robot de 6 ejes de la marca KUKA modelo KR16 con 16kg de carga, más que suficiente para los pesos que va a manejar. Se justifica la elección de un robot de 6 ejes en lugar de uno de paletizado simple ya que, entre sus funciones, también estará la de empaquetar los cilindros y contar con un robot de estas características simplifica el proceso como se verá a continuación. Los robots comerciales son vendidos sin ningún elemento acoplado (pinzas, soldadores, dispensadores, etc.) ya que son robots para diversas tareas y estos componentes se compran aparte. En este caso se decide diseñar una pinza propia y personalizada para estas tareas ya que tiene que realizar dos funciones totalmente diferentes. Por un lado, la pinza deberá ser capaz de transportar en bloques de 4 las latas hasta las cajas, y por otro tendrá que transportar las cajas cargadas hasta el palé. Para solventar estas dos necesidades mediante un único elemento acoplado en la cabeza del robot se ha optado por una pinza para transportar las cajas y ventosas de vacío para las latas. Teniendo en cuenta los pesos de los productos y las aceleraciones que tendrán que ser soportadas, se calculan las dimensiones de las ventosas y la presión necesaria en la pinza. Para más información sobre los cálculos se puede consultar el capítulo 5. A su vez, es preciso tener en cuenta el anclaje al robot, ya que se realiza con unas tolerancias concretas definidas en el manual técnico del robot, para evitar holguras. Teniendo en cuenta todos estos factores se realiza el siguiente diseño CAD. La distancia que separa las ventosas se calcula suponiendo que en la recogida las latas están alineadas y consecutivas una a otra. El posicionamiento en el lado fijo de la pinza permite que el robot siga teniendo una buena movilidad y no restrinja demasiado los movimientos de la muñeca. La apertura de la pinza debe ser la suficiente para permitir la recogida de las cajas sin problemas. Una vez seleccionados y diseñados el robot y el utillaje, se procede a estudiar los elementos periféricos. La cinta transportadora será la encargada de suministrar cajas al robot para que puedan ser llenadas con las latas. Para todo proceso es conveniente aislar la zona de trabajo (en este caso, la caja que va a ser rellenada) del resto. Con este fin se colocan actuadores que retengan las cajas en cola y que fijen la caja de trabajo en una posición concreta. Al igual que para la pinza, se calculan diámetros de cilindros y desplazamientos necesarios para llevar a cabo su función de forma satisfactoria. Se eligen sensores fotoeléctricos para la detección de las cajas ya que son capaces de detectar prácticamente cualquier material del que estén fabricadas. Es de práctica común el uso de sensores inductivos, pero éstos solo son válidos para materiales ferrosos. El ancho de la cinta debe ser mayor de 150mm ya que éste es el ancho de la caja. También es importante tener en cuenta el material de la banda ya que debe ser un material preparado para permitir fácilmente el deslizamiento de las cajas puesto que la cinta estará continuamente en funcionamiento para evitar daños en el motor provocados por continuas paradas y arranques. La estructura general de la cinta se realiza con perfiles de aluminio normalizados de 45mm de lado. Este tipo de perfiles son comúnmente utilizados por su flexibilidad en cuanto a diseño de estructuras y su fácil montaje. Existen multitud de elementos normalizados para el montaje de estos perfiles lo que facilita en gran medida el diseño. Teniendo en cuenta todas estas consideraciones, el diseño propuesto es el de la imagen de la derecha. El siguiente periférico es el alimentador de productos. La elección de un alimentador de tipo rotatorio es principalmente educativa ya que este tipo de alimentador permite integrar varios tipos de movimiento, así como diversos actuadores y sensores. En una industria, un alimentador convergente seguramente sería una opción mejor ya que no es necesaria la recarga y el flujo de productos que puede suministrar, es mayor. Se detallan otras opciones de alimentadores en el capítulo 5. El alimentador está compuesto por 3 sensores fotoeléctricos que se encargan del control y la disponibilidad de productos y un sensor inductivo que se encarga del posicionamiento del cilindro rotatorio. Un motor eléctrico se encarga del giro del cilindro. A su vez, dos cilindros neumáticos se encargan de suministrar los productos y separar la zona de carga de la de suministro. El funcionamiento detallado se puede encontrar en el capítulo 6. Por último, se han elegido zonas de carga de palés frente a otros métodos de suministro debido en parte a restricciones de espacio y al no ser viable en este caso por el escaso nivel de producción un suministrador automático de palés. Cada zona de carga posee pulsadores de estado que permiten al operario reemplazar los palés cargados y así informar al robot del nuevo estado del palé vacío. Existe más información disponible en el apartado “Zona de palés” del capítulo 5. Aparte de los diseños de todos los elementos de la célula, el proyecto continúa con el planteamiento del diagrama de funcionamiento, la interconexión de todos los elementos, los protocolos de comunicación con los sensores, diagramas grafcet del proceso y la programación del robot. El movimiento del robot depende del estado de los periféricos, ya que por ejemplo, no podrá recoger las latas hasta que el grupo de 4 esté correctamente formado. El ordenador que se encarga del control del robot posee comunicación con el exterior mediante protocolo DeviceNet. Esta comunicación permite que un módulo de entradas y salidas pueda ser conectado al robot mediante DeviceNet. Con este módulo conectado se pueden administrar los sensores y actuadores desde el mismo programa del robot. El control de los periféricos podría hacerse con un PLC de forma relativamente más sencilla, pero en este proyecto se quiere demostrar la versatilidad del ordenador de control y la multitud de tareas que se pueden realizar con él sin ningún complemento externo. Una vez solucionado el problema de la comunicación con el exterior, es necesario establecer una secuencia lógica de funcionamiento. Para ello se utilizan GRAFCET, teniendo en cuenta el tipo de señales que se van a estar manejando. Es necesario realizar los GRAFCET de cada periférico, así como del robot principal. El desarrollo de los GRAFCET y la explicación de los mismos puede consultarse en el capítulo 6 correspondiente al funcionamiento. Los GRAFCET son un método eficaz de estructurar y visualizar de manera relativamente rápida el desarrollo de un proceso. Una vez implementados, la transferencia a código se puede realizar de forma sencilla conociendo algunos principios básicos. En el capítulo 8 referente a programación se pueden consultar los códigos implementados para los diferentes GRAFCET. El trabajo se divide en 12 capítulos donde se desarrolla el diseño de la célula. Sigue una estructura de evolución lineal, comenzando por los requerimientos del proceso y llegando hasta la programación final del puesto. La parte inicial se centra en la definición de los objetivos a partir de los datos de partida. A esta parte introductoria se añaden los conceptos básicos necesarios para el desarrollo de cualquier proceso automatizado de este tipo y una breve explicación de los posibles elementos comerciales de los que se dispone para llevar a cabo esta tarea. Una vez definidas las necesidades se procede a plantear el proceso, definir los periféricos que compondrán la instalación y cuál será su funcionamiento. En esta etapa se selecciona el dispositivo de alimentación, la solución adoptada para suministro de cajas, el tipo de robot utilizado y las funciones de la pinza de dicho robot. Posteriormente se analiza cada periférico por separado y se procede al sensorizado y automatizado de cada uno, todo ello teniendo en cuenta la tarea que se tiene que llevar a cabo. En esta etapa se definen el tipo de sensores, actuadores, elementos de protección, etc. La siguiente fase se centra realizar una estructura de control, en este caso mediante GRAFCET, que defina el funcionamiento del robot para su posterior programación. Se dedica un capítulo a la explicación de la interfaz de usuario del sistema de robot KUKA, para posteriormente, comprender mejor su manejo y programación, centrándose principalmente en los sistemas de movimiento y los parámetros que afectarán al usuario final. Para finalizar se expone la planificación del proyecto, el presupuesto de la célula y la bibliografía utilizada. La realización de este proyecto ha permitido el desarrollo de unos conocimientos, cada vez más necesarios en el mundo laboral, que no son tratados en profundidad a lo largo del grado. Ha permitido a su vez la aplicación de muchos otros conocimientos que sí habían sido adquiridos en el grado, pero no de manera práctica. La oportunidad de poder trabajar con este tipo de robots durante la etapa formativa de un ingeniero es restringida en parte, debido al alto coste de los mismos y la dedicación que ello requiere, pero tener la posibilidad de hacerlo en la realización de un proyecto es un hecho que es de agradecer a las personas que lo han hecho posible. Cabe destacar que durante la ejecución del proyecto han sido utilizados diversos programas informáticos para el correcto desarrollo de la célula. • CATIA V5: utilizado para el desarrollo de los modelos en 3D. • FESTO FLUIDSIM: simulación de los sistemas neumáticos y representación de los esquemas. • Autocad Electrical: desarrollo de los sistemas de protección eléctricos. • FlexSim: simulación general del proceso para estudio de viabilidad de operaciones y optimización de tiempos de producción. • OFT2 Grafcet: herramienta para la construcción de diagramas GRAFCET. El uso de estos programas ha permitido mejorar el manejo y las habilidades de partida de algunos de ellos, como es el caso Catia V5, FlexSim y FluidSim, y descubrir otros muy interesantes que facilitan la labor de diseño de un ingeniero. En mi opinión, durante el estudio de la especialidad de mecánica se aprenden multitud de conocimientos en cuanto a construcción, funcionamiento mecánico, etc. pero existe una ligera falta de preparación práctica en el ámbito automático/ electrónico que es igual de importante a la hora de desarrollar proyectos de este tipo. La realización de este proyecto ha permitido complementar la formación mecánica con una parte práctica altamente necesaria. No hay duda que la automatización de los procesos productivos ha tenido un fuerte impacto en la industria. Gran parte de este cambio ha sido provocado por la creciente necesidad de la sociedad de obtener mejores productos y cada vez a un precio más asequible. A su vez el aumento del beneficio económico que la automatización ha provocado a las empresas productoras ha sido un factor fundamental. El impacto social es evidente, muchos de los trabajos que antes eran cubiertos por personas, ahora son realizados por mecanismos automáticos o robots. Esto crea un conflicto de intereses, por un lado, la preferencia por precios más competitivos y por otro, la preocupación creciente que los mecanismos automáticos puedan reemplazar a la mano de obra. Sin embargo, es importante destacar la necesidad que la puesta en marcha de mecanismos automáticos tiene de personal cualificado. Cada vez más puestos de alto nivel son creados debido a la creciente demanda de plantas automatizadas. A su vez, estas plantas requieren un mantenimiento y una supervisión que también crean puestos nuevos. La clave de este proceso de cambio hacia la industria 4.0 es mantener un buen equilibrio entre máquinas y personal para que puedan seguir manteniéndose ventajas competitivas sin afectar al sector laboral